金属加工業者はどれくらいのレーザー切断能力を必要としますか?

Sep 02, 2023

金属製造工場のニーズに最適なレーザー切断能力を決定することは、顧客、リソース、能力、運営コストという製造ビジネスの 4 つの領域にかかっています。 シンシナティ・インコーポレーテッド

編集者注:この記事の内容は、シカゴの FABTECH 2021 で、Cincinnati Incorporated のレーザーおよびオートメーション製品マネージャーである Troy Wilson が発表した「Putting all this laser power to work for you」に基づいています。

レーザー切断のキロワット競争が再び始まります。 1990 年代と 2000 年代に CO2 マシンでこのようなことが起こりましたが、現在ファイバー レーザーでも同じことが再び起こっています。 今日の超高出力システムにも適した場所がありますが、低出力システムにも適した場所があります。 それでは、どのレーザー出力があなたの手術に適しているのでしょうか?

まず、切断する材料の厚さ、グレード、および部品の形状を詳しく調べることから始めます。 しかし、雑草に飛び込む前に、ズームアウトして全体像を見てください。 顧客、リソース、機能、運用コストの 4 つの領域に関連するビジネス全体を考慮してください。 最初の領域である顧客構成は、残りの 3 つの領域の方向性を決定しますが、4 つすべてがどの種類のファイバー レーザーがビジネスに最適であるかに影響を与える可能性があります。

ショップの顧客構成はそのビジネス モデルを形成します。金属製造では、通常、これは相手先ブランド製造 (OEM、または製品ラインのメーカー)、受託製造、およびジョブ ショップの 3 つの領域の 1 つまたは組み合わせに分類されます。

OEM は、自社製品のニーズに基づいた内部プロセスを開発します。 装置は調整され、無駄を最小限に抑え、スムーズで予測可能なスループットを生み出すペースに沿って生産が調整およびタイミング設定されます。 製品の需要によって生産のペースが決まります。

委託製造業者には、1 つまたは 2 つのフレーバーの組み合わせがあります。 1 つの特徴は、さまざまな顧客向けにサブアセンブリを構築する製造業者を表します。 これらは、特定の範囲の材料の種類、厚さ、加工精度を中心とした特定の機能に特化している可能性がありますが、最終的には幅広い市場にサービスを提供します。

受託製造のもう 1 つの側面は、ビジネス全体を 1 つまたは少数の関連市場に集中させます。 上位層の自動車サプライヤーはこのカテゴリに分類されますが、他の多くの企業も同様です。 あまり知られていない例としては、スロット マシン業界に特化した受託製造会社が挙げられます。

最後の、最も広く普及しているビジネス モデルは、金属加工ジョブ ショップです。 これらは業界のスイスアーミーナイフです。 彼らの主な関心事は、迅速な対応と注文から出荷までのサイクルの短縮です。

受け入れドックから出荷ドックまでの全体的な製造時間を測定することは、どの製造業者にとっても役立ちますが、ジョブショップにとっては特に重要です。 生のストックが玄関に入ってくるときに、そのシートに紙を貼り付けたとします。 紙は、そのシートに沿って切断、曲げ、溶接、仕上げ、梱包、出荷されます。 書類が店頭に届くまでの時間が短ければ短いほど、ビジネスの反応が良くなり、求人ショップの競争力が高まります。

ここで、OEM での同じ作業を想像してください。 紙は切断、曲げ、溶接を経て完成品倉庫に出荷されます。 顧客が製品を購入すると、完成品が倉庫から出荷され、サイクルが完了します。 ここで、OEM が製造能力を増強しても、製品に対する顧客の需要が変わらないと想像してください。 材料は工場内をより速く移動し、完成品の中に収まります。 製造能力が増加したにもかかわらず、全体的な製造サイクルは変わっていません。

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これは、OEM が製造能力をまったく増やす必要がないという意味ではありません。 ただし、レーザー切断機 (またはその他の機器) の購入決定は、自社が製造する製品、または将来製造する可能性のある製品に基づいて行われます。 言い換えれば、同社の製品は製造能力ではなく収益を促進します。

