製造向けジェネレーティブ デザイン
1. ジェネレーティブ デザインで設計の課題を解決
エンジニアや設計者が1つの設計課題に費やすことができる、時間、リソース、エネルギーは限られており、課題解決のための最適な設計・製造アプローチをこの期間内に導き出すことは困難です。
このような制約のため、エンジニアと設計者は、実績のある、または利用している製造方法で、以前に作られた設計ソリューションを試行錯誤しながら、段階的に進化させ、改善して、利用しているのが現状です。そのため、部品などに関しては、性能基準を満たすために現状をあまり変えず、過剰に設計されていることが多く、革新的または差別化されたソリューションを生み出すことが困難になっています。
ジェネレーティブ デザインは、設計とエンジニアリングの現状を覆す、新しいアグレッシブなテクノロジーといえます。設計者やエンジニアは、自分たちの想像力、以前の設計履歴、または過去の経験に縛られる必要がなくなったのです。
ジェネレーティブ デザインとは、デザイン探索ツールであり、人工知能と機械学習を用いて、設計目標、製品の性能要件、製造上の制約に基づいた複数のソリューションを生成します。
現行の製品開発方法とは対照的に、ジェネレーティブ デザインは製造を意識した複数のソリューションを前もって提供し、市場投入までの時間を短縮できるようにサポートいたします。
Fusion 360 のジェネレーティブ デザインでは、人的リソースで 1 つか 2 つの選択肢を開発・評価するよりも短い時間で、何百もの設計案を提供し、検討やトレードオフスタディを行います。ジェネレーティブ デザインにより、設計制約を踏まえた多くの製造可能なソリューションを設計チームに提示することができるため、時間の節約だけでなく、想像を超える選択肢を提供することができます。
Crown Equipment の工業設計ディレクターである Paul Magee 氏は、ジェネレーティブ デザインには「…最初の設計からチェックし、複雑なエンジニアリングの課題を迅速に解決し、必要な FEA の反復回数を減らせることから、市場投入までの時間を短縮できるとともに、製品の性能を向上させることができます…」と述べています。とはいえ、設計の選択肢を評価し、選択肢を選別し、状況に応じた最適なソリューションを選択するのは、実際の経験を持つエンジニアの領域です。
ジェネレーティブ デザインは、チームがトレードオフの判断をより幅広いデザインの選択肢の中から行い、最良の結果を選べるようにサポートします。これは、コストと重量の分析のように簡単なことかもしれません。 しかし多くの場合、機械の生産スケジュール、材料の入手可能性、または重要なビジネスの目標に影響を与える他の要因など、考慮すべき点が多々あります。
ジェネレーティブ デザインのプロセスに製造の可能性が組み込まれていれば、選択した設計結果を既存の積層または切削機能で製造することができます。これにより、しばしば時間のかかる設計と製造工程での往復がなくなり、革新的な設計およびエンジニアリング ソリューションを短時間で手に入れることができます。ジェネレーティブ デザインは、エンジニアのツールボックスだけに収まるような新しいテクノロジーではありません。 ジェネレーティブ デザインの価値を探求し始めた企業にとって、大きなROIに繋がる生産アプリケーションとして実証されています。
2. ジェネレーティブ デザインでデジタルトランスフォーメーションを推進
昨今、設計者やエンジニアは、新たな価値を付加、美的に優れたアピール ポイント、ユーザー エクスペリエンスの改善、製造コストの削減などのために、より多くの設計案を評価する必要に迫られています。設計コンセプトの開発と検証を行う既存のプロセスでは、時間的な制約のため、ほんの一握りの設計案しか検討できないことが一般的です。ジェネレーティブ デザインは、多種多様な設計の選択肢を同時に生成することで、このプロセスを破壊します。
人工知能、高度なシミュレーション、クラウド コンピューティングをベースにしたジェネレーティブ デザインは、設計、性能、製造上の制約条件を指定するだけで、何百もの設計案を迅速に生成することができる新たな方法です。
ジェネレーティブ デザインは、ドイツの重機メーカー「Claudius Peters」がクリンサー クーラーの一部の重量を削減するのに一役買いました。 画像提供：Claudius Peters
