レーザーブランキングが自動車 OEM に到達

Jun 16, 2023

2 つの幅広の伸縮式コンベアがアクティブなレーザー切断ヘッドの下で連携して移動し、ヒュームと溶融材料が排出されるように下に一定の隙間を維持します。

1974 年初頭のある日、当時の The FABRICATOR 編集者たちは、研究室で何年も費やされてきたが、製造現場に登場し始めたばかりの最先端のテクノロジーについての原稿を熟読しました。 この記事は、酸素燃料切断機に取り付けられた 500 ワットの CO2 レーザーの粒子の粗い写真の隣に、「長年の期待を経て、レーザーは金属加工ツールとして受け入れられるようになりました。」と述べています。

これは控えめな表現であることが判明した。 それから何年も経ち、レーザーは精密板金製造の主流となっています。 それが開花した理由の 1 つは、あらゆる形状をあらゆる方向に切断できるためです。 多品種少量生産のフラットベッド レーザー上のネスト レイアウトは、まるで芸術作品のようです。

もちろん、注文量が増加するにつれて、伝統的にレーザー切断は経済的意味が薄れてきました。 10 年以上前にファイバーレーザーが市場を席巻したときでも、このことは変わりませんでした。 驚異的に高速なファイバー レーザーは信じられないほど生産性が高いように見えますが、切断ヘッドは依然として部品のプロファイルをトレースする必要があります。

スタンピング プレスはブランクのプロファイルを一度に切断できるため、特に自動車産業における大量のブランキングにおいてスタンピング プレスが優位に立っています。 機械式スタンピングプレスを使用した従来のブランキングラインをレーザーが上回ることは不可能ですよね?

必ずしも。 レーザー ブランキング ラインは、ミシガン州に本拠を置く金属サービス センターである SET Enterprises など、世界中の一部の早期導入企業に導入されています。 2016年、ダイムラーはドイツのクッペンハイムにあるメルセデス・ベンツ工場に2つのレーザーブランキングラインを設置しました。 今年初めにドイツのメルセデス・ベンツの別の工場でもう 1 つのレーザー ブランキング ラインが生産を開始し、4 番目のラインが組み立て段階にあります。

最新のレーザーブランキングラインは、フラットベッド切断レーザーを使用するほとんどの金属加工業者が長年享受してきた「ツールレス」の柔軟性を備えています。 しかし、一部のレーザー ブランキング ラインは、世界中に設置されている多くのプレスベースのブランキング ラインの速度に匹敵し、場合によってはそれを超えます。 これは、1974 年の The FABRICATOR 編集者がおそらく想像できなかった偉業です。

レーザーブランキングという用語は新しいものではありませんが、特に自動車サプライチェーン以外の人々にとっては混乱を招く可能性があります。 これは、「レーザー溶接ブランク」とも呼ばれる「テーラー溶接ブランク」とはまったく関係がありません。このブランクでは、異なる切断プロファイルがレーザー溶接によって接合され、用途に合わせた特性を備えた単一のブランクが作成されます。

米国におけるレーザーブランキングの背後にある概念は 1990 年代に遡ります。 2000 年代の変わり目頃、Laser Blanking Central と呼ばれる複数企業のコンソーシアムは、今にして思えば時代を先取りしていた質問をしました。それは、ブランキング プレスをコイル供給レーザー切断システムに置き換えることができたらどうなるでしょうか?というものでした。

このグループには、ミシガン州スターリングハイツの DCT やアラバマ州マンフォードのアラバマ レーザー システムズなどの企業と、チャールズ カリスタン (現在はエア リキードの技術フェロー) などのレーザー専門家が参加し、いくつかの初期コンセプトを開発しました。 コイルは精密レベラーに送られ、次にレーザー切断ベッドに送られ、その後ロボットまたは他のデバイスが切断された部品を降ろし、（必要に応じて）骨組みを処分します。 それ以来、高輝度ファイバーレーザーを含むテクノロジーの進歩により、そのコンセプトが現実になりました。

今日の自動車業界にはかつてないほど多くのモデルバリエーションがあり、当然のことながら金型の変更が改善の対象となっています。 1 分間のダイ交換 (SMED) は素晴らしいアイデアですが、最初からダイを交換しない方がさらに良いです。

システムの 3 つのレーザー ヘッドにはそれぞれ独自のガントリーがあります。

ブランキング金型は、直線と角度を備えたブランクを製造する場合に最もコスト効率が高くなります。 レーザーは、輪郭のあるブランクでの作業を好みます。そこでは、カッティング ヘッドが完全に減速したり、回転したり、鋭いコーナーの周りで加速したりする必要がありません。そしてたまたま、こうした輪郭のある形状の多くが、スタンピング プレスでの成形性を助けます。特に、描画プロセス。 ブランクの形状に関係なく、レーザーブランキングを使用すると、エンジニアはブランクを調整して成形を改善できます。

