ペンシルバニア州の金属加工業者が超高出力のレーザーで切断する方法

Jun 03, 2023

ペンシルベニア州のある金属加工工場には 2 台のレーザー切断機がありますが、それぞれ 15 kW と 20 kW の切断能力があることに気づくまでは、何ら珍しいことではありません。 提供された画像

金属製造業界の高いレーザー切断能力のビジネスケースは、長年にわたって進化してきました。 CO2 レーザー切断の初期の頃は、出力が大きいほど、より速く、より厚く切断できました。 特にカスタム製造業者にとって、より高出力のレーザーはショップの能力を広げ、それがひいては新しい顧客や市場への扉を開きました。

そして 2000 年代後半には、ファイバー レーザーとまったく新しいボールゲームが登場しました。 薄い素材を切断する場合、ファイバーレーザーは、同様に電力を供給された CO2 の周りを周回することができます。 ファイバーレーザーは業界の切断能力を飛躍的に押し上げ、多くの店がその切断能力を養うのに苦労するほどでした。 確かに、工場では材料の取り扱いを自動化することはできますが、それでも、非常に高速に切断するレーザーは、下流のプロセス、特に曲げや溶接を圧倒する可能性があります。 それは注文から出荷までのスループットに関するものです。工場が下流のボトルネックを解消するためだけに切断能力を強化した場合、その切断能力は何の役に立つのでしょうか。

結局のところ、これらすべての仮定は、特に 10、15、さらには 20 kW のファイバーレーザー切断出力を導入した運用を深く掘り下げると、最適なスループットを促進するために必要なチェスのような戦略を過度に単純化する可能性があります。

代表的な例として、Raytec LLC は、切断力の向上に多くの利点があることを発見しました。 製造現場には、1 つは 15 kW、もう 1 つは 20 kW の 2 つのファイバー レーザーが設置されています。 なぜ製造業者がこのような膨大な切断能力に投資したのかを理解するには、スループットのチェス盤を詳しく見る必要があります。

Raytec のオーナーの 1 人である Glen Zimmerman 氏は、長年にわたって高出力レーザー切断に注目していました。 「レーザー切断では、最新の状態を維持する必要があります。そうでないと、ゲームから外れてしまいます」とジマーマン氏は語った。 「テクノロジーは非常に急速に進化しています。」

彼は自慢するために高出力のレーザーに注目していたのではなく、そのテクノロジーがショップの全体的な成長戦略に適合していたからです。 ジマーマンの祖父は 1956 年に小さな製造工場としてレイテックを設立しました (店の名前はジマーマンの父レイモンドにちなんで命名されました)。 同社は、住宅用の側溝部品から酪農場や養豚場で使用される特殊なカートに至るまで、建築および農業産業向けの製品を提供することで成長しました。

同社の CNC 製造装置のコレクションが増加するにつれて、ジョブ ショップ作業の需要も増加しました。 現在、同社のペンシルバニア州ニューホランド工場では、自社製品ライン用の板金部品だけでなく、ジョブショップ作業も組み合わせて生産されています。 エフラタ近郊の工場とミズーリ州の拠点では、同社の建築製品ラインのスタンピングとロールフォーミングを行っています。

建設製品、農業製品、ジョブショップ作業という 3 つの事業すべてにサービスを提供するニューオランダ工場のスペースは限られています。 1990 年代後半に最初の CO2 レーザー切断機を購入して以来、そのスペースから最大のスループットを得ることがこの店の設備投資戦略の原動力となってきました。 2010 年代にはこれらを 4 kW ファイバー レーザーに置き換えました。 そして 2019 年に、このショップは初めて超高出力レーザーに取り組み、15 kW ファイバー レーザーを購入しました。 2020 年、同店はこれに続いて、すべて 20 kW の別のファイバー レーザーを導入しました。 どちらも Eagle レーザー システムです。

シートやプレートの切断では、ファイバー レーザー自体が制約になることはありません。 目を見張るようなパワーのファイバーレーザーは長年にわたって存在しており、特殊な溶接、軍事、その他の用途で使用されています。 制約はレーザー切断機自体、特にレーザー切断ヘッドにありました。

