先進シミュレーションソフトウェアが製品設計と製造効率を高める

製品の複雑さ、軽量化、先進材料、新製造工法といった厄介な課題に取り組む際、今日の製造エンジニアはハイフィデリティ（高忠実度）シミュレーションを用いて、これらの課題への解決策を可視化することが増えている。最新のシミュレーションソフトウェアは、ハイエンドCAEパッケージとNCシミュレーションソフトウェアにより、最良の設計だけでなく、それらを実現する最も効率的な方法を決定する手がかりを提供する。

アディティブ製造（AM）のような新しい製造プロセスは、メーカーに異なる問題を提示し、シミュレーションはどの解決策が最適かを事前に判断できる。多くのシミュレーションソフトウェアパッケージが、アディティブ特有のシミュレーションを提供するようになり、アディティブ製品が構築される積層プロセスを解明しつつ、従来のサブトラクティブ金属切削プロセスをどう効率化できるかも可視化する。

複雑性問題の解決

ディスクリート製造において、製品開発エンジニアは膨大な課題に直面する。自動車から航空機、巨大船舶、重機械まで、IIoT（産業用モノのインターネット）向けのエレクトロニクスを備えたシステムをプログラムする、数百万行のコードが含まれるからだ。

「我々が見る大きなトレンドは、製品の複雑さの増大です」と、ジーメンスPLMソフトウェアのグローバルシミュレーション製品マーケティングディレクター、ラビ・シャンカル氏は語り、機械部品へのエレクトロニクス搭載レベルの上昇に言及する。「それを牽引しているのは、デジタルツインとモデルベースエンジニアリングです。」

自律走行車とドローンは、シミュレーションソフトウェアシステムを必要とする複雑システムの最新例だとシャンカル氏。「自動車の燃費と排ガスへの注力、軽量化と生成設計の活用増加も見られます」と同氏。

ジーメンスは最近、Simcenterシミュレーションソリューションと新センサ技術を組み込んだ自動運転車向けソリューションを発表した。3月のシーメンスUSイノベーションデー（シカゴ）で、Tass PreScanバーチャルセンサイメージとMentor DRS360プラットフォームを用いたシステムを公開。センサフュージョンと処理のためのアルゴリズム開発を自動化する。

「第一のトレンドは、物理ベースのワールドモデルと物理ベースのセンサモデルが作成可能になったことです」と、Tass International（オランダ・ステーノフェンウェグ）の製品ディレクター、マルティン・ティデマン氏。同社は昨年ジーメンスに買収された。「これらのモデルにより、実際のカメラ、レーダー、LiDARから得られたかのような高忠実度の人工センサ情報を生成できます。これらの人工データを車載処理ユニット（DRS360など）に供給すれば、実走行なしで車載ハードウェア/ソフトウェアを評価できます。」

もう一つの鍵は、自動運転シミュレーションソフトウェアがハイパフォーマンスクラスタ（HPC）上で確実に動作することだとティデマン氏。「これらのクラスタは多くのシミュレーションを並列実行でき、バーチャル評価/検証プロセスを高速化します。週末で100万バーチャルマイルを走行できるようにしたいのです。」

「自動運転シミュレータは、マップインポーターなど幅広い他のハードウェア/ソフトウェアモジュールと接続され、バーチャル道路ネットワークを自動生成したり、車両動力学シミュレーションツールで車両が制御アクションに正しく応答することを確認したりする必要があります」と同氏。「シミュレーションツール間のインターフェースはますます標準化されています」——例えばFMI/FMU（機能モックアップインターフェース/ユニット）など。

ディスラプティブなシミュレーション

シミュレーションが製造に適用される方法に影響を与える、いくつかのキーテクノロジーがある。「多数の技術的進歩が継続的に進化・改善する中、ほんの一握りが、シミュレーション能力が『どこで、どう、誰によって』使われるかを根本的に破壊（ディスラプト）する潜在力を持っています」と、オートデスクの製造・建設・生産担当プロダクトストラテジー&マネジメントシニアマネージャー、セス・A・ヒンドマン氏。

