金型製造を加速：高度CAD/CAMとCAEで設計と生産を最適化

最新のCAD/CAMとCAEソフトウェアで、金型メーカーは設計を大幅に高速化し、高品質な金型とダイの製造サイクルを圧縮

金型メーカーは、プロセスと製品品質を改善しながら生産性を向上させ、金型製造プロセスをスピードアップするという継続的なプレッシャーにさらされています。目標達成のため、金型メーカーは最新の金型製造ソフトウェアを採用し、CAD/CAMとCAEの新技術、適合冷却などの金型・ダイ製造における主要機能の大幅に改善されたシミュレーションを活用しています。

金型・ダイプロセスで使用されるアプリケーションは、主要ソフトウェア開発元のCAD/CAMソフトウェアから、製品のフィットアンドフィニッシュ、熱性能、主要な差別化要因の詳細なシミュレーションと分析を提供する高度なCAEソフトウェアまで多岐にわたります。これらの金型製造パッケージの中には、デザイナーのメインCAD/CAMソフトウェア内で実行できる統合パッケージもあり、設計から部品の潜在能力のシミュレーションと分析への容易な移行を可能にします。

速く、正確に

金型メーカーの主要なソフトウェア要件は過去数年間で一貫しており、主に生産性の向上に焦点を当てていますと、CNC Software Inc.（コネチカット州トランド）、Mastercam CAD/CAMソフトウェア開発元のシニアマーケットアナリスト、Ben Mund氏は述べています。「このニーズはプロセス全体に及び、CAD/CAMソフトウェア開発で見られるトレンドを牽引しています。機械上でより速く、機械から外れるのもより速く、品質は可能な限り高く。」

「もう一つの成長トレンドは製造における接続性です。ソフトウェア、機械、ショップフロアプロセスがすべて互いに通信することを確実にすることです」とMund氏は言います。「CAMでは、工具ライブラリ、検査、ショップ監視、その他の項目との接続でそれが見られます。これはすべて、ショップがデジタル製造へのシフトに備えられるようにするためのものです。」

生産性追求の鍵は効率的なCAD/CAMシステムだとMund氏は述べ、ユーザーが仕事を速く簡単にこなすための豊富なツールを提供するものだとしています。「CADから始まります。ショップには、コンセプトや部品モデルを生産金型に変えるのを助ける特殊なCADツールへのニーズが高まっています」とMund氏は述べています。「これは、モデル準備、ソリッドモデル修復、ギャップ埋め、治具作成、電極、コア/キャビティモデル分割、パーティングライン作成など、工具が金属に触れる前になされるべき、高度に焦点を絞ったニーズを意味します。」

素材が機械に載れば、ショップは更なるサイクルタイム短縮への積極的な推進を続けると同氏は付け加えます。「金型メーカーが最も注目する領域の一つは、バルク材料をニアネットシェイプまで除去する最も効率的な方法です。『スマート』な荒加工ツールパスの進歩が、加工時間を劇的に短縮し続けています。もちろん、最終金型の精度と品質が最も重要であり、ここでは新しいツールパスモーションだけでなく、新しい工具にも注目が集まっており、それらはすべてプログラミングソフトウェアでサポートされる必要があります。」

CNC Softwareの「CAD for CAM」準備ツールのような機能は引き続き焦点だとMund氏は述べ、次期Mastercamリリースでは、金型メーカーが与えられたCADモデルを迅速かつクリーンに修正し、穴を埋め、エラーを修正するための新しいツールが搭載されるとしています。「これらの問題は長い遅延の原因となり得ます。それらを最小限に抑えることで、金型をできるだけ早く機械に載せることができます。」

MastercamのDynamic Motionエンジンに加え、Accelerated Finishingと呼ばれる新しいNCプログラミング技術も搭載されていますとMund氏は付け加えます。「これにより、新しい成形工具を意図した通りに使用できます。工具メーカーと密接に協力し、楕円形カッター、バレルミル、テーパーカッター、レンズ形状カッターなどを対象としたカット戦略を開発しています」と同氏。「正しくプログラミングされれば、これらのカッターは小径工具で大きな実効切削半径を持たせることができ、サイクルタイムの短縮、表面仕上げの向上、またはその両方を実現できます。」

