レーザー技術は今や自動車生産のほぼ全ての分野に浸透している。ティア3の部品・材料サプライヤーから世界最大のOEMメーカーに至るまで、サプライチェーンのあらゆる段階で活用されている。
そしてレーザーは今や、溶接だけにとどまらない幅広い用途を担っている。構造物の組み立てを超え、電池製造、パワーエレクトロニクス生産、表面処理、トレーサビリティ、そして10年前には存在すらしなかった多様な応用分野を支えている。
本稿では、現代の自動車製造におけるレーザー技術の位置付けを概観する。さらに、レーザー加工の特異な特性 – 業界が高精度化、高度な自動化、そしてeモビリティの急速な成長に向かう中で、レーザーが主導権を握り続ける要因となる要素を明らかにする。
レーザーの何がそんなに特別なの？
今日の多くの産業は、同じ根本的な圧力に直面している。より高い精度、より優れた品質、より小型のフォームファクター、そしてより低いエネルギー消費を実現した製品を提供しなければならない。製造レベルでは、より高いスループット要求、より厳格な持続可能性要件、そして容赦ないコスト削減圧力にも直面している。
レーザーがこれほど広く製造ツールとして普及したのは、代替となる機械的・熱的・化学的プロセスよりも、これらの目標をより一貫して達成できる場合が多いためである。その理由は以下の通りである：
レーザー加工は非接触です：工具の摩耗や加える力がないため、レーザー加工は経時変化なく一貫した状態を維持します。
レーザーは空間的に極めて選択性が高い：レーザービームはマイクロメートル単位まで集束させたり、数平方フィートに拡大したりできるため、システムや操作者がエネルギーを必要な場所にのみ集中させることができる。
レーザーはコヒーレントで高輝度である：高出力密度により深部溶接、高速切断、クリーンな切断面、最小限の熱影響域を実現する。
レーザーは効率的である：レーザーは電気を高い効率で光エネルギーに変換し、そのエネルギーを材料に無駄なく結合させるため、熱入力と後処理を削減する。
レーザーは容易に自動化できる：ほぼすべてのレーザー出力パラメータをリアルタイムで遠隔調整可能である。これにより複雑なプロセスレシピと迅速な切り替えが実現される。
レーザーは多くの材料に対応します：同じレーザープラットフォームで、鋼、アルミニウム、銅、ニッケル合金、コーティング鋼、プラスチック、複合材料、セラミックスなどを加工できる場合が多いです。
レーザーは高度なモニタリングと閉ループ制御をサポートします：プロセスフィードバック – 単純な出力測定から溶接深さのインライン測定まで – 自動レーザー制御を可能にし、優れた製品間均一性の実現を支援します。
それでは、自動車製造においてレーザーが最も大きな影響を与えている分野を簡単にご紹介しましょう。
ボディ・イン・ホワイト
ボディ・イン・ホワイト工程は、1970年代にレーザーが自動車生産に初めて導入された分野であり、それ以来その役割は拡大の一途をたどっている。現在では高速溶接、トリミング、テーラードブランク生産に日常的に使用されている。
レーザー溶接は、特徴的に熱入力を最小限に抑えながら狭く深い溶接ビードを生成するため有利である。これにより歪みが低減され、組み付け精度が向上し、大型アセンブリにおいて厳しい寸法公差を維持できる。
低熱入力は、高強度鋼や超高強度鋼を含む現代の先進材料を扱う際に特に有用である。これらの材料は従来の溶接方法では歪み、割れ、あるいは特有の機械的特性を失う可能性がある。低熱入力は異種材料の接合時にも有効であり、異なる熱膨張係数や溶融特性を持つ材料は従来の溶接では歪みや割れが生じやすい。
レーザーはオンザフライ溶接とロボット搭載スキャンヘッドにより、連続的で途切れない動作を実現します。これにより製造業者は停止・始動の遅延を排除し、生産性を向上させることが可能です。
レーザー加工はクリーンで一貫性があり再現性が高いため、手直し作業や後工程の検査負荷を軽減します。溶接深さとシーム位置のインライン監視と組み合わせることで、レーザーはOEMメーカーに高品質な接合方法を提供し、現代の自動化されたボディショップに容易に統合できます。
