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1 わが社の新製品新技術の紹介 ( シリーズ 3) 日酸 TANAKA FA 事業部国内営業部石川広宣 1. はじめに日酸 TANAKAは 1989 年に 世界初 となる発振器搭載型 CO2 レーザ切断機を開発 販売を開始し 造船 橋梁 建機 シャーリング等の市場やお客様ニーズにお応えする LMX シリーズ ( 写真 1) LMR シリーズ ( 写真 2) といった 発振器搭載型 CO2 レーザ切断機を国内 海外に 1,000 台以上納入して参りました 近年では 以前から注目されていたファイバーレーザが高出力化を実現したことで ファイバーレーザの普及が増え 特に 2kW 以下の出力による薄板分野では 切断性能とランニングコストの両面で CO2 レーザよりも高い優位性が得られることより ファイバーレーザの普及率が高くなってきています 写真 1 発振器搭載型 CO2 レーザ切断機 LMXⅦ 写真 2 発振器搭載型 CO2 レーザ切断機 LMRV 最近では ファイバーレーザの適用範囲を中厚板分野へ拡大する取り組みがなされており 当社も 2011 年より中厚板切断を対象とした 5kW ファイバーレーザ切断機の販売を開始しております 今回は わが社の新製品 新技術の紹介 と題しまして 弊社のファイバーレーザ切断機をご紹介させて頂きます 1

2 2. ファイバーレーザ切断機の開発背景弊社は 2006 年にファイバーレーザ加工技術の研究開発に着手し 第 1 号機となる定尺 4 8 サイズ (1,219mm 2,438mm) に対応したフルカバー式の 2kW ファイバーレーザ切断機を 2008 年に納入致しました ( 写真 3) 写真 3 定尺材専用ファイバーレーザ切断機 LMSⅢ その後 中厚板分野へ適用範囲を拡大し 2011 年には 5kW 発振器で 世界初の軟鋼板厚 32mm の実用切断 を実現した 大型ガントリータイプのファイバーレーザ切断機 FMR シリーズを製品開発し販売を開始致しました ( 写真 4) さらに今年の4 月 2014JIWSにて 大型定尺 8 20 サイズ (2,438mm 6,096mm) に対応したフルカバー式のファイバーレーザ切断機 FMMシリーズを製品発表し ( 写真 5) 中厚板市場に最適な切断機のラインナップを揃えております 写真 4 大型ファイバーレーザ切断機 FMR 写真 5 大型定尺材専用ファイバーレーザ切断機 FMM 2

3 3. ファイバーレーザのメリット 3.1 レーザの特性 表 1 に各種レーザの特性 図 1 にファイバーレーザと CO2 レーザの発振方法を示します 波長 (μm) チラーを含む総効率 (%) レーザヘッド 電源 チラーの占有面積 (LDを1として) ビーム吸収率 (%) ビーム品質およびファイバー径 表 1 各種レーザの特性 半導体レーザ (LD) ランプ励起 YAGレーザ ファイバーレーザ CO 2 レーザ ( 軸流 ) ~ ~15 1 6~7 Fe Al LD 10,000 光学系 2,000 フラッシュランフ 500~1,000 LD 50,000 光学系 2,000 フ ロワー / ターヒ ン 20,000 BPP(mm*mrad) 取換え時間 (Hrs.) ファイバー径 (φmm) ( 焦点径 ) 表 1 を見ると ファイバーレーザは CO2 レーザに比べて波長が約 1/10 と短いことにより 金属へのエネルギー吸収率が CO2 レーザの約 3 倍と非常に高いことが分かります ファイバーレーザは金属へのエネルギー吸収率が高く 反射によるロスが少ないことより CO2 レーザと比較して 高い切断性能を得ることができると言えます また ファイバーレーザの変換効率は CO2 レーザの約 3 倍と非常に高い効率となります これは 気体レーザである CO2 レーザの場合は放電エネルギー 固体レーザの一種であるファイバーレーザは光 ( ダイオード光 ) であり ( 図 1) ファイバーレーザでは光の種類を変更するだけなので非常に高い変換効率が得られ 結果消費電力削減にもつながっています Yb 添加コア レーザ媒体 励起光 励起用ダイオード群 ( 発振用ファイバー ) 励起用ダイオード群 マルチカプラー マルチカプラー FBG ファイバーブラッググレーティング レーザ光 ( 伝送用ファイバー ) (a) ファイバーレーザの発振方法 (b) CO 2 レーザの発振方法図 1 ファイバーレーザとCO 2 レーザの発振方法 3

