レーザー出力を上げずに工作機械の加工効率を上げるには？

かつては、レーザーの出力を上げることが加工効率を上げる最も直接的で効果的な方法と考えられていた。しかし、6万ワットのレーザー切断機が発売された後、業界では出力が限界に達したのではないかという議論が始まっている。

業界の専門家は、6万ワットの出力はすでにプラズマ切断やフレーム切断を包括的に置き換える能力を持っていると考えている。これ以上の出力増加は、切断効率や切断能力にあまり寄与せず、かえってユーザーのコストとエネルギー消費を増加させる。しかし、産業分野での効率追求には終わりがない。パワーが限界に達したのなら、加工効率を高めるために他にどんな方法があるのだろうか。

カーボンファイバー・クロスビームを導入して加速を倍増

クロスビームがガントリー型工作機械の重要な構成部品の一つであることはよく知られている。クロスビームの静的および動的特性は、工作機械全体の性能を決定し、工作機械の加工効率、精度、安定性に重要な影響を与える。現在、工作機械のクロスビームは金属製で、主に鋼やアルミニウム合金の鋳物で作られている。

スチール製クロスビームは安定性が良く、高精度という利点があるが、重量が大きいため、通常は低速が要求される工作機械に適用される。高速・高加速を実現するためには、非常に大きなパワーとトルクを持つモーターをマッチングさせる必要がある。動特性が限界を超えると、それ以上の性能向上は不可能となる。クロスビームを軽量化するために、アルミ合金のクロスビームが使われ始めていますが、アルミビームの重量はまだ大きく、速度や加速度の向上には限界があります。また、アルミニウム合金材料は弾性率が低く、柔らかく、変形しやすく、熱膨張係数が大きいため、精度が温度変化の影響を受けやすい。そのため、アルミ合金の横木は3～6カ月ごとに再調整が必要になることが多い。

レーザーパワーを積まずに工作機械の加工効率を向上させるには？

カーボンファイバー製クロスビームの重量は、スチール製クロスビームの1/4～1/5、アルミ合金製クロスビームの1/2～1/3である。この軽量素材により、工作機械の移動速度と加速度をさらに高めることが可能になる。一部のレーザー加工機メーカーはカーボンファイバークロスビームを導入し、加速度を通常の精密切断機の0.8g～1gから2gに向上させるとともに、精度をミクロンレベルからサブミクロンレベルに向上させている。

カーボンファイバー・クロスビームはコスト削減にもつながるのか？

スピードの向上だけでなく、カーボンファイバー・クロスビームはマシン全体のコスト削減にもつながる。カーボンファイバー・クロスビームは軽量であるため慣性が小さく、ギヤラックやモーターへの要求が大幅に軽減される。このため、機械のベッドを軽くすることもできる。前述したように、高速・高加速を実現するためには、スチール・ビームやアルミ・ビームでは非常に大きなパワーとトルクを持つモーターが必要になる。しかし、カーボンファイバー・クロスビームでは、同じ加速性能を維持しながら、ベッド、ギアラック、モーターのコストを効果的に削減することができる。通常のモーターでも1gの加速が可能で、精度も大幅に向上する。

さらに、高速化と加速化は、工業分野の永遠の追求である。鉄の梁やアルミの梁を使う場合、加速度を上げると精度が犠牲になることが多く、精度を上げると加速度が犠牲になることが多い。この2つを同時に実現するのは難しい。精度と加速度を同時に向上させるためには、はるかに強力なモーターやギアラックなどを購入する必要があり、そのコスト増はユーザーにとって生み出される価値を上回る可能性すらあり、ユーザーはその対価を支払うことを望まないだろう。

カーボンファイバー・クロスビームは、加速度改善に成功する確率を大幅に高め、コストもスチール・ビームやアルミ・ビームよりはるかに低い。そのため、炭素繊維クロスビームを全面的に採用し、金属クロスビームを完全に捨てたメーカーもある。

