品質加速: トップクラスCAD/CAMで優れた部品製造を実現

CAD/CAMソフトウェアにおける永遠のテーマは、如何にビルダーが部品をより速く、安く、かつ高品質に作れるよう支援するかです。最新リリースでは、ジェネレーティブデザイン機能、頻用ショッププロセスの更なる自動化、注目の積層造形向けツール拡充など、開発各社が機能強化を図っています。

また、シミュレーションの重要性が高まっています。高度複雑な多軸機械では、加工中の破壊的衝突を回避するため工作機械要素の精密計算が不可欠であり、CAD/CAMにビルトイン可視化機能が求められています。

こうしたトレンドの中で、ジェネレーティブデザインと積層造形が急速に最前線へ躍り出ています。シーメンス デジタル インダストリーズ ソフトウェアのNX製品エンジニアリング シニアマーケティングディレクター、ポール・ブラウン氏は「積層造形の適用拡大、新素材対応、機械能力・性能向上が進み、CAD技術への要求が高まっています。エンジニアが新設計を探求し、新製造手法の力と柔軟性を活用できるようになっています」と述べます。

企業は設計から製造までのサイクル効率化を継続的に求めています。設計製造性（DFM）チェックへの関心も高く、設計通りに製造・構築できる信頼性向上が狙いだとブラウン氏は指摘します。

ジェネレーティブアプローチの採用

ジェネレーティブデザインは設計プロセスの高速化と洗練に貢献します。より効率的な部品設計と、製造しやすい部品開発を可能にします。

オートデスクのFusion 360市場戦略ビジネスストラテジーマネージャー、サンジェイ・タコア氏は「より良い製品をより速く、低コストで提供するプレッシャーが高まる中、設計と製造プロセスを連携・自動化し、イテレーション、エラー、納期を削減することが極めて重要になっています」と語ります。

『Manufacturing Engineering』9月号掲載インタビューでタコア氏は「業界の融合と新製造技術が新たな自動化機会を生んでいます。Fusion 360のジェネレーティブデザイン技術により、複雑な設計・エンジニアリング課題を従来プロセスの一部コストで解決できます」と述べています。

ジェネレーティブデザインは、現実的な製造制約、製品性能要求、コスト要件に基づき、複数のCAD対応ソリューションを同時に生成する探索ツールです。「エンジニアは複数素材・製造工法を検討し、性能とコストのバランスが最良の選択肢を選べます」と同氏。

シーメンスのブラウン氏も「一部企業が設計問題解決にジェネレーティブアプローチを採用し始めています。代替形状・素材の探求機会が広がります」と指摘。課題は従来プロセスへの統合方法です。「コンバージェントモデリングにより、シミュレーションと最適化から導かれるジェネレーティブデザインをコアモデリングジオメトリとして扱い、従来のモデリング・製造技術と融合できます」

これは、従来工法では不可能な格子構造などを可能にする積層造形の活用によってさらに加速されます。これらはコンポーネント重量を大幅に削減しつつ、剛性等の機械的特性を維持します。

「統合CNCプログラミング機能は完成部品製造に不可欠であり、積層造形の産業化を可能にします」とブラウン氏。「こうした統合技術の活用は初期試作から量産へ徐々に拡大しており、シーメンスはそこに注力しています。ジョブサイズ1から1,000まで、産業規模でのAM実現をどう支援するかを検討しています」

オープンマインドテクノロジーズUSAのマネージングディレクター、アラン・レバイン氏は「ジェネレーティブデザインは高度に有機的な形状を生み出します。これらは従来切削や積層で製造可能です。積層の場合、仕上げ面品質確保のため切削を二次工程として併用するのが一般的です」と説明。

機械部品の優れた仕上げ面には、CAMの精密設定、高品質ツールホルダー、精密工作機械が必要だとレバイン氏。オープンマインドは最近、モデル表面に直接加工する高精度モデルを追加し、面品質を向上させました。

急成長する積層造形

レバイン氏によると、CAMシステム内での指向性エネルギー堆積（粉末/ワイヤ）向け新技術が急速に拡大しています。「一部ベンダーは新たな積層戦略や、粉末床システム向け技術の改変で対応していますが、後者では工具パス戦略が制限されます。オープンマインドはほぼ全ての切削工具パスを積層向けに適応可能とし、必要な追加技術を含む積層プログラミングプロセスを開発しました。2D/3D工具パス戦略や必要時の5軸制御まで、ユーザーが自由にプログラミングプロセスを作れます」