4 3.2 付帯設備の縮小 CO2 レーザはビームの伝送に反射鏡 ( ミラー ) を使用する ( 図 2) ため ビーム伝送のための複数枚のミラーとそれらを設置するための装置が必要となります 一方 ファイバーレーザでは ファイバーケーブルにてビーム伝送がおこなえるため ミラー等の部品や装置が不用となります 4. 弊社のファイバーレーザ切断機の特徴 4.1 省エネルギ 表 2 に弊社が採用するファイバーレーザと CO2 レーザの発振器およびチラーの仕様比較を示します ファイバーレーザは 3.1 項で述べた高エネルギー変換効率の関係で 消費電力が CO2 レーザの約 1/3 で 筐体サイズも小さく 非常に省エネルギーな仕様となっています さらに CO2 レーザには必要不可欠なレーザガスが不要 発振器の待機電力が無いとい った特徴もあります 表 2 ファイバーレーザとCO 2 レーザの装置仕様比較 ファイバーレーザ CO 2 レーザ サイズ 1, ,500 2,190 1,200 2,010 チ消費電力 13kW 45.8kW ラー冷却能力 20.3kW 66kW メーカ IPG FANUC サイズ 1, ,519 3, ,420 波長発 1.07μm 10.6μm レーザガス振不要 20L/h 定格出力器 5kW 6kW 最大出力時 20kW 60kW 消費ベース放電電力 0kW 22kW ( 待機電力 ) 流量 90L/min 250L/min 付昇圧トランス必要不要そ帯 の設他備 純水装置レーサ カ ス切り替え装置吸着式エアート ライヤ チラー内臓不要不要 必要必要必要 4

5 4.2 省メンテナンス 表 3 にファイバーレーザと CO2 レーザのメンテナンスについて示します ファイバーレーザは 3.2 項で述べたビーム伝送系の光学部品が不要なため CO2 レーザ で必要となる発振器内外部部品の定期的な清掃 交換 調整が不要となり 基本的にはメ ンテナンスフリーとなります 表 3 ファイバーレーザとCO2レーザのメンテナンス比較 ファイバーレーザ CO 2 レーザ - 出力鏡 - リア鏡 発 - 折り返し鏡 振 - カ スフィルター 消 器 - 真空ホ ンフ 排気フィルター 耗 - 真空ホ ンフ オイル 品 - ターホ フ ロアオイル フ ロセスファイハ ーセ ロシフトミラー (5 枚 ) 外部集光レンス 円偏光ミラー (1 枚 ) 光学系保護カ ラス集光レンス 4.3 低ランニングコスト メンテナンス その他 ノズル ノズル 発 - 内部光軸調整 振 - 定期清掃 ( 放電管 ) 器 - 部品交換 外部 - 外部光軸調整 光学系 - 定期清掃 図 3 にファイバーレーザと CO2 レーザの 1 ヶ月当たりのランニングコスト比較を示します ファイバーレーザは CO2 レーザに比べて 約 66% の電気代削減 約 28% のガス代削減 約 85% の保守 消耗品代削減が可能となり 総ランニングコストとしては実に約 71% の削減が図れます (CO2 6kW 発振器とファイハ ー 5kW 発振器による比較 ) 1,200,000 1,000, ,000 ファイハ ー 5kW CO2 6kW = 使用状況 某ユーサ 実使用条件 = 月の立ち上げ時間 :422 時間 (17h/ 日 ) フ ロク ラム起動時間比率 :422 時間の 55% ビーム on 時間比率 :422 時間の 34% 約 71% 削減 600,000 約 66% 削減 400,000 約 28% 削減 約 85% 削減 200,000 0 電気代 ガス代 消耗部品 保守費用総ランニンク コスト ( ミラークリーニンク ) 図 3 ファイバーレーザとCO 2 レーザの1ヶ月のランニングコスト 5

