高度なシミュレーションソフトウェアで製品設計と効率を向上

最新の可視化システムにより、メーカーはこれまで以上に速く、効率的に製品を設計・製造できるようになりました。

製造業におけるシミュレーションは、より広範囲に浸透しつつあります。高度な可視化は、ショップフロアのCNC加工から、NC工作機械のオフラインCAD/CAMプログラミングまで、あらゆる場所で使用されています。製品ライフサイクル管理（PLM）の分野では、製品開発者は設計プロセスの複数の段階で、高度なマルチフィジックスベースのCAE（コンピュータ支援エンジニアリング）アプリケーションに大きく依存し、自動車や航空宇宙などの過酷な環境で通常遭遇する熱、流体、材料疲労ストレスに耐えられるかを正確に判断し、新製品設計が厳格な品質管理を満たすことを確認しています。

最新の3D可視化ソフトウェアパッケージは、メーカーに製造切削および組立作業の実証を、ほぼ100％の精度で加速する方法を提供します。この機能は、従来の切削加工と新しい付加製造プロセスの両方の効率改善に不可欠です。

より精密な結果

大きなトレンドの一つは、高度なツールを使用して材料特性を導出し、ユーザーにはるかに精密な結果を提供するシミュレーションの活用です。これは、MSC Software（カリフォルニア州ニューポートビーチ）の傘下にあるSimufact Engineering GmbH（ドイツ・ハンブルク）の共同創業者、マネージングパートナー兼CEO、ヘンドリック・シャフスタール氏の言葉です。メーカーは現在、「関連インターフェースを主として含む、関連するすべてのプロセスステップのプロセスチェーンシミュレーション——主に後続の衝突と疲労寿命のための製造履歴を取得し、部品の局所特性を予測して部品性能を評価するため」を実現できるとシャフスタール氏は述べています。OEM向けには、シミュレーションがPDM（製品データ管理）システムと完全に自動化された連携を持つと付け加えました。

もう一つのトレンドは、設計段階で考慮すべき製造プロセスシミュレーションからの情報をより多く活用することだとシャフスタール氏は指摘します。「大きなドライバーは付加製造と板金組立です」と同氏。「『製造された状態』の部品を構造シミュレーションに使用してより精密な結果を得るケースも増えています。また、シミュレーションはより堅牢なプロセスウィンドウを持ち、生産中に監視・管理すべき主要な影響パラメータを検出します。」

「実用性」の向上とより高度な分析機能は、あらゆるタイプのシミュレーションにおける主要なトレンドであり続けています。これは、Mastercam CAD/CAMソフトウェアを開発するCNC Software Inc.（コネチカット州トランド）のシニアアナリスト、ベン・マンド氏の言葉です。マンド氏は、今日のシミュレーションはユーザーに「工作機械のすべての可動部品の、より深く理解された数学的モデル、それらが工具とワークピースとどう相互作用するか、そして望ましくない動きが正確にどこで、なぜ起こるかを特定する能力」を提供すると指摘します。「これらの分野は相互に発展しており、プログラマーにより多くの自信を与え、ショップフロアでの生産性を高めています。」

正確なシミュレーションは、製造業においてこれまで以上に重要になっています、とマンド氏は付け加えます。「ますます複雑な機械の登場により、NCプログラミングの高精度化と、機械がそのプログラムを正しく実行するという確実な信頼の両方が必要とされています。また、ショップがニーズに応じて異なるタイプのシミュレーションを持てることも有用です。ツールパスのみのシミュレーションでは、部品内のカッターの動きを迅速かつクリアに把握でき、パス上の任意のポイントで詳細な分析が可能です。マシンレベルのシミュレーションは、機械環境を追加することでこのアプローチを拡張し、機械内部で動くアイテムからの潜在的な干渉を表示します。」

「シミュレーションはあらゆるショップにとってより重要になっています。機械と工具がより高度になるにつれ、生産性向上への要求が高まり、接続されたフィードバックの必要性がより一般的になっているからです」と同氏は続けます。「現実的なシミュレーションはあらゆる面で急成長しています。機械、工具、材料、意図された最終ワークピース間の相互作用の深い数学的シミュレーションが、ショップが必要とする実用的なアプリケーションのほとんどを牽引しています。これは製造ソフトウェア企業が重点的な開発とテスト（予算）を投じているシミュレーションの『核心』です。」

