自動車製造業における可視化評価計測 | カトウ光研株式会社
カトウ光研株式会社

自動車製造業における可視化評価計測

HOME製品用途一覧 > 自動車製造業におけるPIV 計測評価

不良対策と生産効率改善の架け橋となる可視化技術

自動車製造業では研究開発・製造管理・品質管理など多くの工程でコスト低減が求められています。特に自動化の進む塗装や金属プレス、溶接などの工程では、原因が特定できない不良の 発生も多くあり、その解明に可視化技術が役立てられています。どのように不良が発生しているかプロセスを実測により視える化することで、不具合発生の解決方法に最短距離で到達することができます。その結果、不良対策にかかる工程を省けるだけでなく、生産そのものの効率改善にも結び付けることが可能です。

チャプター1.

【溶接可視化技術による工数削減・品質向上】

自動車業界の溶接に用いられる手法も用途に合わせ様々です。アーク溶接から、Laser溶接、直流スポット溶接など数多くある中でそれぞれ品質を高める技術は全く異なります。また工場の生産設備では自動化が進んでおり、生産効率を高めるために溶接ロボットにより高精度な制御ができるようになっていますが、溶接プロセスそのものにはまだ未解明の不良発生原因も多くあります。

特にアーク溶接からレーザー溶接へ切り替えが進んでいく中で、新たに解決しなければならない技術的課題が多く見つかりました。その対策で溶融箇所や流体現象の可視化技術は非常に有効な 観察手段となっています。強力なプラズマ光が発生している中で、その強い光を打ち消し、鮮明に溶接プロセスを撮影するノウハウは弊社独自の技術となっております。

レーザー溶接時プルーム発生状況可視化とエアナイフによる制御効果の可視化事例

レーザー溶接ではプルーム発生により焦点シフトやヒュームによる光吸収が起こり、パワーの減衰が発生するといわれます。その溶接プルームをサイドノズルからのエアナイフで吹き飛ばす事でプルームの成長を制御し焦点シフト・吸収を防ぎます。ノズル位置が適切かどうか、実際の溶接プロセスで効果を確認できます。ガス種による効果の違いや流量・角度、また溶接速度などによる条件の違いによる変化も可視化することで最適化が可能です。

溶接ヒューム・スパッタのプッシュプルによる集塵状況の可視化事例

レーザー加工で発生したヒュームは、レーザー光を減衰させてしまうだけでなく、ヒュームやスパッタの出射口への付着は品質を著しく下げてしまいます。溶接ヒュームは塵肺を引き起こすため作業者の労働安全衛生上も集塵効果の確認は重要です。またスパッタを集塵機で吸引してしまった場合は火災発生などの重大な事故にもつながりかねません。ヒュームの発生から集塵プロセスの最適化、スパッタの発生状況と影響範囲の見極めを同時に行うことが可能です。

Tig溶接時のシールドガス流れ可視化事例

粒子画像流速計測法(PIV)の計測技術を用いて、Tig溶接中にアーク光近傍域での速度分布の算出による定量評価を行いました。アーク周辺に存在するプラズマ気流の傾向を可視化することで、アーク光発生時のシールドガス流の状態を評価することができました。

抵抗溶接(直流スポット溶接)の溶け込み状態可視化事例(5000fpsで撮影) 

溶接時間が非常に短く品質仕上りが良く薄板溶接に最適なスポット溶接がどのように溶接されるか側面より毎秒 5000コマで観察しました。チップで薄板を挟み込んだ加圧状態から通電開始より約60ミリ秒程度でナゲットが形成。その後、スパッタが飛散していく様子を高速撮影しています。ナゲットの状況から電流電圧が適正か、また溶融金属の状況から保持加圧時間が冷却に対して適正か検証が可能となります。

チャプター2.

【異物混入対策による品質改善・作業環境のクリーン化技術】

塗装工程のブツや金属プレス時の異物は不良品発生へ直結する為、異物対策はクオリティとコストの面で非常に重要です。各工程においての発塵源の特定・対策の際には異物の浮遊状態を把握することが重要になります。また「じん肺」や「肺腫瘍」「喘息」など粉塵の吸入暴露による健康障害を発生させる恐れもあり、労働安全衛生の面でも適切な対策をとることが望まれます。

二次電池の生産工程ではセパレータに金属異物が混入することにより、短絡などの不具合が発生します。特に生産工程の装置内で発生した異物か、また外部から混入した異物なのか、発生プロセスを明確にしなければ場当たり的な対策に終始してしまいます。微粒子可視化やPIVによる気流可視化は、異物の発生と浮遊プロセスを把握することが可能になります。清浄化にあたっての重要な、発生させず、持ち込ませないことを実現するお手伝いができます。

リチウムイオン二次電池材料の飛散状況可視化事例

FFU のあるドライブースにてイオナイザー(除電)の有無により電池材料の飛散状況がどのように変わるかを可視化しました。除電しない状態では容器へ入れた粒子が舞い上がり周囲へ飛散する様子が撮影され除電の重要性が可視化されています。微粒子挙動を見ながら設置位置、電圧設定を最適化することが出来ます。