6 4.4 高い切断性能 表 4 にファイバーレーザと CO2 レーザで 板厚 32mm 軟鋼切断を実施した際の切断結果を示します ファイバーレーザは CO2 レーザよりも低いビーム出力でありながら 同等の切断能力が得られていることが分かります また 表 5 には中抜き切断をファイバーレーザで実施した結果を示します ファイバーレーザによる中抜き切断は 板厚 16mm でΦ5mm 板厚 22mm でΦ7mm といったように 板厚の約 1/3 の直径が切断できており CO2 レーザの場合は板厚と同等直径が一般的であることから ファイバーレーザの高い中抜き切断能力が確認できます 図 4 にファイバーレーザと CO2レーザでパルスピアシング能力を比較した図を示します いずれの板厚についても ファイバーレーザの方が 2~8 秒程度ピアス時間が短く ファイバーレーザはピアシング能力にも優れていると言えます 表 4 ファイバーレーザとCO 2 レーザの切断品質比較 軟鋼切断 ( 板厚 32mm) ファイバーレーザ CO 2 レーザ アシストガス種レーザ出力切断速度 酸素 5kW-CW 600mm/min 酸素 6.5kW-パルス 600mm/min 切断面写真 表 5 ファイバーレーザの中抜き切断性能中抜き切断板厚 16mm φ5mm 板厚 22mm φ7mm 表面 裏面 パルスピアシング時間 (sec.) ファイバーレーザ CO2 レーザ 板厚 (mm) 図 4 ファイバーレーザとCO 2 レーザのピアシング能力比較 6

7 4.5 安全対策ファイバーレーザは 1.07μm という波長であることから 目に対する危険が非常に高く 切断機に遮光カバーの設置や作業者の保護メガネの着用 レーザ管理区域の設定等 WES9020:2014 高出力レーザ溶接及び切断の安全基準 に準拠した安全対策が必要となります 弊社ではファイバーレーザ光の遮光対策を考慮したファイバーレーザ切断機を2 機種用意し お客様のご要求に合わせてご提案させて頂いております 1FMMシリーズ定尺材 8 20( 有効 : 幅 2.6m 長 6.6m) に対応したファイバーレーザ切断機で 装置全体をフルカバーで覆い ファイバーレーザの反射光を気にすること無く 安全に切断作業が行えるファイバーレーザ切断機です 遮光フルカバー FMM シリーズ : ファイバーレーザ切断機 ファイバーレーザ切断機 素材及び製品の出し入れは パレットチェンジャ 鋼板ストッカ装置 トラバース台車等を用意し お客様の用途や工場スペースに適応したご提案をさせて頂きます 7

8 2FMRシリーズ門型ガントリータイプのファイバーレーザ切断機で 有効切断幅 2.5m~5.5m の幅広い範囲に対応 有効切断長については走行レールを延長することで 50m といった有効長にも対応可能となります また 既設発振器搭載型 CO2 レーザ切断機やプラズマ切断機の既設走行レールを流用して FMRファイバーレーザ切断機を設置するといった対応も可能となります 門型ガントリータイプのファイバーレーザ切断機において 懸念される問題はファイバーレーザ光に対する安全性ですが 弊社では独自の遮光対策により レーザ切断機設置場所の外周に遮光壁を設置しない運用方法についてもご提案させて頂きます a) 切断機本体遮光対策 : トーチ遮光カバー + 機体遮光カバー + 遮光スカート装備 b) 切断定盤遮光対策 : ファイバーレーザ用切断定盤の販売及び提案 c) オペレータ遮光対策 : ファイバーレーザ専用保護メガネの着用 d) 設置エリア管理区域の設定 : 関係者以外立入禁止 機体遮光カバー FMR シリーズ : ファイバーレーザ切断機 ファイバーレーザ用切断定盤 ( 反射光対策を考慮した定盤構造 ) トーチ遮光カバー遮光スカート ( 機体カバーと切断定盤間の隙間を遮光 ) 8

9 門型ガントリータイプファーバーレーザ FMRシリーズ の導入 運用ですが お客様におかれましてはファイバーレーザ光の危険性を十分にご理解頂いた上での運用とさせて頂くと共に 安全性維持のため定期的な遮光部品交換 ( 遮光スカート 等 ) やメーカ定期点検が必要となりますことを予めご了承願います 5. 最後に弊社は 切断 溶接機器から工業ガスまでを一貫して提供できるトータルソリューションカンパニーとして 今回ご紹介させて頂きましたファイバーレーザ切断機をはじめ 各種プラズマ切断機 ガス切断機や罫書装置 ( マーキング ) その他付帯機器に至るまで お客様のご要望に応じた様々なご提案をさせていただいております 気軽に最寄の弊社支店 営業所に何なりとご相談下さい また 弊社ホームページ ( にて各種製商品のご紹介や お問合せ ご相談をお受けしておりますので 是非ご活用下さい 日酸 TANAKAは今後もお客様のニーズにお応えする製商品の開発に取り組んで参ります 今後とも 日酸 TANAKA を宜しくお願い申し上げます 9

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