この新しいレベルの数学的リアリズムは、「画面上の」リアリズムの追加によって強化され、より魅力的なものになっています。「これは物理モデルを取り込み、ユーザーにとって可能な限り現実世界のように見せるものです」とマンド氏。「ここでは、機械とそのすべての可動部品（時にはメーカーロゴも含む）のビジュアル構築、色と視覚的な材質の選択、プログラマーが自分のプログラムの結果を容易に確認し、自信を持てるようにするその他の表示オプションが見られます。」

シミュレーションの民主化

シミュレーションツールへのアクセスは、製造業の多くの人々にとって障壁となってきました。ハイエンドシミュレーション——特にCAE分野では——は一般的に、高度に訓練されたシミュレーション専門家によって扱われてきました。しかし近年、これらの可視化へのアクセスが製造組織全体に提供されるようになっています。このアクセスは、ホストデータシステムへの接続によって提供されます。軽量クライアントアプリ経由か、ハイパフォーマンスコンピューティング（HPC）を活用したクラウドの力を借りて、超大規模で複雑な可視化分析にスーパーコンピュータレベルのパワーをもたらすことで実現されます。

「シミュレーションソフトウェアの主要なトレンドの一つは、使用障壁を下げ続けることです。シミュレーションが貴重な洞察を提供し、時間とコストを節約できることは誰もが認めていますが、導入にはしばしば障壁があります」と、Autodesk Inc.（カリフォルニア州サンラファエル）のジェネレーティブデザインとシミュレーションソリューション担当シニアプロダクトマネージャー、ブライアン・フランク氏は述べています。

「それらの一部は、コストとアクセス能力に現れます。Autodeskは、サブスクリプション提供を通じて、世界トップクラスのシミュレーションテクノロジーへのアクセスをこれまで以上に容易にするために懸命に取り組んできました。また、Fusion 360のようなコア設計製品にテクノロジーをさらに組み込み続けています。さらに、ワークフローを自動化し、ユーザーをガイドすることで、ユーザーがシミュレーションの専門知識を必要とせずにシミュレーションの実行から価値を得られるようにし続けています。」

製造業のデジタル化への移行は、今日のデジタル製造/インダストリー4.0変革のスピードに対応するため、シミュレーションツールをより幅広い層に展開する不可欠な必要性を強調しています。これは、Siemens PLM SoftwareのSimcenterグローバルプロダクトマーケティングディレクター、ラビ・シャンカー氏（テキサス州プラノ拠点）の見解です。設計と製造プロセスが仮想世界で正しくシミュレートされれば、企業は設計をより速く市場に投入できるため、シミュレーションはデジタル化する企業にとって極めて重要です。

シミュレーションアクセスの拡大は重要なトピックだとシャンカー氏も同意します。「近年、大幅な進歩がありましたが、まだ道半ばです。民主化を、組織内でより多くの人がシミュレーションを実行できること、そしてシミュレーション専門家でなくてもより多くの人がシミュレーション結果を活用できること、の両方と見なせます。」

シーメンスは、設計者のニーズに応える強みがあるため、この変革の最前線にいます、とシャンカー氏は述べています。「例としては、Siemens NX環境（CAD/CAMとCAE機能を含む）へのシミュレーション技術の統合、Simcenter FloEFD（Mentor Graphicsの計算流体力学）ソリューションを通じた他の商用CAD製品へのシミュレーション機能の統合、ジェネレーティブデザインと可視化への投資（シミュレーション結果を探索するための高度なVR手法を含む）などが挙げられます。」

クラウド経由のCAEソリューションへのアクセスも、製造業における非専門家シミュレーションユーザーにとって、アクセシビリティを大幅に向上させました。「歴史的に、製造ソフトウェアとCAEシミュレーションソフトウェアは、製造エンジニアとシミュレーション専門家がそれぞれ使用する、切り離されたニッチ製品でした」と、Dassault Systèmes（マサチューセッツ州ウォルサムとフランスのヴェリジー・ヴィラクブレ）のSimuliaマーケティングおよび戦略イニシアチブ担当バイスプレジデント、スバム・セット氏は指摘します。

