無人EDM：自動化精密加工への飛躍

EDMプロセスの自動化には優れた機械以上のものが必要

大部分において、放電加工（EDM）は無人、または少なくとも軽負荷の監視で行えるプロセスです。CNC旋盤やマシニングセンタでは、夜間に工具が折損すれば最悪の朝を迎えますが、金型キャビティの沈み加工やトリミングダイの切削では、ベビーシッティングはほぼ不要です——一日仕事を終えてみんなが帰宅した後、機械を独りで走らせない理由はありません。ワイヤーが切れればEDMは自動的に新しいワイヤーをスレッドします。電極がショートすれば、制御装置がベストを尽くしてリカバリするか、人間の主人が来るまで全てをシャットダウンします。大した問題ではありません。

しかし、EDMを真の無人運転（ライツアウト）にするには、オートスレッダーとスマート回路以上のものが必要です。シンカーEDMへ電極をロードするだけでなく、それらを近くのマシニングセンタへ転送して加工するロボットへの投資が必要です。自動スラッグ除去とワイヤー交換機能を持つワイヤーEDMが必要です。リモート監視、インプロセス測定システム、部品パレタイゼーションが必要です。何より、優れた組織化と継続的改善へのコミットメントが必要です。時間と金銭の大きな投資ですが、それに取り組む意欲のある人にとって、高価なEDM資産を24時間稼働させ続ける理由はありません。

掴む（グリップ）

自動化への道のりで最も簡単なステップの一つは、シンカーEDMの前にロボットを置くことです。そこでは、多くの機械技師にとって最初は奇妙に見えるタスクを実行できます。「ロボットを導入している多くの顧客は、それを巨大な工具交換装置として使用しています」とMC Machinery Systems Inc.（イリノイ州エルクグローブビレッジ）の全国ワイヤーEDM製品マネージャー、マイク・バイストレック氏。「大型キャビティには数十個の電極が必要で、量産工場では複数のジョブで100個以上の電極が走ることもあるため、キャロセルやラック式工具交換装置ではなくロボットを使うのが一般的です。」

ロボットは複数の機械をサービスでき、EDMからグラファイトフライス盤やマシニングセンタへ電極を運べます。セットアップ前の電極を三次元測定機（CMM）へ運び資格確認し、完成ワークピースをCMMへ運び、測定完了まで待ち、棚へ戻すか、追加加工が必要ならシンカーへ戻すこともできます。金型ベースやインサートの交換にも使用可能です（ロボットの搬送能力内であれば）。

「この最後の部分はワークピースのサイズに大きく依存します」とMC Machinery全国シンカー製品マネージャー、パット・クラウンハート氏。「ワークピースが大きいほど、より大型で高価なロボットが必要ですが、経験則として、12インチ（304.8mm）角パレットに収まるものは自動化の公平な対象です。」

両氏とも、シンカーEDMでのロボット利用は増加傾向にあると同意しますが、クラウンハート氏はワイヤー機での利用がはるかに少ない理由をいくつか挙げ、その中でもスラッグ管理が主因だと述べます。「従来のパンチ&ダイワークや、大量の材料を除去する航空宇宙部品では、通常自動化には向きません。」

より良い工場を作る

EDMのタイプやブランドに関わらず、設備を自動化した人々は明確に大きなリターンを得ています。リードタイム短縮。部品品質向上。当初は巨額投資に見えても、自動化を適切に実装すれば運用コストは下がり、利益率は向上します（しばしば大幅に）。

しかし、焦らないでください。マキノ（オハイオ州メイソン）のVMC/EDMターンキーおよび自動化マネージャー、ジョン・ブラッドフォード氏によれば、EDMオーナーとオペレーターは、自動化プロジェクトに着手する前に、金属加工プロセスを安定化させ、次に最適化すべきです。そうすることは次のステップへの道を開くだけでなく、工場をより有能にします。

「我々は頻繁に、バズ（話題）に興奮した顧客からアプローチされます」と同氏。「自動化をどう活用できるか知りたいが、まず一貫性があり信頼できるプロセスが必要だという理解がない——非効率なプロセスを自動化しても、より効率的になるわけではありません。」

マキノEDM製品ラインマネージャー、ブライアン・フルーガー氏は、信頼できるプロセスの実現は、信頼性が高く高品質な機械を持つことから始まると語ります。「望む部品品質に見合った適切な機械プラットフォーム、つまり機械質量、位置決めフィードバックシステム、熱安定性——これらすべてが自動化環境を構築するために必要な基盤のキー要素です。」

悲しい真実

キャビティを沈めたり、シャフトを旋削したり、ポケットをフライス加工したりに関わらず、我々業界の不都合な真実はこれです：スタンドアロン工作機械の稼働率は通常40%を超えず、EDMも例外ではありません。確かに、終日サイクルタイムの仕事や、年間数百万個の同一ウィジェットを作る工場はこれより高い値を享受しますが、ますます複雑な部品をより低い生産量で作る傾向、そして慢性的な熟練労働者不足は、工場に「自動化するか、死ぬか」を迫っています。

