先進シミュレーション ツールで生産効率を極める — 積層/除去加工、CAE民主化、デジタルファクトリー

シミュレーション ツールにより、製造業者はNC金属切削シミュレーションから3D設計、工場フロア イメージングまで、生産の全経路を可視化し、プロセスを最適化しやすくなっています。今日のシミュレーション ツールでは、ツールパス設計者と製造エンジニアが、NCツールパスがどこで衝突するかを正確に把握し、その場で修正できるため、金属切削プロセスのシミュレーションと検証が大幅に高速化されます。

シミュレーション システムの最新動向には、ビルダーが急速な試作と生産部品の積層造形に採用している、急成長中の積層造形プロセスに適用される新機能が含まれます。新しいNCシミュレーション ソフトウェアはこれらの積層プロセスに対応するよう適応され、試作と生産用金属部品の両方で、積層造形のレイヤー バイ レイヤー プロセスにおける部品製造に必要な時間の計算とシミュレーションを非常にシンプルにします。

より伝統的な除去加工においても、製造業者は「民主化」と、コンピュータ支援エンジニアリング（CAE）を含むハイエンド シミュレーション ツールの利用を、高度に訓練された専門家による使用に留まらず、製造設計/生産チェーン全体に広げるという継続的なトレンドに注力しています。

積層と除去の両方をシミュレート

CGTech（カリフォルニア州アーバイン）のVericutやSpring Technologies（ボストン）のNCSimulなど、最新のNCシミュレーションと検証ツールは、従来の機械加工と同様に、積層プロセスのシミュレーションと検証のために積層機能を追加しています。

「積層造形は最新トレンドで、ますます多くの製造業者がこの手法をケイパビリティ カタログに組み込んでいます」と、CGTechのVericutプロダクト マネージャー、ジーン・グラナタ氏。「CGTechは現在、GE、ダッソー アビエーション、マザック、シェフィールド大学、コネチカット先端技術センター[CCAT]などのテクノロジーパートナーと協力し、Vericut 8.1でリリース予定のAMモジュールの共同開発と育成に取り組んでいます。」

新しいVericutは、クラウドからダウンロードしたデータを用いて最適化されたツールパスを提供します。「最新のVericutソフトウェア リリース 8.0.2では、クラウドベースのツーリングから直接入力値を受け取る『物理ベース』のツールパス最適化モジュール『Force』をアップデートし、最適化セットアップを効率化するいくつかの新機能の恩恵を受けられるようになりました」とグラナタ氏。「NCプログラムが遭遇する切削条件を微細に分析することで、ForceはNCプログラムが最適な送り速度と理想的なチップ厚を持ち、安全な力や出力限界を超えないことを保証します。これにより生産性が大幅に向上します。」

新Vericutの技術的改善には、Vericut 8.0.2で100以上のユーザー要望が反映され、セットアップの効率化とユーザー体験の向上、工具寿命の延長、コストのかかる機械スピンドル損傷の回避が図られています。「具体的な改善には、Force最適化モジュール内のアップデート、Tool Managerがツール使用とパフォーマンスについてより多くの利用可能データをインポート可能になったこと、Vericut Drill and Fastener[VDAF]シミュレーション製品がアップデートされたグラフィカル ユーザー インターフェース[GUI]の恩恵を受けることなどが含まれます」とグラナタ氏。「これらすべての機能強化は、顧客がNCコードを可能な限り効率的に検証し最適化できるよう設計されています。」

積層向けシミュレーションは比較的新しいものの、製造顧客に大きな可能性を示していますと、Spring Technologiesジェネラル マネージャーでNCSimul Machineと関連シミュレーション製品の開発者であるシルベール・プロワジー氏。「積層造形では、機械の動きをシミュレートし、金属の積層に必要な時間を計算しています。」

Spring Technologiesは主に金属積層造形プロセスに注力しており、エンジンとランディングギアを製造する航空宇宙/防衛分野のTier 1およびTier 2サプライヤーと協力し、これらの積層プロセスでNCSimulソフトウェアの機能を活用するシミュレーションを開発しています。

あらゆる製造プロセスのシミュレーションは極めて重要で、SpringのNCSimul 4CAMソフトウェアにより、製造オペレーションはショップフロアで大きな柔軟性を得られるとプロワジー氏。NCSimulの利点の一つは、ユーザーが実際のGコードで製造切削または積層プロセスをシミュレートでき、行うべきでない切削や移動があれば、簡単に戻ってプロセスを再構築できる点です。「プロセスを最初からやり直す必要はありません。シミュレーションを『その場で』編集し、部品を再構築できます。」

