コンセプト作成から製品化まで、
迅速な設計開発を実現

機械とは、力を動作に変える物理システムです。単純な機械の例としては、ウェッジ、レバー、プーリなどが挙げられます。複雑な機械には、機械/電気/電子コンポーネントなど、連動する多くのパーツが使用されます。最近の機械の多くはコンピュータでモニタされ、ソフトウェア インタフェースを使用してプログラムと監視が行われます。

機械設計とは、エネルギー、航空宇宙、自動車、農業、海洋、製造などの業界のお客様のニーズに合った物理システムを考案し、作り上げるプロセスです。

機械設計プロセスには、意図したタスクを完了するために力を動作に変える際に必要な物理特性を理解すること、コンポーネントをどのように相互作用させるかを計画すること、デザイン拘束を満たしていることを確認すること、プロジェクトのタイムラインと利益率を考慮しながら材料を指定することなどが含まれます。

技術図面と 3D コンピュータ支援設計（CAD）モデルは、通常、設計意図の伝達と確認を行い、関係者間で設計プロセスを調整するために作成します。

機械設計プロセスの最終的な成果物には、設計した機械の製造、設置・試運転、およびメンテナンス サービスに必要な情報として、技術図面、仕様書、部品表（BOM）などが含まれます。

機械設計分野の職種には、インダストリアル デザイナー、機械/電気/電子エンジニア、シミュレーション スペシャリスト、CAD 設計者、CAD オペレーターなどが含まれます。

機械エンジニアは、数学的原理、工学物理学、業界の知識、専門的なソフトウェアを駆使して、顧客の抱えるさまざまな課題を解決しながら、機械に関するアイデアを概念設計から詳細設計へと発展させます。

詳細設計では、顧客の要件を満たすと同時に収益性も実現する必要があります。この詳細設計は、コンピュータ支援設計（CAD）モデル、技術図面、部品表（BOM）、仕様書などを通じて、顧客のほか、製造部門や購買部門などの関係者に伝達されます。

機械設計は、インダストリアル デザイン、機械/電気/電子エンジニアリングなど、複数分野にわたるチーム間のコラボレーションで進められます。また、顧客やサプライヤー、製造の専門家、プロジェクト管理チームなどの関係者との間で、レビュー/修正のフィードバックのやり取りが行われる場合もあります。

設計エンジニアリング プロセスは、企業が機械設計を成功させる上で非常に重要です。設計開発の目的は、顧客とビジネスの両方にメリットをもたらす機械を考案し、合意に至ることです。設計開発には、予算、エンジニアリング能力、製品化までの時間などの制約があります。

機械設計プロセスは、インダストリアル デザイン、機械/電気/電子エンジニアリングなど、複数分野の専門家のコラボレーションで進められます。レビュー/修正のフィードバックは、顧客のほか、プロジェクト管理、購買、製造、設置、メンテナンス サービスなど、各部門の関係者から提供されます。

機械設計プロセスでは、アイデアからプロトタイピング、テスト、評価、レビューの開発サイクルを進める中で、レビュー/修正の反復を繰り返しながら設計を最適化し、信頼性と製造可能性を高めていきます。

機械設計プロセスは、まずは問題の定義から始まります。そこから可能性のあるソリューションをブレインストーミングし、プロトタイプの作成とテストを行い、フィードバックを収集し、問題をさらに絞り込むことができるか、提案されたソリューションを否認/承認するか、別の開発サイクルでソリューションを改善できるかを評価します。

設計エンジニアリング プロセスは、企業が機械設計を成功させる上で非常に重要です。設計開発の目的は、顧客とビジネスの両方にメリットをもたらす機械を考案し、合意に至ることです。設計開発には、予算、エンジニアリング能力、製品化までの時間などの制約があります。

機械設計プロセスは、インダストリアル デザイン、機械/電気/電子エンジニアリングなど、複数分野の専門家のコラボレーションで進められます。レビュー/修正のフィードバックは、顧客のほか、プロジェクト管理、購買、製造、設置、メンテナンス サービスなど、各部門の関係者から提供されます。

機械設計プロセスでは、アイデアからプロトタイピング、テスト、評価、レビューの開発サイクルを進める中で、レビュー/修正の反復を繰り返しながら設計を最適化し、信頼性と製造可能性を高めていきます。

機械設計プロセスは、まずは問題の定義から始まります。そこから可能性のあるソリューションをブレインストーミングし、プロトタイプの作成とテストを行い、フィードバックを収集し、問題をさらに絞り込むことができるか、提案されたソリューションを否認/承認するか、別の開発サイクルでソリューションを改善できるかを評価します。