「ムーアの法則は、多くの人が想像したよりも遥かに長く成り立っています。処理能力の継続的進歩により、信じられないほど強力なハードウェアが非常に低価格で利用可能になりました。広範な光ファイバーネットワークの発展と相まって、企業は自社イントラネットの速度を超える外部計算リソースに接続可能になりました」とヒンドマン氏。「バースト容量、エラスティックコンピュート、設定可能なHPC（ハイパフォーマンスコンピューティング）により、企業は自社製品をエンジニアリング・製造する方法を根本的に変え、製品が多様な用途と環境でどう振る舞うかを真に理解するために十分な解析を実行できるようになります。」

メーカーはメッシュ依存解析からも脱却しつつあるとヒンドマン氏。「3D設計データのユビキタスな性質が、もはやメッシュ依存せず、ネイティブ設計データとの連携性を活かせるシミュレーションツールへの需要を押し上げ続けています。これは一般的なワークフローの生産性向上だけでなく、シミュレーション能力の恩恵を受けられる対象を拡大します。自然な流れとして、より堅牢で、より直感的で、従来のCAE要件から脱却したソリューションの創出が促されます。長期的な可能性は、ソリューションとのインタラクションを簡素化し、煩雑なタスクを自動化できることです。」

CAEにおける長年の「シミュレーションをアップフロント（上流）へ」という視点は、今や「目的ベース分析」という考え方に置き換わりつつあるとヒンドマン氏。「アップフロントシミュレーションは強力ですが、依然として『設計したものをテストする』という従来の慣習に依存しており、『定義した目標を満たす設計を探索する』という方向性ではありません」と同氏。オートデスクは現在、ジェネレーティブデザインをエンジニアリング市場に導入しており、Autodesk Fusion 360 Ultimateで利用可能になったばかりだとヒンドマン氏。

「我々のジェネレーティブデザイン技術は、システムによって目的志向の設計を創出し、設計空間の広範な探索と洞察ベースのトレードオフを促進します」とヒンドマン氏。「エンジニアの主要タスクは歴史的に『機能する設計を作ること』でした。ジェネレーティブデザインでは、すべての結果がその基本要件を満たすため、意思決定とトレードオフがコアビジネスイニシアチブのレベルへ引き上げられます。」

アディティブプロセスのシミュレーション

アディティブの発展は製造業を興奮させ続けており、多くのシミュレーション開発元が最近、アディティブ特化型のシミュレーションソフトウェアを新規または強化リリースしている。

例えば、4月19日、シミュレーション開発元のAnsys（ペンシルベニア州キャノンズバーグ）が、金属AMプロセス向けシミュレーションを提供する新しいAdditive PrintとAdditive Suiteソリューションをリリースした。これらのソリューションは、軽量・複雑な金属部品のプリントと、微細構造特性・振る舞いの分析を可能にする。Ansysによれば、設計制約の限定、廃棄物削減、プリント時間短縮によりAMコストを削減できるという。

Ansysの完全なアディティブシミュレーションワークフローにより、顧客は部品をプリントする前に製品設計をバーチャルでテストできる。ソフトウェアはプリントプロセス前にシミュレーションを組み込み、エンジニアが設計段階で部品性能を設計・テスト・検証でき、物理的な試行錯誤の高コストを大幅に削減する。

AMは製造のゲームチェンジャーだ、とAnsysのアディティブ製造ディレクター、ブレント・スタッカー氏。「医療機器を患者固有の形状で製造可能。多くのコンポーネントのスペアパーツ在庫は過去のものとなり、交換部品を注文時に生産できます。石油・ガス業界のような極限環境で動作する製品を、新しいハイブリッド材料組成で製造可能。AMが提供する幾何学的複雑さにより、数十個のコンポーネントを、より軽量で高性能な単一コンポーネントに統合できます。」

