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デジタルプロトタイピングは、コンセプト設計、エンジニアリング、製造、販売・マーケティング部門が、製品を製造する前に、完成品を仮想的に検証することを可能にします。工業デザイナー、製造業者、エンジニアは、デジタルプロトタイピングを使用して、製品開発プロセス全体を通して、製品をデジタルで設計、反復、最適化、検証、視覚化します。CAutoD を使用すると、インテリジェントでほぼ最適な反復を通じて革新的なデジタルプロトタイプを作成でき、複数の設計目標 (最大出力、エネルギー効率、最高速度、費用対効果など) を満たし、複数の評価指標を特定し、開発の手間と市場投入までの時間を短縮できます。マーケターも、製造前に製品の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を作成するためにデジタルプロトタイピングを使用します。企業は、製品開発関係者間のコミュニケーションを改善し、製品をより迅速に市場に投入し、製品イノベーションを促進することを目的として、デジタルプロトタイピングを採用することがよくあります。
デジタルプロトタイピングは、単に製品デザインを3Dで作成するだけにとどまりません。製品開発チームは、可動部品の動作を評価し、製品が故障するかどうかを判断し、さまざまな製品コンポーネントが空気圧または電気のサブシステムとどのように相互作用するかを確認できます。製品デザインの実際のパフォーマンスをデジタルでシミュレーションおよび検証することで、製造業者は製品の製造前に作成する必要のある物理的なプロトタイプの数を減らすことができ、物理的なプロトタイピングに必要なコストと時間を削減できます。[ 1 ]多くの企業は、物理的なプロトタイピングの代わりに、または補完としてデジタルプロトタイピングを使用しています。[ 2 ]
デジタルプロトタイピングは、従来の製品開発サイクルである設計＞構築＞テスト＞修正から、設計＞分析＞テスト＞構築へと変化させます。[ 3 ] 複数の物理的なプロトタイプを作成してテストし、動作するかどうかを確認する代わりに、企業はデジタルプロトタイピングを使用してプロセス全体でデジタルでテストを実行できるため、設計を検証するために必要な物理的なプロトタイプの数を減らすことができます。研究によると、デジタルプロトタイピングを使用して設計上の問題を事前に発見することで、製造業者は後工程での変更指示を減らすことができます。[ 4 ] デジタルプロトタイプの形状は非常に正確であるため、企業は干渉をチェックして、開発のテストおよび製造段階で変更指示が発生する組み立て上の問題を回避できます。[ 5 ]企業はまた、製品開発サイクルの初期段階でシミュレーションを実行することで、テストまたは製造段階での故障モードを回避できます。デジタルプロトタイピングのアプローチを使用すると、企業は製品のより広範囲のパフォーマンスをデジタルでテストできます。[ 5 ]また、設計の反復を迅速にテストして、コンポーネントを過剰設計または過小設計していないかどうかを評価することもできます。
アバディーン・グループの調査によると、デジタルプロトタイピングを使用する製造業者は、平均的な製造業者の半分の数の物理的なプロトタイプを作成し、平均よりも58日早く市場に投入し、プロトタイプ作成コストを48%削減できることが示されています。[ 6 ]
デジタルプロトタイピングの概念は10年以上前から存在しており、特にAutodesk、PTC、Siemens PLM（旧UGS）、Dassaultなどのソフトウェア企業が、正確な3Dモデルを作成できるコンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアの提供を開始して以来、広く普及している。
製品ライフサイクル管理(PLM) アプローチは、デジタル プロトタイピングの先駆けであったとさえ言えるかもしれません。PLM は、開発から廃棄までの製品ライフサイクルに対する統合された情報駆動型のアプローチです。 [ 7 ] PLM の主要な側面は、製品ライフサイクルに関わるすべてのソフトウェア、サプライヤー、およびチーム メンバー間で製品データを調整および管理することです。企業は、製品ライフサイクルの個々のステップをサポートしたり、製品ライフサイクルを最初から最後まで管理したりするために、人、データ、およびプロセスを統合するためのソフトウェア ツールと方法の集合体を使用します。[ 8 ] PLM には、製品ライフサイクルの何らかの側面に参加する社内および社外のチーム間のコラボレーションと理解を促進するために、製品の視覚化が含まれることがよくあります。