委託製造業者 (つまり、受託製造業者) は製品を販売しませんが、純粋な金属製造能力も販売しません。 彼らは信頼できる製造パートナーシップを売りにしており、それらのパートナーシップをサポートする期待によって、委託製造業者がどのような性質のものであるかが決まります。 一部の受託製造業者は、スロット マシン ビジネスに特化した受託製造業者のように、1 人または同様の狭いグループの顧客にサービスを提供するように進化する可能性があります。 別の受託製造業者がさまざまな市場にサービスを提供する可能性があります。 最大の顧客専用のバリューストリームがいくつかありますが、工場の他のエリアでは、材料の種類、品質レベル、またはその他の指標に基づいて、さまざまなリピート注文を処理する可能性があります。

受託製造環境で全体の製造時間を測定することを想像してみてください。 生の在庫に紙を貼り付け、それが店舗を流れて顧客に出荷されます。 あるいは、顧客がカンバン方式でそこから引き出してくる製造業者の完成品倉庫にジョブをしばらく保管することもできます。 顧客が完成品から在庫を引き出すと、製造業者は在庫を補充します。

ここで、受託製造業者が製造能力を増強したと想像してください。 これにより、紙が製造現場で費やされる時間が短縮され、営業担当者が将来の製造パートナーとなる（彼らが期待する）他の顧客に同社の金属製造能力を販売する扉が開かれます。 迅速かつ信頼性の高い対応をサポートするために製造能力を増強することは、既存の顧客にとって、受託製造業者が必要とする完成品在庫のバッファーが少なくなることを意味する可能性もあります。

したがって、受託製造業者にとって、生産能力の増加は収益を促進する可能性がありますが、それは、その生産能力が企業が定義された範囲の顧客にサービスを提供するのに役立つ場合に限ります。 顧客の適合性が高いほど、その顧客が製造パートナーになる可能性が高くなります。

これらのタイプの製造業者 (OEM、受託製造業者、ジョブ ショップ) を、製造業者のビジネス モデルの「レシピ」を構成する 3 つの要素として考えてください。 一部の製造業者は 1 つの材料のみを使用します。 他の人は2つまたは3つを使用します。 これは特にジョブショップや委託製造業者に当てはまります。 結局のところ、成功したジョブ ショップが成長して受託製造業者になることが多く、受託製造業者のビジネスの特定の領域 (たとえば、プロトタイプやクイック ターン セルなど) は、以前のジョブ ショップと同様に引き続き稼働できます。

さらに、ジョブ ショップは独自の製品ラインを開発する場合がありますが、OEM はジョブ ショップと同様に余剰製造能力を販売する場合があります。 計画された戦略に基づいている限り、どちらも良い動きになる可能性があります。

たとえば、求人ショップは、非常に変動の激しい需要に対応するための製品ラインを立ち上げるかもしれません。 たとえば、レーザー切断の巣を現在の仕事で埋めることができない場合、ショップは補充部品を使用して自社製品の在庫を補充できます。 実際、機械の生産性が高まるにつれて、ジョブショップと製品ラインのハイブリッドモデルがさらに実現可能になります。 超高出力レーザーを備えた製造業者は、たとえ繁忙期であっても、レーザー切断能力を争う企業の作業場や製品ライン領域について心配する必要がなくなるかもしれません。

同様に、OEM は余剰製造能力を販売するためにジョブショップ部門を立ち上げるかもしれません。 ただし、この場合、ジョブ ショップの立ち上げは、理想的には、不十分な機械投資に対する単なる反応ではなく、OEM の計画された戦略の一部である必要があります。 15 kW のファイバー レーザーを購入すると、特定の OEM に必要以上のレーザー切断能力が与えられる可能性があるため、その余剰能力の販売を開始します。 残念ながら、製造工場全体は狭い範囲の製品を生産するように設計されています。 この環境に変動性の高いジョブショップ作業を追加すると、大幅な非効率が生じる可能性があります。

製造業者は、自由に利用できる 5 つのカテゴリのリソースを持っています。 1 つ目は、店舗の規模、利用可能な未使用スペース、すべてのスペースがどのように効率的に使用されているかなどの施設です。 また、ここで最も見落とされている側面の 1 つはマテリアル ハンドリングであることにも注意してください。 原材料や製品の流れは既存の設備で対応できますか?