スタッカー氏によれば、AMでは通常エンジニアリングシミュレーションユーザーでない設計者と機械オペレータが、複雑なプリントプロセスを理解する必要がある。「機械オペレータは、部品が正常に構築できるかどうかを予測する際、『教育を受けた推測』以上のものを求めています」と同氏。「特定の機械セットアップが、サポートからの取り外し前後でどのような部品歪みをもたらすか、過度な歪みがパウダースプレッディング機構を部品に衝突させる（いわゆるブレードクラッシュ）かどうかを、迅速に理解する必要があります。Design for AM（DfAM）を行う設計者も同様です。設計した部品が正常にプリントできるか、できるならそのコンポーネントの特性はどうなるかを知りたいのです。」

「シミュレーションは、アディティブプロセスを理解する力を設計者とオペレータの手に渡します」と同氏。「だからこそ、非エンジニアでも数日でツールを使いこなせるよう、Ansys Additive Printをスタンドアロンのプリントプロセス予測ツールとして開発しました。」

シミュレーションソフトウェアは、設計構造が実運用条件下で耐えられることを保証するために成功裏に使われてきたが、複雑な荷重、材料、物理によって常に挑戦されてもいると、ダッソー・システムズのSimulia戦略イニシアチブディレクター、スバム・セット氏は指摘する。「シミュレーションソフトウェアは今、マルチフィジックスとマルチスケールソリューションを提供し、あらゆる側面の予測を行って産業成長を加速する方向にトレンドしています。例えば自動車業界では、マルチボディダイナミクス、騒音・振動、衝突安全性から非定常流れ、さらに材料設計、マルチスケール材料のアップ/ダウンスケーリング、サブストラクチャまで、マルチスケール問題を解決するためにシミュレーションソフトウェアが使われています。」

AMプロセスから生じる形状を予測する能力の追加は、製造シミュレーションにおける最もエキサイティングな新発展の一つだとセット氏。「スキャンパス、材料特性、機械とレーザー特性を考慮に入れ、プリント中の熱と重力による部品変形を正確に予測できます。」

アディティブプロセスをシミュレートすることで、ビルダーはプロセスをより正確に予測・制御し、層ごとのアディティブ部品構築プロセスでのエラー発生を防止できる。

ジーメンスのシャンカル氏によれば、昨年NXアディティブモジュールで追加されたアディティブプロセスにおけるシミュレーションは、製造結果の予測を可能にする。

「層を作る際、多くのことを知る必要があります：冷却にどれくらいかかるか？ 部品内のボイド（空隙やポケット）は？ シミュレーションはボイドと製品の残留応力に対処できます」と同氏。シミュレーションはまた、プロセスの標準化方法と製品の性能理解にも役立つ。

ジーメンスは現在、相変化を伴うアディティブプロセスと部品冷却といった課題に取り組んでおり、計算負荷の高さから一部でHPCを活用している。「大規模モデルを解こうとすると、計算が麻痺しがちです。そんな時HPCは魅力的です」とシャンカル氏。

アディティブに関して、オートデスクもソリューションポートフォリオを拡張し続けているとヒンドマン氏。「Netfabbポートフォリオへの最新追加は、オートデスクのジェネレーティブデザイン機能の統合です。前述の通り、ジェネレーティブデザインはシステムによって目的志向の設計を創出し、設計空間の広範な探索を促進します。システムが積極的参加者として機能するための重要な要素は、『アディティブ製造プロセスを認識させる』よう教えたことです。これにより、3Dプリントに最適化された結果を生成します。」

3月のNetfabb Ultimateリリースで、オートデスクは既存のスタンドアロンNetfabb Local Simulationに加え、統合プロセスシミュレーション機能を導入した。ヒンドマン氏によれば、両Netfabbバージョンには以下が含まれる：トラップ粉末、ホットスポット/焦げ、融解不足といった効果の予測精度向上；EDM部品除去や熱処理の影響といった追加プロセスエミュレーション；オートデスクのオプショナルなエラスティックコンピュートサービスのパフォーマンス改善；Netfabb Ultimateへのプロセス分析機能導入；シミュレーション駆動の補償済み部品プリフォームを元形状と入れ替える機能の合理化。

オートデスクはまた、NetfabbとPowerMill（PowerMill Ultimate）ポートフォリオの連携により、多軸ロボット制御の専門知識を活かした指向性エネルギー堆積（DED）プロセスのサポートも開始した。

