現代の金属製造工場における自動ブラストの全体像

ブラスト操作の自動化では、一定期間内にどれだけの個数をブラストできるかなどの効率を重視する必要がありますが、それだけを考慮すべきではありません。

現代の金属製造業務は昔のファブショップとは異なります。多くの施設は清潔で明るい雰囲気で、従業員は新鮮な濾過された空気の中で働いています。はい、製造における一部の作業は、まあ、まったく汚いものであり、手動によるブラスト処理はその代表的な例です。仕事は楽しいものではなく、保護具が必要で、ブースのメンテナンスやセットアップが適切に行われていない場合、ワークフローに重大な制約が生じる可能性があります。

爆破自動化のオプションは豊富にありますが、技術的な魔法のような手法に飛び込む前に、「爆破操作で何を達成する必要があるのか?」という基本的な質問に答えて基礎を築いてみてください。

ショットブラスト (ショット以外の異なる媒体を使用する場合は単に「ブラスト」) は金属表面を準備しますが、ショットピーニングは金属の特性を変更することを目的としています (図 1 を参照)。特定の航空宇宙用途では、正確なレベルの応力緩和 (または材料特性に対するその他の変更) が必要であり、それを達成するために特殊なショットピーニング技術が使用されます。着陸装置の精密ショットピーニングはその代表例であり、このプロセスにより表面応力が最適化され、微小亀裂やその周囲の応力上昇が除去されます。

ほとんどの金属加工業者は、その用途の大部分にブラスト洗浄を採用しており、次の製造ステップ (通常は塗装) に向けて金属表面を洗浄および準備します。ビームやプレートが正しくブラストされていないと、塗料が適切に付着しません。ただし、一部の製造作業では一種のピーニングを採用しています。ハイエンドのピーニング用途ほど正確ではありませんが、それでもピーニングは行われており、媒体が表面に衝撃を与え、材料の特性を変化させることを目的とした圧縮応力を引き起こします。

高振動環境で使用されるボウルを製造することを想像してください。これらのボウル内の溶接にはある程度の応力除去が必要であり、ショットピーニングはこれを達成するのに役立ちます。溶接部の応力を適切に軽減するために、アプリケーションでは、表面の奥まで浸透するピーニング効果をもたらす大きなショットの使用を選択する場合があります。あるいは、部品内で必要なピーニング効果を達成するためにサイクル時間を延長しながら、ブラスト洗浄アプリケーションに使用するのと同じショットを使用することを選択する場合もあります。

繰り返しになりますが、製造業者の多くは、塗装などの下流工程に向けてワーク表面を準備する必要があるため、(ピーニングではなく) ブラスト処理を行っています。最終仕上げの品質が高くなるほど、表面処理がより重要になります。言い換えれば、高品質で一貫性の高いコーティングには、高品質の表面処理が必要です。自動車のパネルには、構造梁とはまったく異なる表面処理が必要です。

製造シーケンスのどこでブラストするのが最も合理的ですか? カットされたプレートは後工程に向けてブラスト処理されますか、それとも完成品は曲げや溶接後にブラスト処理されますか? 特に溶接部をとにかくブラストする必要がある場合、受け入れられる材料にブラストを適用することは直観に反しているように思えるかもしれません。結局のところ、ブラストを使用するほとんどの作業は、最終コーティングプロセスに入る直前にブラストを使用します。

それでも、爆発は常にバリューストリームの最後に発生する必要はありません。場合によっては、工場に入ってくるよりきれいな材料が、切断や溶接などの下流プロセスに役立つ場合があり、最終仕上げ作業の大幅な合理化に役立つ可能性があります。作業によっては、最終コーティングプロセスに入る前に、流入する材料のブラスト処理を自動化しながら、溶接部の最終ブラスト処理を手動で行うことを選択する場合があります。操作は完全に自動化されているわけではありませんが、受け入れられる材料がクリーンであるため、全体のスループットが大幅に向上し、製造された部品を手動でブラストするのに必要な時間と労力が大幅に削減されます。

また、コーティングは必ずしも製造の最後に行う必要はありません。たとえば、一部の造船所では、入荷したプレートをブラストし、溶接可能なプライマーで下塗りしてから溶接します。その後、作品は再びブラストされますが、溶接された継ぎ目のみがブラストされます。特に大きなワークピースの場合、このような製造シーケンスは全体の作業を大幅に合理化するのに役立ちます。

