ジョイントを使えば、フレームの設計がより簡単になる

2022/10/17

金属パイプを使った構造物やフレームが、あらゆる産業分野で普及するようになって久しい。その存在と複雑さは、機能的でありながら費用対効果の高い設計と実装が可能なツールや技術の登場と相まって、ますます高まっています。

軽量かつ堅牢で、高品質な外観を持ち、さまざまな形状やサイズのパイプは、最も多様な分野で何世代にもわたって技術者を刺激してきました。家具、機械、自動車、油圧機器、そして近年最も大きな成長を遂げている建設分野など、その種類は多岐にわたります。

こうして、私たちの生活の質を向上させたもの（a）、移動方法を変えたもの（b）、現代美術館で鑑賞できるもの（c）などが誕生したのです。

a) 曲げてレーザーカットしたパイプを使ったフィットネス機器 b) 電気自動車のパイプフレー
c) スチールパイプで作ったデザインチェア

1 従来のフレーム制作の考え方
2 溶接治具
3 レーザー切断で管状構造物の設計を簡素化
4 ジョイント
5 結論

従来のフレーム制作の考え方

これらのアプリケーションを作るための従来の考え方は、プロジェクトに始まり、サイズに合わせた切断、穴あけ、フライス加工、表面仕上げ処理など、各管状部品に必要な加工順番を実行することである。次のステップは組み立てで、すべての部品を距離と角度を考慮して正しく相互配置し、適切な溶接を施してプロジェクトの幾何学的公差に沿った全体的な結果を得ます。

この段階で、製品の製造コストと時間を増加させるような困難や予期せぬ出来事に遭遇することがある。

このような困難は、設計者にとってはよく知られていることです。彼らが引く線には、原材料の特徴に関する知識が含まれています。使用する技術の限界を把握し、実現に必要なコストと時間を見積もり、最終的な品質に対する信頼度を判断します。

このような知識が、状況や許容されるリスクマージンに応じて、設計の選択や革新的なソリューションを選ぶかどうかの舵取りをするのです。

高品質の外観を必要とする用途では、高品質のパイプを使用することは当然ですが、様々な部品間の接合部や支持部における組み立ての幾何学的精度も同様に極めて重要です。大型で厚みのあるパイプを使用する構造物用途の場合、各パーツの幾何学的精度は、最初の材料の品質と、使用するプロファイルの構造公差（通常、はるかに高い）に依存します。そのため、取り付け時に接合部や支持部を機械的に調整する必要がある場合があります。

いずれの場合も（そしてこの両極端の間のすべての場合も）、適切な溶接治具を準備し適用するためには、かなりの努力が必要とされます。

溶接治具

フレームを組み立てるには、多くの固定箇所や機械的な制約があるため、治具を作る必要がある場合が非常に多い。この作業には、最終的な溶接の前にすべての部品の正しい位置と向きを確認するために、経験と時間、精度が必要です。

溶接治具の作成は、製作個数が少ないほど（単品で）費用がかかり、溶接するフレームごとにセットアップ時間が発生する。

大型建築物のように一体で作られる製品の場合、組立・溶接段階のコストはプロジェクト全体に大きな影響を及ぼします。多くの場合、使用する切断技術の精度が低いために部品のサイズを修正する必要があり、（切断による）熱変化によってすぐに溶接できないために切断面を手で研磨する必要があるため、さらに悪化させることになります。

レーザー切断で管状構造物の設計を簡素化

筒状の部品をレーザー切断で作ると、作業性が向上します。レーザー切断装置では、より高い精度が達成できることはよく知られています。さらに、レーザーによって引き起こされる熱変化は最小限であり、（他の熱切断技術とは異なり）溶接の直接的な可能性に影響を与えないため、切断面を調整する必要がありません。

レーザーにはもう一つ、あまり知られていない大きな利点がある。

それは、パイプ上に追加の装置を必要とせずに、複数の部品間の機械的な制約や接合部を作り出す形状やパンチを得ることができることです。これにより、溶接治具の複雑さが軽減され、組み立て時にフレーム部品間の距離や角度を指定する作業が簡素化されます。