切断の現状: 最先端のレーザー切断

Sep 01, 2023

テネシー州の金属製造業者、Cupples の J&J Company は、19 台のレーザー切断機を使用してワークフローに珍しいアプローチを採用しています。 オペレーションがほぼ完璧に予定どおりに納品されることを考えると、このアプローチは機能しています。 ゲッティイメージズ

編集者注:これは、50 周年を記念した 4 部構成のカッティングの現状シリーズの第 2 部です。 パート I、パート III、パート IV をご覧ください。

Cupples の J&J Company Inc. のレーザー切断部門で新人が働き始めると、通常、切断された部品がレーザーから外された直後に巣から降ろされることに気づきます。 これは、一般的な金属製造工場、特に小規模な工場 (従業員数十名、年間収益 500 万ドル未満) で、大規模な工場で一般的な自動ブランキング システムなしで仕事を始める多くの人にとって、一般的な出発点です。

問題は、Cupples の J&J は小さくないということです。 実際、カスタム製造基準によれば、同社は国内最大規模の事業の 1 つであり、従業員数は 340 名、年間収益は 6,300 万ドルを超えています。 テネシー州ジャクソンの工場とダイアーズバーグの工場の間には、大西洋のこちら側で最も強力な数台を含む 19 台のレーザー切断機があります。 35 台を超えるプレス ブレーキ、包括的な機械加工機能、大規模な溶接作業 (手動セルと 25 個のロボット セルの両方)、作業設備を備えています。 しかし、シートを供給したり、切断された部品を保管したりする自動タワーはどこにもありません。 このショップには自動積み込み/積み下ろしを備えたレーザーが 1 台ありますが、これはスクラッチのない取り扱いのためであり、スループットの向上のためではありません。

「人々は、成長するにはすべてを自動化する必要があると言います」と見積もりおよびエンジニアリング担当副社長のジェフ・カッププルズ氏は語った。 「そうですね、どういうわけか、私たちは自動化なしでなんとかやってこれました。私たちは、『最終的には自動化を使用する必要があるだろう』と考え続けました。 しかし、当社の顧客ベースは、その必要はないとほぼ言っていました。当社は 99% 予定通りに納品しています。また、借金はありません。すべてのマシンを所有しており、新しいマシンを購入する場合は現金で支払います。クレイジーな世界、私たちは自分たちのニッチを見つけました。」

事業は拡大を続けており、レーザー切断部門を運営し、さらに言えば、より広範なカスタム製造事業（そしてカップルズの場合は大規模な機械工場も）を管理する唯一の「正しい方法」がないことを証明しています。

The FABRICATOR マガジンの創刊 50 周年を記念して、全国の著名な製造業者数社の業務を分析し、レーザー切断の現状を調査します。 マガジンとレーザーカッティングは共に成長してきました。 この出版物の板金レーザー切断に関する報道は 1974 年にまで遡ります。長年にわたり、レーザー切断機が目立たない目新しさから、「フレックス ツール」パンチ プレス作業に取って代わる可能性のある業界の優位性への隆盛を記録してきました。 確かに、Cupples の J&J は、これなしでは今日の運営はなかったでしょう。

Cupples は、顧客の構成に応じて、切断と曲げの作業に「ミニ工場」のアプローチを採用しています。 同社には、通常はミニ工場全体を埋めるのに十分な繰り返し部品など、高い生産能力を必要とする非常に大規模な顧客が少数います。 Cupples は依然として求人ショップであるため、リソースの共有が豊富です。 1 つのミニ工場に空き容量がある場合、プランナーはそれに合わせて作業をシフトします。 そして、1 つのミニ工場は引き続き、短納期と多品種の生産に特化しています。

各ミニ工場には、1 人の顧客または少数の顧客の製品グループに精通したスタッフが配置されています。 「しかし、私たちは柔軟です」とカップルズ氏は述べ、生産能力の需要が変化した場合、人々は必要に応じてミニ工場間を移動すると付け加えた。

スタッフも、大雑把な意味での部品群に精通しているわけではありません。 彼らは、どの工場のどの材料グレードがそれらの部品に最適であるか、またどのレーザーが最も効果的かを知っています。