「しかし、今日の『初回からの高品質・低コスト生産』という要求により、企業は製造プロセスを実装前にシミュレートするメリットを活用しようとしています。これを実現するには、製品BOM（部品表）を製造プロセスにリンクさせる統合アプローチが必要です——両方の現実的なシミュレーションを含めて。」

Dassault Systèmesのクラウド上の3DExperienceシミュレーション提供は、シミュレーションの民主化を確実に促進しています、とセット氏は指摘します。なぜならそれらは「限られたローカルハードウェアとITサポートのみで、大量の計算能力とシミュレーション機能にアクセスできるからです。」

CNC Softwareのマンド氏は、「シミュレーションは、あらゆるCAD/CAMソフトウェア製品の期待される標準コンポーネントとなるまでに民主化されました。一般的なシミュレーションがより普及するにつれ、シミュレーションのタイプと深さも劇的に拡大しました。過去20年間で、業界は基本的なツールパスバックプロッティングから、材料除去の可視化、工作機械環境の完全なシミュレーションへと移行しました。」ユーザーがCAD/CAMの標準コンポーネントとして何が利用可能であるべきかという期待も、これに合わせて変化したとマンド氏は述べています。

「優れたスタンドアロンソリューションは依然として存在し——多くのショップで重要な位置を占めています——が、シミュレーションはショップのワークフークにこれほど深く組み込まれたため、ほとんどのCAD/CAMプロバイダーはそれをツールの動きそのものとほぼ同等に重要視しています。」

シミュレーションへの投資

過去数年間、最大手のシミュレーションプレイヤー——Autodesk、Dassault、Siemens、そして今やHexagon——が、特にCAEマルチフィジックスアプリケーションの分野で、シミュレーション分野に多額の投資を行ってきました。シーメンスは2016年にEDA（電子設計自動化）大手のMentor Graphicsを45億ドルで買収し、さらにLMS InternationalとCD-adapcoを買収してシミュレーションポートフォリオを構築しました。より最近では、メトロロジー大手のHexagon AB（スウェーデン・ストックホルム）が、NCSIMULツールパスシミュレーション・検証ソフトウェアの開発元であるSpring Technologiesを2018年に買収しました。

「シーメンスは、デジタルイノベーションプラットフォームの提供というより大きな焦点の一環として、シミュレーション分野でのソリューションの買収と統合に非常に積極的です」と、シーメンスのシャンカー氏。「Simcenterでは、システムシミュレーション、高度な3Dシミュレーション、試験、流体シミュレーションなど、LMSとCD-adapcoの買収によって拡大した分野の機能を、設計探査とシミュレーションデータ管理のソリューションと組み合わせて、業界で最も幅広く深いポートフォリオの一つを提供しています。」

Mentor Graphicsにより、シーメンスは電気・電子分野の高度な機能を獲得し、特にCAD組み込み型流体シミュレーションを通じて設計エンジニア向けの提供を強化しました、と同氏は付け加え、Mentorのハードウェア試験ソリューションもポートフォリオへの素晴らしい追加であるとしています。また、1月にはSimcenter 3Dプラットフォームのフルアップデートをリリースし、より高速なモデリングとより精密なシミュレーションを追加しました。

「あらゆる業界のハイバリュー顧客アプリケーションは、すべての物理現象、すべてのスケールでシミュレーション機能をますます必要としています」と、Dassaultのセット氏は指摘します。「既存の構造とマルチボディシミュレーションの強みを補完するため、Dassault Systèmesは最近、PowerFlow、XFlow、Wave6製品ラインの買収を通じて、流体と音響シミュレーションの強力な機能を獲得しました。さらに、CST Studio Suite製品ラインを買収し、電磁気シミュレーションの補完的機能を獲得しました。」

精度と使いやすさの向上

製造オペレーションで真のデジタルツインの実現が期待される中、開発者たちはリアリズムと精度の向上を提供しています。「今日のメーカー向けCAEシミュレーションは、予測される製造歪みを用いて設計を負の方向に補正し、製造後の部品が設計時の部品の要求公差内に収まるようにするほど、極めて現実的で精密です」とセット氏。「平たく言えば、製造プロセスによる部品形状の歪みを予測し、その歪みを考慮して補正することで、完成品が望ましい形状と一致するようにできます。」