ジェネレーティブ デザインは、設計とエンジニアリングのインプットに基づいて、レビューのための幅広い領域の検証された設計コンセプトを提供します。このような変数を用いて「もしも」を迅速に評価し、材料や製造プロセスの変更によるトレードオフを分析することで、最も実行可能なオプションに収束させ選択することができます。
ジェネレーティブ デザインなら、大規模なエンジニア チームでも想像できないようなスピードで設計のパイプラインを加速させ、製造や市場投入へと移行させることができます。
一例として、セメント、石炭、アルミナ、石膏プラントのプロセス機器を製造する Claudius Peters が挙げられます。彼らのイノベーションの目標は、コストの削減と、プロセス機器部品の軽量化、そしてこれらの目標をより早く達成して機器のリードタイムを短縮することでした。
イノベーションの目標を実現し、エンジニアリング時間を短縮するために、彼らは Scrum（集中して権限を与えられたチームを活用するアジャイル エンジニアリング手法）とジェネレーティブ デザインに注目したのです。最初のプロジェクトで得られた結果がチームに驚愕を与えました。ジェネレーティブ デザインによって、チームが想像もしなかった結果が得られたのです。その設計では、すべての性能に関する制約条件を満たしながらも、製造方法に応じて 20〜60％ の軽量化を実現できたのです。
もう 1 つのイノベーションの目標は、コストを削減することでした。あいにくジェネレーティブ デザインのトポロジーは、3D プリントでしか実現できないものであり、必要量を製造するには手ごろな価格ではありませんでした。しかしジェネレーティブ デザインのコンセプトをテンプレートとして、最終的な設計をより手頃な従来の製造プロセスに合わせて再構築することができました。再設計の鋳造プロセスには他の材料も必要でしたが、材料を追加しても、最終的には 30％ の軽量化と部品のコスト削減を実現したのです。
軽量化または材料の最適化により、製品の性能プロファイルを改善し、設計に使用する材料の量を減らすことで製品のコストを削減できます。軽量化への取り組みは、質量の削減が燃料コストの劇的な節約につながる自動車および航空宇宙産業にも浸透しています。
Briggs Automotive Company（BAC）は、ジェネレーティブ デザインを活用することにより、BAC Mono のホイールを再設計し、重量を 35％ 削減しました。 画像提供：BAC
典型的な軽量化への取り組みは、既存の設計から始まります。ジェネレーティブ デザインは、高度な反復プロセス（手動または自動）で、重要でない領域の質量を取り除き、満足できる結果を得るまで、または時間切れになるまで、構造的完全性と性能を検証します。
しかしこのプロセスは設計をゼロから再構築したり、以前は検討されなかった代替設計ソリューションを検討するのではなく、そもそも最適でなかった設計を最適化するということになります。
ジェネレーティブ デザインは、評価用の代替設計案を真新しい開発アプローチでお届けします。ジェネレーティブ デザインでは、指定された設計および性能制約を満たす何百もの新しい設計のオプションを示すことができます。 同様に重要となるのは、積層造形と従来の製造方法で制約のかかっている設計を比較できる点です。
ジェネレーティブ デザインは、積層造形と切削加工の両方に制約を与えます。製造プロセスを評価することで、設計が積層造形に適しているかどうかを判断し、従来の製造方法によるコストを下回る可能性のある軽量化や性能上のメリットを追求することができます。
性能の向上には軽量化が欠かせないため、 Briggs Automotive Company (BAC) は、ジェネレーティブ デザインを活用して、ストリート リーガル レース カー「BAC Mono」の新たなホイールを最適化および製造しました。設計者はまず、性能の必須制約、材料（アルミニウム）、加工方法（5 軸 CNC フライス盤）を指定しました。
ジェネレーティブ デザインは、設計目標を達成する多数の反復オプションを返しました。選択された設計の重量は約 2.2kg（4.8 LBS）で、前バージョンのホイールよりも 35％ 軽量化することができました。 尚、従来の CNC フライス盤で製造でき、英国での認定に必要な構造要件を満たしていました。