業界には、製造業者が材料の表面状態を評価するのに役立つさまざまな規格 (SSPC や NACE など) があります。材料がきれいであればあるほど、ブラストの強度が低くなり、望ましい仕上がりを実現するために使用するブラストメディアの強度も低くなります。著しい錆のあるプレートを扱う場合は、ショットを大きくする必要があるか、用途によっては角のある砥石が必要になる場合があります。ラウンドショットは通常、グリットよりも細かい仕上げを生成しますが、厚いペイントコートの適切な接着のために、より粗い表面プロファイルを生成するにはグリットが必要な場合があります。

図 1. ショットピーニングを必要とする製造業者にとって、溶接応力除去や材料特性の変化を伴うその他の用途のために、メディアの適切な混合を維持することが重要です。割れたメディアやサイズが小さすぎるメディアは、ピーニングシステムから継続的かつ一貫して取り除かなければなりません。

原材料の状態と必要な最終仕上げ、つまり、納品されるものと、製品の出荷前に達成する必要がある最終表面仕上げを考慮してください。流入する材料の品質と流出する材料の品質の違いにより、ブラスト処理量が決まります。品質の差が大きいほど (つまり、非常に粗い仕上げから細かい仕上げまで)、ブラストにかかる時間は長くなります。用途によっては、複数のブラストステージが必要になる場合もあります。最初のステージでは洗浄を行い、もう 1 つの 2 番目のステージでは、より細かいブラストメディアを使用して表面の塗料の接着特性を調整する必要があります。

ブラストにおける「速度」はいくつかの方法で定義できます。まず、必要に応じて錆を除去し、表面を整えるために、一度にどのくらいの量のショットを表面に当てる必要があるのか、また、どのくらいの頻度でショットを当てる必要があるのかを考えます。ワークの錆が多いほど、より多くのショットが必要になります。 1 つのタービンは 500 ポンド/分を放出する可能性があります。必要な表面仕上げを作成するのに十分なショットが十分な回数表面に当たるようにするため、低速で移動するワークピースにショットを当てます。あるいは、システムに複数の噴射ホイールを次々に配置し、（合計で）1,500 ポンド/分を噴射することもできます。これにより、部品は 3 倍の速さで移動できるようになります。

もちろんこれにも限界があります。ショットを投げすぎると、ショットされたメディアがシステム内で跳ね返り始め、さまざまな不整合が生じます。十分な量で発射されると、ブラストメディア自体の効果が失われます。

爆発の強さはいくつかの変数によって制御されます。操作により供給バルブを調整して、タービンに流入する媒体の量を制御できます。あるいは、操作によりタービン速度が遅くなり、ブラストメディア自体がより遅い速度で部品に当たる可能性があります。アプリケーションには最適な終了速度があります。低すぎるとメディアは効果的ではありません（たとえば、表面の錆を落とすことができません）。高すぎると、特に非常に薄いワークピースの場合、反りなどの他の問題が発生する可能性があります。

もう 1 つの変数には、ブラストメディアのサイズ分布が関係します。自動システムには、除去された錆や破片からブラスト媒体を分離するリサイクルシステムが備わっています。リサイクルシステム自体は非常に重要です。適切に動作していないとブラストメディアが安定せず、塗料の付着やその他の問題が発生する可能性があります。

ショットはリサイクルされるにつれてどんどん小さくなっていきます。ブラストメディアリサイクルシステムは、十分な量の新鮮なショットまたは他のメディアが混合物に追加されていること、およびスクリーニングシステム（微粒子を排出する）が適切に機能していることを確認するために監視する必要があります。手順は複雑ではありません。オペレーターは基本的に、ブラストメディアのサンプルを採取し、特別に設計されたいくつかのふるいに送ります。これにより、粗さの分布と、存在する可能性のある破片や汚染物質を確認できます。