積層分野に参入している他のシミュレーション ソフトウェア サプライヤーには、ソフトウェア大手のDassault Systèmes（パリ）とSiemens PLM Software（テキサス州プラノ）があります。

DassaultのAM分野への参入には、クラウド版とオンプレミス版の両方で利用可能な「Additive Manufacturing Engineer」があり、製造業者がAMプロセスを準備・検証できるようにします。ベストプラクティスのアーカイブと再利用、部品位置の自動最適化、積層プロセスの異なる戦略立案を可能にし、ユーザーの時間を節約します。

3DExperience 2017xリリースは、設計、シミュレーション、製造を遥かに高いレベルの統合で変革すると謳われています。新しいFunction Generative Designerロールでは、設計者が機能仕様（3Dエンベロープ、荷重シナリオ、材料、軽量化目標、希望製造プロセス）を提供し、ボタン一つでシミュレーションを実行し最適化されたコンセプト形状を生成します。これにより設計者とエンジニアは、フライス加工、鋳造、鍛造などの従来の製造プロセスと比較して、積層造形の柔軟性を活用できます。粉末床溶融と産業用3Dプリンティングのセットアップとプロセスを定義・最適化し、レーザーパスをプログラミングするための、積層造形向けの2つの新しいデジタル製造と生産ロールが追加されました。

2017年1月、Siemens AG（ミュンヘン）と積層造形開発企業Materialise NV（ベルギー、ルーヴェン）が、Siemens PLMのNXソフトウェアとMaterialiseのAM分野技術を統合するパートナーシップを発表しました。契約に基づき、MaterialiseテクノロジーをNX CAD/CAM/CAEソフトウェアに統合し、粉末床溶融とマテリアル ジェッティング 3Dプリンティング プロセス向けのCADモデルを正確に設計できるようにしました。その結果、完全な3Dプリント部品の構築プロセスが30%以上高速化されたと両社は述べています。

この取引は、積層造形を顧客にとって主流の生産慣行にする上で大きな飛躍を意味しますと、Siemens PLM Softwareの製造エンジニアリング ソフトウェア担当シニア バイスプレジデント、ズヴィ・フォイアー氏は声明で述べています。「これまで、積層造形プロセスでは、製品設計用とその設計を3Dプリント用に準備する用の、2つの別々のシステムで作業する必要がありました」とフォイアー氏。「これら2システム間のデータ変換問題と連携性の欠如が、時間がかかりエラーの多いプロセスを生んでいました。これらの問題を解消することで、積層造形を普遍的に受け入れられる生産ツールとして拡大する一助となります。」

NXは現在、Materialise Magics 3D Print Suiteのテクノロジーを活用し、エンドパート製造向けに一般的に採用されているAMプロセス（粉末床溶融、マテリアル ジェッティングなど）を可能にし、AMの試作から本格的な製造技術への進化をさらに加速させます。このソリューションは、NXをMaterialiseの格子技術、サポート構造設計、3Dネスティング、ビルドトレイ準備、積層造形用ビルドプロセッサ フレームワーク テクノロジーとシームレスかつ連動的にリンクします。これによりデータ変換とコンバージョンが排除され、デジタル製品設計モデルの変更が3Dプリント ジョブに自動的かつ連動的に反映されます。結果として、モデル精度の向上、品質の向上、設計から生産へのプロセスが大幅に高速化されます。

CAEを大衆へ — 民主化の進展

最新のシミュレーション トレンドの中では、CAEツール——計算流体力学（CFD）、有限要素解析（FEA）、トポロジー最適化など——のより広範な採用が、製造オペレーションへ少しずつ浸透し始めています。CAE専門家以外のエンジニアがこれらのシミュレーション テクノロジーの力を活用し始めているのです。

「製造全体に影響するトレンドのいくつかは、シミュレーション ソフトウェアにも反映されています。これらには、積層造形と関連シミュレーション技術、トポロジー最適化、製品側の複合材シミュレーションが含まれます」と、Siemens PLM Softwareのグローバル シミュレーション プロダクト マーケティング ディレクター、ラビ・シャンカル氏。「積層造形は、さまざまな従来製造プロセス向けの工具作成にも影響します。また、シミュレーション技術は、アセンブリ シミュレーション、ロボティクス シミュレーション、マテリアル フロー シミュレーション、人間シミュレーションとエルゴノミクスなど、製造プロセスにも適用されています。」