エンドユーザーにとっても、炭素繊維クロスビームは大幅なコスト削減につながる。工作機械の加速度が1Gから2Gになった場合、ユーザーは1台の機械を買うのに以前より少し出費するだけで、過去に2台の機械を買った効果が得られることになり、機械全体の価値が大幅に向上する。同時に、クロスビームが軽くなるということは、主な移動荷重を負担するガイドレールやギアラックの摩耗が少なくなり、耐用年数や装置の耐用年数が大幅に延びるということでもある。

特筆すべきは、金属横梁の成形工程は熱間加工であり、大量の機械加工によって金属内部に残留応力が形成され、時間の経過とともに徐々に解放され、横梁の反りや曲がりを引き起こし、装置の精度に影響を及ぼすことである。熱処理を繰り返しても、これをなくすことはできません。また、アルミ合金のクロスビームは柔らかく変形しやすいため、装置の精度を確保するためには、アフターセールスによる頻繁な調整が必要です。また、重いクロスビームは、長期運転中にモーターの過熱（焼損まで）を引き起こす可能性があり、企業に莫大なアフターセールス費用をもたらし、ユーザーは修理のために生産を停止することになる。

炭素繊維は炭素を主成分とし、塑性変形が少なく、破断伸度が約2%と脆い無機材料である。炭素繊維複合材料は、成形後のクリープや疲労がなく、アフターセールスによる度重なる調整を必要とせず、高い精度を長期間維持できる。また、炭素繊維クロスビームは軽量であるため、モーターの損失も少なく、モーターのオーバーヒートもほとんど起こりません。従って、炭素繊維クロスビームは、企業のアフターセールス・コストを節約し、ユーザーが頻繁なダウンタイムを回避するのに役立つ。

しかし、レーザの高出力化後、複雑なパターンや小さなパターンを切断する場合、速度が追いつかないことが多く、超高出力の速度の優位性は、比較的長くて方向が一定な直線や円弧にしか発揮できない。工業デザインの向上に伴い、工作機械の加工対象は曲線化・微細化し、パターンも複雑化しているため、ハイパワーでは加工効率を総合的に向上させることはできない。重要なのは、やはり運動軸の加速度と速度にある（中でもクロスビームの加速度が最も重要で難しい）。

スチール製クロスビームは重量が重いため、加速を上げようとすると振動が発生しやすく、性能向上に限界がある。アルミクロスビームは軽量ですが、素材が柔らかく剛性に欠け、加速時の振動も性能向上に限界があります。カーボンファイバー・クロスビームは軽量で、スチールに近い剛性を持ち、金属材料よりも材料内の振動伝播の減衰性がはるかに高く、運動中の振動を抑えるのに有利です。したがって、炭素繊維クロスビームは、高出力切削工作機械の動的性能を大幅に向上させることができる。

炭素繊維横梁の耐損傷特性

ガントリータイプのクロスビームには、デュアルサイドモータ数値制御同期ドライブが使用されることが多い。制御システムの故障や外部からの衝突に遭遇すると、両側の駆動モーターが同期しなくなり、ジャミングやクロスビームの激しいねじれ変形を引き起こすことがある。金属材料は塑性変形するため、一度大きな変形が生じると、元の状態に戻すことができない永久変形となり、クロスビームを交換するまで工作機械は停止せざるを得なくなる。

しかし、炭素繊維には塑性変形がない。そのため、大きな外力によって材料が大きく変形しても、内部に損傷がない限り、炭素繊維複合材料は力を取り除いても永久変形することなく元の状態にスプリングバックすることができる。この特性は金属材料よりもはるかに優れているため、炭素繊維複合材料は耐久性があり、劣化しない安定した弾性を持つ弾性部品（振動台バネ板など）にも使用されています。高速工作機械に使用した場合、衝突やアンバランスな両側駆動のジャミングなどの重大事故が発生し、クロスビームが変形しても、事故解消後は元の状態に戻るため、精度を維持することができる。