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CAD・CAM・CAE
製造・開発分野におけるデジタル変革(DX)の推進基盤であるコンピューター利用設計・製造(CAD/CAM)、コンピューター利用解析(CAE)の中で、CAEは1960年代に登場しており、CAD/CAM/CAEの中では一番古いDX基盤と言える。原理原則の理論に従い、現象をデジタル再現する解析技術としてスタートしたが、現在では製品機能パフォーマンスをデジタル表現する技術として、解析からビジネスへ活用範囲が大きく広がっている。ここではCAE活用の現状について紹介する。
製造業におけるDX化のカギを握るCAE
【執筆者】理化学研究所 研究嘱託 内田 孝尚
技術構築から活用展開へ
60年代にCAEプログラムの市販化が始まり、技術向上と精度追求が進められてきた。21世紀以降、世界ではCAEが開発・製造の支援技術の扱いから、商品情報を表現する技術として、ビジネスの場面にも活用が広がっている。
従来、CAEはリアルな動きを再現し、開発・製造では試作物、テスト回数などを減らすことが使命であった(図1)。CAEが3次元(3D)CADと連携することで、2005年頃には公差などの詳細な寸法情報も活用、機構の動き、変形、固有値など設計仕様の持つ機能パフォーマンスを、量産ばらつきの影響も踏まえてデジタル表現できるようになった。
そのパフォーマンスを持ったモデル(=バーチャルモデル)により、市場での活用シーンも含め、設計段階で詳細に機能検討・検証を行えるようになった。
このため、設計から量産製造へ移る際に行われていたすり合わせ検証は、設計段階で完了することになる。図2で示すように、CAE通りの機能をリアルに実現することが新たな時代での製造の役割となる。
変革の事例
CAEによる変革の例を次に示す。
【1】CAEを用いて設計力を向上
設計環境は80年代には「図面のデジタル化」、90年代には3DCADを用いる「形状のデジタル化」へと大きく変革した。また21世紀初頭にCAEと3DCADが連携し、CAEを用いて設計仕様検討を行いながら、リアルタイムで仕様決定が可能になった。
テスト検証以上の精度で仕様決定できるようになっただけでなく、CAE結果は製品の持つ設計仕様の理論的な機能パフォーマンスとして表現できるようになった。
【2】量産製造の変革
◆新材料対応
脱炭素化、国連の持続可能な開発目標(SDGs)の実現に向けて軽量化、効率化が進められ、新材料を用いた製品の製造が増加している。すり合わせなど従来の知見を活用した日本のモノづくり現場では、新材料特性を考慮した仕様を含む製造検討が難しくなっている。
このため、世界的に新たな材料特性情報を用いたCAMとCAEの融合した解析検討が一般化し、新材料対応の製造技術向上となっている。(拙著『バーチャルエンジニアリングPart5』23年日刊工業新聞社刊 参照)
◆機能品質向上
これまで、形状品質保証は工場内での計測により行われていた。これに加え、計測結果で判明した量産ばらつき値から制御指示の補正値をCAE解析から割り出し、形状品質だけでなく機能品質保証を可能とするスマートファクトリーへの変換が増えている。
【3】社会システムを変革
CAEがコア技術となり、社会システムを変革した一例として、認証制度を紹介する。
多くの工業製品の製造では、各国の法規・技術要件・安全性などを満たしたことを証明する、型式認証制度が採用されている。この認証が、従来行われていた実際のリアルテストからCAEを用いたバーチャルテスト認証へ移行している。
具体例として、独D社が12年頃に発表したトラックのバリエーションが120あったが、操縦安定制御機能では、リアルテスト3、バーチャルテスト117であったという(図3)。
バーチャルテスト認証制度は21世紀の初めから欧州の産業育成プログラムの一つとして、EU議会がプロジェクトを設定し、欧州中心に進められている。同制度はCAE、3Dなどのバーチャル技術、認証品質の安定化、法的対応などを推進し、20年を超えた社会システムの変革活動となっている。
なお現在、世界の認証制度は欧州の動きに従った流れとなっており、今後、世界の認証制度がバーチャルテスト認証に移って行くことになる。(拙著『バーチャルエンジニアリング』17年日刊工業新聞社刊 参照)
ビジネスの動きでCAEの役割が見える
近年、世界の大手CAE企業の買収が相次いでいる。17年、計測・測量関連のスマートファクトリー化に対応するスウェーデンの大手企業ヘキサゴンが、「MSC Nastran」などで有名な米エムエスシーソフトウェアを買収した。
同様に23年11月、計測機器を製造・販売するスマートファクトリー化対応企業である米キーサイト・テクノロジーが、CAE業界ナンバー2の仏イーエスアイを買収。また、24年1月、設計自動化(EDA)企業の米シノプシスが、CAE業界最大企業の米アンシスの買収を発表した。EDAとは、半導体や集積回路、プリント基板(PCB)などの電子機器の設計や開発に不可欠なツールで、一般製造業でのCAD/CAMの役割を持つ。
ちなみにアンシス買収額は5兆円を超えており、日本製鉄のUSスチール買収額2兆円の倍以上となっている。
CAEの個々の技術進化の話題もあるが、CAEの役割が「解析からビジネスへ」変革し、CAE技術がビジネス展開のドライビングフォースとなっている事実に注目したい。