ミニファクトリーのアプローチはキャリアパスを導き、トレーニングはベテラン職員を尾行することから始まります。コンピューターの前に座って巣のレイアウトを見るのではなく、レーザーシャトルテーブル自体のそばに立って部品を降ろすところから始まります。

Cupples の J&J Company は、レーザー切断の最先端を推進することで名を馳せています。 同社は、Bystronic のいくつかの 10 kW ファイバー レーザー システムと、Eagles の 12 kW および 15 kW (写真) に投資しました。

急いで新しい人材を失うには、部品の負荷を軽減するのが良い方法だと考える人もいるかもしれません。 しかし、Cupples ではそのようなことは起こりません。主な理由は、オペレーターがスムーズな荷降ろしプロセスの重要性を学んでいるからです。 オペレーターがパーツを取り外し、積み上げ、下流の次の操作に素早く送ることができれば、周囲のすべての操作変数が正常に機能していることがわかります。 各マシンには、リーチが延長されたスイングアームローダーが装備されています。 また、どの機械でも、両側のシャトル テーブルに人がアクセスできるため、部品の取り外しや分類をできるだけ早く行うことができます。

揺れたり壊れたりすることは稀です。 「私たちは（部品を入れ子に）タブで留めるのが好きではありません」とカップルズ氏は述べ、プログラマーは切断部品を一貫してサポートするために部品の向きと機械のスラット構成に細心の注意を払っており、その日の組み合わせに合わせてスラット構成を変更することもあると付け加えた。部品。

手動であろうと自動であろうと、どのような状況でも、シェイクアンドブレイクはスループットを低下させ、ほとんどの人にとってそれはありがたくない仕事です。 もしカップルズの新人たちが、揺れて壊れる日々を過ごしていたら、おそらく会社には長くは続かないでしょう。

また、混乱の中で作業し、シャトル テーブルからシャトル テーブルへと走り回り、レーザーが次のシートの切断を完了する前に部品を取り除くために大量の汗をかきながら作業する場合、彼らは長く滞在することはできません。 しかし、彼らは慌てません。 レーザーのサイクルが終了すると、デュアル シャトル システムがカット シートを取り外し、新しいシートと交換します。 新人は整然と荷物を降ろし、その間にベテランと雑談して、作業がなぜスムーズに行われるのかを学びます。

たとえば、場合によってはパーツ レベラーを使用する必要がある場合でも、平らなパーツのバリ取りを行う必要がないことを学習します。 「私たちの一般的なルールは、エッジのバリが 0.005 インチ未満であることです。業界標準では、これは本質的にバリがまったくないことを意味します」とカッププルズ氏は述べています。 「そのため、ファイバー レーザーで一貫して 0.005 インチ未満のバリを達成できない場合は、CO2 レーザーを使用します。それでも、窒素を使用して 10 mm 以下の製品切断を行っており、その 99% はレーザーで切断されます。ファイバーレーザー。」

別の例: 部品を選別するベテランが、狭いチャネルを形成する左右の部品となる 2 つの狭い部品を指摘する場合があります。 これらは互いに隣接してネストされていますが、エッジ ジオメトリ属性が互いに反対になるようにミラー化されています。 この新人は、材料の歩留まりが非常に重要であることを思い出しましたが、それでも、これらの部品をこの方法で配置すると、より広い範囲のセクションが残るように思えます。 彼はこのことを近くの経験豊富なベテランに持ち出し、ベテランは切削後の残留応力の解放や、プレス ブレーキの形成公差の性質について説明します。 レーザーがシート内に閉じ込められていた応力を解放したため、細長いブランクはわずかに曲がります。

もちろん、ミニファクトリーチームはこれを避けるために全力を尽くします。 彼らは購買担当者と緊密に連携し、切断がさまざまな工場やサービスセンターからの在庫にどのような影響を与えるかを研究しています。 実際、同社は特定の情報源から得た特定の素材についての知識に基づいて、切断技術表を調整しています。 同じグレードと ASTM 指定の 2 枚の同一のシートでも、異なる場所から来た場合、カット方法が異なる可能性があります。

また、プログラマーは、これらの影響を最小限に抑えるためにレーザーをネストしてプログラムし、レーザーが部品からレーザーの「熱を押し出す」経路を確実に取り、残留応力や後続の複雑さの影響を軽減する方法で部品の向きを調整することもあります。形にする。