あらゆる業界において、特注の製品やサービスに対するプレッシャーと需要が高まっています。この需要を満たす試みは、従来の製造方法に負担をかけ、製造コストの増加とタイムラインの長時間化をもたらしました。
Perceptive Sensor Technologies は、ジェネレーティブ デザインと積層造形を採用して、新製品イニシアチブのマス カスタマイゼーション ストラテジーをサポートしました。
マス カスタマイゼーション ストラテジーは、大量生産の単価に近い価格で、オーダーメイドの特注品の柔軟性と個別化をお届けするものです。残念ながら、大量生産のための既存の設計や製造方法では多くの時間がかかり面倒な作業となるため、顧客要件への対応能力や拡張能力も制限されてしまいます。
設計プロセスを簡素化し、大規模なマス カスタマイゼーションを可能にするジェネレーティブ デザイン メソッドは製造業に革命をもたらします。設計者やエンジニアが各特注品を CAD で完全に作り上げる代わりに、ジェネレーティブ デザインでは、製品の用途、機能、性能、スペースの制約などの条件を指定するだけで事足ります。 指定後、ジェネレーティブ デザイン エンジンが入力条件に基づいて設計オプションを自動作成します。さらに積層造形では、金型のコスト、金型のリードタイム、および生産切り替えに関連する時間とコストを削減できます。ジェネレーティブ デザインと積層造形が一体となって、製品の個別化と特注化によって価値を実現する業界の変革をサポートします。
近ごろ、密閉された環境で流体を測定する超音波ハードウェア デバイスのメーカー「Perceptive Sensor Technologies」が、新製品の開発におけるマス カスタマイゼーション ストラテジーをサポートするためにジェネレーティブ デザインと積層造形を採用しました。
新しいカスタマイズ可能なハンドヘルド デバイスを開発するために、Perceptive Sensor Technologies は、ジェネレーティブ デザインと積層造形技術を専門とする製品開発会社 Penumbra と協力することにしました。このプロジェクトでは、耐久性を保証するために剛性を最大化しながら、使いやすさと人間工学的なメリットのためにデバイスの質量を最小化し、重量を均等にバランスさせることを優先するパラメータが選択されました。 Penumbra チームは、ジェネレーティブ デザインでこの複雑な課題のすべての側面をすばやく調査し、複数の解析を実行して、積層造形を基に作成可能な設計ソリューションを特定しました。
Penumbra チームによって作成された設計は期待を上回り、顧客が期待する精度と耐久性を提供する新たな最先端の超音波センシング デバイスを生み出しました。さらに、積層造形製作プロセスは先行投資が最小限で済み、新しい顧客のニッチな要件に迅速に対応するセンシング デバイスをカスタマイズする柔軟性を提供しました。
3. ジェネレーティブ デザインで効率を上げる
すべての設計プロジェクトには、製品の収益性を保証するために満たさなければならないコストと製造性の目標があります。コストを目標より少なくすることで、製品の売上総利益が増加します。 目標を達成できず、製品の発売により損失が発生する可能性があります。
製品開発プロセスはシーケンシャルな性質を持っているため、意思決定はしばしば他の場所で行われる場合があります。製造性とファブリケーションに関する決定は、通常、プロジェクトの主要な側面を確定後、設計プロセスの後半まで引き延ばされ、場合によっては、望ましいとは言えないコストがかかる方法で製作を余儀なくされることがあります。
ジェネレーティブ デザインは、製品設計者、機械エンジニア、製造エンジニア間のプロセスを合理化します。
各コンピテンシーが次の機能に「設計を丸投げ」する機能サイロをもたらした従来のシリアル プロセスを排除する戦略は、1990 年代初頭から存在していました。
コンカレント エンジニアリングまたは製造向け設計など、呼び方は様々ですが、焦点は同じで、時間とコストのトレードオフをより適切に管理するために、設計上の決定が製造プロセスに与える影響を検討するということです。
加えて、変更のコストが最小限である製品開発プロセスの早い段階で決定できれば、コスト目標を達成する可能性が高まり、遅延のリスクが低下し、製造への早期リリースにつなげることができます。