「シミュレーションユーザーは、精度、速度、使いやすさ、製造ソフトウェアとの統合を求めています」と同氏は付け加えます。「また、製造エンジニアには、深いシミュレーションのバックグラウンドがなくても簡単かつ直感的に使えるシミュレーションツールが必要です。」付加製造でのシミュレーション活用も急速に拡大しています。従来の製造では不可能な設計を作れるため、設計イテレーションのシミュレーションニーズが高まっているからです。「製造分野での最先端シミュレーション作業の多くは、付加製造に関連しています」とセット氏。

今日のコネクテッドで高度な製造設備において、シミュレーションは設計を市場に速く投入し、コストを削減し、製造欠陥を最小限に抑える、または排除する大きな可能性を秘めています。シミュレーションは「アプリケーションによって様々なコスト削減の可能性をもたらす」と、MSC Softwareのシャフスタール氏は指摘します。「市場投入までの時間短縮、より深い洞察、プロセス理解、社内ナレッジ移転も可能です。」その他の利点として、より堅牢なプロセスウィンドウでより多くのアイデアを検証できる、追加の潜在的な製造バリエーションがあると同氏。

シミュレーションは、生産開始前にユーザーにはるかに詳細な情報を提供します、と同氏は付け加えます。「製造プロセスとその問題をより良く理解することで、『より製造しやすく、最適化された設計』の作成に役立ちます。これはまた、製造シミュレーションが設計段階により多く移行することを意味します（付加製造において）。」

2月、MSC Softwareは、マルチフィジックスフレームワーク内で異なるソルバー/分野を直接結合するための共同シミュレーションインターフェースを提供するために開発された新しいCoSimエンジンをリリースしました。CoSim V1.6バージョンでは、エンジニアがMSCのAdamsマルチボディダイナミクス（MBD）、Marc（FEA）、scFLOW（CFD）アプリケーション間で共同シミュレーションモデルを設定でき、幅広い産業規模のアプリケーションをカバーします。CoSimエンジンは、複雑なマルチフィジックスアプリケーションに対して精度、精緻さ、パフォーマンスを向上させるとMSCは述べています。

今日の提供によって、高度な現実的な精度がこれまで以上に達成可能になっています、とAutodeskのフランク氏。「今日の利用可能な計算能力により、製造プロセスへの洞察をこれまで以上に得られ、材料、プロセス設定、設計パラメータのどの組み合わせが最良の結果をもたらすかを理解するための実験設計も可能です。工作機械の操作のためのNCシミュレーションであれ、射出成形性能のようなプロセスシミュレーションであれ、金属3Dプリントの付加製造であれ、ユーザーはショップフロアで何が期待できるかについて、これまでで最も深い洞察を得られます。」

同氏は、Autodeskが独自の生産・試験ラボを維持し、ソフトウェアの精度と予測性を常に評価していると指摘しています。

NC切削のシミュレーション

NCシミュレーションでは、切削工具プロセスのシミュレーションと検証により、実際の切削工具以外の機械内のすべての可動要素を含む、ツールパス切削動作の明確な把握が可能になります。NCSIMUL Hexagon Production Software（ボストン）の最新シミュレーション・検証ソフトウェアでは、ユーザーは多くの作業を自動で行う完全自動化システムを得られます。新しいシミュレーション自動化機能が、親会社であるHexagon Manufacturing IntelligenceのVero SoftwareシリーズのCAD/CAMソフトウェア（EdgeCAM、WorkNC、AlphaCAM、その他のVeroブランド、およびMastercamやSiemens NX CAMを含む15のサードパーティアプリケーション）に統合されています。

4月リリース予定のNCSIMUL 2020アップデートは、アプリケーションプログラミングインターフェース（API）を通じたCAMシステムとのより良い統合、更新されたグラフィカルユーザーインターフェース、測定と管理を含む生産全体での完全な部品表を備えると、NCSIMULジェネラルマネージャーのシルヴェール・プロイジー氏は述べています。オートコントロール機能はCNC機械との接続を改善し、ショップフロアのすべてのパラメータを読み取る能力を備えると同氏。「プログラマーをショップフロアに繋ぎます。彼らがコンピューターから離れる必要がなくなります。これは、CAV（コンピュータ支援検証）を必要とする5軸機械ではさらに重要です。」

