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工場の微調整: 積層造形施設の最適化を支援するシミュレーションアプリ

金属粉末床溶融などの積層造形 (AM) プロセスは, 高品質な部品を迅速かつカスタマイズ可能に製造することができます. 英国の Manufacturing Technology Centre は, 航空宇宙産業のパートナーとともに, 現場での粉末溶融施設を建設し, 工場のスタッフがその運用について十分な情報を得た上で意思決定できるよう, シミュレーションモデルとアプリも開発しました.

Alan Petrillo 著
2022年10月

産業革命は, 18 世紀半ばにイギリスで始まったと言われています. すすだらけの鋳物工場や製粉所の時代はとうに過ぎ去りましたが, 製造業は依然として不可欠であり, かつ困難なものです. このような現代の産業界の課題に対応するための有望な手段のひとつが, 粉末溶融法などの新しい技術を用いた積層造形 (AM) です. AM は, 迅速, 正確, かつカスタマイズ可能な生産を実現するために, 工場設備の再編成だけでなく, 工場の運営や管理にも新たなアプローチを求めています.

このため, 英国の Manufacturing Technology Centre (MTC) は, シミュレーションモデルとアプリを使用して社内の金属粉末床溶融結合 AM 設備を強化し, 工場のスタッフが運用について十分な情報を得た上で意思決定できるようにしました. COMSOL Multiphysics^® のアプリケーションビルダーを使用して作成されたこのアプリは, フルスケールの AM 工場と, いわゆる “デジタルツイン” を組み合わせた場合の可能性を示しています.

“このモデルは, 粉末溶融炉の工場内の熱と湿度が製品の品質と作業者の安全性にどのように影響するかを予測するのに役立ちます” と, MTC のモデリングチームの技術マネージャーである Adam Holloway 氏は述べています. “このアプリは, 工場内のデータフィードと組み合わせることで, 日々の意思決定に予測モデリングを取り入れるのに役立ちます.” MTC のプロジェクトは, シミュレーションを今日の産業労働者の手に直接委ねることの利点を実証し, シミュレーションが製造業の未来を形作るのにどのように役立つかを示しています.

DRAMA を使用した航空宇宙向け積層造形

現代の英国の工場が世界と歩調を合わせられるように, MTC は英国全体で高価値の製造を促進しています. MTC は英国の歴史的な工業都市コベントリーに拠点を置いていますが (図 2), その焦点はあくまで未来にあります. そのため, チームは, 国立の積層造形センター(NCAM) に多大な人的および技術的資源を投入しています.

「AMの導入は, 単に新しい装置を導入するだけではありません. 当社の顧客は, AM工場の運営をサポートするデジタル基盤の導入支援も求めています」とHolloway氏は言います. 「企業向けソフトウェアやデータ接続に加え, シミュレーションをシステムに組み込む方法を模索しています. 」

NCAMの航空宇宙用デジタル再加工可能積層造形技術 (DRAMA）プロジェクトは, この探求のための貴重な場を提供しています. 多くのメーカーと共同で開発されたDRAMA構想には, 先に述べた新しい粉末床溶融積層造形設備が含まれています. そのミニ工場をDRAMAの舞台として, Holloway氏と彼の仲間のシミュレーション専門家は, AM航空宇宙部品の生産を成功させるために重要な役割を担っています.

ソフトマテリアルのソリッドオブジェクトへの付加

製造プロセスを「積層造形」と呼ぶのはなぜでしょうか. また, なぜ多くの産業がAM手法を模索しているのでしょうか. 広義には, 積層造形プロセスとは, 材料を除去したり成形したりするのではなく, 1層ずつ材料を追加していくことで物体を作るプロセスのことを指します. 例えば, 還元的または減法的な方法で部品を製造する場合, まず金属の固まりを作り, それを切断, 穴あけ, 研磨して形状を整えます. 一方, 積層造形法では, まず何もない空間から始めます. 次に, そのスペースに緩い材料や柔らかい材料を (慎重に制御された条件下で）目的の形状になるまで加えていきます. そして, その柔軟な素材を固め, 耐久性のある部品に仕上げます.

材料によって, 造形物の生成や固化の方法は異なります. 例えば, 一般に販売されている3Dプリンターは, 温まったプラスチックフィラメントを巻き取って造形物を作りますが, このフィラメントは, 冷えると自分自身と結合し, 硬くなります. 一方, 金属粉末床溶融法（参考文献1）は, その名の通り, まず粉末状の金属を熱で溶かし, 冷えてから再凝固させる方法です. 図3は, 金属粉末床溶融法で製造された部品です.