新しいテクノロジーが展開され、新しい意思決定チャートとプロセス フローがマッピングされましたが、他のメジャーな変化と同様、これはテクノロジーやプロセスだけのものではありません。また、これらの戦略を採用するには、大きな文化的な変化であることを人々に理解してもらわなければなりません。 新しいシステムとプロセスの学習、部門間のコラボレーション、新たな意思決定レベルなど、文化の変化がコンカレント エンジニアリングを導入するうえで最大のハードルになりました。 結果を出さなけれなならないというプレッシャーの中で、この戦略を採用した多くの企業は、最も熟知している既存のウォーターフォール プロセスに戻っていってしまいました。
ですが、ジェネレーティブ デザインの登場で、プロセスとテクノロジーの変更の多くが人工知能によって自動化されたため、文化の変更は今や障害ではなくなってきました。ジェネレーティブ テクノロジーは、DFM プロセスを最も基本的な要件まで簡素化します。つまり、既存の製造プロセスを考慮した設計目標と制約条件の指定です。 インテリジェントなアルゴリズムとクラウド内の強力な演算能力が残りの部分を処理し、検証済みの何百もの設計オプションを生み出すことにより、製品開発プロセスの早い段階でより多くの情報に基づいたトレードオフを確実なものにします。
ジェネレーティブ デザインによって、製品デザイナー、機械エンジニア、製造エンジニアの間のサイロが解消し、彼らが団結することで、必要となる設計および製造の制約を集約します。そして、ジェネレーティブ デザイン エンジンから結果が返されると、チームは設計プロセスの早い段階で情報に基づいたトレードオフの決定を下すことができます。 本番環境で最も実行可能なパスの選択に、最大の影響を与える可能性がある製造上の制約が、サイクルの早い段階で潜在的な製作プロセスの実現性を評価します。 その結果、イノベーションの促進、市場投入までの時間の短縮、コストの削減、製作の合理化、より高速で機敏な製品開発プロセスを実現することができるのです。
短納期または特注の部品は、多くの場合、溶接やプレス加工されたサブ アセンブリをねじなどを使って組み立てられています。エンジニアにとって理想的なかたちは、要件を満たす1つのコンポーネントを設計することであり、複雑さを増長させ、検証および組み立てが必要な個別の部品で組み立てることではありません。
ゼネラル モーターズは、ジェネレーティブ デザインと積層造形で 8 つの異なる要素を 1 つの 3D プリントの部品に統合することができました。 画像提供：General Motors
鍛造、鋳造、成形などの部品設計を簡素化する金型や製造プロセスは、費用効果が低いもしくは少量で採算が取れず、また金型の長いリードタイムも課題となります。
考慮されているコストの他に、されていない隠れたコストも残存しているかもしれません。ただ、金型を回避した初期コストの節約は、結果として最終品までに積み重なるコストによってある程度相殺されてしまうのです。 このコストには、機能を実現するためにサブアセンブリを複数の部品に分解するエンジニアリング時間の増加、必須アセンブリの増加、部品数の増加に伴うコスト、部品仕様のプロセスコスト、調達と BOM、部品の在庫とメンテナンスコストの増加、などが挙げられます。
一般に、大半の米国企業は、製作する製品の 9〜15％ を負担コストとして捉えています。
場合によっては、部品の製作と組み立てを外部委託しています。ただ、部品の製造と製作を外部委託すると、場合によっては OEM メーカーはサプライチェーンの言いなりになってしまい、業務が複雑化し、その管理が困難になる場合があります。
さらに、設計および製造プロセスにおいて、上流では設計およびエンジニアリング チームが、下流では他の機能部門が、サプライヤに費やす時間が長くなり、商品の負担コストが増加してしまいます。
ゼネラル モーターズは、オートデスクと共同でジェネレーティブ デザイン技術を駆使して、新しいシート ブラケット（シートベルト締結部をシートに固定するブラケット）の再設計と機能最適化を行いました。典型的なシート ブラケットは、8 つの部品が溶接されています。 ジェネレーティブ デザイン ツールでは、150 以上の設計ソリューションを生み出しました。 ジェネレーティブ デザインのシート ブラケットは、8 つではなく 1 つのステンレス鋼製の部品でできており、元のシート ブラケットよりも 35％ 軽量化され、強度が 20％ 向上しました。
