産業用レーザーのパワーアップ

Oct 14, 2023

産業用レーザーのより珍しい画期的な進歩が大きく取り上げられる傾向にありますが、中小規模の製造業者は、集中的なプロセスガイダンスとよりスマートなオペレーティングソフトウェアを組み合わせたサプライヤーの主力システムである切断、溶接、マーキングシステムの時間と労力を節約するメリットを活用し続けています。 。

今年は、IPG のハンドヘルド LightWELD 1500 ユニット、高スループットの積層造形システム、より堅牢な青色波長レーザーなどの進歩が多くの賞賛を獲得しました。 LightWELD は、光学およびフォトニクスの国際学会である SPIE が毎年発表する PRISM 賞の製造部門の最終候補 3 社のうちの 1 つです。

製造エンジニアリングでは、大規模な切断、溶接、およびマーキング システムに焦点が当てられる傾向がありますが、これらのシステムについてはこの記事の後半で取り上げますので、期待を裏切りませんが、より多くのシステムを習得することで得られる「ニッチ​​な分野の富」について議論する価値はあります。高度なフォトニクスベースのシステム。 適切なハイエンド機器に投資し、厳しいベンダー検証プロセスを通過したショップは、たとえば医療受託製造で成功を収めています。

PRISM 製造ファイナリストの他の 2 社、Boston Micro Fabrication (BMF) とワシントン州バンクーバーの nLight は、工業生産の速度と品質を向上させるために 3D プリンティングの進歩を導入しました。 プレスリリースによると、nLight の AFX-1000 は、「レーザー粉末床融合…量産用の金属積層造形の広範な採用を可能にするために開発された」とのことです。 リリースには、「nLIGHT の AFX ファイバー レーザーは、優れた材料品質と一貫性を維持しながらビルド レートを大幅に向上させることが示されています。AFX は、ファイバー レーザー内でビーム サイズと形状をリアルタイムで調整できるようにすることで、これらの結果を達成します。複雑な自由空間光学系を使用する必要はありません。」

BMF Ultimate は、短期工業生産向けにカスタマイズされた microArch S240 マイクロ精密 3D プリンターで 2021 PRISM を受賞しました。 プレスリリースによると、S240は「BMFの特許取得済みのプロジェクションマイクロステレオリソグラフィー技術（PμSL）をベースに構築されており、マイクロスケールの解像度でUV光のフラッシュを使用して液体ポリマーの層全体を迅速に光重合させる技術」だという。 「複雑で正確かつ複製可能な部品の優れた生産により、PµSL は、医療機器製造、マイクロ流体工学、MEMS、バイオテクノロジーと製薬、エレクトロニクス、教育、研究、および発達。"

リチウムイオン電池、特に電気自動車の銅およびアルミニウム部品の溶接には、金属が赤外線よりも高い割合で波長を吸収するため、青色レーザーが注目を集めています。 2017 年の PRISM 候補者であるコロラド州センテニアルの Nuburu は、今年、溶接と 3D プリンティングの用途で新たな特許を取得しました。

バッテリー溶接は「レーザー溶接の研究では非常に人気のある分野です」と、ミネソタ州ブルックリンパークに本拠を置くPrima Power Laserdyne社のセールスおよびマーケティング担当バイスプレジデントであるマーク・バリー氏は述べています。 一般に、小型精密部品のレーザー加工への関心が高まっています。 その好例が LASERDYNE 811 です。これはタービン エンジン製造用途向けに開発されましたが、現在は自動車分野での用途を持つ企業によって購入されています。

タービンエンジン製造は「パンデミックの最中に多大な打撃を受けた」とバリー氏は指摘した。 「多くのエンジン プログラムが停止に追い込まれています。しかし、2021 年、新しいエンジン プログラムにはまだ不確実性があるにもかかわらず、ティア 1 および 2 のサプライヤーが新しい機器について問い合わせを行っていることに、我々は嬉しい驚きを感じています。」