機械を設計するソフトウェアとして、以下が挙げられます。

• コンピュータ支援設計（CAD）：3D CAD は、機械/電気/電子コンポーネントの仮想モデルとその関連性を作成するために使用します。技術図面と部品表（BOM）は、3D モデルから自動的に生成されます。
• MCAD：シャフト、歯車、ばね、カム、ベルト、ボルト締結、構造フレームなどの機械要素を設計するためのツールなど、機械設計用に最適化された CAD ソフトウェアです。
• ECAD：回路図、2D トレース レイアウト、3D モデリングなど、電気制御やプリント基板（PCB）の設計用に最適化されたソフトウェアです。
• ビジュアライゼーション：ビジュアライゼーション ソフトウェアを使用し、コンピュータで生成されたイメージ（CGI）やデジタル レンダリングを作成して設計を視覚化することで、顧客やパートナー企業に設計意図を伝えることができます。レンダリングは、フォトリアリスティックな静止イメージにしたり、そのデザインをどのように組み立て、どのように動作させるかを示すアニメーションにしたりすることができます。
  • 仮想現実（VR）または拡張現実（AR）のソフトウェアとハードウェアを使用すると、設計を視覚化したり、安全な環境でオペレーターを訓練したりするために、人間が CGI を直接インタラクティブに操作することが可能になります。
  • デジタル ツインは、機械に組み込まれたセンサーから得られるデータで CGI を拡張し、機械とそれをサポートするサービス機器のメンテナンスと運用を最適化します。
• コンピュータ支援エンジニアリング（CAE）：CAE またはシミュレーション ソフトウェアを使用して、設計の性能を解析します。例としては、応力をシミュレートする有限要素解析（FEA）や、液体や気体の流れをシミュレートする数値流体力学（CFD）などが挙げられます。
• 公差解析：公差解析を使用して、製造コストを最小限に抑えながら、公差スタックアップの計算を自動化し、公差を最適化して交換可能なパーツが実際に適用できることを確認します。
• ジェネレーティブ デザイン：ジェネレーティブ デザインは、シミュレーションまたは軽量化とは異なるユニークなアプローチです。シミュレーションでは、コンポーネントの 3D CAD モデルを使用して設計に対する応力の影響を解析しますが、ジェネレーティブ デザインでは、その逆を行います。設計者は、物理的な荷重、材料、製造方法などの拘束を設定し、ジェネレーティブ デザインにより、性能基準を満たす可能性のある複数のコンポーネントのモデルを生成します。設計者は、重量、安全率、コスト、外観などの要因に基づいて設計案を絞り込み、最終的に残った設計案から目的のものを選択できます。

オートデスクは、製品設計・エンジニアリングのイノベーションをサポートするパワフルな設計・製造テクノロジーを提供するほか、機械設計者が業界や専門分野、プロジェクトの枠を越えてシームレスにコラボレーションできる作業環境も提供しています。

機械設計のためのオートデスク ソフトウェアを以下に示します。

• Product Design and Manufacturing Collection には、次のソフトウェアが含まれています。
  • Autodesk Inventor 3D 機械設計、シミュレーション、ビジュアライゼーション、ドキュメント作成の機能を備えたプロフェッショナル レベルの製品設計・エンジニアリング ツール
  • Inventor Nastran 非線形応力解析、熱解析、振動解析、疲労解析などのシミュレーション機能を備えた CAD 組み込みソフトウェア
  • Inventor Tolerance Analysis 寸法のばらつきによる影響を評価する機能を備えた公差スタックアップ解析ソフトウェア
  • Inventor Nesting 原材料を切断する際の歩留まりを、実際の形状に応じて最適化できる Inventor 用の板取りソフトウェア
  • Inventor CAM Inventor 用の 2.5 軸 ～ 5 軸 CAD/CAM プログラミングの統合ソリューション
  • Vault 設計ファイルを管理するための製品データ管理ソフトウェア
  • AutoCAD 業種別ツールセットを搭載した 2D/3D CAD ソフトウェア
  • Factory Design Utilities 効率的な生産レイアウトを計画・設計・導入するための工場設計ソフトウェア
  • Navisworks 大規模な設計向けの干渉検出やスケジュール管理の機能を備えたレビュー ソフトウェア
  • ReCap Pro リアリティ キャプチャと 3D スキャンのソフトウェアとサービス
  • 3Ds Max 設計ビジュアライゼーションに役立つ 3D レンダリング/アニメーション ソフトウェア
  • Fusion 360 製品設計・製造用のクラウドベースの CAD/CAM/CAE 統合ソフトウェア
  • Fusion 360 Manage with Upchain プロジェクトのチーム、データ、プロセスをひとつにつなげるクラウドベースの PLM/PDM ソフトウェア
  • Design Review 設計の作成に使用されたソフトウェアがなくても、2D/3D ファイルの変更内容を表示、マークアップ、印刷、追跡できる CAD ビューア ソフトウェア

機械図面とは、設計意図の伝達、プロセス図の作成、折り曲げたシート メタルのフラット パターンの計算、ネスティングによるファブリケーションの最適化、インストールとメンテナンスの指示のために作成する技術図面です。機械図面は、コンピュータ支援設計（CAD）カテゴリに属する設計ソフトウェアで作成します。