シミュレーションにより、潜在的な問題をはるかに早期に検出し、発生前に回避できるとシャンカル氏。「これは、製造ダウンタイムの削減、より高速な処理の実現、工具寿命と使用の増加、材料コストの削減により、直接的に生産性に影響します。」

デジタル化プロセスは、優れた積層造形製品を作る上で不可欠だとシャンカル氏は付け加えます。「Siemensには、積層製品の設計、シミュレーション、生産を効率化するいくつかのイニシアチブがあります」と同氏。「これには、ジェネレーティブ デザインの最近の革新が含まれ、NXユーザーがトポロジー最適化技術を用いて軽量な有機的形状を作成し、Convergent Modelingでこれらの設計を洗練させ、製造プロセスを駆動できるようにします。同様に、複合材向けには、複合材積層の最適化、ドレーピング プロセスと部品への影響のシミュレーション、硬化とスプリングバック効果のシミュレーションなどのソリューションを提供しています。」

CAD/CAM研究者CIMdata Inc.（ミシガン州アナーバー）が数年前のシミュレーション研究で「民主化」と表現したCAEツールの普及には進展がありますが、こうしたシミュレーションの更なる採用促進にはまだ長い道のりがあるとシャンカル氏。「シミュレーション テクノロジーの採用で先導する企業も確かに見られますが、これらのテクノロジーの価値を製造エンジニアにもたらすため、使用拡大の大きなポテンシャルも見えています」とシャンカル氏。「シミュレーション技術は構造解析、金型流動と冷却シミュレーション、複合材製造などに使われています。ほとんどの場合、これらは依然として専門のシミュレーション スペシャリストによって実行されています。したがって、CAEの民主化は進行中ですが、まだその完全なポテンシャルには達していないと我々は考えています。」

最適化されたドリリング

高価な耐食性材料の機械加工はドリルに極めて厳しく、ドルトムント工科大学（ドイツ、ドルトムント）の研究者たちによる最近の研究では、Ansys Inc.（ピッツバーグ）の流体流動と構造解析ツールを用いて、プロセス クーラント流量分布を分析し、工具寿命の延長を達成しました。

ドルトムント工科大学の切削技術研究所（ISF）で、ディルク・ビールマン教授率いる研究チームが、超合金インコネル 718用ドリルの寿命延長手法を分析しました。この合金の低熱伝導率により、大量の熱を外部手段でボアリング ゾーンから運び去る必要があり、さもなければ工具が変形し、ボア品質不良や超硬ドリルビットの破損につながります。切削ゾーンの温度を下げるため、50m/分未満の比較的低いドリル速度が使用されますが、液体クーラントは依然として必要です。クーラント液を必要な場所へ導くため、ドリルビットのランド（固体のらせん模様）内部の2つの微小チャネルを通じてポンプで送られます。

ドリル構造、クーラント液、インコネル ワークピースの複雑な相互作用を理解するため、ISFチームはAnsysのシミュレーション ツールを用いて、流体構造相互作用（FSI）解析によるプロセス最適化を行いました。プロセスには完成した流体メッシュの作成、Ansys CFX計算流体力学（CFD）ソフトウェアによる流体領域でのクーラント分布モデリング、CFXで計算されたクーラント力を境界条件として追加したAnsys MechanicalによるFSI解析の完了が含まれます。さまざまなCFDとMechanicalシミュレーションをすべて含め、ISFは4週間で計算解析を完了しました。「インコネル合金への穴あけは、機械工具の急速な摩耗と損傷を防ぐため慎重に管理されます」とビールマン氏。「チームは冷却プロセスを改良し、工具寿命を約50%改善しました。」

デジタル ファクトリーの検証

積層とCAEの発展とは別に、製造業者が工場フロア レイアウトを迅速に設計する必要性はかつてないほど高まっています。Cenit North America（ミシガン州オーバーンヒルズ）のFastSuite Edition 2のような新しいデジタル製造シミュレーション ツールは、メーカーが工場レイアウトを設計し、すべての製造プロセスを事前に検証できるよう支援し、プロセスを高速化し設計を最適化します。