カッティングヘッドは超高出力レーザー切断のアキレス腱です。 機械には堅牢なフレーム、リニアドライブ、および非常に高い切断速度が備わっているかもしれませんが、工場が切断ヘッドを吹き続けている場合、これらの利点はすべて役に立ちません。 そして、それは通常、メンテナンス不足によるものではありません。 非常に高出力のレーザービームには、非常にクリーンな光学系が必要です。 ヘッド内の可動コンポーネントから落下する非常に小さな破片などの最小の欠陥は、制御不能な熱の蓄積を引き起こす可能性があります。 同様に、保護カバーガラスを継続的に交換しても、清浄度やスループットは向上しません。 カバーグラスは無料ではありません。

生のストックはレーザー切断用に準備されます。 工場の反対側でのブランキングから曲げ、ハードウェアの挿入まで、作業は迅速に流れます。

しかし、最新のカッティングヘッドは状況を変えつつあり、これが 10 kW 以上の機械がますます多く市場に出回っている大きな理由の 1 つです。 「私たちは高出力レーザーを何年も観察していました」とジマーマン氏は語った。 「一部のショップが 12 kW 以上の機械に手を出し始めていることは知っていましたが、カッティング ヘッドに問題があることもわかっていました。」

Zimmerman の製造現場にある Eagle マシンには、ヘッド内のビーム経路内に可動部品がなく、コリメーション コンポーネントはヘッド自体の外側に配置されています。 カバーガラスもヘッドキャビティのはるか内側に埋め込まれています。 穿孔または切断による破片は、保護ガラス窓に到達するまでに、アシストガスの下降流を通って 14 インチ移動する必要があります。

最後に、ビームのエネルギー密度があり、機械メーカーは、大型の光学素子によって減少すると述べています。 「これらのファイバーレーザーを観察したとき、切断レンズにどの程度の応力がかかっているかを分析しました」とジマーマン氏は語った。 「これらの新しいマシンを使用すると、古い 4 kW ファイバー レーザーよりもエネルギー密度が低い領域に 15 kW の電力を供給できることがわかります。」

超高出力ファイバーレーザーについて考えるとき、人々は自動的に厚い素材を思い浮かべます。 しかし、ジマーマン氏が説明したように、それがレイテックが二桁キロワットのレーザー切断の争いに飛び込んだ理由ではない。 確かに、同社は 0.75 インチを削減しました。 同社は厚板の切断をさらに効果的にするためにガス混合物とレーザーパラメータを実験中だが、それが製造業者が 2 台の超高出力機械を持っている理由ではない。

Raytec の超厚板レーザー切断市場は、少なくとも厚さ 0.25 インチ以下の市場と比較すると小規模です。 もちろん、工場は強力なニッチ市場を確立することができ、おそらく、重要なエッジ要件のため、エッジ加工が続く他の熱切断作業から仕事を奪うこともできます。 レーザーによって加工ステップを省略できれば、顧客は多額の費用を節約できます。

これらのニッチな分野は店の雇用ポートフォリオを多様化することができますが、そのような削減の需要は主な収益要因になるには十分ではない可能性があります。 Zimmerman 氏が説明したように、スループットの可能性により、このような高出力マシンへの運用が推進されました。 2 つの新しいレーザーにより、Raytec は驚異的な切断スループットを実現し、特に 0.25 インチ以下の材料をより短時間でより多く切断できるようになり、ショップは非常に競争力のある作業を見積もることができます。 また、下流の成形やハードウェアを必要とする作業だけでなく、カットのみの作業にも十分な対応能力を工場に提供します。 スループットの向上によりコストと価格の方程式が変化し、その結果、レーザー切断領域にさらに多くの作業が投入される可能性があります。

もちろん、このビジネス ケースは、操作によって実際にスループットが向上する場合にのみ意味を持ちます。 細かく調整されたレースカーと同様、超高出力レーザー切断を行うファブショップでは、スループットと材料歩留まりを最大化するためにあらゆる操作変数を調整する必要があります。

シートに記入してもいいですか? 「それは顧客とのコミュニケーションから始まります」とジマーマン氏は、特にシートとプレートの利用に関してはそう語った。 標準シート サイズを満たす作業により、材料の歩留まりが向上し、部品の流れと残りの管理を簡素化しながら顧客のコストを節約できます。