デジタルプロトタイピングの概念は、製造企業にとって長年の目標であったが、複雑で高価なPLMソリューションを導入する余裕のない中小規模の製造業者にとって、デジタルプロトタイピングが現実のものとなったのはごく最近のことである。
大手製造企業は、コンセプト開発、設計、エンジニアリング、製造、販売、マーケティングなど、本来は連携していないサイロ化された活動を結びつけるためにPLMに依存しています。PLMは製品開発に対する完全に統合されたアプローチであり、アプリケーションソフトウェアへの投資、実装、企業資源計画（ERP）システムとの統合、エンドユーザーへのトレーニング、そしてテクノロジーを管理するための高度なITスタッフが必要となります。PLMソリューションは高度にカスタマイズされており、実装が複雑で、多くの場合、既存のテクノロジーを完全に置き換える必要があります。PLMソリューションの購入、導入、運用には高額な費用と高度なIT専門知識が必要となるため、多くの中小規模の製造業者はPLMを導入することができません。
デジタルプロトタイピングは、中小規模の製造業者にとってPLMの有効な代替手段です。PLMと同様に、デジタルプロトタイピングは、コンセプト開発、設計、エンジニアリング、製造、販売、マーケティングなど、これまで連携されていなかったサイロ化された活動を連携させることを目指しています。ただし、PLMとは異なり、デジタルプロトタイピングは、構想から廃棄までの製品開発プロセス全体をサポートするのではなく、設計から製造までのプロセスに焦点を当てています。デジタルプロトタイピングの領域は、デジタル製品とエンジニアリング部品表が完成した時点で終了します。[ 9 ]デジタルプロトタイピングは、高度にカスタマイズされた包括的なソフトウェア展開を伴わずに、PLMと同様の多くの問題を解決することを目指しています。デジタルプロトタイピングでは、企業は一度に1つのニーズに対応することを選択し、ビジネスの成長に合わせてこのアプローチをより広範囲に適用することができます。デジタルプロトタイピングとPLMのその他の違いは次のとおりです。
デジタルプロトタイピングのワークフローでは、設計プロセス全体を通して単一のデジタルモデルを使用することで、工業デザイン、エンジニアリング、製造、販売、マーケティングといった作業グループ間に通常存在するギャップを埋めます。ほとんどの製造企業では、製品開発は一般的に以下の段階に分けられます。
コンセプトデザイン段階では、顧客からの意見や市場のニーズ、データを基に製品デザインを作成します。デジタルプロトタイピングのワークフローでは、デザイナーは最初のスケッチからコンセプトデザイン段階全体を通してデジタルで作業します。デザインをデジタルで記録し、共通のファイル形式を使用してエンジニアリングチームとデータを共有します。その後、工業デザインデータがデジタルプロトタイプに組み込まれ、技術的な実現可能性が確認されます。
デジタルプロトタイピングのワークフローでは、デザイナーとそのチームは、高品質のデジタル画像やレンダリングを通してデジタルデザインデータをレビューし、情報に基づいた製品デザイン上の意思決定を行います。デザイナーは、コンセプトが最終決定される前に、素材や配色などを変更しながら、デザインの複数のバージョンを作成・視覚化することができます。
デジタルプロトタイピングワークフローのエンジニアリングフェーズでは、エンジニアは製品の3Dモデル（デジタルプロトタイプ）を作成し、概念設計フェーズで開発された設計データを統合します。チームはまた、開発中のデジタルプロトタイプに電気系統の設計データを追加し、さまざまなシステムがどのように相互作用するかを評価します。このワークフローの段階では、製品開発に関連するすべてのデータがデジタルプロトタイプに完全に統合されます。企業は、ワークフローのエンジニアリングフェーズで、機械、電気、および工業設計データを使用して、製品のあらゆる細部を設計します。この時点で、デジタルプロトタイプは、完成した製品の完全にリアルなデジタルモデルになります。
エンジニアは、設計プロセス全体を通してデジタルプロトタイプをテストおよび検証し、可能な限り最良の設計決定を下し、コストのかかるミスを回避します。デジタルプロトタイプを使用することで、エンジニアは以下のことが可能になります。