「IoTやインダストリー 4.0は、製造フロアのまさに基盤を揺るがす根本的な変化を表しています。デジタル ファクトリー ソフトウェアと3Dツールがその変化を前進させています」と、Cenit North Americaシニア アカウント マネージャーのリー・ヴァン エブリ氏。「デジタル ファクトリー ソフトウェアは、企業が効率的にスマート製造に参入するのを助けます。今日、ソフトウェアはすべてのCADシステムと互換性があり、あらゆるメーカーのロボットと機械で動作しなければなりません。これは、より多様で複雑かつ要求の厳しいシステムになりつつある顧客関係の必須前提条件です。」

今日の3Dベース シミュレーション ソフトウェアは、プロセスと生産タスクの可視化と検証を可能にしますとヴァン エブリ氏。「生産プラントはゼロから立ち上げられることは稀で、稼働中に再計画されることが多々あります。バーチャル ファクトリーとモデル プラントが、実生産システムの正確な表現として——幾何学的・運動学的にだけでなく、論理的振る舞いと製造ユニットの制御の観点でも——存在すれば、アジャイルで自己組織化された生産ユニットが保証されます。」

「デジタル ファクトリーにより、シミュレーションベース ソリューションなしでは高コストすぎる、あるいは不可能な新しい製造プロセス、プラント コンセプト、テクノロジーの導入が可能になります」と同氏。「ロボット アプリケーションが使用されるほど——単純なハンドリング タスクだけでなく複雑な生産ステップでも——プログラミングとシミュレーション ツールのメリットは大きくなります。ソフトウェア ソリューションがこれらの複雑なアプリケーションへの道を切り開き、オペレーターに必要なプログラミングとシミュレーション環境を提供し、以前は手動ティーチインで表現されていた、または必要なプロセス品質を示さなかったアプリケーションを可能にします。」

カタログから3D CADコンポーネントでクイック レイアウトを作成し、スクリプトとマクロをプログラミングしてマテリアル フローとセルの振る舞いをシミュレートする代わりに、FastSuite Edition 2はメカトロニクス コンポーネントとリソースをレイアウト定義に使用し、同時に生産アイランドの論理回路図を定義するとヴァン エブリ氏。「これにより、シミュレーションがPLCプログラミングで使用される同じロジックに基づくため、シミュレートされた振る舞いと実際の振る舞いが一致することが保証されます——したがって後で実際のシステム振る舞いに対応します。」

Cenitの新FastSuiteソフトウェアは、プロジェクト固有のコンポーネントをレイアウトに統合するユーザーフレンドリーな機能を提供しますとヴァン エブリ氏。「このプロセスは、プログラミング知識のないユーザーでも迅速かつ容易に完了できる必要があります。」

ソフトウェア インフラストラクチャはオープン標準に基づいており、例えばシステムモデルの記述言語としてAML（Automation Markup Language）を一貫して使用することで、エンジニアリング パートナーとの、システム中立の標準化された完全なシステムデータや装置データ（運動学と論理定義を含む）の交換が大幅にシンプルになりますとヴァン エブリ氏。さらに、PLC Openにより、最初のシミュレーション コンセプトの基盤となるシステム ロジックを、後でのPLCプログラミングにも使用できます。ソフトウェアは共有メモリを使用し、コントローラがシミュレーション データを書き込み、そこから3Dビジュアライゼーションがシミュレーション データを読み取ります。

「ロール ヘミング、シーリング、接着、塗装のような生産プロセスには、バーチャル プログラミングとシミュレーション環境が必要です。そうすれば、小ロットが来たりエンジニアリング変更があったりして、ロボットセルの新しいオフライン プログラムの更新が必要な場合でも、効率的に運用できます」とヴァン エブリ氏。「モダンなデジタル ファクトリーのメリットを示すもう一つの側面は、CADデータだけでなく、エンジニアリングから提供されるメタデータ（ファスナーなど）を再利用する方が、生産のたびに再定義するよりも遥かに効率的だということです。」

生産側では、Line DesignerがNXソフトウェアで生産ラインのレイアウトを設計・可視化する高度なアプリケーションだと、Siemensのシャンカル氏。「統合されたSiemens PLM Softwareプラットフォームにより、エンジニアは設計されたレイアウトを製造計画に容易に関連付けられます。Line Designerで設計されたレイアウトを、デジタル製造用Tecnomatixソフトウェアで製造プロセスの検証に使用できます。Process Simulateアプリケーションを使用すれば、セル検証とロボット配置最適化を含む幅広いロボット アプリケーションを検証し、完全な生産システムをシミュレートできます。生産プロセスをシミュレートすることで、最適な製造プロセスを定義できます。」