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2つ目は人材です。 彼らのスキルセットは何ですか? 彼らはどのように訓練され、知識はどの程度文書化されているのでしょうか? もうすぐ引退するのは誰ですか? 組織はどの程度効果的に欠員を補充し、人材を雇用し、育成できるでしょうか? レーザー切断とパンチングなどの関連プロセスの経験はどれくらいありますか? どんなに強力であっても、優れたレーザー切断機を操作するには優れた人材が必要です。

3 番目のリソースは、2 番目のリソースと密接に関連しており、利用可能時間です。 従業員は何シフトで働いていますか?また、必要に応じて店はシフトを追加できますか? 逆に、生産能力を増強した企業は、1 回のシフトだけで必要なものを生産し、2 回目のシフトの必要性をなくすことができるでしょうか?

4 番目のリソースは設備です。これには、企業が効率性と保守コストを測定する方法が含まれます。 5 つ目は外部リソースに関するものです。 これには、オーバーフロー作業を処理できる他の製造業者（需要のピークに対応するオペレーションに影響する）や、パウダーコーターやメッキ業者などの外部サービスプロバイダーとのショップの関係が含まれます。 レーザー切断能力の向上は、作業の大部分を、増加した量に対応する能力のない外部のサービスプロバイダーに依頼しなければならない場合にのみ効果を発揮します。

これら 5 つのリソース領域のそれぞれを、顧客構成の要求に「調整」するためのノブとして考えてください。 スペースはあまりないが、ネスティングや下流作業に利用可能な労働力がある工場では、成形、溶接、最終組み立て作業を行うために数台の超高出力レーザーに投資することができ、需要のピーク時に複数のシフトに拡張することができます。 追加のシフトが選択肢にない場合でも、ショップが「平面のみ」のレーザー切断作業を十分に行っている場合には、これらの高出力レーザーを使用するのが合理的になる可能性があります。 自動化への補完的な投資により、レーザーは週末の間無人で稼働し、月曜の朝一番に部品を顧客に発送することができます。 一方、需要に応じて利用できない下流のリソースが必要な場合、単にレーザー切断能力を追加するだけではリソースの効率的な使用とは言えません。

それでも、「リソースの効率的な使用」の定義は、顧客の構成と製造業者のビジネス モデルによって異なります。 10gaを中心にカットを行う受託メーカーです。 材料とシンナーは月曜日の朝に 15 kW のファイバー レーザーを実行し、昼休みまでに 1 週​​間分の作業を完了する可能性があります。 これは、少なくとも受託製造業者にとっては、リソースのあまり効率的な使用法とは言えません。

あるいは、これと同じ状況がジョブショップにとって大きなチャンスをもたらす可能性もあります。 ジョブショップの成功は、キャパシティの使用率よりも、すぐに利用できるキャパシティに大きく左右されます。 15 kW レーザーは、作業現場では連続的に稼働しない可能性があります。 しかし、生産能力が利用可能な限り、つまり、システムが即座に作動して部品を生産できる限り、高出力レーザーは工場の迅速な対応に役立ちます。 これによりキャッシュフローが増加し、同時に求人ショップの競争力が高まります。

これらには、見積、エンジニアリング、ブランキング、曲げ、溶接、塗装、組立て、出荷といった製造ステップの注文から出荷までのチェーンと、それらのステップを流れる部品やアセンブリの性質が含まれます。 ここで全体的な見方をすると役に立ちます。 注文はどのようにして入ってくるのでしょうか？ エンタープライズ リソース プランニング (ERP) システムはどのようにそれらの命令を提示し、それらの命令をフロアに送信するためにどのような手順が実行されるのでしょうか? 製造業者が最も望んでいないことは、部品が最初の切断作業に到達する前に、注文処理やエンジニアリングにおける作業上の難所が発生することです。

下流プロセスも重要です。 たとえば、製造業者がレーザー切断能力をアップグレードし、部品を下流に送ったとします。 バッチ粉体塗装プロセス、共有リソース、そして頻繁に発生する問題点に到達するまでは、すべてが順調に見えます。 スループットを真に向上させ、上流でのレーザー切断やその他の設備投資を最大限に活用するには、運用で下流のボトルネックに対処する必要があります。 現在の例では、前処理を伴う連続パウダー コート ラインがチョーク ポイントを排除するのであれば、良い投資となる可能性があります。

