未来の製造業をリードする3Dデータがもたらす価値とは

いまやあらゆる業種でデジタル化の必要性が語られ、実際に導入が進められている。もちろん製造業も例外ではなく、IoTによる設備の稼働状況のデータ化、それを活用した生産性向上や機械の予知保全などに取り組む企業も見られるようになってきた。その一方で、設計開発の部門においては、まだまだデジタル活用が十分に進んでいない現状がある。製造業の設計開発にはどのような課題があり、デジタル活用の高度化で何を解決できるのか、本稿で迫ってみる。

2Dの設計図面が招く数々の課題

製造業では現在も、2Dの設計図面を作成することが多い。製造部門はその図面を基に製造するわけだが、対象物が平面に記されていると、奥行きやスペースの広さを図面から直接イメージするのは難しい。いざ実機の組み立てに着手するタイミングで「部品を入れるスペースがない」「パーツ同士が干渉し、ぶつかってしまう」といった問題が判明するケースも少なくない。とりわけ工作機械や装置といった部品点数の多い製品設計の場合には、構造がきわめて複雑であるため、2Dの設計図が何枚も存在する。となると、具体的な設計内容や設計デザイン側の意図が、製造側になかなか伝わらないという課題もある。

工程が設計開発部門から製造部門に移り、実機を造り上げる段階でこうした問題が起きると、当然ながら設計への手戻りが発生してしまう。仕様の部分から再度見直しになり、場合によっては発注元の顧客ともう一度打ち合わせしなければならないケースにも発展し、相当な時間ロスが生じる。

2Dであることに起因する課題としてはこのほか、顧客に納入後のメンテナンス時、作業を行う十分なスペースがなく、保守メンテナンスがしにくいといったケースもしばしば発生する。また、設計のノウハウや現場に根強く残る暗黙知などに基づく情報を表現することが難しいという事情もある。

3Dデータ活用が製造業にもたらす価値とは

そこで、製造業では3Ｄ設計に取り組み、製造現場でも少しずつではあるが3Dデータの活用が進んでいる。活用することで得られる価値は大きく以下の三点である。

一つ目は製品設計の効率化である。たとえば、3Dデータであれば、製造側も全体像をイメージしやすく、設計側の意図や必要な情報が伝わりやすい。齟齬のない情報伝達が可能になれば、設計段階のミスを早期に発見でき、手戻りにかかる工数を削減できる。開発スピードも上がり、リードタイムの短縮によって生産性向上に直結する。3Dデータを活用した開発体制であれば、複数の関係者の間で生じるコミュニケーションの壁をなくすことができ、イメージ通りのものが予定通りに完成するというわけだ。このように３Dデータを設計と製造現場で共有することで、製品の設計プロセスの効率化を図ることができる。

二つ目は予測とシミュレーションの向上である。シミュレーションツールを使用することにより機械の動作や材料の応力解析、保守メンテナンス性の検証を行い、問題や欠陥部分を事前に特定することが可能となる。これにより、製品の品質や信頼性の向上が期待できる。

三つめはカスタマイズと顧客満足度の向上である。3Dデータを顧客と営業部門もしくは設計と製造現場で共有しコミュニケーションが活性化できれば、顧客のニーズに合わせたカスタマイズ製品を提供することができる。顧客の要求に基づいて設計や製造を行い、より個別化された製品を提供することが可能になり、顧客満足度の向上と競争力の強化につながる。

ここまで見てきた設計開発と製造現場の事情を考え合わせると、やはりこれからは3D設計の導入によって、各部門との連携を積極的に検討していくのが望ましいだろう。

更なる3Dデータ活用高度化を促すVR（Virtual Reality）

製造業において3Dデータ活用高度化を実現する手段の一つとして、VRを業務に取り入れている製造業がここ最近多い。その中でも注目したいソリューションが、大興電子通信（株）が販売する「COLMINAデジタル生産準備 VPS Xphere」（コルミナデジタルセイサンジュンビブイピーエスクロスフィア、以下Xphere）だ。Xphereは設計部門が作成した3Dデータを、VR空間上で確認できる製造業向けソリューションで、デザインレビューや組み立て時の手順検証・部品干渉チェック、さらには保守メンテナンスの作業性検証など、実機を目の前にした感覚で確認できる