さらに広く言えば、「今興味深いのは、レーザー接合の可能性に非常に興味を持っている、これまで一緒に仕事をしたことのない潜在的な顧客やエンジニアが増えていることだ。ここ数年で、ますます多くの企業が参加しているのを目にするようになった」と結論づけた。レーザー溶接を検討できるコンポーネント設計を考えて実装します。これは、レーザーの速度、自動化の可能性、処理の一貫性、そして業界で資格のある溶接工が見つからないという単純な事実によるもので、検討のための扉を再び開かなければなりませんレーザー加工の使用。」

ある製造業者のサイドプロジェクトであるセミトラック用のアルミニウム付属品は、レーザー溶接システムへの多額の投資を促し、同社は新しいシステムのさらなる使用法を模索しています。

Terad Fabricating からスピンアウトした事業であるアイオワ州キャロルのアイオワ税関は、ステップと照明コンポーネントの需要が高まったとき、カリフォルニア州ブエナパークのアマダ アメリカ Inc. に頼ったとアマダの FLW 製品マネージャー、ダン ベルツ氏は説明しました。

「現在、大都市圏であっても、資格のある溶接工を獲得するのは困難です。しかし、地方ではさらに困難になります」とベルツ氏は指摘する。 「その上、優れたアルミニウム溶接工を見つけるのはさらに困難であり、溶接は簡単ではありません。」

アイオワ税関が成長するにつれて、オーナーは数十の製品の TIG 溶接に 1 日 9 時間を費やしていました。 Amada FLW3000 ENSIS ファイバー レーザー システムを購入したことで、「彼は日常を取り戻しました。後処理がないため、FLW の溶接が速くなっただけでなく、より良くなりました。陽極酸化処理のために製品を送るだけで済みます」と Belz 氏は述べています。

アイオワ税関は、36 × 12 × 12 インチ (91.44 × 30.48 × 30.48 cm) の補助照明キットを含む独自の器具を設計および製造しています。「これはかなりの重量のアルミニウムです」とベルツ氏は言いました。レーザー溶接があり、プロセスにかなり役立ちました。 しかし、彼らはたくさん溶接します。 彼らは賢いショップなので、すぐに機械を使い始めました。」

TIG からファイバー レーザー溶接に移行する際、部品の再設計にはより緊密な取り付けを最適化する必要があると Belz 氏は説明しました。 TIGの場合、プロセスに熱とワイヤが投入されるため、治具は大きくて重くなります。 「それは板金治具になりました。ゲージが少し軽くなり、寛容性が少し高まりました。ワイヤーを排除したので、強力できれいな溶着が得られ、研削と研磨は事実上排除されました。」

さらに、現在では、「オペレーターがテーブルと切断レーザーを操作します。溶接にすべての時間を費やしていた 1 人が別の作業をし、レーザー オペレーターが FLW のメンテナンスと供給を行うようになりました。」

一方、IPGは、従来のTIGおよびMIG溶接アプリケーションをターゲットとして、2020年11月にハンドヘルド型LightWELD 1500レーザー溶接システムを発売しました。空冷式で信頼性の高い産業用ユニットとして設計されたLightWELDは、製造工場、HVAC企業、重機メーカーに採用されています。 IPGのシステムマーケティングディレクターであるジョン・ビックリー氏によると、大手航空宇宙企業も参加しているという。 「自動製造に適さない軽溶接アプリケーションを使用するほぼすべての人が恩恵を受けるでしょう。」

LightWELD の寸法は 316 × 641 × 534 mm で、従来の TIG 溶接機よりも小型です。 システム出力は平均レーザー出力 1,500 W、ピーク出力 2,500 W まで調整可能で、厚さ 4 mm までの鋼鉄およびアルミニウムのシングルパス溶接を実現します。 150 µm のスポット サイズを使用して精度と反射材との互換性のための高出力密度の両方を実現し、LightWELD の内蔵ウォブル機能によりシーム幅を最大 5 mm まで拡張できます。 オプションの自動ワイヤ送給装置を使用すると、より広い嵌合ギャップを持つ部品に対応できる柔軟性がさらに高まります。

すべてのレーザー溶接と同様に、LightWELD は従来の MIG および TIG 溶接よりも部品に与える熱がはるかに少なく、熱による損傷や歪みが少なくなります。 LightWELD のユーザーは、従来の方法よりも溶接時間が速く、溶接後の仕上げがほとんどまたはまったく必要ない接合を報告しています。 溶接時間の短縮、熱影響の軽減、仕上げ時間の短縮により、スループットが向上します。