パワートレインおよびシャシー部品
レーザーはパワートレインやシャシー部品の製造においても重要な役割を担っており、その精度と再現性は車両の性能、耐久性、安全性に直接影響する。これらの部品の多く – トランスミッションハウジング、駆動ユニットケーシング、冷却プレート、取付ブラケット、サスペンション部品など – は複雑な形状と材料厚さの変動を特徴とする。
これらの溶接用途はすべて、レーザーが提供する厳密な熱制御の恩恵を受けています。熱入力の精密な制御により、歪みを最小限に抑えた強固で均一な接合部が形成され、製造メーカーは連続負荷下で動作する部品の配置精度と機械的完全性を維持できます。
最近開発されたデュアルビームファイバーレーザー構成は、鋳造部品や機械加工部品のスプラッターのない溶接を可能にすることで、これらの利点をさらに拡大している。これはかつてCO₂レーザーが支配していた応用分野である。デュアルビームレーザーはクリーンで安定したプロセスを提供し、潤滑剤、ベアリング、または汚染を許容しない精密表面を含むアセンブリにおいて特に重要である。
電気自動車用バッテリー製造
レーザー技術の採用が加速した分野は – あるいは決定的な役割を果たした分野は、EVバッテリー製造以外にはない。バッテリーセル、モジュール、パックのすべてにおいて、銅、アルミニウム、ニッケル部品の精密かつ再現性のある接合が求められる。これらの材料はすべて、従来のプロセスでは溶接が極めて困難であることで知られている。
レーザーは、機械的に強固で低抵抗の電気的接続を形成するために必要な精密な熱制御を実現します。そして、この処理は近接するセパレータフィルム、接着剤、絶縁層を損傷することなく行われます。これにより、高速なタブ対バスバー溶接、箔溶接、および電流収集体の高精度切断が可能となり、バリや破片の発生を最小限に抑えます。
デュアルビームおよびウォブルビームファイバーレーザー構成がここでも不可欠である。これらを使用することでスパッタを低減し、多孔性を最小限に抑える。これにより、1パックあたり数千の接合部において一貫した接続品質が実現される。
インライン光学モニタリング技術の革新により、溶接深さ、シーム位置、均一性のリアルタイム検証が可能となり、プロセス品質がさらに向上します。これによりEVメーカーは、現代のeモビリティの中核をなすセル、モジュール、パック構造を構築するための、拡張性が高く高歩留まりのプロセスを実現します。
電気モーター
レーザー加工は、EV用トラクションモーターの製造において、特にヘアピン巻線設計を基盤とするものにおいて有用である。銅導体は、電気抵抗を最小限に抑え、最終組立巻線における厳しい機械的公差を満たすために、精密に剥離、成形、溶接されなければならない。
レーザーは、エナメル絶縁体をきれいに、かつ精密に除去するために最初に使用されることが多い。機械的接触、変形、熱損傷なしに下地の銅を露出させることができる。これらの結果は、研磨剤や化学的剥離法では達成が困難である。
最終的な電気接続を形成するため、レーザー溶接は最小限の熱入力で強固かつ低スパッタの接合部を生成する。これにより、近傍の絶縁体、積層板、エポキシ樹脂封止材が保護される。デュアルビーム 、特にウォブルビーム方式では、ギャップブリッジングと溶接の一貫性がさらに向上し、数千本のヘアピン全体で均一な性能を保証します。
内装とトリム
レーザー加工は内装部品やトリム部品の多様な加工に対応します。精度と速度を兼ね備え、見た目の美しさにおいても優れた結果をもたらすため、この分野で有用です。プラスチック、ファブリック、複合材、コーティング部品の多く——特に消費者の目に触れる部分——には きれいな切断面、 精密な穿孔や穴パターン、あるいは装飾的特徴を必要とします。
機械工具では、粗さや変形を伴わずにこのようなエッジを形成することは困難である。レーザー加工は熱影響を最小限に抑え、滑らかで再現性の高いエッジを実現する。これにより外観が向上し、見た目を回復するための後工程の必要性が低減される。複雑な輪郭を切断できる特性から、計器盤開口部、センサー窓、スピーカーグリル、装飾用穿孔などに最適である。