より簡単でスマートなソリューションの探求

ソフトウェアの使いやすさは、金型設計者とビルダーの間でトップランクだと、CoreTech System Co. Ltd.（ミシガン州ファーミントンヒルズ、台湾新竹）の社長兼共同創業者、Anthony Yang氏は述べています。同社はMoldex3D CAEスイートの金型製造シミュレーションアプリケーションを開発しています。

適合冷却のような機能はプラスチック射出成形製造プロセスをより簡単かつ効率的にしますが、ユーザーはより使いやすいソフトウェアを求めていますとYang氏は指摘します。「現在のトレンドは、DFM（製造のための設計）によるアップフロントシミュレーションに向かっています」と同氏は付け加え、「もう一つの主要なトレンドは、ソフトウェアをよりスマートにすることです。」

今日のソフトウェアでは、ユーザーが境界条件をより簡単に設定し、メッシュを作成できると同氏は言います。「金型がどう反応するかをシミュレートし、熱がどこから来るかを指定しなければなりません。設計は簡単ではありません。」ソフトウェアがより使いやすければ、より速く効率的な金型設計プロセスを可能にするより良いユーザーインターフェースを求める金型メーカーにとって良いことです。

CoreTechのMoldex3Dソフトウェアは主にエンジニアリング部門で使用されますが、部品設計者にも使用されています。Moldex3Dソフトウェアは、Siemens PLMのNX Moldなどのソフトウェアと統合されており、Dassault SystèmesのSolidWorksやPTCのCreo CAD/CAMソフトウェアなど、主要開発元の提供製品とも連携しています。

Faurecia Interior Systems India Pvt. Ltd.（インド・プネ）では、自動車シートとインテリア設計でMoldex3Dシミュレーションを使用し、プラスチック射出成形インテリア部品の変形を減らして寸法精度を改善しました。ダッシュボードセンターコンソールファシア1つにソフトウェアを使用した結果、目視領域でのウェルドライン回避、部品組立のための隙間と段差を公差内に維持するための部品たわみ低減、工具調整コスト68%削減、従来高かったスクラップ率を無視できるレベルまで低減などが含まれます。これはMoldex3Dの変形予測シミュレーションによって可能になりました。

複雑さがプロセスを駆動

複雑な製品のツーリングが増加するにつれ、金型・ダイショップは他のメーカーとともに高度な製造プロセスへと向かっています。「オートメーションと統合は、ツール設計ワークフローの最適化と検証ツールにより、お客様がツーリングを改善し、製品をより精密にするためのイネーブラーです」と、Siemens PLM Software（テキサス州プレイノ）のNXプロダクトマーケティングマネージャー、Himanshu Iyer氏は指摘します。メーカーにとって最優先事項は、「エラーがあれば、設計サイクルのできるだけ早い段階で捕捉することです。後工程で対処するのがいかに高コストかは皆知っています。プロセスをより効率的にする必要があります。」

OEMとサプライヤー間のコミュニケーション不足が、製品開発の後工程で痛みを生むことがよくあります。「課題の一つは、設計フェーズの早期からお客様を巻き込むことです」と、NX Mold Wizardのプロダクトマネージャー、Daks Azhagappan氏は指摘します。「製造可能性のすべての問題を見る必要があります。密に協力しない限り、時間とコストがかかります。多くのお客様、特に工具ショップから、『OEMと早期にどう協力すればいいのか』と聞かれます。」

NXのCAEツール（Moldex3Dエンジン搭載）を使用すると、メッシュを改善して全体的な設計を向上させられます。「かつてはトライアウトを繰り返すことでした」とAzhagappan氏。「直面する問題の一つは変形です。一つの対策は設計に戻って冷却を変更することです。すると『変形をどう補正すればいいか』と言うかもしれません。」NX 10に追加されたメッシュトランスフォーマーにより、ユーザーはメッシュを最適化し、その情報をCAD環境に取り込めます。

最新ツールでは、設計段階とCAEソフトウェアの2段階でメッシュ変換が可能だと同氏は指摘します。Moldex3Dモールドフロー解析により、「それらの機能の多くがNXに統合されています」とAzhagappan氏は付け加えます。

