シミュレーション:設計・製造における革新 – パート1

シミュレーションという抽象的な概念には、長い歴史があります。職人はビジョンを共有したり、新しいアイデアを模索するために自分の作品の模型を使用し、建築家は光と空間の調和をより良く想像するために建物の複雑なスケールモデルを構築します。エンジニアリング分野では、シミュレーションが新たな重要性を持っています。さらに重要なことは、シミュレーションによって、エンジニアリングチームは、コストがはるかに低い仮想世界で複数のシナリオを開発することができるということです。

デジタルトランスフォーメーションは、シミュレーションをその生涯にわたって定義してきました。コンピュータの登場により,モデリングは仮想領域に移行しました.この領域は、実世界のモデルよりも多くの機能をサポートし、操作、変更、改良を容易に行うことができます。さらに重要なことは、仮想領域に他の要素を導入することができ、追加の変数に対するモデルの反応を見極めることができるということです。このようにして、シミュレーションの科学は飛躍的に進歩し、真に実現可能な技術となったのです。

今日、シミュレーションソフトウェアは最も厳しい環境で使用されています。例えば、NASAは独自のミッション・シミュレーション・ファシリティ(MSF)を持っています。これは、惑星探査のための自律的な技術開発を支援するフレームワークで、仮想ロボットも含まれています。航空宇宙産業では、バーチャルリアリティを利用してヒューマンマシンインターフェースをシミュレーションし、最適化を図っています。また、積層造形を利用する際にもシミュレーションソフトウェアを適用し、「正しい方法で、最初から」という成功を目指しています。

このようなアプリケーションの発展に伴い、より優れたシミュレーションソリューションの必要性も高まっています。これは、より詳細な情報、より速い計算、およびリアルタイムの応答をサポートすることを意味します。シミュレーションはもはや、最終製品がどのように見えるかを予測するためだけに使用されるのではなく、設計・製造プロセスの基本的な部分として使用されています。

今回のブログでは、シミュレーションソフトウェアの重要性と、部品の設計方法の改善から自動生産環境での製造方法、さらには現実世界での使用方法まで、あらゆるレベルでシミュレーションソフトウェアがどのように活用されているかをご紹介します。

シミュレーションソフトウェアの重要性

このレベルのシミュレーションは、主に有限要素解析(FEA)、有限体積法(FVM)、有限差分時間領域法(FDTD)などの技術を用いた数学的計算に大きく依存しています。これらに共通するのは「有限」という言葉で、大きな問題を情報を失うことなく、より小さく扱いやすいタスクに分割することを意味しています。「有限」とは、シミュレーションプロセスで達成可能な削減レベルのことです。計算機資源の向上に伴い、この限界は継続的に拡張されています。

ハイパフォーマンスコンピューティング(HPC)やハイパースケールアーキテクチャによって利用可能なリソースは増え続けていますが、シミュレーションで達成できる精度とその結果を得るまでにかかる時間との間には、常に妥協が必要です。しかし、人工知能(AI)や機械学習(ML)などの新しい技術は、このバランスを再定義するために採用されています。シミュレーションにおけるAIは、シミュレーションの意思決定と分析の部分を高速化するためにエキスパートシステムを使用するという概念を導入していますが、シミュレーションが問題をフラグする際に代替シナリオを探索するためにも使用されるでしょう。また、AIによって加速されたシミュレーションの動作速度と精度は、システムが学習することで時間とともに向上することが期待されます。

現在、シミュレーションに使用されているツールは、その基礎となる手法や技術に基づいて、ほぼ無限の機能に対応しています。電磁気などの基本的な力は、非常に小さなもの(電子)から比較的大きなもの(物体)まで、熱や振動などのエネルギーを受けたときにどのように振る舞うかに影響します。これらの要素はモデル化できるため、シミュレーションはこれらのシナリオを実行するのに最適な環境です。

シミュレーションによる部品生産の向上

モレックスのような設計・製造会社では、生産性の向上がビジネス全体にとって重要であるため、シミュレーションの使用は必須となっています。このテクノロジーは、製品の設計に使用され、製品が自動化プロセスでどのように使用されるかを知らせ、さらに最終製品が生産ラインでどのように製造されるかをシミュレートします。それぞれの段階で、シミュレーションは異なる重要な要素に対処しますが、中にはライフサイクルのシミュレーションで初めて明らかになるものもあります。