積層造形とハイブリッド製造（同一マシンで積層と切削）が普及しています。理由は、金属積層の多くが適切な仕上げ面を残せないため。ハイブリッドなら同一マシン・同一セットアップで切削仕上げが可能です。

「これらのマシンはエンドユーザーにとって魅力的です。オープンマインドは指向性エネルギー堆積ベースの積層プロセスで活動中」とレバイン氏。機械メーカーとのデモ、大学・研究機関との連携、早期採用企業での金属積層/ハイブリッド加工実績があります。

DPテクノロジーのエグゼクティブVP、チャック・マシューズ氏は「積層造形トレンドはハイブリッドCAMシステムへ向かっています。ESPRIT Additive for Direct Energy Depositionは、フルスペクトラムESPRIT CAM内で利用可能で、積層と切削のプログラミング・最適化・シミュレーションを単一統合ソリューションで提供します」と述べます。

ESPRITのAdditive Appは、多軸・多機能・多チャネル・複合旋盤・積層・切削機械に対応。積層と切削を単一インターフェースでプログラミング・最適化・シミュレーションできます。

積層技術はほぼ全CAD/CAM製品に浸透しつつあります。従来切削では不可能な設計自由度を提供するからです。

CNCソフトウェアのシニアマーケットアナリスト、ベン・ムンド氏は「これら新技術により、過去に不可能だった部品創造の革新的方法が開かれました。積層技術と切削の高精度面を融合させ、両者の長所を得られます」と語ります。

CAD/CAMソフトは、エンジニアが積層プロセスを切削と同等に制御できるツールを提供すべきです。ムンド氏はサポート材、グレード材定義、3Dネスティング、最適部品配置など、製造プロセス全面を制御する機能を求めるよう助言します。

3DシステムズのギブスCAM製品マネージャー、ダニエル・レメナック氏は「積層造形は我々のルーツであり、業界で積層と切削の並行・統合ワークフローが増えています。これがプログラミングソフトへの期待を変え、両技術を効率的に連携できることが求められています。3DXpertは主に積層ワークフロー向けで、全社CAD経験を活かしたサポート・格子生成、切削専門知識を活かした高度スライスエンジンと後処理加工を備えます」

レメナック氏によると、ギブスCAMチームは数年前から工作機械メーカーや研究機関と連携し、ハイブリッド切削/堆積積層機専用プログラミング技術を開発してきました。

高速生産のための戦略

「機械加工の『核心』は、高品質・大量・オンタイム生産を常に実現する現場ユーザー向けに、頻用機能を自動化することにあります。キーとなるのは、部品プログラムが正しく動作し、コスト高の衝突をゼロにする社内シミュレーション、そして『CAMのためのCAD』と呼ばれる、部品を速く作るための実用的CADツール群です。」

CNCソフトウェアのムンド氏は「『CAMのためのCAD』、つまり部品を製造準備完了状態にすることを、全CAD機能・拡張の最優先目標としています。ユーザーがMastercam内で複雑部品をゼロから作る場合も、他CADで生成した部品の問題箇所を解析・修正する場合も、ワイヤーフレーム・サーフェス・ソリッドツール群で遅滞なくマシンレディ状態にできます」と説明。

CAD/CAM設計には多くの要因が影響しますが、多くはイノベーション、コスト削減、市場投入期間短縮、効率向上に関わります。「顧客が扱う部品と直面する問題の声を常に聴き、Mastercam CADツール群でより多くのことを可能にする新ツールを開発し続けています。新規部品作成やインポート部品修正が速ければ、それだけ速くプログラミングし、マシンで切削できます」

市場投入スピードが鍵だと同氏。「Mastercam CADツールで多くの調整が可能で、元CADシステムへの差し戻し時間とコストを削減できます。治具設計、工程内仮想ジオメトリ作成、元CADファイルの問題修正など、CAMプログラマーが加工プロセスを支援する変更を自ら行えます」

「効率とは、ワイヤーフレーム・サーフェス・ソリッド全ツールを『部品をマシンレディにする』という単一目的で連携させることです。最後に接続性が重要。業界標準IGES/STEPや一般的独自形式SAT、DXF、DWG、X_T等、あらゆるCADモデラーからの読み込みに対応すること」

また、Mastercam部品ファイル内のCADモデルがCAM情報と関連付けられ、モデル変更時にツールパスが認識し、ゼロからやり直さず容易に更新できることも意味します。

