シミュレーションでスマートなものづくりを実現し、進化する次世代工場

自動化は、技術によって人間の職が奪われるのではないかと恐れている人々に不安を引き起こします。しかし、インダストリー4.0からインダストリー5.0へ移行し、焦点がシフトしたことで、その不安の一部は軽減される可能性があります。インダストリー4.0は、技術に焦点を当てていましたが、インダストリー5.0では技術と人間の相互作用や協調を重視しています。欧州委員会では、インダストリー5.0をインダストリー4.0よりも広範なものと位置づけており、持続可能性、人間中心主義、レジリエンスの3つの柱を強調しています。この焦点のシフトはスマートマニュファクチュアリングにとって絶好のタイミングと言えます。

スマートマニュファクチュアリングとは何でしょうか。CESMII（スマートマニュファクチュアリング研究所）では、スマートマニュファクチュアリングには、工場と、プラント内の物理的およびデジタルプロセスを効率的に調整することが含まれると定義しています。この米国の政府出資を受けた非営利団体は、この仕組みを協調的、情報駆動型、イベント駆動型であると強調しています。また、スマートマニュファクチュアリングプロセスを「センシング、情報、解析モデル、ワークフローを活用して、定常的な作業を自動化するとともに、非定常な状況に対しては適切な対応を指示できるよう、統合・監視され、継続的に評価されるプロセス」と定義しています。当然のことながら、スマートマニュファクチュアリングの自然な帰結として、デジタルファクトリーやインテリジェントファクトリーとも呼ばれるスマートファクトリーが発展してきました。

では、ここにシミュレーションはどのように関わるのでしょうか。その接点はまさにここにあります。まず、マルチフィジックスシミュレーションは、前述のセンシングデータと解析モデルを支える重要な知見と予測精度を提供します。さらに、人工知能／機械学習（AI/ML）アルゴリズムと連携し、この知見を最適化するとともに、デジタルツイン、付加製造技術、自動化といった先進技術をサポートします。産業プラントはマルチフィジックスシミュレーションの統合とスマートマニュファクチュアリングプロセスの導入によって、スマートファクトリーとして効果的かつ効率的に飛躍することができます。

スマート化による成果

McKinsey & Company社は、高度なデータ活用と解析、AI/ML、およびその他の技術を効果的に統合すれば、設備のダウンタイムを30～50%短縮し、スループットを10～30%向上させ、労働生産性を15～30%高め、予測精度を85%向上させるソリューションが可能になると指摘しています。

スマートファクトリーは、相互接続された機械とネットワークに加えて、AI/ML、IIoT（Industrial Internet of Things）センサー、クラウドコンピューティングなどの技術を活用して、情報収集、データ転送の高速化、プロセスの効率化を実現しています。多くの場合、自動化やロボティクスが活用されています。

ただし、すべてのスマートファクトリーが同じというわけではありません。AI/MLに大きく依存しているファクトリーもあれば、クラウドコンピューティングを活用しているファクトリーもあります。同様に、スマートファクトリーは異なるネットワークによって支えられています。たとえば、小規模なファクトリーでは、Wi-FiでIIoTデバイスを稼働させるケースもあります。対照的に、大規模なファクトリーでは、セルラーネットワーク、特にプライベート5Gネットワークを使用するケースもあります。これは、高帯域幅、低遅延、さらにはより高いセキュリティによって、より優れた信頼性を提供できるためです。

スマートファクトリーはそれぞれ個性がありますが、どのスマートファクトリーも技術を活用し、初期の構想段階から、運用・保守（O&M）を含む製品ライフサイクル全体を通じて効率を向上させています。製造における重要な要素が新製品導入（NPI）です。コンセプトや機能性に焦点を当てる製品設計とは異なり、NPIは製造可能性とスケーラビリティを中核に据え、効率、コスト、市場投入までの時間といった要素を考慮します。これに関連し、NPIでは製造チームが設計の初期段階から参加することがよくあります。これは、その包括的なアプローチと効率への配慮（スマートファクトリーの原動力）という点で、スマートマニュファクチュアリングとインダストリー5.0の核心と合致します。