例えば、プラスチック部品の成形をシミュレーションし、その結果を機械的な観点から分析することができます。その際には、欠陥の可能性や全体の歩留まりに与える影響などを分析します。シミュレーションされた部品の設計を修正することで、金型製作に着手する前に部品を最適化することができます。さらに、プラスチック部品が次の生産段階でどのように使用されるかをモデル化することで、効率性を向上させるための機会を増やすことができます。

モレックスでは、金型設計段階でフローシミュレーションを使用して、充填パターンの不備、収縮、反り、壁の厚さなどの問題を特定しています。このシミュレーションは、問題の存在を特定するだけでなく、障害の実際の位置を予測することができるため、シミュレーション段階で金型とプロセスパラメーターを最適化することができます。

実際には、金型の形状が標準以下の充填パターンになっていることがあり、その結果、製造ラインから出荷される部品には、形状が欠けていたり、反りが大きかったりすることがあります。シミュレーションの段階でこのような潜在的な欠陥に対処するには、金型材料の一部を追加、削除、または再配分して金型設計を変更する必要があります。各段階でシミュレーションを行うことで、より予測的で包括的な画像を作成することができ、手直しによる時間、無駄、コストの両方を削減することができます。

金型鋼材の破損予測は、成形の最適化において非常に重要であり、歩留まりを向上させ、結果として単価を下げることができます。また、金型の寿命にも大きく影響します。好ましくない状態が存在すると、予想外の方法で金型にストレスがかかります。そうなると、工具の寿命が大幅に短くなってしまいます。

シミュレーションが良い結果をもたらすもう一つの重要な要素は、成形プロセスの全体的なサイクルタイムです。これは、充填、パック、冷却、型開きの時間を含め、金型から1つのユニットを生産するのにかかる累積時間です。シミュレーションでは、これらの各パラメータを調整し、その効果を測定し、充填時間の短縮や冷却時間の短縮が最終製品にどのような影響を与えるかを予測することができます。何千回ものシミュレーションを行うことで、全体のサイクルタイムを数秒短縮することができ、その結果、1時間あたりのユニット数を増やすことができます。

最終製品の製造には、複数の材料からなる部品が必要です。製品設計の重要な要素として金属のプレス加工があります。スタンピングでは金属の表面に均等に力を加えて、あらかじめ定義された形状に成形します。プレス加工はシミュレーションが効果を発揮する分野の一つです。スタンピングシミュレーションソフトウェアはスタンピングされた製品がどのように形成されるかを予測します。

モレックスはこれらのツールを使用して、プレス製品の設計方法を改善しています。まず製品をシミュレーションして設計の実現性を評価し、その後、段階的にシミュレーションを行ってダイやパンチ、ブランクのサイズや形状を設計します。この作業は、設計時の反復作業を減らすのに役立ちました。

インクリメンタルシミュレーションでは、新しい金型を作る時間と費用をかけずに、金型のわずかな変更を仮想的に評価することができます。すべてのデータがわかっているので、どんな小さな変更でもその影響を分析することができます。これは、「現実の世界」でははるかに困難なことで、設計変更から結論を得るためには、まず工具を製造し、できあがった製品を注意深く測定する必要があります。もちろん、シミュレーションは、小さな変更の影響が有害であることが判明した場合、以前の設計に簡単に戻すこともサポートします。

シミュレーションソフトウェアは継続的に改善されており、AIやMLのような新しいテクノロジーはこれを加速させ、モデリングおよびシミュレーションツールが設計と製造を最適化するための信頼性の高いコスト効率の良いソリューションを提供できるようにします。 モレックスは、フローシミュレーションから生産ラインのタイムフレームまで、設計サイクルのあらゆる段階でさまざまなシミュレーションツールを活用しています。これらのツールはすべて、最大の生産性を確保し、時間、無駄、コストを削減することを可能にし、最終的にパートナーの利益につながります。

後編では、シミュレーションによる組立工程の最適化や、デジタルツインやAIの活用を含めたシミュレーションの将来像について、さらに詳しくご紹介していきます。

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