Xphereが優れているのは、3Dデータを実物大で確認できる点だ。部品同士が干渉する、機械の中で手が入らない・工具を回しづらいといった部分についても、VRの機械の中に潜り込んで視認することで、実感をもって体感できるのが大きな強みだ。

xphereによる検証イメージ

実物大での確認が可能

従来、この種のVRツールはいわゆる“VR酔い”がしやすいとの声が多かった。見ている映像を脳が同じタイミングで同期できないことが原因で、VRの映像処理にタイムラグがあると酔いやすくなる。しかし、Xphereはレスポンスが高速であるため、構造が複雑で部品数も多い製品の膨大な3DデータであってもVR酔いを起こさずに、映像の検証が可能になる。

VR空間内では部品を任意に動かせるほか、部品のぶつかりも手に持ったコントローラにより通知される。また上下左右を認識でき、作業員が姿勢を変えるとVR映像も追従するため、組み立て検討や作業検証も実世界同様に行うことが可能だ。

Xphereはここまで紹介したユースケースのほか、遠隔地とのデザインレビューや作業員の技術教育などにも活用されている。さらにはファミリー製品群と組み合わせて工場全体をバーチャル空間化し、その中で人の動きを交えた検証を行うといった活用方法も考えられる。

NVIDIA搭載高性能ワークステーションが必須

このように、3D設計を導入すればデータをそのまま部門間で共有でき、かつXphereならVR空間でリアルスケールの確認も可能になる。これによって設計開発の課題である手戻りを防ぎ、部門間のコミュニケーションも円滑になるが、一方で複雑な構造を持つ製品の精巧な3Dデータは容量が膨大になるため、一般的なパソコンでは処理が難しい。Xphereに限らず3Dデータを設計開発でより効果的に活用していくうえで、注目したいのがワークステーションである。

Xphereは動作要件がNVIDIA VR Readyに対応したグラフィックボードとターボブースト値4.5GHz以上のCPU推奨となっており、その搭載をサポートする製品として高性能ワークステーションは必須といえる。つまり、Xphereの力を引き出すものこそNVIDIAのグラフィックボードのテクノロジーであり、その動作を支えるベースプラットフォームがワークステーションなのだ。

日本国内でワークステーションといえば、まず注目したいのがHPである。なにしろHPのワークステーションは、15年連続で国内シェアNo.1となっている。その中でもミッドレンジのデスクトップワークステーションのベストセラーシリーズとして挙げられるのが「Z4」だ。現行の「HP Z4 G5 Workstation」は、インテルの最新CPU「Sapphire Rapids」のXeonプロセッサを採用し、グラフィックボードもNVIDIAのエントリーからハイエンドの「RTX 6000 Ada」までサポートする形でリニューアル。大容量の3Dデータもストレスなく表示する。

また、フラッグシップシリーズ「Z8」にも注目したい。「HP Z8 G5 Workstation」は「Sapphire Rapids」のCPUを最大2基搭載でき、メモリ搭載量は最大1TB、加えてNVIDIAのハイエンドグラフィックボードをデュアル搭載できるなど、より高いハードウェアリソースを使うアプリケーションをハイレスポンスに処理する高性能モデルだ。

現状の課題解決に加え将来に向けても3Dに注目

3D、そしてVRといったテクノロジーを導入することで、設計開発段階でのより効率的な作業が可能となり、製造部門での組み立てや保守メンテナンスの検証にも成果を得られる。

製造業における人手不足や技能伝承、コスト改善をはじめとした多種多様な課題を解決し、DXに向け突き進んでいくにあたり、注目すべきは3Dだといえる。3Dデータを導入し各部門で共有・連携することで、現状のさまざまな課題解決はもちろん、将来的には仮想工場によるデジタルツインの実現やそれに基づく新たな価値創造にもつながっていく。いまこそ、3Dのデータ活用を進めてみてはいかがだろうか。