原材料の購入。 このようなコミュニケーションは原材料の購入にも引き継がれます。 レーザー切断は、すべての熱切断と同様に、シート内の残留応力を解放するため、部品が何らかの形で曲がったり、歪んだりする可能性があります。 レーザー切断機の技術により、このような湾曲によるスループットの低下を防ぐことができますが (後述)、レーザー切断機は金属板やプレートの物理的性質を変えることはできません。

ジマーマン氏が説明したように、ひどく反った部品を下流工程や顧客に送る前にレベリングが必要な場合、その二次作業によりコストが増加し、最適なスループットが妨げられることになります。 作品にレベリング手順や大幅な再加工が必要な場合、世界中のあらゆる切断速度は関係ありません。

2 つの超高出力レーザーにはローディング自動化機能があります。 パートオフロードは従来の技術によって処理されます。

エッジ品質、パワー、アシストガス。 同じ議論が平坦部のバリ取りにも当てはまります。 Raytec にはフラットパーツのバリ取り機があり、Zimmerman 氏の説明によれば、一部の作業ではレーザーやパンチだけでは製造できないエッジが必要になります。 しかし、これらは例外であり、規則ではありません。 切断作業では、ビーム制御とコーナーや輪郭の周りの高度に制御された速度によりバリ取りの必要性を最小限に抑えます。 機械のカッティングヘッドはラックアンドピニオンではなく直線的に駆動されます。

このショップでは、アシストガスも戦略的に使用しており、ストレート窒素を使用するか、通常ドロスが発生しやすい厚いストック (7 ガロン以上) の場合は窒素と酸素の慎重に制御された混合物を使用します。 窒素は溶融材料を排出し、レーザーの速度を維持できるようにします。一方、酸素は燃焼作用を提供し、正しく調整されていればきれいなエッジを残すことができます。

ジマーマン氏が言うように、「十分なレーザー出力に達すると、混合アシストガスを使ってユニークなことを始めることができますが、レーザー出力が半分のときには同じ効果は得られません。」

切断性能。 毎分インチの削減は依然としてスループットに影響を及ぼしますが、IPM はまだパズルの一部にすぎず、より広い文脈で見る必要があります。 直線でのカッティングヘッドの速度は別のことですが、コーナーや輪郭についてはどうでしょうか? ピアッシングサイクル、さらに言えばプロセス全体の安定性についてはどうですか?

ここでリニアドライブが役割を果たすとジマーマン氏は述べた。 2 つの Eagle システムは、X、Y、Z にリニア ドライブを備えています。機械メーカーによると、X と Y はすべて 6 G の高加速を可能にします。 もちろん、速い加速は、切断間の移動時間が速いことを意味しますが、超高出力レーザー切断には別の意味があります。それは、ネスト全体の大部分でレーザーの最大出力 (したがって最大速度) を使用することです。

ゆっくりと加速するヘッドがシート上の長くて真っ直ぐな切り目を切断する場合、フルスピードまで加速してレーザー出力を最大限に活用するのに十分な時間があります。 しかし、その同じヘッドが、複雑なパターンや穴を通過する際に、切断サイクルのほとんどを各切断内の加速と減速に費やした場合、切断する材料の厚さとグレードの最大 IPM に到達することはありません。そのため、(少なくとも切断速度の観点からは) ）そのような高レベルのレーザー出力は必要ありません。

また、Zimmerman が指摘したように、直線的な Z 軸の素早い動きは特に重要です。 まず、一部の穴ジオメトリでヘッドをより高い位置に突き刺し、すぐに下に降下して切断することができます。

「部品の転倒やヘッドの衝突の防止も重要です」とジマーマン氏は述べ、ヘッド上のセンサー（および他のヘッド設計属性を通じて）が部品の接触や転倒を迅速に感知すると付け加えた。 ヘッドがこのようなプロセスの不安定性を感知すると、即座に停止し、瞬時に上昇します。 「その後、自動的に再調整され、可能であれば問題を修正して作業を続行し、中断したところから続行します。」

ヘッドには、静電容量センサーを超えたいくつかの衝突保護安全装置があり、それぞれが衝突の危険性の性質に応じて作動します。 いずれにしても、レーザー切断が非常に高速である場合、プロセスの安定性と最大のスループットを維持するには、高レベルの衝突保護を備えていることが重要であるとジマーマン氏は述べています。