将来の乗用車やトラックもより軽量かつ安全である必要があるため、強度対厚さの比がますます増大していると思われる先進的な高強度鋼やその他の材料に対する需要が高まっています。 これらの材料はブランキング金型には優しくありません。 一方、レーザーでは材料の引張強度は考慮されず、厚さと材料グレードのレーザーエネルギー吸収能力のみが考慮されます。 レーザーブランキングでは、高強度材料に関するすべての懸念が解消されるわけではありません。コイル供給された材料は、レーザー切断ヘッドに到達する前に平らにする必要があります。しかし、ブランキングダイを取り除くことで、かなりの数の技術的ハードルが軽減されます。

メルセデス・ベンツのガゲナウ工場とクッペンハイム工場の成形技術責任者であるアンドレアス・ホイヤー氏は、当初は純粋に実用的な理由からこのプロセスを検討し始めた。同社は、ループ状の巨大な機械基礎のためのスペースを作るために既存の工場を変更したくなかった。ピット、およびブランキング金型を交換するために必要な天井クレーン用の高いベイ。

「金型を保管するための追加のスペースは必要ありません。金型交換のための天井クレーンももう必要ありません」と彼は言いました。 「車両の種類が増えているため、このテクノロジーに伴う高い柔軟性も私たちにとって非常に有益です。

「[レーザーブランキング]は、[成形用の]新しいダイセットの導入時の幾何学的変更も簡素化しました」とホイヤー氏は続け、ブランクの幾何学的変更の一部が下流の絞りプロセスを支援したと付け加えた。 「一部のセットでは、6 ～ 8 種類の異なる [ブランク] ジオメトリを作成しました。これにより、現在の生産を中断することなく変更を迅速に実装できるようになりました。」

ダイムラーは現在、レーザーブランキングを使用して、外観上重要ないくつかの外装部品を製造しています。 「工場は一部の用途で毎分最大60メートルのライン速度を達成しています」と、ドイツに本拠を置き、ダイムラーのレーザーブランキングラインを設計・構築したシューラー社の営業部長マニュエル・フンガー氏は語った。 「たとえば、このラインでは毎分 40 個以上のフードが生産されています。」

「私たちは、メルセデス・ベンツの車やトラックのすべての外側のボディ部品と、本体のより大きな構造部品のブランクを切断しました」とホイヤー氏は続けた。 「当社では、厚さ 0.65 ～ 1.5 mm の亜鉛メッキ鋼板やアルミニウムなど、他の自動車メーカーが使用している典型的なグレードを使用しています。」

工場のレーザー ブランキング ラインが実際に稼働しているのを見ると、各電子コンポーネントと機械コンポーネントが重要な役割を果たし、高度に振り付けされたダンスを見ているかのようです。 前のコイルの処理中に、コイルがデュアル コイル ペイオフ システムにロードされます。 新しい素材で必要な場合は、精密ローラーレベラー カセットが数分以内に自動的に交換されます。 コイル交換が必要な場合、アンコイラーが新しいコイルをピックアップして提示します。新しいコイルは、たるみのある (ループピットなし) 状態でレベラーを通ってレーザー切断システムに供給されます。

レーザー切断作業エンベロープには 3 つのレーザー切断ヘッドがあり、それぞれに個別の 4 kW IPG ファイバー レーザー電源が付いています。 ヘッドは X 方向および Y (ストリップを横切る) 方向に移動します。

ハンガー氏は、レーザー切断ヘッドを 3 つ持つとバランスが良いと述べました。 ヘッドの数が少ないとブランキング速度が遅くなりますが、ヘッドの数が多いと、穿孔、加速、減速の回数が過剰になります。これは、各レーザー ヘッドがその下を通過するネストのごく一部のみを切断するためです。 そして、連続的に供給されるシートの一部として、巣は実際にレーザーの「下を通過」します。

切断された部品は積み重ねられ、システムの外に搬送されてステージングされ、下流への搬送の準備が整います。

レーザーブランキングの中核技術は、レーザー切断そのものではなく、切り溝の下で何が起こるかにあります。 ストリップは動き続け、溶融した材料を排出するためのスペースを下に確保し、完全に支持された状態を維持することを同時に行う必要があります。

これを実現するために、レーザーブランキングシステムは伸縮式コンベアを賢く利用します。 ダイムラーのレーザー ブランキング システムでは、2 つの幅広のコンベア (1 つはアクティブなレーザー ヘッドの前方、もう 1 つは後方にあり、一定の間隔で配置されています) が同期して X 方向に (材料の流れに沿って、またはそれに逆らって) 前後に移動します。カットアクション付き。 これにより、システムは切断動作の下で常に一定のギャップを維持し、重力と真空によって溶融材料、粒子、およびヒュームが切断自体から引き離されます。 シューラー氏は、この同期コンベアとヒューム抽出システムを「DynamicFlow Technology」と呼んでいます。

切断の後には、デネスティングとスタッキングが行われます。この 2 つの重要な要素がなければ、レーザー ブランキングはあまり意味を持ちません。 はい、一部のレーザー ブランキング システムは、特定の用途では非常に高速になり、従来のブランキング システムを上回っていますが、ブランクを手動で分類する必要がある場合、その事実はあまり意味がありません。