他ベンダーも従来CAMユーザー向けCADで同様のアプローチを取ります。オープンマインドのレバイン氏は「hyperMILL内のhyperCAD-S基盤を『CAMのためのCAD』モジュールとして設計しました。汎用CADシステムがCAMユーザーにとって最良のUXとは限らないからです。hyperCAD-SはCAMシステム駆動に必要な機能を簡素化することに焦点を当てています。境界選択、面延長、同一平面/同一軸フィルタ選択、必要に応じた面のヒーリングとリフィット等が例です」

さらに、CAMユーザー向けにCADユーティリティの事前定義シーケンスをCAM戦略内で提供し、基礎選択操作を不要にしています。

「例えば金型業界では、コアとキャビティの嵌合面で鋭利なエッジを維持し、成形時のフラッシュを防ぐことが重要です。クリーンなエッジを得てカッターがエッジを乗り越えないよう、これらの面を延長し、カッターを適切にワークへ出し入れ誘導することが有効です」とレバイン氏。

hyperMILL Zレベル形状仕上げモジュールには自動接線延長機能が含まれ、このプロセスを合理化。負担の大きい選択操作とCAMプログラミングの余分なステップを排除し、良好な加工面とエッジを実現します。

複雑多軸加工ではシミュレーションが必須であり、高価なサードパーティ製に比べ社内シミュレーションが普及しています。ギブスCAMのレメナック氏は「複雑多機能機械へのシフトと、機械シミュレーションへの依存度増大が継続しています。機械加工現場は、最高のプログラミング効率、最大のオンマシン生産性、実証済み信頼性のあるポストプロセッサーを備えた最強の検証ツールを提供するソフトウェアを求めています」

ポストプロセッサーが迂回を防ぐ

優れたポストプロセッサーや、他製造ソフトと連携する完全なCAD/CAMがなければ、予期せぬ迂回路に陥ります。DPテクノロジーのマシューズ氏は「CAMシステムの『良さ』を決めるのは、ポストプロセッサーの品質とベンダーの技術サポートです。プログラミング質問に迅速・正確に回答し、良質なコードを出力すれば、プログラミングが簡素化し、マシン稼働率が上がり、セットアップとサイクルタイムが短縮されます」

DPテクノロジーは最高水準のポストプロセッシングと技術サポート提供に注力。「ESPRIT戦略は工作機械メーカーと緊密に連携し、各CNCのデジタルツインを構築。工場開発のポストプロセッサーで、編集不要のマシン最適化Gコードを出力します」とマシューズ氏。北米顧客には専任ESPRITアプリケーションエンジニアチームによる工場直営トレーニングと技術サポートを提供。

ワンストップショッピング

CAD/CAMに検査・測定、またはPLM/ERP/MESを統合した完全パッケージは、ワンストップショッピングを求めるユーザーを惹きつけます。

ヘキサゴン マニュファクチャリング インテリジェンスのアメリカ地域ディレクター、ニック・スパレット氏は「顧客と新規見込み客から、単なるCAD/CAMではなく完全な製造ソリューションを提供してほしいという声が最新トレンドとして上がっています。MESソリューションから完全な工作機械検証まで多岐にわたります。NCSIMULとWORKPLANの追加により、ヘキサゴン プロダクション ソフトウェアはこれら最新トレンドに対応する体制を整えました」

ヘキサゴンは最近、デジタル生産ソリューションのデモを披露。プロダクションソフトウェアポートフォリオは、数年前に買収したベロソフトウェアの複数CAD/CAMタイトル、ハイエンドシミュレーション/検証パッケージNCSIMUL、ヘキサゴン伝統の検査ソリューションで構成されます。

「全製品の継続開発、ツールパス生成高速化、全製品へのウェーブフォーム戦略展開を進めています」とスパレット氏。「5軸加工で任意工具形状を可能にするアドバンスドツールフォーム技術も導入。バレル、オーバル、放物線等あらゆる形状の5軸工具を部品表面上で計算可能にし、負オフセット（余代）も許容します」

「過去12ヶ月で立ち上げたキーソリューションの1つが『製造のための設計』です。機械加工現場やCNCプログラマーが活用できる『CAMのためのCAD』ソリューションを提供。受け取ったCADデータを活用したい企業や、製造に特化した機能を持つCAD環境で働きたい企業向けです。ダイレクトモデリングにより、ユーザーが適切と判断すればジオメトリを直接プッシュ/プルで修正できます」