そうであっても、全体像を考慮せずに、問題点を精査すべきではありません。 ここで、ジョブ ルーティングとスパゲッティ ダイアグラムが登場します。 ある契約製造業者が、20 台のプレス ブレーキと 25 台の溶接ステーションに供給する 5 台のレーザーを備えた主要生産エリアを持っているとします。 これにより、ジョブはゴールラインに向かって複数のレーンを移動できるようになります。 別の領域では、製品を特定の方法で製造および処理することを要求する 1 人の顧客専用のバリュー ストリームを持っています。 各領域には個別のブランキングのニーズがあります。 顧客専用のバリューストリームは、2 つの低出力レーザー切断センターで完全にうまく動作します。 ラインのバランスが取れており、受託製造業者は信頼性の高い納品を維持できます。 レーザーの切断能力を上げるのは無駄です。

では、主な産地はどうでしょうか？ そこにある超高出力レーザーにより、プラントの残りの部分で作業が不足することがないように、十分な余剰能力が操業に与えられる可能性があります。 あるいは、運営は（利用可能なメンテナンスリソースを考慮して）レーザー切断センターの数を 5 つから 4 つに減らすことを選択するかもしれません。

別のシナリオでは、特にシートの密度を高めるために必要なリソースを考慮した場合、製品構成に応じて、より低いレーザー出力に投資する方が操作に適している可能性があります。 実際、レーザー切断とネスト化を 1 つのプロセスとして考えると役立ちます。 結局のところ、レーザー切断は実際に利用可能になって下流工程に提示されるまで完了しません。

個人が快適に扱うには大きすぎる、いくつかの大きな長方形のパーツが入れ子になった薄いシートを考えてみましょう。 この場合、低出力のレーザーでも、自動部品選別機に追いつくのに十分な速さで切断できます。 この配置でレーザー出力をブーストしても、自動化が追いつかないため、役に立たない可能性があります。 たとえショップが手作業によるネスティングに依存していたとしても、同じことが当てはまります。 もちろん、柔軟な製造システムの一環として、これらの部品を保管タワーに戻すこともできますが、最終的には誰かがそれらの部品を掘り下げる必要があります。

パーツの組み合わせが異なると状況は完全に変わります。 ネストの大部分が中程度から小さなパーツで構成されている操作を考えてみましょう。 この場合、出力の低いレーザーを使用すると、部品の周囲すべてを切断するのにかなりの時間がかかる可能性があります。 デネスターには部品を分類するのに十分な時間があります。 ただし、超高出力レーザーを使用すると、0.25 ～ 0.5 インチの炭素鋼などの加工時間を大幅に短縮できます。手動の部品選別機は間違いなく忙しくなり、その領域にはさらに数人の追加の人員が必要になる可能性がありますが、おそらく勝利するでしょう。圧倒されないでください。

ここで、ついに材料のグレードと厚さが重要になります。 ある店の仕事の 80% が 16 ガの切断に関係しているとします。 アルミニウム。 彼らは、8 kW と 15 kW システムの速度差はごくわずかであることを発見しました。では、なぜ 15 kW システムに投資するのでしょうか?

ただし、切断速度を単独で見ることは避けてください。 アシストガスも重要です。 0.5 インチを大幅にカットする操作を考えてみましょう。 炭素鋼。 従来、これは酸素をアシストガスとして使用してレーザー切断されていたため、酸化物層を除去するために部品を二次プロセスに送る必要がある可能性がありました。 しかし、今日では、高出力レーザーを使用して、そのままの窒素または超乾燥空気を使用してそのような部品を切断し、酸化物のないエッジを備えたブランクを製造できます。 1 分間にさらに数インチカットするのは良いことですが、二次的な作業を完全になくすことはさらに良いことです。

1 ～ 1.25 インチの非常に厚い材料を切断する場合は、そのような部品の市場を考慮してください。 レーザーカットされた厚いプレートは展示会の会場では非常にクールに見えますが、そのようなプレートの切断は特殊な分野であることを認識してください。 厚板のレーザー切断作業は存在しますが、レーザー切断をオプションとして考慮したことのなかった市場を開拓することで成功しています。 まず、レーザーのテーブルはそのような重いプレートを扱えるように設計する必要があります。 第二に、操作の大部分は、より安価で、より適切なプロセスである高精細プラズマ切断と競合することになります。

これらには、設備コスト、機器のメンテナンス、人件費、外部サービスのコストなどの一般的な疑わしいものが含まれます。 粉体塗装やその他のこれまで外注していたプロセスを社内に導入するなどの垂直統合は意味があるのでしょうか?

