自動車製造業向け-可視化の提案

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、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？プロセスを実測で可視化することで、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。
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。

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技術ご紹介いたします。


＊溶接の可視化についてこちらで詳しく紹介しています     溶接欠陥の原因を可視化     レーザー溶接の可視化

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。

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。
カトウ光研の可視化技術では、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溶接中のシールドガスを可視化。
取得した画像から粒子画像流速計測法（PIV）の計測技術を用いてシールドガスの流れを解析しています。

溶接中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しています。

溶接時間が短くて品質仕上りが良い、薄板に最適なスポット溶接を可視化しています。
画像は側面から毎秒5000コマのハイスピード撮影をしています。

チップで薄板を挟み込んだ加圧状態から、通電を開始した約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？の検証が可能です。

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。

カトウ光研の微粒子可視化技術やPIVによる流体可視化は、異物の発生と浮遊プロセスを把握することが可能です。
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。


＊微粒子可視化・PIV（流体可視化）技術についてこちらで解説しています     クリーンルームの異物対策-微粒子・気流を可視化     PIVとは

FFU が設置されたドライブースでイオナイザー（除電）有無による電池材料の飛散状況を可視化しました。
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ていて、除電の重要性がわかります。
飛散する微粒子の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。

自動車ボディを成型する金属プレス加工で、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で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。

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。

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＆プル式での集塵捕集がされています。
設置場所はシミュレーションによる推察で検討されていることも多く、条件次第では塵埃の再飛散で生産現場の汚染源となってしまう場合もあります。

カトウ光研の微粒子可視化技術では、集塵状況を可視化する事で吸塵力の設定やブロアー位置の最適化を行うことが出来ます。

自動車のデザインは流体力学の特性を活かした形状で、ダウンフォースを得やすく且つ空力抵抗が少ないことが安定性、燃費効率の上で良いとされています。一方でデザイン性も重視される為、空力特性のみを活かした形状が最適とはいえません。

カトウ光研では流体の可視化技術を活かして、高速化や高性能化が進む自動車製造の研究に向けて流体力学の観点からお手伝いをします。

流体力学が関わる研究対象

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な要素です。

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。
カトウ光研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。


＊気流の可視化・解析についてこちらで解説しています      流れの可視化とは     PIVとは

リアウイング上面と下面で流れる空気の速さを変える事で生まれるダウンフォースの効果を検証しています。
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行っています。

PIVで計測を行い、速度ベクトルを詳細に算出しています。
解析結果から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。

リアウイング上面と下面で流れる空気の速さを変える事で生まれるダウンフォースの効果を検証しています。
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行っています。

PIVで計測を行い、速度ベクトルを詳細に算出しています。
解析結果から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。

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。
カトウ光研の可視化技術では塗装ミストの可視化をして速度分布が一定になっているのか？を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。

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。