材料のロードと部品のオフロード。 ファイバーレーザー切断機がますます高性能になるにつれて、「獣に餌を与える」ことが大きな懸念となっており、迅速なパレット交換による自動材料供給の必要性が高まっています。 ジマーマン氏によると、同店は自動ローダー/アンローダーには投資したが、完全なタワー型保管システムには投資していなかった（ただし、Raytecは代替ソリューションを開発中）。 床面積は非常に貴重であり、その上、「考えてみれば、システムに供給するのは簡単な部分です。荷降ろしと部品の仕分けは別の作業です。」

Raytec は、CNC フォルダー、複数のプレス ブレーキ、小型部品専用の自動プレス ブレーキで構成される TRUMPF セル (写真) など、曲げ技術を組み合わせています。

Zimmerman 氏によると、Raytec の部品ミックスでは、少なくとも現時点では、自動化またはロボットによる部品仕分けは選択肢にありません。 (ただし、このショップでは、後で説明するように、パンチングの仕分け自動化を多用しています。) また、レーザー切断機は非常に高速に達するため、切断サイクル時間は非常に短くなります。 言い換えれば、少なくともレイテック社の運営においては、部品の自動仕分けがボトルネックになるということだ。 そのため、レーザーは別のテーブルにオフロードされ、そこでチームが従来の方法を使用してシートをデネスティングします。

とはいえ、Zimmerman 氏は、無秩序な部品の仕分けもボトルネックとなり、特に仕分けが不十分なために再切断が必要な部品の紛失や損傷が生じた場合には、スループットに重大な制約が生じる可能性があることを知っています。 ここで戦略的なネストが重要になります。

まず、ショップは残骸のある巣を最小限に抑えます。 繰り返しますが、これは、顧客との良好なコミュニケーション (シートを満たすように注文を調整すること) と、一貫して注文されるジョブ ショップ作業または Raytec 独自の製品ライン用の在庫に作られたフィラー部品の戦略的使用によって実現されます。

次に、実際のネスティング戦略が続きます。これは、高い材料歩留まり、最適なプロセスの安定性、曲げや外観上の理由による粒子の制限、そしてやはり部品の選別の容易さの間のバランスを取るための戦略です。 適切な場所にタブを付けると、部品が安全に保たれ、頭部衝突の危険が生じるのを防ぐことができます。 一方で、タブを多用しすぎたり、タブを太くしすぎたり、あるいはその両方を過度に行うと、部分的にクマが発生する可能性があります。

実際、切断効率、材料歩留まり、仕分けの容易さの絶対的な理想は、タブのないコモンライン切断です。 Zimmerman 氏によると、2 つの共通カット部品のエッジ品質の問題は通常は問題になりませんが、骨格の完全性が問題になる可能性があります。 したがって、プログラマはできる限り共通のことを行います。 必要に応じて Web セクションをネストします。 タブを付けなくてもパーツが安定するように、パーツの長い寸法をスラットに対して垂直に向けます。 最後に、必要な場合にのみタブを押します。

オペレーターはまた、切断動作を観察し、必要に応じて機械制御装置上でプログラムのタブを直接調整します。 「新しいマシンでは、オペレーターは実際に、何もなかった機能にタブを追加できます。また、コントロール上で、他の機能からその場で効果的にタブを削除できます。」とジマーマン氏は述べています。

オペレーターはタブの厚さを調整することもできます。 ジマーマン氏は、ほとんどの場合、オペレーターはプロセスの安定性を確保するためにタブをより堅牢にすることを選択すると述べました。 ヘッドクラッシュの可能性は、わずかに効率の悪いネスト解除プロセスよりもはるかに悪いです。 しかしプログラマーは、タブを使いすぎたり、シェイクアンドブレークを必要以上に難しくしたりしないようにも注意します。

スケルトンカットも役割を果たします。 スケルトン切断は、厚板を切断する酸素燃料およびプラズマテーブルの標準的な手法です。 これはスクラップをより迅速に除去する方法であり、クレーンを拘束する必要もありません。 シートや薄板をレーザーで切断する場合は別の話になりますが、極度の切断速度により、骨格を切り刻むために作られた余分な切り口が本質的に無意味になってしまうまでは、そうではありませんでした。 繰り返しますが、超高出力レーザーは非常に高速であるため、骨格の一部を切断することは、巣作りとスクラップの収集の両方を容易にします。