航空宇宙および医療業界では、少量部品は、鍛造、スタンピング、鋳造、成形ではなく、廃棄物が過剰に出るにもかかわらず、より費用効果のある方法でハイテク合金の高価なビレットから CNC 機械加工によって生産されます。
ジェネレーティブ デザインは、設計と性能の目標に基づいて、必須トポロジー、内部構造、質量を最小限に抑えることにより、材料をより効率的に利用します。
ジェネレーティブ デザインと積層造形法を活用して、これらの用途の運用効率を高めることができます。ジェネレーティブ デザインは、設計と性能の目標に基づいて、必須トポロジー、内部構造、質量を最小限に抑えることにより、材料をより効率的に利用します。
積層造形は、製作過程で原材料をより効率的に利用するため、CNC 機械加工に比べ、材料の無駄を大幅に抑えることができます。さらに、エンジニアは従来のプロセスやツールの機能限界の中で部品のジオメトリを設計する必要がなくなりました。
積層造形によって、簡単に機械加工できないニアネット形状部品の製作が可能になるため、製造コストを上げずに複雑な設計を行うことができます。さらに積層造形は簡単に拡張できるため、CNC 機械加工に必要な工具や製造をセットアップする必要はありません。
航空宇宙産業では、積層造形を基にロケット エンジンの設計を再考し、限界に挑戦している企業があります。これらの企業はエンジン シェルの内部に格子構造を統合し、熱放散を増加させ、エンジンの安定した冷却を試しています。
Relativity は、高さ 6 メートル、幅 3 メートルまでの部品を製作可能な大規模な積層造形システム「Stargate」を開発しました。Relativity によれば、Stargate は、ロケット「Terran 1」の 95％ を製作できるとのことです。
Stargate 積層造形システムは、ビルドプロセスで部品を統合し、従来の製造ではコストがかかる複雑な機能を製作できるため、費用効果が高く、部品数も 100 分の 1 で済むロケット システムを製作することができます。
また、製作過程をはるかに早めることもできます。Relativity は、わずか 60 日でロケットを製作することが可能であることを発表しています。
概要
今日、ジェネレーティブ デザインには定量的なROIが得られる機会が多くあり、積層造形もしくはCNC 法、またはその両方で、少量生産、短納期、特注部品の製作などに対して実行可能な方法としてご利用いただけます。さらにジェネレーティブ デザインは、積層造形のコストをかけずにジェネレーティブ デザインのメリットを享受したい企業にとって、出発点として使用することができます。 Claudius Peters は、従来の製造方法を基に製造可能・リバース エンジニアリング可能な大量生産部品の、新たなまたは改良した部品形状を開発するために、どのようにジェネレーティブ デザインを活用したかを語っています。
オートデスクのジェネレーティブ デザインは、設計と製造の融合を実現します。初めて、テクノロジーを駆使した自動化されたプロセス「コンカレント エンジニアリング」を実装できるようになりました。 ジェネレーティブ デザインは、実際の製造上の制約に基づいて、CAD 対応の設計オプションを複数生成する能力をお届します。 オートデスクのジェネレーティブ デザインには、積層および切削の両方の制約があり、CAD/CAM システムで読み取り・編集可能なジオメトリを出力できます。
積層造形の時間とコストは下降の一途をたどっており、あるしきい値を下回ると、新たなビジネス モデルが実現可能になるでしょう。それほど遠くない将来に、変曲点が訪れます。 大量生産向けの積層造形コストが正当化できるようになるだけでなく、競争力維持のためにも必要となるでしょう。 他の変曲点と同様にビジネス環境は、市場を混乱させるメーカーと、ビジネスを混乱させられるメーカーに急速に変化します。 このトレンドの覇者になるのが、今日の先進的な企業の義務となっているのです。 現在何が可能であり、将来どうなるかを探求し、ジェネレーティブ デザインと積層造形の実証済みのプロセス、方法、実践的機能を採用することで、変曲点後の未来に備えることができるのです。
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