移動速度、織り方、ワイヤ送り速度、場合によってはフットペダル制御の熟練した調整が必要な従来の手溶接方法と比較して、プログラム可能なウォブル幅を備えた LightWELD は習得が容易な溶接技術であり、比較的初心者でも良好な溶接技術を簡単に製造できます。同社によれば、わずか数回の練習で結果が得られるという。 IPG が推奨するプロセス パラメータは、一般的な材料と厚さの組み合わせに対して提供されているため、新規ユーザーでもすぐに効果的な生産者になることができます。

溶接プロセスに加えて、レーザーは仕上げや洗浄にも使用できます。 溶接プロセスのバリエーションを使用することで、「コスメティックパス」により溶接シームの仕上げと外観をさらに改善することができ、計画されているオプションの洗浄機能により、溶接前の表面処理機能が提供され、その用途はレーザー加工部品に限定されません。

最終的に、「LightWELD は部品に加える熱が大幅に少なくなり、高品質で見た目に魅力的な接合を短時間で生成できる」と Bickley 氏は結論付けました。 「LightWELD 溶接は、比較的経験の浅いオペレーターでも簡単に行うことができ、高度な熟練溶接能力の重大な不足に対処する役割を果たすでしょう。」

従来の CNC 加工システム内でレーザー精度を実現できる柔軟性は、製造プロセスの合理化において引き続き注目を集めています。

丸紅シチズンシンコム株式会社 (MCC) のレーザー L2000 システムは、旋削、穴あけ、フライス加工とファイバーレーザー切断、溶接、エッチングを組み合わせたもので、通常バーフィード機械を持っていない顧客にとって特に有用であるとランディ ニッカーソン氏は述べています。ニュージャージー州アレンデール、MCC のレーザー製品マネージャー

「当社の多軸機械にレーザーを搭載することで、レーザー機能の前後に必要なあらゆる旋削（旋盤）作業が可能になるだけでなく、あらゆるバリ取りも実行できるようになります」とニッカーソン氏は説明しました。 一般的な部品は旋盤で回転させ、レーザーで細かく仕上げ、バリ取りのためにベンチに持ち込む必要があるかもしれませんが、「高圧クーラントとミスト制御を備えた 9 軸バーフィーディングマシン上の当社のシステムは、これらすべての機能を実行できます。」 「より経済的です。これにより、旋盤とレーザーの間の待ち時間がなくなり、ほとんどの場合、ベンチワーク時間が完全になくなります。これにより、完成部品を入手するまでにかかる時間が大幅に短縮され、短縮されます。」

ニッカーソン氏は、しばらくの間、MCCの伝統的なスイスの顧客は、「部品を生産する効率的な手段がなかったため」レーザーカットの機会の多くを放棄していたと回想した。 「そのため、私たちはその種の部品がどこで製造されているかを調査することになりました。これにより、レーザー製品の製造部門にたどり着きました。これらの企業は、旋盤加工が完了した後に部品を入手し、レーザー機能だけを行っていました。私たちはそれらの一部を転用しました」レーザーオプションの追加により、メーカーはスイスの新しい顧客グループに加わりました。」

MCC は、さまざまなローダーを使用してプレカット部品ブランクをコレットに挿入するシステムを開発しました。 「ボウルフィーダー、ステップフィーダー、ロボット、MCCが設計した自動ロードおよびアンロードシステムの使用は、お客様に製造プロセスに対処し、改善するためのツールを提供します。これは、特に複雑なコンポーネントを製造する場合に重要です。」

MCC が遭遇するほとんどの用途は「直径 20 mm 未満で、一部のサイズは 0.5 mm 未満です。サイズが大きく、長いバーを高回転で回転させる際の不安定性のため、常にバーストックから加工できるわけではないため、小径部品は非常に困難です」 。」 MCC の自動化部門は、これらの課題に対処するためのユニットを設計および構築します。 「当社では、直径 0.5 mm 未満の部品をロードするためにボウル フィーダーを使用し、直径 1.5 mm までのステップ フィーダーを使用しました。これらの部品の多くは、壁厚が 0.004 インチ (0.102 mm) もの薄さのチューブです。」