ここでは、電力消費など、あまり一般的ではない問題も関係しています。 電力料金が高い地域の店舗では、特にアシストガスに関しては、設備投資戦略が異なる場合があります。 エネルギーコストの低い地域では、窒素生成システムは非常に合理的ですが、キロワット時あたりのコストが上昇するにつれて、バルク窒素がより魅力的に見え始めます。

カリフォルニア州サンノゼに 1 つの店舗があり、ワシントン州スポケーンにもう 1 つの店舗があるとします。サンノゼでは、平方フィートあたりの全体的な設備コストが非常に高いため、店舗は設備を追加しません。 それは機器を置き換えます。 建物を増築するには費用がかかりすぎます。 運営では、すべての平方フィートから可能な限りすべての価値を絞り出し、施設が消費するすべてのワットからより多くの利益を得る必要があります。 一方、スポケーンのショップにはスペースがあり、レーザーをいくつか追加する余裕があるため、手術に最適なレーザーの種類が決まります。

顧客、リソース、機能、運用コストなどの全体像を分析したら、どのレーザー システムが自社の運用に最適であるかを見つける準備が整います。 これには、電力のレベルだけでなく、自動化のレベルも含まれます。

ただし、ビジネス モデルが進化し、顧客の要求が変化し、テクノロジーがこれまで以上に急速に進歩していることが 1 つの課題です。 ファイバーレーザーは業界に巨大なエンジンを与えました。 現在、ドライブ、サーボモーター、カッティングヘッド、ノズルの進歩により、エンジンを最大限に活用する新たな方法が見つかるでしょう。

モジュール性がより重要になるでしょう。 製造業者は、既存のレーザーにタワーやオートメーションを追加できるだけでなく、機械全体ではなくレーザー光源を交換することもできます。 交換は、複数の日や数週間にわたってではなく、単一のシフトで行うことができます。

たとえば、製造業者がいくつかの古い CO2 レーザーを交換する必要があるとします。 同社は依然として主に人材派遣会社であるため、何でもできるスイス アーミーナイフの 10 kW ファイバー レーザーを選択しています。 運用が拡大し、容量を満たすために 10 kW レーザーにタワーが追加されました。 ビジネスが進化するにつれて、ニーズも変化します。 同店はますます10画に力を入れていることがわかる。 そして薄い素材。 実際、その 10 ガを分離する必要があります。 サイクルタイム要件を満たすために残りから作業します。

そのため、同社は 5 kW のファイバー レーザーに投資しました。これは、10 ゲージの中型の部品の巣を加工するのに十分なほど強力で、そのほとんどには時間のかかる内部機能や複雑な輪郭がありません。 問題は、10-gaのミックスです。 そして、より薄い部品は自動化の機が熟しています。 一方、自動化された 10 kW レーザーは、これまでスイス アーミー ナイフと呼ばれていましたが、このショップの製品構成の「ロングテール」である、一連の少量作業の動的ネストの処理により適しています。

解決策は何でしょうか？ ここでモジュール性が登場します。 自動化機能は 10 kW レーザーから削除され、5 kW システムに配置されます。 現在、5 kW システムは、ショップの中核となる、繰り返し注文される部品を実行しています。 一方、10 kW は、注文品の積み込み、切断、ネスト化、出荷を数時間以内に行うことができる、迅速な対応を行う製造業者の機械になります。

このようなモジュール性は、今後数年間でさらに重要になるでしょう。 製造業者がジョブショップから受託製造業者に成長し、製品ラインを発売し、新たな機会を活用するためにビジネスに再注力するにつれて、テクノロジーも進化します。 精密金属加工ビジネスの変化に伴い、現代の精密板金業界を形作ってきた中核技術であるレーザー切断も変化します。