スマートファクトリーの効率性

• 最適化：AI/MLやクラウドコンピューティングなどの技術により、より高速なデータ転送、スケーラビリティの向上、および高度な解析を実現
• 産業オートメーション：パレチゼーションやマテリアルハンドリングなど、これまで人間が行っていた作業およびプロセス、ならびに粉末除去を含む付加製造技術プロセスを、技術、機械、ロボットを用いて実行
• ワークフローの自動化：シミュレーション最適化ソフトウェアなどのデジタルソリューションを活用して、デジタルワークフローを自動化
• 自律化：デジタルツインとAI/MLを活用して、自律型デバイスの遠隔による制御、監視、監督を実現し、データ収集、効率性確保、安全性向上に取り組む
• 節約と持続可能性：仮想テストおよびプロトタイピング、予知保全、高速処理、効率的なエンジニアリング（よりスマートな材料選定を含む）によって、材料廃棄物とエネルギー消費を削減し、支出を抑えながら持続可能性の向上を実現

時代の一歩先を行く取り組み

効率と最先端技術への取り組みを示すために、約200社のメーカーが世界経済フォーラムの「グローバルライトハウスネットワーク」に参加しています。メーカーがライトハウスの認定を受けるには、インダストリー4.0技術を大規模に適用し、「工場、バリューチェーン、ビジネスモデルを変革することにより、財務面、運用面、持続可能性を飛躍的に改善する」ことが求められます。

当社の産業分野のお客様の中にも、Tata Steel社をはじめとするライトハウス認定企業が含まれています。

Tata Steel Nederland社のR&D部門ナレッジグループリーダーであるPaul van Beurden氏は、プレスリリースで次のように述べています。「イノベーションは進歩の原動力であり、Tata Steel Nederlandでは、持続可能性に向けた変革の旅路を開拓しています。当社はAnsys TwinAIの力を活用することで、生産プロセスを最適化し、エネルギー損失を最小限に抑え、2030年までに30~40%の脱炭素化、2045年までにカーボンニュートラルの実現という目標に向けて推進しています。Ansysのテクノロジーは、その実現に不可欠な存在です。」

今日の進化するデジタル環境では、製品開発チームが、設計および開発の初期段階にシミュレーションを統合する「シミュレーションのシフトレフト」というトレンドに沿って、データ融合の利用を増やしています。開発チームは、シミュレーションを早期に導入することで、設計に役立つ重要な知見を得て、製品の不具合防止、支出の削減、市場投入までの時間の短縮を実現することができます。

同時に、スマートファクトリーでは、組込みセンサー、AI/ML、デジタルツインを利用し、O&Mの段階でシミュレーションを最大限に活用することで、リアルタイムのシステム解析や予知保全といったメリットが得られるため、機械オペレーターが問題を早期に検出できるようになります。これは、資産の健全性の向上とライフサイクル最適化の促進に寄与します。また、設備のダウンタイム短縮と、関連する修理コストの削減を実現し、燃料効率向上と炭素削減につながる知見によって持続可能性も向上します。

また、シミュレーションは付加製造技術（3Dプリンティング）などの先進技術を支えています。この技術は、初回試行でのプリンティング成功率を高めることで、持続可能性を支援し、試行錯誤によるプリンティングの時間短縮、省エネ、材料廃棄物の削減、およびコスト低減を実現します。付加製造技術は、部品を現地で、大規模に、オンデマンドで生産できるようにし、サプライチェーンの確保にも貢献します。

シミュレーションを基盤としたデジタルエンジニアリングは、世界中のスマートファクトリー開発を推進し、建設・輸送から自動車・航空宇宙に至るまでのほぼすべての産業の製造に影響を与えています。Mordor Intelligence社は、2025年時点で3,891億4,000万ドルと推定されているスマートファクトリー市場は、2030年には6,193億4,000万ドルに達すると予測しています。

Ansys, part of Synopsysが、革新的な産業ソリューションを通じてスマートマニュファクチュアリングと次世代のスマートファクトリーのサポートにどのように取り組んでいるかをご覧ください。