レーザー出力は 100 W ～ 6.5 kW で使用でき、すべて空冷式なのでチラーが不要です。 「現在では、カッティングヘッド内に温度と湿度のセンサーを搭載し、これらのレベルを監視し、ユニットが損傷する可能性があるレベルまで温度と湿度のいずれかが上昇した場合に停止します。」

本物の部品や製品の性能を監視し、偽造品を防止する上で、追跡とトレーサビリティの重要性が高まっているため、レーザーマーキングは「参入するのに最適な業界です」と、フラッシングのビーマーレーザーマーキングシステムのナショナルセールスマネージャーであるニコラス・カズマルスキー氏は述べています。ミッチ。

銃器、航空宇宙、医療業界の厳しい要件により、特にオペレーターのエラーを排除しながらスループットを向上させるカスタマイズされた自動化を組み込んだエンジニアリングソリューションに関して、レーザーマーキングの進歩が加速しています。

銃器産業が特に多忙な中、カズマルスキー氏は、これまで部品が製造されたのと同じ CNC マシンで行われていたマーキングが、専用のマーキング システムに移行されつつあると指摘しました。 CNC マシンでこれらの部品にマークを付けるには、30 秒から 2 分かかる場合があると彼は説明しました。 現在では、その時間は部品の製造だけに当てられています。

Kaczmarski氏は、医療および自動車市場が新型コロナウイルス感染症のパンデミックによって必要となったジャストインタイム在庫から脱却するにつれて、市場が回復すると予想している一方で、「航空宇宙向けのレーザーマーキング用途の劇的な増加が見られ始めている」と述べた。 。」 国防総省のマーキング規格 Mil-Std 130N と FAA によるレーザーマーキングの承認のおかげで、防衛および商業航空宇宙マーキング用途は、カチマルスキー氏が予測する「今後マーキング業界の急激な増加」の重要な要素となるでしょう。 25年。"

アプリケーションの約 70% は Beamer の標準ソリューションの 1 つのバリエーションによって解決できますが、「すべての産業用レーザー マーキング ソリューションの 30% は当社のエンジニアリング ソリューションまたはインライン ソリューションによって解決されます。」と Kaczmarski 氏は説明しました。

ある銃器顧客のケースでは、ビーマーは、パートナー サプライヤーである TBH GmbH (ドイツ、シュトラウベンハルト) の 100 W ガルバノ レーザー システムとヒューム抽出装置を採用することで、スループットを 20% 向上させるシステムを設計しました。 Beamer の Marking Creator 3.0 ソフトウェアは、一般的なマーキング ソフトウェアでは珍しい「多数の追加パラメータ」をユーザーが変更できるため、「独自の競争力」を提供します。

コネチカット州ブルームフィールドの Dapra Marking Solutions では、「レーザーマーキングウィンドウ」の拡大が優先事項であると副社長の Dave Noonan 氏は述べています。

Dapra の検流計ベースのマーキング システムは、オペレーターがより広い領域をより簡単にマーキングできるようにするためのインターフェイスのアップグレードが間もなく行われるとヌーナン氏は説明しました。 オーバーヘッド ガントリーに取り付けられたレーザーとは異なり、ガルバノ ユニットはミラーでビームを偏向することでマーキングするため、マーキング エリアの境界内で角度を調整できます。

「私たちは、9 インチ (22.86 cm) のネームプレートのようなアプリケーションを持っている人々や、複数の部品をまとめたいと考えている人々とよく話します。問題は、テクノロジーが存在しないことではありません。私たちは XYZ を実現できます」とヌーナン氏は説明しました。 「しかし、方程式のソフトウェア側はゴムと道路が接する場所であり、私がこれまで見てきたほとんどのレーザーインターフェースが失敗するのはそこです」より一般的な 4 × 7 インチ (10.16 × 17.78 cm) のスペースとは対照的です。 Dapra の「より簡素化されたオペレーター インターフェイスにより、顧客はエンジニアがセットアップして実行する必要がなく、はるかに大きなマーキング ウィンドウをマーキングできるようになります。」

