サーボ油圧式射出成形と従来型油圧式射出成形：5年間のコスト比較

安い機械がかえって高くつく理由

東莞にある成形工場のマネージャーは、老朽化し​​た250トンの従来型油圧プレスを、同じ仕様の新品に交換したばかりだった。交換後のプレスの価格は、同等のサーボ油圧式プレスの半額以下だった。18か月後、工場の成形フロアの電気料金は前年より6%上昇した。従来型プレスは、交換前の古いプレスよりも明らかに多くの電力を消費していたのだ。3年目の終わりまでに、従来型プレスの累積電気料金は、騒音、冷却需要、オイル交換間隔を考慮する前の段階で、同等のサーボ式プレスの価格プレミアムを上回った。工場は最終的に、プレスを交換するのではなく、既存のプレスにサーボシステムを後付けすることにした。すると、最初の1か月でエネルギー消費量が半減した。

サーボ油圧式射出成形機と従来型油圧式射出成形機の選択は、単純に「新しい方が優れている」という判断ではありません。機械のトン数、サイクルプロファイル、稼働時間、地域の電気料金などを考慮した、5年間の総所有コストの計算が必要です。この記事では、その計算方法を詳しく解説します。エネルギーギャップ、メンテナンスギャップ、従来型機械が依然として優位性を持つ点、そして特定の設置環境における数値の算出方法などについて説明します。

従来の油圧プレスがどのように動力を使用するか

従来の固定ポンプ式油圧射出成形機は、可変周波数駆動装置を用いず、通常は主電源に直接接続された電動モーターを一定速度で駆動します。このモーターは、固定容量型油圧ポンプ（通常はベーンポンプまたはアキシャルピストンポンプ）を駆動し、負荷に比例した圧力で一定流量の作動油を供給します。機械の方向制御弁、比例弁、サーボ弁は、成形サイクルの金型閉鎖、射出、保持、可塑化、金型開放の各段階に合わせて、流量と圧力を調整します。

油圧需要が低い場合でも、モーターはサイクル全体を通してフルスピードで回転します。保持フェーズ（部品がキャビティ圧力を維持するためにピーク流量のごく一部しか必要としないフェーズ）では、余剰流量はリリーフバルブを通してタンクに戻され、熱としてエネルギーが放散されます。冷却フェーズ（わずかなクランプトン数を除いて油圧流量がまったく必要ないフェーズ）でも、ポンプはフルスピードで回転し続け、フルパワーを消費し、バイパスバルブは余剰流量を排出し続けます。これが固定ポンプシステムの構造的な非効率性です。モーターとポンプは単一の動作点で動作し、その動作点と実際の油圧需要との不一致はすべて熱として失われます。

熱自体が無料というわけではありません。作動油は粘度を維持し酸化を防ぐために冷却する必要があり、そのためには別途オイルクーラー（水冷式または空冷式）が常時稼働し、追加の電力を消費します。周囲温度30℃の環境下で250トンの従来型プレス機に必要な冷却電力は相当な量で、3交代制の操業では機械の電力入力の15～25%程度に相当します。

サーボ油圧システムはどのように動力を使用するのか

サーボ油圧システムでは、定速モーターを可変速サーボモーター（通常は永久磁石同期モーター（PMSM））に置き換え、可変周波数ドライブ（VFD）で駆動します。サーボドライブは、油圧需要に合わせてモーター速度をリアルタイムで制御します。サイクルが高流量フェーズ（金型閉鎖、射出、可塑化）にあるときは、モーターは高速まで加速します。サイクルが低流量フェーズ（保持、冷却）にあるときは、モーターは実際の油圧需要を満たす低速まで減速します。サイクルが停止状態（動作なし）のときは、モーターは完全に停止するか、ほぼゼロ速度で運転することができます。