Hunger 氏が説明したように、レーザー ブランキングには、良品部品がスクラップから分離される、いくつかの巣状化シナリオがあります。 1つ目は、巣を一切残さずに切断する仕事です。 共通のラインを次々にレーザーカットしたダイムラーのボンネットは、その代表的な例です。 フードブランクはストリップの幅全体に広がり、レーザーセルから出てきて洗浄プロセスを経て、別個のコンベヤーを通って、従来のブランキングラインで使用されているものと同様の高性能スタッカーに送られます。

「ロボットのスタッキングはアプリケーションにとって十分な速度ではないため、私たちは（ダイムラーで）これを行っています」とハンガー氏は述べた。

もう 1 つの巣を外すシナリオには、レーザーの作業範囲の外側で行われる、いわゆる「重力放出」操作で剥がれ落ちるスクラップを含む巣が含まれます。 この方法は、スクラップがストリップから簡単に落ちるような方向と形状になっている場合にのみ機能します。

ここからスタッキングは 2 つの方法のいずれかで実行できます。 部品の向きがそれを可能にし、重力放出が信頼できることが証明されている場合、切断された部品は、スクラップがない状況と同じようにスタッカーに直接流れることができ、スクラップはスクラップ シュートに落ち、スクラップ シュートに落ちます。置き場。 あるいは、一連のロボットがスケルトンから部品を掴み、スクラップシュートを越えてスタッカーにつながるコンベアベルト上に部品を搬送することもできます。

ダイムラーのブランクは、外観上重要な外装部品であるため、レーザー切断後にブラシベースのブランク洗浄プロセスが必要です。 ホイヤー氏は、「汚れや粉塵の汚染は私たちにとって大きな懸念事項だった」と述べ、追加の洗浄ステップを行わなかったとしても、プロセスでは「次のプロセスステップには無関係な微量の粉塵だけが残った」と付け加えた。

「現時点では、従来のブランキング ラインと同様に、ブランクの清浄度を確保するためにこの装置も頻繁な洗浄が必要であると言えます。現在、当社では隔週の標準洗浄と、すべてのコンベアの半年に一度の集中洗浄を行っています。」

「ラインの手作業による清掃を減らすために、各コンベアベルトにブラシ清掃ユニットを装備することができます」とハンガー氏は付け加えた。

メルセデス・ベンツのガゲナウ工場とクッペンハイム工場の成形技術責任者、アンドレアス・ホイヤー氏は、2017年に始まったクッペンハイム工場のレーザーブランキングへの移行を管理した。写真提供：ダイムラーAG。

ハンガー氏によると、ダイムラーのラインは総合設備効率（OEE）レベルが75パーセントを超えているという。 「従来のブランキングラインではこのようなレベルに到達したことはありませんでした」と彼は言いました。

初期の採用者であるホイヤーは、レーザー ブランキングが最終的には自動車業界の主要なブランキング プロセスになると見ています。 「私の意見では、レーザーブランキングは従来のブランキングに代わるものです。この技術は、ブランキングプロセスを最適化し、効率を向上させるための現代的かつ革新的な方法です。また、レーザーブランキングの形状に最適化されたダイは、レーザーブランキングをより有益にするのに役立ちます。」

金属加工の他の分野についてはどうですか? ハンガー氏によると、この技術は最終的には自動車のサプライチェーン以外のさらに多くのサービスセンターに、さらには大規模な板金製造業者、特に特定の材料グレードや厚さのコイルを大量に消費する製造業者にも応用される可能性があるという。時間。

コイルとレベラーカセットの交換により、ある材料から別の材料への素早い切り替えが可能になります。 たとえば、ダイムラーは、オペレーターが材料を検査して切り替えを開始する自動プロセスを採用しています。

重要な要素は、デネストとスタッキングです。 Hunger 氏が説明したように、レーザー ブランカーでの特定の自動ネスティング解除アプローチは、フラットベッド レーザーからの自動ネスティング解除と同じ戦略の一部に従うことができます。 たとえば、小さな部品をタブで結合し、ロボットによって 1 つのユニットとして持ち上げることができます。

もちろん、部品の量は十分である必要があります。 「レーザーブランキングシステムは、[多くの]異なる形状を同時に扱うのには理想的ではありません」とハンガー氏は述べ、タブのない部品も長さまたは幅が少なくとも250mmである必要があると付け加えた。

確かに、試作工場や多品種少量生産工場では、近い将来、このようなレーザー ブランキング装置が使用される可能性は低いでしょう。 ただし、パートのボリュームが増加すると、話が変わる可能性があります。 製造業者またはサービスセンターが混合した切断プロファイルを確実に入れ子にして積み重ね、下流に迅速に送ることができれば、レーザーブランキングの可能性が明確になります。

切断された部品をロボットが掴んで積み上げます。 ロボットによるピッキングを必要としない部品は、スタッカーに直接流れます。