「これは、高堆積率製造における例外的に大きな変形と失敗の可能性を予測する、もう一つの能力を追加します」とヒンドマン氏。「企業が金属アディティブ製造を採用するにつれ、直面し克服すべき共通のリスクがあります。」同氏によれば、金属粉末床溶解プリンター運用の最も一般的な課題は：部品変形、ウォーページ（プリント部品が不可となりリコーターを損傷する可能性）；熱応力誘発の破損/破断（プリント中に部品が割れ、リコーターを損傷する可能性）；サポート破損（部品に蓄積した応力がビルドプレートとの接合を破壊し、部品が不可となりリコーターと衝突する可能性）；材料特性のばらつき（目に見える欠陥や想定性能を発揮しない）。

NCプロセスの可視化

NCシミュレーションと検証プロセスにおいても、AMはCGTech（カリフォルニア州アーバイン）のVericut NCシミュレーションソフトウェアのようなシステム開発元にとって主要な開発領域であり、最近Vericut Additiveモジュールが追加された。「アディティブ製造は製造業で最もホットなトレンドの一つであり続けているため、シミュレーションソフトウェアも追従しようと努めています」と、CGTech Vericutプロダクトマネージャー、ジーン・グラナタ氏。

「機械を駆動するのと同じNCコードをシミュレートできるソフトウェアを使用することが、CNC設備を保護し、初回から品質の良い部品を現場で作る最良の方法です。」

コンポジット分野では、グラフィカル表示への注力とワークピースの正確な表現という2つの最新トレンドが際立つとグラナタ氏。「グラフィック改善は見た目の向上に見えるかもしれませんが、コンポジット部品の正味形状を正確に予測・可視化することには実質的なエンジニアリングメリットがあります。メーカーは部品の最終形状と品質を予測するためにソフトウェアにより多く依存するようになっています。完成ワークピースの高解像度表示により、エンジニアは最も関心のある特徴をより高い忠実度でインタロゲート（問い合わせ・検証）できるようになります。」

シミュレーションソフトウェアは、ショップ生産性を高める重要なプロセス評価・最適化ツールを提供すると同氏。「『効率的な』工具パスを作る新しい選択肢が定期的に市場に登場しますが、それらが実際どれほどうまく機能するでしょうか？ ポストプロセス済みGコード工具パスで駆動されるシミュレーションソフトウェアは、機械ランタイムの『真実』を明らかにします」とグラナタ氏。「これはNCプログラマーと製造エンジニアが異なる加工方法を判断し、最終的に自社部品製造の最も効率的な方法を選択するのを支援します。」

オートメーション、加工最適化、機械柔軟性は、Spring Technologies（マサチューセッツ州ケンブリッジ）がNCSimulとOptitoolソフトウェアの開発で推進する主要領域だと、ゼネラルマネージャーのシルベール・プロワジー氏。

市場がより自動化されたプロセスを求める中、NCSimulは更なる自動化を開発していると同氏。「CAMソフトウェアからNCSimulへ送られるデータから、自動的に検証が行われ、シミュレーション結果が最終レポートとしてプログラマーへメールで配信されます。ユーザーはソフトウェアとインタラクションする必要がなくなり、すべてリモートサーバーで実行可能です。」

OptitoolによるCNC加工最適化も改善されたと同氏。「2レベルの最適化を提供します：一つは空切り削減で、材料内での送り速度を変えずにアプローチとリトラクト動作を最適化；二つ目は学習モード最適化で、チップ厚やチップフローなど9つの切削パラメータに基づき材料切削送りを制御し、元の送り速度を損なわずに最適化。」

機械柔軟性は、NCSimul 4CAMオプションによる第三の開発焦点だ。「製造企業が、CAMソフトウェアで部品を再プログラミングすることなく、数分でジョブを一台の機械から別の機械へ変更できる能力を提供する——これが我々が『革命』と呼ぶものです」とプロワジー氏。「初期Gコードを読み取り、新しいコードを自動的に書き換えます。」