その結果、サーボ油圧式機械は、サイクルの各段階に必要な電力のみを消費する。モーターは一定速度で回転せず、ポンプは余剰流量をバイパスせず、従来のプレス機の非効率性を決定づけるバイパスバルブの放熱もほぼ解消される。ボッシュ・レックスロス, ユケン、および他の油圧システムメーカーは、サーボポンプと固定ポンプのエネルギー消費量を比較した測定結果を含むアプリケーションノートを公開しています。公開されているデータ全体を通して、保持および冷却フェーズが長い部品では40～80%のエネルギー削減、保持および冷却フェーズが短い部品では20～40%の削減が一般的です。

節約効果はサイクル全体で均一ではありません。最大の節約効果は冷却フェーズ（ほとんどのサイクルで最も長い低需要フェーズ）で得られ、次に大きいのは保持フェーズ、そして最小は射出フェーズ（ピーク流量が必要で、サーボシステムもピークで稼働しているフェーズ）です。25秒のサイクルで200gのABS部品を成形する一般的な250トンのプレスでは、冷却フェーズがサイクルの約50%、保持フェーズが15%、射出および可塑化フェーズが25%、開閉フェーズが10%を占めます。サーボマシンが最も節約効果を発揮するのは冷却フェーズです。

サーボプレミアム：設備投資コストと運用コストの比較

サーボ油圧式射出成形機は、同等のトン数と射出サイズを持つ従来型成形機に比べて、一般的に30～60%高価です。具体的な価格差は、機械メーカー、サーボシステムサプライヤー、および機械の仕様によって異なります。代表的な250トンプレスの場合、現在の市場におけるサーボ油圧式の価格は5桁の増額となります。これは無視できない金額ですが、購入を検討している工場管理者にとっては、決定的な違いとは言えないでしょう。

プレミアム料金はエネルギー節約によって回収されます。回収期間を数値化するには、サイクルあたりのエネルギー節約量、シフトあたりのサイクル数、電気料金の3つの入力値が必要です。サーボシステム製品ライン本製品は、射出成形用途におけるベーンポンプ式サーボシステム向けに構成されており、システムレベルでの省エネルギー効果は公表されている範囲内です。250トンの射出成形機を25秒サイクルで年間6,000時間（ほぼ2交代制の連続運転）稼働させた場合、年間電力節約額は十分な範囲に収まり、地域の電力料金にもよりますが、稼働開始後18～36ヶ月以内にサーボシステムの価格差を回収できるほどです。

プラスチックニュースそしてプラスチック技術複数年にわたる調査データによると、北米、ヨーロッパ、東アジアの50～800トンクラスの新規プレス機販売において、サーボ油圧式プレス機が圧倒的なシェアを占めるようになり、従来型プレス機は高トン数や特殊な用途に限定される傾向にあることが明らかになった。この市場の変化自体が投資回収率を示している。サーボ油圧式プレス機のプレミアム価格が3年以内に回収できなければ、市場はこのような変化を起こさなかっただろう。

メンテナンス：2つのシステムが分岐する点

サーボ油圧システムのメンテナンスプロファイルは、従来のプレス機とは3つの点で異なります。

まず、サーボモーター自体は、同等の出力を持つ誘導モーターよりもメンテナンスの手間が少ない。ブラシやスリップリングがなく、永久磁石ローターは励磁電流を必要としない。VFD（可変周波数ドライブ）には独自のメンテナンス項目（冷却ファン、耐用年数8～12年の電解コンデンサなど）があるが、モーター本体の主要部品は、定期メンテナンスなしで長寿命となるように設計されている。

第二に、サーボシステムの油圧ポンプは可変速で動作し、従来のプレス機の固定ポンプよりも平均回転数が低くなる傾向があります。平均回転数が低いということは、ベアリングの摩耗が少なく、熱サイクルが少なく、シールの寿命が長くなることを意味します。金型製作技術また、様々な油圧ポンプメーカーは、可変速運転で使用されるベーンポンプは、同等のプレス機において固定速運転で使用される同じベーンポンプよりも、著しく長い耐用年数を持つことを一貫して示している。