部品の識別。 部品が失われると、スループットが二重に妨げられます。 この操作では、部品を切断し、部品を探し、見つからない場合は再切断するのに時間がかかります。 Raytec の一部の作業では、穴の位置をわずかに変えるだけで、ある部品と別の部品を区別できる場合があります。

この作戦では、さまざまな面で部品の特定に取り組みます。 まず、可能な場合には、機械上の部品にレーザーマーキングを行います。 第二に、Raytec はブランキングのニーズをレーザー切断だけに依存しているわけではありません。 全自動のPrima Powerパンチ/シャーも備えています。 これの一部は、パンチツールのみが作成できるエンボスなどの成形フィーチャーに関係しています。 パンチ/シャーにはタッピングも統合されています。 しかし、これは部品識別の課題とも関係しており、ジマーマン氏が説明したように、パンチ/シャーの自動仕分けが克服に役立ちます。 確かに、部品は 4 つのシュートのうちの 1 つに送られます。 きれいに積まれていません。 いずれにせよ、部品はスクラップから自動的に分離され、スクラップ自体は切断され、リサイクルのために最終ビンに送られます。

この厚さ 0.75 インチの切断されたままの状態の部品は、窒素と酸素の混合アシスト ガスを使用してレーザー切断されました。

「その機械は、一見しただけではほとんど区別できないほど多くの部品を処理します」とジマーマン氏は言う。 「穴の位置は非常に似ています。しかし、[パンチ/シャー上で] 自動分離機能を使用すると、これらの部品を分類することを心配する必要がなくなります。」

成形能力。 Raytec にはスポット溶接とハードウェア挿入がありますが、ニューオランダの施設には溶接部門がありません。これは、切断、成形、溶接、研削、仕上げ、出荷のサイクルにおける一般的な制約です。 同社は 5 つのプレス ブレーキを使用した成形を提供しています。 CNC折り機1台。 そして、これまでで最も最近かつ最大の成形投資である、小型部品の曲げ加工に特化した TRUMPF ロボット成形センターです。

「これにより、退屈で時間のかかる小型部品を他のプレス ブレーキから取り除き、小型部品の曲げ作業を完全に自動化することができました」とジマーマン氏は述べています。 「これは私たちの小型部品の成形にとって命の恩人です。私たちはそれを 24 時間稼働させています。」

確かに、工場の驚異的な切断能力を考えると、曲げは拘束操作であるが、成形技術を組み合わせることで、その拘束ははるかに緩和される、と彼は認めました。 実際、小型部品の自動曲げとフォルダーの両方により、従来の CNC プレス ブレーキで最も生産性の低い作業が軽減されます。 フォルダーのおかげで、ブレーキ操作者は、狭いフランジを作るために大きな部品が振り上がるときに、それを支えるのに苦労する必要がなくなります。 小さな部品用のロボット ブレーキのおかげで、小さなブラケットを曲げるために幅の広いプレス ブレーキ ベッドを狭いパンチとダイ セットに結び付ける必要もありません。

成形技術の組み合わせにより、流れを維持することができます。 また、ブランキング能力が非常に高いため、同社はさらに多くのプレス ブレーキやその他の成形装置を追加して、スループットをさらに高めることができます。

「パンデミックが始まったとき、私たちは何が起こるかわかりませんでした」とジマーマン氏は語った。 「これだけ市場が混乱すると悪いことが起こるだろうから、私たちは自然に手を引く傾向にありました。しかし、私たちはその逆の経験をしてきました。私たちがサービスを提供しているほとんどすべての事業部門にとって、それはただ異常に忙しいだけです。実際、前年比で 40% の成長を遂げた月もありました。」

年末までに、2020 年の収益は 2019 年の収益を 20% から 25% 上回る可能性があります。 ニューオランダ工場の従業員はわずか 15 名ですが、同社の従業員は全施設で 46 名です。

「私たちはとても幸運で恵まれていると感じています。そして、私たちが持っている機器を手に入れることができてとてもうれしく思います。労働力を増やすことなく処理量を増やすことができました。」

一言で言えば、これが金属製造の物語です。従業員 1 人あたりの処理量 (売上) が増加すると、各従業員が店の成功にとってより重要になり、テクノロジーがその成功を実現するためのツールを従業員に提供しました。

Raytec LLC の 15 kW レーザーがピアシングを実行します。 敏感な光学部品をスパッタから保護するために、カバー ガラスは凹型になっています。