プレス工程の塵埃挟み込み可視化事例(下記はイメージ動画です)

自動車ボディを成型する金属プレス加工では金型でプレスしますが、切削された際に発生する金属粉末を金型に挟み込むことにより不良品が発生してしまうケースがあります。プレス環境は適切な吸塵・除塵が必要で、異物巻き込み箇所を微粒子可視化システムで特定する事で最適な生産環境を構築することが出来ます。

切削加工時のキリコ・塵埃の飛散事例

多くの加工機周囲には集塵装置を設けておりますが、切削時等で発生するキリコは数mm単位の大きな金属片からサブミクロンの小さな金属粒子まで大小さまざまな異物が発生します。特に小さな金属粒子は生産現場の気流により浮遊し拡散してしまう為、集塵機などでの除塵が重要です。

集塵捕集の可視化評価

レーザー加工やプレス、切削、等々各工程においてプッシュ&プル式での除塵・集塵捕集がされていますが、設置場所はシミュレーションなどによる推察で設置されているところも多く、条件次第では異物再飛散となり生産現場の汚染源となってしまう場合もあります。集塵状況を実測にて可視化する事で吸塵力の設定やブロアーの位置などの最適化評価を行うことが出来ます。

チャプター3.

【要素研究・開発研究における可視化計測事例】

自動車のデザインは流体力学の特性を活かした形状をしており、ダウンフォースを得やすく且つ空力抵抗の少ない形状が車両安定性、燃費効率の上で良いとされています。勿論デザイン性が重視される為、一概に空力特性を活かした形状が最適という訳にはいきませんが、自動車の高速化や高性能化が進む昨今、流体力学は切り離せない関係にあります。また室内環境工学の観点では曇り防止や霜雪解凍のほか、車室内の快適性や密閉性も重要です。エンジンに関わるところでは吸気・燃料噴射・冷却・廃棄・燃焼などが重要になりここでも流れを把握する必要があります。更に冷却関連ではラジエータやブレーキなどと、自動車にとって流体力学を考えずには動かないと言われるほど重要になっています。

また、今後の自動車業界の方向性に対して CASE、MaaS といった、車の「自動化」「在り方」の変化に伴い車載電子機器の重要性は高まり続けています。その中でも自動運転に欠かすことのできない技術がレーダー、パーキングセンサー、画像認識システムといった車載電子機器になります。弊社では光学観測の経験からパーキングセンサーの進行波を高速度撮影出来る世界初の超音波観測システムも構築しています。

リアウィング回りの気流可視化とPIV

翼上面と下面流れる空気の速さを変える事でダウンフォースを発生させるリヤウィングの効果を確認するため、ムービングベルト付き1/4スケール小型風洞で空力実験をしている映像です。PIVで計測を行う事で下面に流れる空気が上面を流れる空気よりも速い事が分かります。

車室内気流のPIV

車室内のエアコンはドライバーや同乗者が快適に過ごす目的以外に、居眠り防止や冬場の防曇性能など安全機能としても性能を求められます。またダクト内の構造次第では気流が振動を起こし騒音の原因ともなります。気流の速度を粒子画像から求めるPIV計測によって滞留領域の可視化や主流速計測などが可能です。車載空調はダクト内外とも気流の可視化計測の事例は多くあります。

噴霧ノズル解析

燃料噴射の噴霧や塗装ノズルからの塗装ミストなど用途は分かれますが、研究開発において着目されるところとしては平均粒径や速度分布、噴霧角度や濃度分布といったところが多く、これらは可視化画像から求めることもできます。

塗装時におけるオーバースプレーの発生状況の可視化事例

塗着効率を上げるためには適切な噴霧角度、噴霧量、パターン幅、ノズルからの距離を一定に保つことが重要です。弊社システムでは塗装ミストの可視化のほか、ミスト噴霧の速度分布が一定になっているのか計測することも出来ます。オーバースプレーを抑制することが出来れば、不良率低減・コスト削減へ繋がります。

パーキングセンサーの疎密波可視化

市販品のパーキングセンサーおよびボルト締めランジュバン型振動子(BLT)の進行波を撮影している様子です。それぞれハイスペックな高速度カメラを使用した専用光学モジュールを用いて撮影しております。専用光学系、音速(地上 340m/sec)の進行波を捉えられる高速度カメラ、独自画像処理技術を併用することで、疎密波の反射の波面形状や波面の角度を可視化することが出来、どの方向からどの程度の強度で音が返ってきているのか可視化することが出来ます。

関連製品

微粒子可視化システム微粒子可視化システム
現場での運用効率を極めた清浄空間での異物対策システム
USB高速度カメラ K5 USB高速度カメラ K5
高速流体に対応した撮影速度を誇る超高感度USBモデル
溶接中シールドガス可視化システム
高溶接中にシールドガス挙動を観察できる世界唯一の光学システム
PIVシステム2D2C
PIVシステム2D2C
高速度カメラによる時系列評価用の流体解析の基本システム
カタログダウンロード