ブラスト機は部品をブラスト流に乗せて運び、部品上に収集する媒体をできる限り少なくしながら、ブラストする必要があるすべての表面を露出させます。

タービンが噴射する噴射流には、中心付近に「ホットスポット」があり、噴射媒体が最も多くのエネルギーを運ぶ領域です。これにより、タービンの最適な位置が決まります (図 2 を参照)。たとえば、プレートを処理するブラスト機では、表面全体に均一にブラストを分散する必要があり、各ブラスト流のホットスポットが重ならない場合、プレートのブラスト媒体があまり当てられない領域に「縞模様」ができる可能性があります。

これらの基本は、あらゆるブラストマシン設計の基礎となります。金属製造の一般的な設計には、ローラータイプの機械が含まれます。ローラータイプの機械では、間隔をあけて配置されたローラー (図 3 を参照) がプレートまたはビームを機械に運び、複数の方向から噴射されます。

タービンの配置が重要です (図 4 を参照)。一部の機械では、たとえばさまざまなビーム形状を受け入れるために、ブラストタービンを一定の距離だけ離して配置する場合があります。この配置は、タービンをワークの近くに配置した機械ほどプレートに対して効率的ではないかもしれませんが、この配置には柔軟性があります。つまり、システムはさまざまな形状やサイズの平板とビームの両方を処理できます。

図 2. タービンは重なり合う噴射流を放出し、すべてのワークピースが十分にカバーされるようにします。

繰り返しになりますが、作業がいつ行われるかにも影響があります。そのフレキシブルな機械は、生のプレートをブラストして洗浄し、下流の処理に備え、溶接後にアセンブリをブラストする可能性があります。工場では、ブラストメディアへのアクセスの問題 (つまり、機械のブラストメディアが組み立てられた製品のすべての表面にアクセスできない) や、溶接にはブラストプロセスで生成されるきれいな表面が必要なため、この戦略を採用する場合があります。あるいは、企業は、入荷する在庫品と溶接製品の両方を「2 回ブラストする」ことを選択するかもしれません。これは、作業を処理するための最も速く、最も効率的な方法であることに変わりありません。生の在庫が入ってくるときに洗浄することで、下流の業務を合理化します。また、部品はすでに洗浄されているため、溶接アセンブリのブラストにかかる時間は短縮されます。

製造業者がどの機械を選択するかは、部品の形状などのアプリケーション要件によって異なります。平坦な部品やビームはローラータイプの機械で適切にブラストできますが、ブーム、バケット、またはその他の複雑な形状の場合は、ハンガータイプまたはスピナーハンガータイプの機械が必要になる場合があります。ローラーマシンを通して送られたバケットは、表面にショットが蓄積し始める可能性があり、ショットが十分なエネルギーで表面に当たることができなくなります。この場合、スピンナーハンガーブラスト機では、回転している吊り下げ部品の周囲にブラストタービンのリングが配置されており、使用済みのショットを部品から落下させながら、すべての表面にアクセスできる可能性があります。

手動ブラストルームの主な利点は、オペレータがアクセスできることです。オペレーターは、必要に応じてすべての表面を吹き飛ばし、蓄積されたショットを払い落とすことができます。自動化されたシステムにはこのような柔軟性がない可能性があります。同時に、自動機械内のタービンからの噴射媒体は、手動ガンからの噴射媒体よりもはるかに多くのエネルギーを持っています。このエネルギーにより、メディアの蓄積を大幅に減らすことができます。したがって、手動オペレーターは複雑で難しいジオメトリを吹き飛ばすことができるかもしれませんが、蓄積されたメディアをより頻繁に払い落とす必要があるかもしれません。 (注: 手動タッチアップブラストは、ハンガータイプのマシンなどの自動ブラストマシンに組み込むことができます。その場合、オペレータはスーツを着て、無効になったブラストマシン内で手動のブラストワンドを使用して部品をブラストします。)

一方、一部のブラスト技術は、ブラストプロセス全体だけでなく、完全な自動化を提供します。一部のプレートおよびビームブラストシステムは塗装システムに直接接続されています (図 5 を参照)。繰り返しますが、これらは、バリューストリームの後半で必要な表面処理を最小限に抑えるのに役立ちます。鉄鋼供給業者または製造業者自体で、梁とプレートにブラスト処理が施され、すぐに溶接可能なプライマーが塗布されます。