最新のNCSIMULシステムは、より現実的なシミュレーションを提供します、と同氏。「体積対体積で切削します。スカロップが見え、部品への真の切削が見えます。非常に細かいディテールまで、本当に現実に近いです。テンプレートを使って修正をNCSIMULに送り、ブラックボックスでシミュレーションを実行し、プログラムが安全か危険かを表示するなど、プロセスを本当に自動化しています。新しいのは、どれだけ自動化できるかというディテールと、昨年追加したフライス加工だけでなく、旋盤加工にも対応した新しい最適化です。」

最新世代の工作機械では、切削プロセスのシミュレーションと検証がこれまで以上に重要になっています。「新しいCNC機械は、前世代よりもますます複雑で、より高速に動くように作られています」と、NCシミュレーション/検証開発企業CGTech（カリフォルニア州アーバイン）のVericut製品マネージャー、ジーン・グラナタ氏は指摘します。「今日の機械は、より多くの可動部品、追加機能、物事を正しく動作させるために必要な多くの新しいMコードとGコードを持っています。一見単純な『工具交換』のような動作さえ、恐ろしいほど高速で起こります。切削工具とCNC機械が究極の限界まで追い込まれると、大惨事は非常に速く、予期せず発生する可能性があります。」

NCコードの最適化とそれらを作成するプロセスは、ほとんどのNCショップの焦点だとグラナタ氏。「利益率の低下と競争の激化が主な理由です。あらゆる方法で最適化し、正確なコスト見積もりを行うことは、ビジネスの生存にとって極めて重要です。」VericutとForce最適化を使用することで、すべてのNCプログラムが最適なチップロードで切削し、動的切削力を安全な範囲内に保ち、より精密な加工時間予測を可能にすると同氏。

正確なシミュレーションは生産性の鍵です、とグラナタ氏。「デジタルツイン機械モデルでNCコードの実行をシミュレートすることで、CNC機械を実証実験で無駄にするのではなく、部品製造に専念させられます。シミュレーションを使用することで、ショップで深刻な問題を引き起こす可能性のある衝突と加工エラーを『仮想的に』排除し、高コストのダウンタイムとスケジュール遅延を回避できます。」

「より正確なデータにアクセスできれば、シミュレーションはより良い仕事ができます」と同氏は続けます。「例えば、正確な機械モデルは、潜在的な機械衝突の精密な検出に望ましいです。同様に、詳細な切削工具モデルは、加工中に部品形状が確実に到達可能で、適切に使用されることを検証するのに役立ちます（例：安全なランピング角度で）。切削工具が推奨切削性能パラメータとともにクラウドからダウンロードされる場合、プログラマーは加工と最適化の両方で適切な送りと速度を使用していることを確信できます。」

グラナタ氏によると、デジタルツインCNC機械でのNCレベルシミュレーションは、NCプログラムが意図したCNC機械でうまく動作し、衝突、軸移動限界超過、不正または欠落したNCコードによるミスなしに、期待通りの加工部品を生産することを検証する最も包括的な方法と見なされています。「NCレベルシミュレーションは、最適な切削方法と機械の能力/限界を同時に適用できるため、NCプログラムの最適化にも最適な選択肢です。」

最新のVericutバージョン9は、より高度なOpenGLグラフィックス機能を使用して、優れたグラフィカル表示品質とパフォーマンスを提供するとCGTechは述べています。強化されたグラフィックスは、ビュー全体で機能と一貫性を改善し、測定、セクションカット、理論設計モデルとシミュレートされた切削部品の比較など、ソフトウェアのすべての機能を可能にします。

Vericutユーザー向けの今後の機能には、新しいリスタート機能があるとグラナタ氏。「NCプログラムでミスが特定された場合、ユーザーは修正を行い、エラーが発生した数ブロック前からシミュレーションを再開し、前方へ再生して変更が望み通りかを検証できます。」フォースオプティマイザーは、より最適化された加工と改善されたフォースチャート相互作用を提供します。また、自社の工具-被削材切削条件をテストし、収集したデータを使ってVericutのForce NCプログラム分析と最適化を駆動したいショップ向けに、新しいForce Calibration製品も提供されます。