第三に、サーボ油圧プレスではバイパスバルブの放熱量が減少するため、オイルクーラーの連続運転時間が短くなります。クーラーファンまたは冷却水ポンプは、連続運転ではなく、実際の油温に基づいてオンオフを繰り返します。クーラーの運転時間が短くなることで、クーラーのメンテナンス頻度が減り、冷却システムの電力消費量も減少します。

一方、従来型のプレス機は、モーターとポンプのベアリング摩耗が大きく、シール交換の頻度が高く、オイルにかかる熱ストレスが大きいため、オイルの酸化が促進され、オイル交換間隔が短くなります。3交代制の従来型プレス機の場合、オイル交換間隔は通常4,000時間ですが、同じ稼働サイクルのサーボ油圧プレス機では、6,000～8,000時間に延長されます。5年間のオイルコストは無視できません。250トンのプレス機には400～600リットルの油圧オイルが入りますが、オイル代と交換時の廃棄費用を合わせると、多くの市場で4桁の金額になります。

騒音と作業環境

従来のプレス機はモーターとポンプを連続的にフルスピードで運転するため、オペレーター席では78～85 dB(A)の一定の騒音が発生します。一方、サーボ油圧式プレス機は、保持および冷却フェーズ中にモーターとポンプの速度を落とすことで、油圧システムからの騒音を大幅に低減します。その結果、機械全体の騒音は65～72 dB(A)の範囲にまで低下します。これは、フルシフトでの作業に聴覚保護具が必要となる騒音レベルと、規制値の閾値に近い騒音レベルとの差に相当します。

騒音低減は直接的なコスト削減にはつながりませんが、従来のプレス機では作業員に聴覚保護具の着用が義務付けられている厳しい労働騒音規制（EU労働安全衛生指令2003/10/EC、米国労働安全衛生局29 CFR 1910.95、中国GBZ 2.2）のある市場では、真のメリットとなります。聴覚保護具、聴力検査、工場現場の騒音制御インフラにかかる費用は、通常、エネルギーのみの投資回収計算には含まれませんが、5年間の期間で見ると、これは実際のコストとなります。

精度と再現性

サーボ油圧システムには、エネルギー回収計算には必ずしも反映されないものの、不良率の改善という点で優れた精度上の利点があります。圧力センサーと可変速ポンプを用いた閉ループ圧力制御は、比例弁を備えた固定ポンプシステムよりも、キャビティ圧力をより狭い範囲に維持します。光学部品、医療機器、包装材など、公差が厳しい部品の場合、エネルギー節約とは関係なく、不良率の改善だけでも5年間でサーボシステムの価格差を回収できる可能性があります。

プラスチック技術者協会サーボ油圧式射出成形の精度に関する技術論文を発表しており、ショットごとの重量変動や寸法再現性データなどを掲載している。発表されている精度向上効果は、公差が緩い部品では小さい（ショットごとの変動が通常10～20%減少）が、公差が厳しい部品では顕著である（30～50%減少）。

従来型油圧システムが依然として優位に立つ分野

従来の固定ポンプ式油圧プレスは時代遅れではない。3つの用途分野では依然としてこの方式が好まれている。

• 非常に大型の機械（1,500トン以上）。サーボシステムのプレミアムは、モーター出力にほぼ比例して増加します。非常に大きなトン数になると、サーボシステムのプレミアムが絶対的に大きくなり、投資回収期間が長くなります。また、一部の特殊な高トン数用途では、可変速システムでは大型アキュムレータを備えた固定ポンプシステムほどスムーズに実現できない、特定の動的応答特性が要求されます。
• 長時間の連続運転用途向け。プレス機が厚肉部品を90秒のサイクルで、長い保持時間を含む連続3交代制で加工する場合、サーボ式プレス機は依然としてエネルギーを節約できますが、その節約効果は年間サイクル数が少なくなるため、投資回収期間が長くなり、従来型プレス機の方が競争力が高くなります。
• 資金制約のある設備。限られた資本予算と短い投資期間しかない工場は、特に地域の電気料金が低い場合、資本コストのみを考慮して従来型のプレス機を選択するのが合理的である可能性がある。