しかし、自動化とは本当に何を意味するのでしょうか？ テーブルに可能な限り多くの部品を詰め込み、機械を無人で走らせることは一つの定義ですが、このアプローチは仕掛品（WIP）を増やすだけでなく、大量のスクラップを出す可能性もあります。

理想的な世界では、ワンピースフローがルールです。セットアップ時間はプログラム変更にかかる時間だけで、機械はそのセットアップを実行するために人間を必要としません。治具コストは前述の高密度ワークホールディングシナリオよりはるかに低く、顧客は部品をはるかに速く受け取れ、不良品は最大でも1個で済みます。

この目標を達成するには、再現性の高い高精度工具と、加工プロセスを制御できるソフトウェアパッケージが必要です。シンカーEDMのセットアップに必要なあらゆる情報を考えてみてください：部品位置、各電極の形状とサイズ、それらの軌道パターン、寸法と仕上げ要件。自動化セルで一般的なCMM、フライス盤、さらにはロボットにも同様の要件があります。これらすべてを自動的に管理し、ロボットが部品を機械へ移動させる際に「デジタルパケット」が各部品に同伴しなければなりません。

「データ管理は自動化の極めて重要な側面です」とブラッドフォード氏。「ここでの目標は、オペレーターを物理的環境から完全に取り除き、コンピューター画面前の仮想環境に移植することです——そこでジョブを計画・スケジュールし、プログラムを書き、知識をプロセスプランに入力します。結果は、工作機械の前に立ち手動で情報を与える場合と比べ、はるかに高い稼働率です。」

工場は耳を傾けています。マキノが過去1年間で見積もったすべてのEDM設備の中で、自動化を含むものは、スタンドアロン機械のほぼ3倍の受注率でした。「複雑さは別として、稼働率には抗えません」とフルーガー氏。「スタンドアロン機械が35%稼働率なら、基本自動化で60%前後、セルコントローラを加えれば80%以上が見込めます。」

人的要因

自動化の話ばかりでEDMオペレーターは仕事を心配するかもしれませんが、ベロント・イクイップメント・アンド・テクノロジーズ（ミシガン州マディソンハイツ）の社長兼COO、ボブ・イアニテリ氏は心配いらないと語ります。「ロボットはすべてをこなせませんし、多くの場合、人間オペレーターを使う方がコスト効率が良いです」と同氏。「例えば、2〜3交代で稼働する航空宇宙企業と仕事をしています。十分な資格を持つ人材が配置されているため、通常勤務時間外の設備稼働に即座の自動化ニーズはないかもしれません。しかし、追加アウトプットが必要だが、通常勤務時間外に設備を稼働させる熟練労働が見つからない場合、自動化を検討すべきです。」

この記事の他の情報源と同様、イアニテリ氏も2018年が自動化にとって「これまで以上に」好調な年だと指摘します。その大部分は人手不足と、業界の多くが現在経験している需要急増によるものです。簡単に言えば、自動化の必要性は当分なくなりません。

イアニテリ氏は、これまで提案された高精度工具、トップシェルフ消耗品、信頼できる設備への推奨に同意しつつ、見落とされがちな一つの考慮事項を指摘します：消火設備。「油系作動液を使用する機械では火災の可能性があります」と同氏。「オペレーターがいて消火器にアクセスできるときは大きな懸念ではないかもしれませんが、浸漬型の無人運転では高品質な消火システムへの投資が必要です。顧客は地域の自治体にコードと制限を確認すべきです。これらは様々だからです。」

複雑さによってこれらシステムのコストは相当額になりますが、他の自動化投資と同様に正当化しやすいです。「各工場は異なり、工具、ロボット、ソフトウェアシステムなどへの大規模支出の前に考慮すべき変数は明らかにたくさんあります」とイアニテリ氏。「ただし、多くの顧客が2年で投資を回収し、中にはわずか6ヶ月というケースもあります。アプリケーションと何を達成しようとしているかによります。」

タンクをドロップ

ソディック（イリノイ州シャンバーグ）のマーケティングマネージャー、エバン・シバーソン氏は、自動化投資のトリガーを引く前に、徹底的に自分たちを教育するよう工場に警告します。「EDMはすでにかなり無人化されたプロセスであり、自動化はそれを次のレベルに引き上げるだけです」と同氏。「重要なのは要件を評価し、仕事に適した設備を持っているか確認することです。最近、完全なリニア生産セルが必要だと確信していた工場を訪問しました。現実には、シンカーに電極を供給し続ける比較的シンプルなロボットだけで十分でした。必要以上に多額を費やすところでした。」

新しい機械への投資が前提条件でもありません——古いEDMでも、機械的に健全で、ロボットアクセスを容易にするドロップタンク機能、何らかのリモート監視手段があれば、自動化の仲間入りができます。