レーザーマーキング、特に昼夜対応マーキングは、自動車内装のあらゆる部分で使用されています。バックライト付きボタン、スイッチ、トリム部品など、魅力的で視認性が高く、時に複雑なマーキングを必要とする部品に最適です。工具不要で幅広い素材に対応するため、レーザーマーキングは金型交換なしで迅速なオプション変更やバリエーション切り替えを可能にします。
トレーサビリティとコンプライアンスマーキング
レーザーマーキングの優れた特性により、自動車のトレーサビリティ用途で広く採用されている。その最大の利点は、接触や工具の摩耗がないため、繊細な表面を歪めるリスクを排除できる点である。また、レーザーは極小から大型まで多様なマーキングを生成できるため、マイクロシリアル化から大型で高コントラストの識別子まで、あらゆるニーズに対応可能である。
ソフトウェアによるレーザーマーキング制御機能により、再工具化なしでシリアル化やマーキング内容の変更をリアルタイムで実現します。また、レーザーは金属、プラスチック、コーティング、複合材に対応するため、単一プラットフォームで車両に使用される多くの材料へのマーキングが可能です。
主要なマーキング用途には、ブレーキ部品、エアバッグモジュール、構造用ファスナーなどが含まれます。これらは、車両の寿命を通じて高温、液体、振動に耐えうる耐久性のある恒久的な識別子が必要です。制御ユニット、センサー、パワーモジュールを含む電子機器やハウジングには、内部部品を損傷したりシールを損なったりしないマーキングが求められます。またサプライチェーン全体では、シリアル化とデータマトリックス符号化により、部品追跡、バリエーション管理、業界および規制要件への準拠が実現されます。
表面洗浄
レーザーは、材料除去深さの厳密な制御と下層構造の保全が重要な場合、表面処理にますます活用されている。レーザークリーニングは、機械的接触や研磨媒体を用いずに錆、酸化物、接着剤、塗料を除去することでこれを実現する。このプロセスは、ブラスト処理や研削で生じうる歪み、基材損傷、または不均一な結果を回避しつつ、清潔で均一な表面を露出させる。
低熱入力により周囲材料の特性を保持できるため、溶接や接着前の部品処理において重要である。レーザーは表面を制御されたパターンでテクスチャリングし、接着強度向上や濡れ性促進も可能とする。プロセスがプログラム可能なため、メーカーはマスキングや固定具なしで特定領域にこれらの処理を施せる。
粉体塗装の硬化
粉末塗料の硬化に高出力ダイオードレーザーシステムを用いる技術は、ようやく普及し始めた段階である。これは、レーザー硬化が従来の対流式または赤外線ランプ式オーブンに比べて複数の利点を提供するためである。
レーザーは局所的な加熱を実現するため、コーティングされた領域のみが溶融・流動温度に達する。狭帯域赤外レーザー光は粉末粒子に強く吸収されるため、硬化効率が向上し、下地部品の全体的な加熱を最小限に抑えられる。ダイオードレーザーの電気変換効率も他の赤外光源より大幅に高いため、入力電力のより多くが過剰な熱損失ではなく直接硬化に投入される。
これらの特性を総合すると、レーザー硬化は他の方法に比べて大幅に高速かつエネルギー効率に優れています。さらに、レーザー粉体塗装硬化はインライン工程管理に適しており、極めて均一な結果を実現します。
レーザソリューションの開始
レーザー加工には明らかに多くの利点がありますが、特定の用途において最良かつ最も費用対効果の高い結果を得るには、経験豊富なレーザーソリューションプロバイダーと提携することが最も効果的です。
自動車製造プロセスの開発や最適化をお考えですか？自動車プロジェクトは、多くの場合当社のアプリケーションラボから始まります。ここでは、生産現場での導入・拡大に先立ち、プロセスの開発、検証、最適化を支援します。自動車業界の要求が拡大する中、IPGは信頼性の高い高歩留まりレーザーソリューションを提供する、確固たるパートナーであり続けます。