しかし、まれに、非常に軽い弓が避けられないことがあります。 ほとんどの場合、この部品はパーツ レベラーを介して送信されます。 ただし、これらの部品については、顧客はそれを必要としません。 本当に重要なのは、形成されたチャネルの公差です。 そして、これら 2 つの部品がネスト内で互いに鏡像するように配置すると、プレス ブレーキ操作者は 2 つの部品が反対方向にわずかに曲がることになります。 これにより、ブレーキ オペレータは、左側と右側の両方のチャネルで許容誤差を同じ方向に、重要でない寸法まで押し上げることができます。

カップルズ氏は、新人と話しているベテランはおそらくすぐにすべての詳細を掘り下げることはないだろうと付け加えた（そうしないと、カットされた部品が時間内にアンロードされ、分類されることは決してないでしょう）。 いずれにせよ、手動によるアンロード操作は、切断された部品の巣を実際に見て、それについて話し、学ぶ機会を人々に与えます。 新人は業務がどのように機能するかを学び、経験を積んだ人はさらなる改善のための洞察を得ることができます。

従業員がシャトルテーブルから部品を降ろします。 10 kW ファイバー レーザーを動作させると、3/8 インチで動作します。 毎分 225 インチで材料を降ろす速度は、1 人のオペレーターが荷降ろしするには速すぎます。 ライトカーテンがローダーシステムを囲み、オペレーターがそのエリアを離れるとすべてがリセットされます。

同社は静的ネスティングと自動化された動的ネスティングの両方を実行しており、どちらの戦略を選択するかは、顧客と切断される部品によって異なります。 「巣は密度がすべてではありません」とカップルズ氏は言う。 「一貫した部品が必要です。また、公差が厳しい場合は、材料の粒子の方向に注意を払う必要があります。非常に多くのシナリオがあり、私たちはそれらすべてに毎日対応できるように準備しています。」

直観に反するように聞こえますが、Cupples の J&J では大量の繰り返し作業が行われ、すべてこれらのミニ工場で組織化されているという事実により、手動による荷降ろしと部品の仕分けがより効率的に行われています。 もし管理者が、数十、数百の顧客からの小ロット部品の巣を生産する 19 台のレーザー間で部品のアンロード作業を分散しなければならなかったとしたら、混乱が支配することになるでしょう。 繰り返しますが、同社は短期間の生産を行っており、そのために「その他の」ミニ工場を専用にしていますが、生産削減は同社の基礎です。

顧客の需要が巣を決定し、Cupples の需要は、たとえば、数百人の少額の顧客を抱える小規模な求人サイトよりももう少し予測可能です。 時間の経過とともに、ミニ工場のプログラマーと見積り担当者は協力して最適な部品ネストを作成し、高い材料歩留まり、良好な部品の一貫性、および部品の仕分けを含むスムーズな部品の流れの必要性のバランスをとります。

彼らは、適切なレーザーと利用可能な部品仕分け労働力を使用して、適切な部品のネストを照合します。 レーザーが厚い材料のバッチを実行する場合、ミニ工場のマネージャーは、3 台のマシンを実行するために 2 人だけをスケジュールする可能性があります。 切断サイクル時間は十分に長いため、レーザーが次のプレートの切断を完了する前に 2 人でプログラムを開始し、部品をアンロードできます。

同様に、部品が小さな穴の多い部品でいっぱいの場合、切断サイクル時間が長くなるため、作業に必要な仕分け要員が少なくなる可能性があります。 機械を動かしたり部品を仕分けしたりするには、1 人で十分かもしれません。 逆に、強力なレーザーで少数の大きな部品からなる巣を切断する場合、レーザーは数分以内に終了します。 このため、レーザーによる切断が完了する前に、選別機のチームが大型部品を（リフト補助を使用して）降ろす準備を整えておく必要があります。 あるいは、プログラマは、小さな部品で囲まれたいくつかの大きな部品をネストすることを選択することもできます。 これにより切断サイクルが長くなり、仕分け作業者が荷降ろしにかかる時間が少し長くなります。