NX CAMのより高速な加工技術も、金型製造の生産性向上と高速技術による加工時間短縮に大きな役割を果たすと、Siemensのプロダクトマーケティングマネージャー（製造ソリューションおよびNX CAM）、Sashko Kurciski氏は述べています。「一部のケースで加工時間を60%削減しています」と同氏。「工具寿命を4倍に延ばすことも可能です。」

最新のNX 12 CAMでは、Siemensがコンポーネントテクノロジーを使用した内部開発の高速荒加工戦略を追加しました。「これは私たちにとって新しい技術で、Volumillに似ていますが、場合によっては優れています」とKurciski氏。「アドオンではありません。」

付加製造技術も重要な要素です。「ツール業界にいくつかの影響を与えると考えています。その領域の一つが適合冷却です」とIyer氏。「付加技術により、お客様が物事を異なる視点で考え始めているのがわかります。」

ハイブリッド減算/付加機械が市場に出ていることで、機械のどちら側でも、そしてそれらの間でプロセスを自動化できる利点があるとKurciski氏は言います。ショップは付加側で内部冷却チャネルを持つ金型を構築し、同じ機械で「金型に必要な高品質な表面を実現できます。」

加工高速化、AMの追加

より速い加工は金型メーカーにとって鍵であり、CAD/CAM開発元はそこに到達する複数の方法を提供しています。「金型メーカーがかつてないほどのプレッシャーにさらされているのは、大した発見ではありません」と、Autodesk Inc.（カリフォルニア州サンラファエル）のPowerMillプロダクトマーケティングマネージャー、Clinton Perry氏は指摘します。「納期短縮、部品品質の維持・向上、コスト最小化という顧客期待に応える日々の課題に直面し、高いレベルの顧客サービスを提供しなければなりません。同時に、金型メーカーは競争優位性をもたらし得る新興テクノロジーのタイプにも目を光らせていなければなりません。」

これらの要求に応えるため、金型メーカーは顧客設計を高品質なツーリングに迅速に変換するソフトウェアを必要としています。「スピードは間違いなく最大の課題です。CAD/CAM/CAEソフトウェアは、設計、シミュレーション、製造のワークフロー全体を合理化し、全体的な市場投入時間を短縮する必要があります」とPerry氏。「ハードウェア能力の向上（64ビットプロセッサ、マルチコア、クラウドコンピューティングなど）は確かに役立ちますが、より根本的な何かがあります。Autodeskや他のソフトウェア企業は、顧客モデルをインポートし、それを迅速に使用可能なツーリングに変換するモデリングツールを開発し続けています。このプロセスでは、インポートデータの欠陥を修正するため、ある程度のモデル修復作業が必要になることがよくあります。」

Autodesk PowerShapeのようなCADモデリング製品は、修復による遅延を防ぐツールを提供すると同氏は付け加えます。最も高性能なモデリングソフトウェアは、インポートされたCADファイルを分析し、下流の製造を複雑にする可能性のある問題を特定して（自動的に）修正できるとPerry氏は述べ、サーフェス、ソリッド、ダイレクトモデリングツールにより、金型メーカーが顧客設計を迅速にツーリングに変換できると説明しています。

もう一つの主要トレンドは物理ベースのシミュレーションだと、AutodeskシミュレーションビジネスラインマネージャーのMark Hennebique氏は述べています。シミュレーションにより、鋼ブロックが加工される前に設計を「サインオフ」できます。

Autodesk Moldflowの分析ツールのようなシミュレーションソフトウェアは、部品設計の製造容易性と金型ツーリングの性能を初期設計段階で最適化するために開発プロセスで使用できるとHennebique氏は言います。「シミュレーションにより、複数の設計を試行・テストし、成形サイクルと部品品質への影響について迅速なフィードバックを得て確認できます。ゲート位置、肉厚、成形プロセス、冷却回路設計、材料特性などの変数をすべて迅速なフィードバックとともに変更でき、初回成形サイクルで金型が期待通りの結果を出せるという確信を構築できます。」

最新のMoldflowリリースでは、ユーザーは公開材料データベースで10,000種類以上の材料にアクセスできるようになったと同氏は述べています。「より多くの材料にアクセスできることで、ユーザーは製造プロセスが最終部品形状と製造容易性に与える影響を見ることができ、プロジェクトニーズを満たす適切なプロセス/材料の組み合わせを選択できます。ソルバー速度から運用速度まで、その他のパフォーマンス改善も見られ、ソリューションへの移行がさらに容易になります。」さらに、MoldflowはAutodesk Fusion 360とともに出荷され、ユーザーに改善された相互運用性とCAD/CAE機能を提供し、設計の反復とデータ共有などが可能になります。