熱と湿度が金属粉末のベッド融解に与える影響

「AM手法の市場機会は長い間理解されてきましたが, 大規模な導入には多くの障害がありました」とHolloway氏は言います. 「これらの障害の中には, 製品やAM設備の設計段階で克服できるものもあります. 環境条件がAM生産に与える影響など, その他の問題は, 設備が稼働している間に対処する必要があります. 」

例えば, 熱と湿度の管理は, DRAMAチームにとって不可欠な作業です. 「粉末冶金法 (図4）で使用する金属粉末は, 外的条件に非常に敏感です」とHolloway氏は言います. 「つまり, 保管されている間でも, 酸化したり水分を含んだりする可能性があり, こうしたプロセスは施設内を移動する際にも継続されます. 熱や水分にさらされることで, 流動性, 溶融性, 電荷の取り方, 固化性などが変化します. 」「これらの要因はすべて, 生産するパーツの品質に影響を及ぼします. 」

粉体金属の不注意な取り扱いは, 製品の品質を脅かすだけではありません. 作業者の健康と安全も脅かしかねません. 「AMプロセスに使用される金属粉末は可燃性で毒性があり, 乾燥するとさらに可燃性が高まります. 」とHolloway氏は言います. 「私たちは, 湿度レベルを継続的に測定・管理するとともに, 施設内の粉の緩みをどのように伝搬させるかを管理する必要があります. 」

適切な大気状態を維持するために, メーカーは工場の換気を完全な空調システムで補強することが可能ですが, それは法外なコストがかかる可能性があります. NCAMの試算では, この比較的小規模な施設に空調システムを追加するには, 50万ポンド近くかかるそうです. しかし, このような複雑なシステムを追加することなく, 暑さと湿度を適切に管理することができるとしたらどうでしょう？

マルチフィジックスモデリングによるレスポンシブプロセス管理

マルチフィジックスシミュレーションを使用して入念なプロセス管理を行うことで, 費用対効果の高い代替案を提供できるかもしれません. 「DRAMA プログラムの一環として, COMSOL^® ソフトウェアの数値流体力学 (CFD）機能を使用し て, 施設のモデルを作成しました. 図 5から７では, 有限要素法を用いて, 施設内の空気領域における熱伝導と流体 の流れを記述する偏微分方程式を解いています」と Holloway 氏は言います. 「これにより, 外の天候, 稼働している機械の数, 店内での機械の配置など, 複数の変数によって環境条件がどのように影響されるかを調査することができました. これらの変数を考慮したモデルは, 工場スタッフが換気や生産スケジュールを調整して条件を最適化するのに役立ちます」と説明しています.

工場スタッフの力を高めるシミュレーションアプリ

The DRAMA team made their model more accessible by building a simulation app of it with the Application Builder in COMSOL Multiphysics^® のアプリケーションビルダーを使用してシミュレーションアプリを 作成することにより, モデルをより利用しやすいものにしました (図8）. Holloway 氏は次のように説明します. 「私たちは, 非常に複雑な計算結果を分かりやすく提示しようとしています. 私たちのモデルからアプリを作成することで, スタッフが毎日のシフト中にラップトップで予測シミュレーショ ンを実行できるようにすることができます. 」

アプリのユーザーは, 工場のシフト開始時に関連する境界条件を定義し, 継続的に調整することができます. シフトの途中で, 熱や湿度が変化することは避けられません. そのため, 工場のスタッフは, 部品の品質を維持するために生産スケジュールを変更したり, 風通しを良くするためにドアや窓を開けたりする必要があります. アプリの設定を変更することで, このようなアクションの効果を検証することができます. 例えば, 図10はAM機のビルドチャンバーを開けたときの気温への影響を示す等温面図, 図11は施設のドアを開けたときの気流への影響を示しています.

「工場レベルのデジタルツイン」への一歩

現在のアプリは重要な前進ですが, 作業者が関連データを手動で入力する必要があることに変わりはありません. 今後, DRAMAチームは, より統合的で, したがってより強力なもの, すなわちAM設備のための「デジタルツイン」を構想しています. デジタルツインとは, Ed Fontes が 2019 年に COMSOL ブログに投稿したもので, 「実際の物理的な製品, 装置, またはプロセスを動的かつ継続的に更新した表現」です(参考文献 2）. システムの最も詳細なモデルであっても, 必ずしもそのデジタルツインであるとは限らないことに留意することが重要です.

「工場環境モデルをデジタルツインにするには, まず実際の工場からのライブデータを継続的に提供する必要があります」とHolloway氏は説明します. 「工場モデルがバックグラウンドで動作するようになれば, データフィードに応じて予測を調整し, その予測に基づいた具体的なアクションを提案できるようになります.」

「予測モデルを, 実際の工場とそのスタッフを含むフィードバックループに統合したいのです. 目標は, 現在の工場の状況に対応し, シミュレーションによって将来の状況を予測し, その予測に基づいてシームレスに自己最適化調整を行う全体的なシステムを構築することです」とHolloway氏は言います. 「そうすれば, まさに工場のデジタルツインを構築したと言えるでしょう」.

工場で活躍するシミュレーション

DRAMAシミュレーションアプリは, 完全な工場レベルのデジタルツインを構築するための中間段階として, すでにその価値が証明されています. 「製造業のパートナーは, モデリングがAM設備の計画にどのように役立つかをすでに理解しているかもしれませんが, 運用にどのように役立つかはあまり理解していません」とHolloway氏は述べています. 「ライン作業者がアプリを開き, いくつかの測定値を入力したり, センサーデータをインポートしたりすることで, その日の粉体バッチの挙動を素早く予測することができるのです.」

製造業にとって実用的な洞察に加え, このプロジェクトはより広範な教訓を与えてくれるかもしれません. DRAMA プロジェクトは, 生産ラインとダイナミックシミュレーションモデルを組み合わせることで, 作業全体の安全性, 生産性, 効率性を向上させることに成功しました. DRAMAチームは, モデルを最も効果的な場所, つまり工場の現場で働く人々の手に届けることで, これを達成したのです.