「いくら自動化しても、何かがうまくいかなかったときやステータスを知らせてくれる人がいなければ、貴重な機械時間を失います」とシバーソン氏。「ここがIndustrial Internet of Things（IIoT）が大きな影響を与えている分野の一つです。設備のリモート管理、ジョブスケジューリング、あらゆるもののより良い追跡がずっと容易になりました。工場はより柔軟で効率的になり、人々に多くの扉を開いています。」

直線的で狭い道

シバーソン氏は顧客にリニア製造セルの必要性がないことを認識しましたが、すべてのEDM工場がそうとは限りません。イロワテクノロジー（イリノイ州アーリントンハイツ）の地域マネージャー、フレッド・ホルツマッハー氏は、そのようなシステムへの投資に良い理由があると述べます。

「大型金型工場や複数設備の自動化を望む企業は、リニアセルの方がコスト効率が良いと見なしています」と同氏。「ロボットを忙しくさせる仕事があり、サイクルタイムが各機械のサービスに十分長ければ、全体投資は削減されます。片端に数フィートのトラックを追加するだけで、ニーズの成長に合わせて小さく始めて拡張できます。同じ工具プラットフォームを使用するシンカー、ワイヤー、電極フライス盤——あらゆる機械で同じロボットを使えます。リニアセルには通常セルコントローラが付属し、スケジューリングの柔軟性と使いやすさが大幅に向上します。」

この最後の点は、熟練オペレーターの確保に苦労している工場（最近はほぼすべて）にとって特に重要です。セルコントローラは高度なソフトウェアを備え、変動するワークロードへの適応をシンプルにします。「お客様からラインがダウンした、替えの部品をどれくらいで出せるかと電話があったとします」と同氏。「セルコントローラなら、画面で次のジョブを掴み、望む場所にドロップするだけ。ソフトウェアが残りを処理します。」

セルコントローラがなければ、この日常業務は人間が管理しなければなりません——どのジョブがどこで走れるかを理解し、生産フロアへ出てロボットを再プログラミングする人です。セルコントローラがあれば、数十〜数百の異なるジョブからなる生産キューを容易に管理でき、コストのかかるミスを回避できます。

「リニアシステムではお金以上の価値が得られます」とホルツマッハー氏。「コントローラにより、標準ロボットより高いレベルの知能が得られます。ジョブをより長期的にスケジュールでき、どの機械で何のジョブを、いつ走らせるかの決定が容易になります。スタンドアロンロボットにも場所はあります——まだたくさん売れています——が、リニアシステムは次のレベルへ導きます。」

クールエイドを飲む（信じ込む）

マーク・チチェッティ氏は経験者です。アブソリュート・マシン・ツールズ（オハイオ州ロレイン）のEDM部門テクニカルディレクターになる前、自身の工場を持ち、現在の顧客と同じ困難に直面していました。彼のアドバイス？ 自動化を追いかける前に、プロセスを可能な限り完璧にすること。

「ショップのすべての機械に同じワークホールディングシステムを導入することから始めました」と同氏。「ワイヤーからシンカー、フライスからグラインダー、旋盤からCMMへ、部品や電極をリポジショニングなしで移動できます。」

標準化されたワークホールディングにより、チチェッティ氏とチームは月約600ジョブをCMMでオフラインプリセットできるようになりました——機械でのタッチオフ不要。加工プロセスのあらゆる段階で部品フィーチャーがCADデータと一致することを容易に検証可能——検査治具不要、データムポイント拾いの時間浪費不要。そしてすべてがどこにあるか常に把握できたため、プロセスをオフラインでシミュレートし、結果のプログラムとオフセットを機械工具へアップロード可能な整理されたパッケージにバンドルできました。

結論はこうです：標準化されたワークホールディングにより、チチェッティ氏はEDM稼働率を年間3,500時間から5,000時間超へ向上させました——自動化なしで。

「3人で各2台ずつセットアップしていたのが、1人で6台をセットアップし、約5分の1の時間で完了するようになりました」と同氏。「ロボットがあれば、結果はさらに良かったでしょう。」

まず第一に

このすべての皮肉は、今チチェッティ氏がフェンスの向こう側（ベンダー側）にいることで、工場オーナーとマネージャーにプロセスを見直し、機械稼働率を改善し、自動化に向かうよう挑戦していることです。「機械を売って、翌年顧客が2台目を買いに戻ってくるのは珍しくありません」と同氏。「3,500時間しか稼働していないと言うなら、製造プロセスを徹底的に見直す方が良いアイデアだと提案します。」

ルールとして、平均稼働率は2台目で下がり、3台目でさらに下がるとチチェッティ氏は説明します。しかし、最初から適切な工具を採用すれば、すべてが合理化されます。ショップフロアに規律を課し、最大機械稼働率への道を開きます。再現性が保証されます。そして自動化が意味を持つなら、工場とその人々は準備万端です。

「機械を追加し、工具を追加しても、プロセスと関係者の責任を最適化しなければ、決して成功しません」と同氏。「文化全体を変えなければなりません。ビジョンなく、パラダイムシフトなしでは、自動化製造への移行は遥かに困難です。だが、それを達成できた者にとって、自動化はホームランです。」