3Dプリンティングが製造ツールとして台頭することは、金型メーカーに金型の設計と製造の方法を変える機会を提供するとPerry氏は付け加えます。「素晴らしい例の一つは、成形される形状により密接に従う冷却回路を含む金型を設計するために3Dプリンティングを使用することです。これらの適合冷却回路により、成形サイクルタイムを大幅に短縮できます。」Fadoのような金型メーカーが、Autodeskの設計と製造ソフトウェアを使用して、ますます多くの金型に適合冷却を追加しているとPerry氏は述べています。

新しい金型モジュール

Vero Softwareからのもう一つの新しいアップデートは、VISI 2018 R1で、VISIのAssembly-Ngテクノロジーに基づく新しいMold Toolモジュールを導入しています。この再開発されたモジュールは、サプライヤーと非標準工具構成の構築においてより高い柔軟性を提供します。ブランクと予め穴あけされたプレートの管理を含むカスタマイズ可能なテンプレートにより、ツールレイアウトの容易な作成と、設計のあらゆる段階での拡張編集が可能になります。

「新しいMold Toolは、ツール作成と高度な編集の両方でより高い柔軟性を提供します。これにより、ツール設計のあらゆる段階で調整が可能になります。プレート調整が行われると、コンポーネントキャビティ製造データを含むすべてのアセンブリコンポーネントが自動的に更新されます」と、VeroのVISIプロダクトマネージャー、Marco Cafasso氏は述べています。

複雑な技術ポリマーの結果精度を向上させるため、プラスチック流れ変形予測モジュール内で拡張が行われました。これらの改善は、保圧フェーズのアルゴリズムを完全に見直すことで達成されたと同社は述べています。圧力と流量計算の調整と新しい形状ソルバーの組み合わせにより、プロセスの計算時間を最大40%短縮できます。

シミュレーションの検証

金型設計者は厳しい公差を持つため、小さなエラーと食い込みを防ぐことが重要だと、CGTech（カリフォルニア州アーバイン）のVericutプロダクトマネージャー、Gene Granata氏は指摘します。「金型プログラムは通常多数かつ大規模なので、オフライン検証が機械を稼働させ続ける鍵です。ユーザーはバッチプロセスでシミュレーションを実行し、すべてのNCプログラムが期待通りの最終金型を作成することを確認できます。また、金型を作成するための製造方法が増えている（マシニング、AM、EDM放電加工など）中、シミュレーションソフトウェアは製造時間を予測し、最適な生産レートを維持するための貴重な情報を提供できます。」

圧縮されたタイムスケジュールにより、金型メーカーはよりリーンで速く働く方法を探していますと同氏は付け加えます。「Vericut Forceは、切削条件を微細に分析し、プログラム送り速度を最適化して理想的なチップ厚を実現する物理ベースのNCプログラムモジュールですが、工具の力限界や機械のスピンドルパワーを超えません。Force最適化により、与えられた切削工具、被削材、加工条件に対して可能な最も効果的なNCプログラムが作成されます。結果は、大幅な時間短縮、より良い表面仕上げの高品質部品、切削工具と機械寿命の向上です。」

金型メーカーの間でAMへの関心は高いとGranata氏は指摘し、新しいVericut Additive Moduleは、新しいハイブリッドCNC機械で付加材料堆積と従来のマシニング機能の両方をシミュレートすると述べています。「ハイブリッド機械でのAMは、特定の精密金型や金型修理をより簡単かつ速くします。付加プログラミングソフトウェアがより高性能になるにつれ、あらゆる製造プロセスをあらゆる順序でシミュレートし、意図した最終部品が作られるという確信を得たいという新しいトレンドが見られます」とGranata氏。「ユーザーは、すべてのNCプログラムが自社のCNC機械で正しく、かつ最適に実行されることを保証するために私たちのソフトウェアを頼りにしています。最高の仕事をするためには、機械を駆動するのと同じNCコードで駆動されるシミュレーションソフトウェアを選ぶべきです。それにより、可能な最高レベルの検証が保証されます。」