• Autodesk AutoCAD などの CAD ソフトウェアは、コピーと貼り付け、ブロック、シート セット マネージャなどのツールにより、2D 技術図面に関する従来のプロセスを自動化します。
• Autodesk Inventor などの CAD ソフトウェアは、設計者が作成した 3D CAD モデルから機械図面を直接生成することにより、作図をさらに自動化します。これにより、機械図面の作成プロセスをスピードアップすることができ、設計に対する更新は、そのモデルを参照するすべての図面に自動的に反映されます。
• Autodesk Fusion 360 などの CAD ソフトウェアは、設計、エンジニアリング、電子、製造向けのソフトウェアのすべてを 1 つに統合します。つまり、3D CAD、CAM、CAE、PCB が統合された 1 つのクラウドベースのソフトウェアで製品開発プロセス全体を連携します。

最適な機械設計ソフトウェアは、機械設計プロセス（MCAD）用に最適化されたコンピュータ支援設計です。MCAD ソフトウェアを評価する際は、以下を備えていることを確認してください。

• パーツやアセンブリの 3D モデルを作成し、設計の物理的な寸法や空間的な関係を概念化する機能
• ナット、ボルト、座金、O リング、軸受、キー、歯車、ベルト、ばね等の機械コンポーネントおよび電気コンポーネントの拡張可能なライブラリ
• ボルト締結、シャフト、カム、プーリ システムなどの設計とモデリングを自動化する機械設計アクセラレータ
• シート メタル コンポーネント、構造フレーム、PCB、ケーブル ハーネス、パイプ配管、プラスチック製の筐体の設計とモデリングを自動化する特定のツール セット
• CAD モデルを使用して、応力、熱、振動、流体の流れなどの物理特性について、設計を評価する機能
• モデルベースの注記（MBA）、ジオメトリ寸法と許容誤差（GD&T）、公差スタックアップ解析のためのツールを使用して、モデルベースの設計（MBD）を実施する機能
• プレゼンテーション、セールス、マーケティング向けに、フォトリアリスティックなレンダリングやアニメーション ビデオなどのコンピュータ生成イメージ（CGI）を作成するビジュアライゼーション ツール
• 設計を安全に共有してフィードバック、レビュー、承認を得ることで効果的にコラボレーションする機能
• 構造設計、土木設計、BIM など他の業界の専門家と CAD モデルを共有してコラボレーションする機能
• 製造図面や部品表（BOM）の作成、シート メタルのネスティング、CNC プログラミングなど、製造に向けた準備作業に CAD モデルを使用する機能
• 権限コントロール、リリース プロセス、設計変更管理において、ファイルを安全に管理するための統合された製品データ管理機能（PDM）

機械を製品として製造する企業は、顧客のニーズに応える革新的な製品を、競合他社よりも早く開発し、市場に投入しなければならないというプレッシャーを常に抱えています。

機械の開発を成功させるには、設計エンジニアリングが鍵となります。顧客のニーズを満たすとともに、ビジネス的な利益を生み出せる機械を実現することが、設計エンジニアリングです。

設計開発の中で下された決定事項は、品質やコンポーネント、材料、製造プロセス、ライフサイクル全体にわたる機械の使いやすさに影響します。

設計者やエンジニアは、コンピュータ支援設計（CAD）やコンピュータ支援エンジニアリング（CAE）などの機械設計ソフトウェアを使用することで、設計プロセスを自動化したり、データ インサイトを管理したり、タイムリーに効果的な判断を下したりできます。そして結果的に、素晴らしい製品の実現や、運用効率の向上、製品化までの時間の短縮といったメリットがもたらされます。

製造プロセスの複数の時点で、コンピュータ支援設計ソフトウェア（CAD）を使用します。

設計段階では、CAD 設計を製造チームと共有し、製造・組立容易性設計（DfMA）を評価します。製造チームからのフィードバックを設計に組み込むことにより、設計の効率が向上し、製造で利益を拡大できます。

設計開発が完了すると、設計は製造のためにリリースされます。製造チームは、治具や固定具、および品質管理のための「実行/停止」装置の設計に CAD を使用します。

コンピュータ支援製造（CAM）では、3D CAD モデルをコンピュータ数値制御（CNC）プログラミングに使用し、製造機械の動作を自動化します。CAD と CAM の統合により、CNC プログラミングを CAD と同じソフトウェアで行うことが可能になります。この統合の利点は、CAD モデルに加えた変更が自動的に CAM ツールパスに反映されることです。

コンポーネントを作成した後、CAD データと CAM データを併せて使用し、コンピュータ支援検査（CAI）と品質管理を行います。計測装置を使用して、製造されたコンポーネントを CAD モデルと比較し、指定した公差と表面仕上げに準拠しているかどうかを評価します。