「当社には、シートやプレート上での作業の長さに応じて、その数が増減する柔軟な選別作業員がいます」とカップルズ氏は語った。

カップルズは笑った。 「私から 1 マイルも離れていない他の店に 2 台の 10 kW ファイバー レーザーがあります。私たちは囲まれています!」 同氏は、近くの鉄鋼サービスセンターにも高出力ファイバーレーザーを設置していると付け加えた。 「これらは10億ドル規模の企業であり、成長を続けている」と同氏は語った。 「何とかして優位性を得る必要がある。」

Cupples は 2 つのアプローチでその優位性を獲得しました。 まず、切断（プラズマやウォータージェットを含む）、曲げ、圧延、溶接、塗装、組み立てだけでなく、広範な機械加工も提供するワンストップショップです。 小さな機械加工部門でもありません。 本格的な機械加工企業です。

このショップでは、主に傷のない加工のために、Bytronic レーザーの 1 つに取り付けられた自動化を使用しています。

第二に、特にレーザーに関しては、最先端のテクノロジーを採用しています。 この場所には、レーザー光学系の洗浄とメンテナンス専用のクリーンルームがあります。 これには、8 台の CO2 レーザーの光学系が含まれており、現在も厚い素材の切断に忙しくなっており、同社は古いファイバー レーザー ヘッドの一部を清掃およびメンテナンスしています。

底部カバーのスライドを交換する場合を除き、最新のファイバー レーザー ヘッドは密閉されており、レーザー OEM 以外はアクセスできません。 しかし、だからといって製造業者がプロセスを完璧にすることを止めるわけではありません。 たとえば、Cupples のチームは、12 kW Eagle ファイバー レーザー (Fairmont Machinery を通じて米国で販売) について、切断面を研究しました。 彼らは、ビームには非常に迅速に適切な切断を行うためのパワーと焦点があることを知っていましたが、さらに優れたものになる可能性はあるでしょうか? 彼らはノズルを見て考えました。

「私たちはこう言いました。『当社には機械加工能力があり、銅の在庫もあります。機械メーカーもこれに協力しているので、独自のノズルを切断して何が起こるか見てみましょう。」とカッププルズ氏は思い出します。 このノズルは、層流を促進し、切り溝全体にわたる窒素アシストガスの乱流を減らすように設計されており、切断速度を約 20% 高速化しました。 「最後に確認したとき、3/8 インチの炭素鋼を毎分約 305 インチの速度で切断していました。」

FABTECH® 2019 では、非公式にカップルズ ノズルと呼ばれるそのノズルが Eagle Laser ブースに展示されました。 Cupples 氏は、「展示会の 15 kW 機械は、Cupples ノズルを使用して 3/8 インチの鋼材を毎分 390 インチで切断していました」と回想しています。

近年の切断速度の驚異的な進歩を考慮すると、通常、リスクは報われます。 新しいマシンに大きな問題が発生しても、全体の容量に影響を与えることはほとんどありません。 実際、計画外のダウンタイムにもかかわらず、切断能力はほぼ常に増加します。

Cupples 氏は、この種の設備としては北米初となる 6 kW ファイバー レーザーを導入したことを思い出しました。 「私たちはこの製品のアルファ版とベータ版のテスターのようでした」と彼は言いました。 「最初の 6 か月間、マシンは半分の時間も稼働しませんでした。それでも、私たちはテクノロジーの最先端にいて、出力はまだ得られていました。はい、マシンは半分の時間停止していましたが、マシンは「（古いレーザーの）2 倍の速度で動作し、加速もはるかに優れていました。したがって、最終的には、より少ないコストでより多くの出力を得ることができました。」

そうは言っても、上場サービスセンターを含め、すべての企業がそのようなリスクを冒して最新技術の最先端を行くわけではないことをカップルズは十分に承知しています。 こうした飛躍を遂げることで、Cupples は競合他社との差別化を図ることができ、特にそこで働く多くの従業員の技術的知識が向上します。

また、同社は Bytronic から Eagle、High-YAG まで、さまざまな業界ベンダーと協力して、可能な限り最高の製品を開発できるようになります。 エンドカスタマーからファブリケーター、機器メーカーに至るまでのこのようなコラボレーションこそが、The FABRICATOR の発行元であるファブリケーターズ & マニュファクチャラーズ アソシエーションを半世紀前に設立した理由です。 Cupples の J&J は、過去 18 か月間で 100 人以上の従業員を増員しており、そのコラボレーションが実際にうまく機能していることを証明しています。