これら3つのカテゴリー以外では、5年間の総所有コストを考慮すると、サーボ油圧システムが圧倒的に有利な選択肢となっています。市場データもこれを裏付けており、上記で述べた高トン数の特殊用途を除き、ほとんどの地域とトン数クラスにおいて、新規プレス設備の設置台数に占めるサーボシステムのシェアは過半数を占めています。

5年間の総所有コスト（TCO）ワークシートの作成

サーボ油圧式プレスと従来型プレスの5年間の総所有コスト比較には、設備投資、エネルギーコスト、メンテナンスコスト、不良品／ダウンタイムコストの4つの要素が含まれます。それぞれの計算方法は異なります。

設備投資額とは、機械の購入価格に、設置費用、輸送費、研修費用、試運転費用を加えたものです。サーボプレミアムとは、2台の機械の設備投資額の差額です。

エネルギーコストは、5年間の累積kWhに地域の電気料金を乗じたものです。サーボプレス機の省エネルギー効果は、同じ期間における従来型プレス機のエネルギー消費量とサーボプレス機のエネルギー消費量の差です。

メンテナンス費用は、5年間の部品代と工賃の合計です。サーボ式機械は、一般的にポンプ関連のメンテナンス、オイル交換頻度、クーラーのメンテナンスが少なくて済みます。一方、従来型機械は、モーターとポンプのベアリング摩耗が大きく、オイル消費量も多くなります。

不良品およびダウンタイムのコストとは、不良品として廃棄された部品の価値と、計画外のダウンタイム中に失われた生産量の価値を指します。サーボ加工機は圧力制御がより厳密で不良率が低い一方、従来型加工機は公差の厳しい部品では不良率が高いものの、公差の緩い部品では不利な点はありません。

サーボマシンの5年間の純節約額は、エネルギー節約額、メンテナンス節約額、不良品／ダウンタイム節約額の合計から、サーボプレミアムを差し引いたものです。結果がプラスであればサーボマシンが有利であり、マイナスであれば従来型マシンが5年間で有利となります。

意思決定フレームワーク：仕様を定める前に尋ねるべき5つの質問

特定の設置環境においては、サーボ方式と従来方式のどちらを選択するかという判断は、以下の5つの質問に絞り込むことができる。

1. サイクルプロファイルとは何ですか？保持および冷却フェーズが長い場合はサーボ方式が有利です。流量要求が高い短いサイクルでは、従来型とサーボ方式のどちらが有利でも大きな差はありません。
2. 運行スケジュールはどうなっていますか？連続3交代制操業はエネルギー節約効果を増幅させる。一方、長時間の待機時間を伴う1交代制操業では、プレス機が一日の大半停止しているため、節約効果は薄れる。
3. 地域の電気料金はいくらですか？高関税市場（ヨーロッパ、日本、東アジアの大部分）では投資回収が早まる。低関税市場（中東の一部、天然ガスが豊富な北米）では投資回収が遅くなる。
4. 部品の公差はどれくらいですか？公差が厳しい部品（医療機器、光学機器、特定の包装部品など）は、不良品の削減によってサーボ機構の利点を増幅させる。一方、公差が緩い部品は、この節約効果を相殺してしまう。
5. 資本制約とは何ですか？資本プレミアムを妥当な金利で資金調達できない場合、プロジェクトレベルの経済性がプラスであっても、投資回収期間は重要となる。

中程度の関税市場で25秒サイクルで2交代制連続運転する一般的な250トンプレスの場合、投資回収期間は18～36ヶ月です。低関税市場で12秒サイクルで1交代制運転する100トンプレスの場合、投資回収期間は4年以上になることもあります。プロジェクト回収ワークシート5つの変数すべてを考慮に入れ、プロジェクト固有の推奨事項を生成します。

よくある質問：サーボ式射出成形と従来型油圧式射出成形の違い