また、XYZ マーキング プラットフォームの機能によりシステムのコストが 2 倍になることがよくあるため、Dapra はプラットフォームをより手頃な価格にするために取り組んでいるとヌーナン氏は付け加えました。

「私たちはここで真の勝者を手に入れたと感じています。なぜなら、私たちは拡張性を備えているからです。銃器にマーキングをしていて、バレルを作成してレーザーヘッドの下に 10 個の銃を並べたい場合、システムがオープンスタイルであろうと密閉型であろうと、 —私たちはどちらでも提供できます—顧客は、銃器がそこにあるときに、その銃器のどの領域でも操作できるようになります。」

ヌーナン氏によると、この広域のガルバノベースのマーキング機能は、いくつかのシステム名で提供される予定だという。 「現在、当社ではレーザーエンクロージャに基づいて製品に名前を付けています」が、計画では、医療、航空宇宙、エネルギー、自動車などの個別の業界の機械をターゲットにし始める予定です。

シカゴにあるトルンフのスマートファクトリーへの訪問は、アラバマ州タナーに本拠を置くセキュリティ機器サプライヤー、クラボーン・マニュファクチャリングにとって多大な利益をもたらしたコラボレーションの始まりでした。

36 × 84 インチ (91 × 213 cm) の中空金属製セキュリティ ドアの手作業と部品の重量を削減することを目指して、Claborn は重量を 20% 削減し、仕上げ工程を排除し、構造に残った薄いシート片を使用しました。

製品設計エンジニアのリック・ホール氏は、当初、クラボーンは抵抗スポット溶接を使用してハット部分を各フェイスシートに接合し、次に手動の GMAW プロセスを使用して半分を溶接することでドアを製造していたと思い出します。 工場マネージャーのジェフ・フォークス氏は、下塗りと塗装の前に充填と研削に多大な労力を必要とするプラグ溶接が複数あるため、プロセスがさらに遅くなったと付け加えた。

トルンプのスマートファクトリーでは、レーザー溶接製品マネージャーのマスード・ハルーニ氏が、より効率的で再現性の高い生産を実現するクラボーンのドアの再設計を促進する時間節約方法を実演しました。

「各ドアの片側の継ぎ目をすべて切断し、MIG溶接してから研磨する必要がありました」とHaroni氏は説明しました。 「これらはレーザー溶接の継ぎ目です。最初のパスは熱の浸透を目的とし、2 番目のパスはより焦点のぼけたビームによる熱伝導を目的としています。」これにより、より美しい仕上がりが得られます。

両社の協力が始まって以来、「トランプ氏は課題を克服するために何度もアプリケーションサポートを送ってくれた」とホール氏は語った。 「人々がオートメーションを見るとき、最終製品が見え、ロボットがすべてを完璧に実行しているのが見えますが、そこに到達するには時間がかかります。継ぎ目が同じ位置になるように部品を固定する必要があります。」時間。"

Trumpf の TruTops Weld ソフトウェアを使用すると、Claborn は 3D 部品モデルを仮想環境にロードし、各溶接を正確にプロットできます。 各ドアの溶接には約 20 分かかります。

フルクス氏は、最適なワークフローを設計するために 4 人からなるチームを作ることが Claborn の成功にとって重要だったと説明しました。 チームには、ホール、専任プログラマー、および 2 人のオペレーターが含まれています。 「私たちは、レーザー溶接機やロボットシステムの使用を考慮しながら新しいドアのデザインを研究開発するために、それぞれの役割に合わせた特定のスキルセットの開発に多大な注意を払ってきました」とフルクス氏は付け加えた。

最終的にドアが ASTM 身体的攻撃テストに提出されたとき、「業界で最も厳しいセキュリティ グレードを簡単に満たしました」とホール氏は言いました。

プロセスを最適化したクラボーンでは、平面切断用の TruLaser 1030、TruMatic 6000 パンチおよびレーザー加工機、パーツ シャトル システムを備えた 5000XL TruLaser セルなどのTrumpf 装置を天井および壁パネルの製造にも適用しています。 同社は、システムが他の種類の作業を処理できるかどうかも調査中です。

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