このようなシステムには、ブラスト前の洗浄ステーションも付属しているため、材料を屋外に保管する構造製造業者にとって特に便利です。このステーションは、ビームが発破ステーションに入る前に、ばらばらの破片（土、雪、木の葉など）を取り除きます。ブラスト後、作品はブラシと送風機を備えた洗浄ステーションを通過し、残ったショットやその他の破片が取り除かれてから、塗装と乾燥に進みます。

これらのシステムのスループットは、機械に入る材料の状態や、厚さ、一貫性、硬化時間などの塗装要件によって異なります。このようなシステムの設計者は、最適なスループットを念頭に置いています。硬化時間が長くかかる場合は、ブラストシステムを変更して、より低速で動作するようにすることもできます (タービンの速度を遅くする、媒体の量を減らす、またはその両方を組み合わせる)。

同時に、すべてのワークピースを塗装システムに送る必要はありません。たとえば、下流でビームのキャンバー加工やプレートの成形を行う製造業者は、それらの部品を上流で塗装することを望んでいないため、これらのプロセスを受けるワークピースを単にブラストし、すぐにアイドル塗装システムに送り、その後キャンバー加工や成形に進むことができます。

繰り返しますが、これは全体的なスループットに関するものであり、特定のブラストまたは塗装プロセスの「局所効率」ではありません。はい、塗装と組み合わせるとブラストに少し時間がかかる可能性があり、塗装システムがすべてのビームに使用されるわけではない可能性があります。しかし、塗装をブラストに直接リンクすると、全体の流れが向上し、仕掛品が最小限に抑えられ、どちらも大幅な時間の節約になります。その結果、ショップではより少ないリソースを使用して、より短い時間でより多くの材料をブラストし、ペイントすることができます。

部品の形状が大きく変化したり複雑になったりする用途では、製造業者は、材料表面の 80% 以上を機械でブラストし、残りの 20% を手動のオペレータがブラストするという、ブラストの部分的な自動化を選択する場合があります。もちろん、プロセス全体の自動化は多くのアプリケーションにとって理想的ですが、すべてではありません。そのアイデアは、最も効果的な自動ブラストを実装することです。

他の状況では、オペレーターはブラストメディアを吹き飛ばすだけで済む場合もあります。たとえば、特定のハンガータイプのシステムには、指定された洗浄ステーションがあり、オペレータは、必要な部品について、部品が次の段階に進む前に最終洗浄を実行できます (図 6 を参照)。

図 3. 広く配置されたローラーが、プレート、ビーム、または同様のワークピースを機械に運びます。

目的は、価値の流れ全体を合理化することであり、これは資材の購入にまで及びます。製造業者は、ブラスト処理の必要性が少ない、またはブラスト処理がまったく不要な、より高価な材料を購入することもできますし、大幅なブラスト処理と表面処理が必要なより安価な材料を購入することもできます。しかし、材料の品質に関係なく溶接部にブラストが必要な場合はどうなるでしょうか? アプリケーションの要件が満たされる限り、より安価な未加工のストックを購入し、ブラスト処理により多くの時間を費やし、それでも (より安価な材料のおかげで) 全体としてコストを節約する方が理にかなっている可能性があります。

大量生産の製造業者は、自動ブラストおよび塗装ラインを社内に導入することを選択することもあります。これは、スループットが向上するだけでなく、より安価な材料を購入でき、材料の表面品質をより詳細に制御できるためでもあります。もちろん、最終的な申請要件についてもです。

一部の構造梁加工作業では、発破から切断、塗装、トラックへの直接積み込みまでのフロー全体が効果的に自動化されています。少なくとも 1 つの欧州の構造用鋼材製造会社では、1 人のオペレーターが空調の効いた部屋に座って、作業全体を制御しています。彼の主な仕事は、ブラストタービンの余分な振動 (センサーで検出)、バンドソーのブレードの振動の問題、またはその他の問題が発生した場合に、機器を監視し、メンテナンス担当者に報告することです。

このようなシステムの開発は一夜にして実現したわけではありませんし、特定のプロセスを個別に分析することで実現したわけでもありません。エンタープライズリソースプランニングとの連携や AI を活用した予知保全の可能性など、バリューチェーン全体を考慮することが重要です。これが起こると、製造業者は多くの場合、自動化を新たな高みに引き上げることができることに気づきます。