統合された計算、応力、たわみ、およびモーション シミュレーションをデジタル プロトタイピング ワークフローに組み込むことにより、企業は物理的なプロトタイピング フェーズを最小限に抑えることで開発サイクルを加速できます。[ 10 ]部分的にまたは完全に自動化された車両とそのセンサー スイートのデジタル プロトタイプを交通の流れと車両ダイナミクスの動的な共同シミュレーションに実装することにより、自動車業界による自動運転機能の開発に仮想テストを含む新しいツール チェーン メソドロジーが利用可能になります。[ 11 ]
また、デジタルプロトタイピングワークフローのエンジニアリング段階では、エンジニアは製造チームが必要とするドキュメントを作成します。
デジタルプロトタイピングのワークフローでは、製造チームが設計プロセスの初期段階から関与します。この情報提供により、エンジニアと製造専門家は設計プロセス全体を通してデジタルプロトタイプ上で連携し、製品をコスト効率よく製造できることを確実にします。製造チームは、製品が意図したとおりに完成する様子を確認し、製造可能性に関する意見を提供できます。企業は、プラスチック部品や射出成形金型のデジタルプロトタイプ上で成形シミュレーションを実行し、設計の製造可能性をテストすることで、金型製作前に潜在的な製造上の欠陥を特定できます。
デジタルプロトタイピングにより、製品開発チームは詳細な組み立て手順を製造チームとデジタルで共有できます。紙の組み立て図面は分かりにくい場合がありますが、デジタルプロトタイプの3Dビジュアライゼーションは明確です。製造チームとエンジニアリングチームが早期に明確な連携を取ることで、製造現場での問題を最小限に抑えることができます。
最後に、製造業者はデジタルプロトタイピングを使用して、工場のレイアウトや生産ラインを視覚化およびシミュレーションできます。これにより、干渉をチェックして、スペースの制約や機器の衝突といった潜在的な問題を検出できます。
デジタルプロトタイピングのワークフロー全体を通して、顧客が関与します。物理的なプロトタイプの完成を待つのではなく、デジタルプロトタイピングを採用する企業は、製品開発プロセスの早い段階で顧客を巻き込みます。製品のデジタルプロトタイプのリアルなレンダリングやアニメーションを顧客に見せることで、製品の外観や機能について理解してもらうことができます。このように早期に顧客を関与させることで、企業は顧客の承認を事前に得ることができ、顧客の期待に応えられない製品の設計、エンジニアリング、製造に時間を浪費することを避けることができます。
デジタルプロトタイプから得られる3D CADデータを用いることで、企業は印刷物、ウェブサイト、カタログ、テレビCMなどで製品を宣伝するためのリアルなビジュアライゼーション、レンダリング、アニメーションを作成できます。高価な実物プロトタイプを製作したり、写真撮影を行ったりする必要なく、現実とほとんど見分けがつかない仮想写真や映像を作成できるのです。その一例として、被写体の照明環境を作り出すことが挙げられますが、これは新たな開発分野です。
リアルなビジュアライゼーションは、マーケティングコミュニケーションだけでなく、販売プロセスにも役立ちます。企業は、物理的なプロトタイプを作成することなく、提案依頼書への対応やプロジェクトへの入札を行うことができます。ビジュアライゼーションを活用することで、潜在顧客に最終製品がどのようなものになるかを示すことができるからです。さらに、ビジュアライゼーションは、最終製品に対する関係者全員の期待値を共有しやすくすることで、より正確な入札を可能にします。また、企業は、受注後のレビュープロセスを円滑に進めるためにもビジュアライゼーションを活用できます。レビュー担当者は、リアルな環境でデジタルプロトタイプを操作できるため、製品開発プロセスの早い段階で設計上の決定事項を検証することが可能です。
デジタルプロトタイピングのワークフローをサポートするために、企業はデータ管理ツールを使用して、ワークフローのあらゆる段階ですべてのチームを調整し、設計変更を効率化し、デジタルプロトタイプのリリースプロセスを自動化し、エンジニアリング部品表を管理します。これらのデータ管理ツールは、すべての作業グループを重要なデジタルプロトタイピングデータに接続します。[ 12 ]
企業は、新製品設計における持続可能性要因を理解し、持続可能な製品やプロセスに対する顧客の要求を満たすために、デジタルプロトタイピングをますます活用しています。複数の設計シナリオを評価して、製品仕様を満たすために必要な材料の最適な量と種類を決定することで、材料の使用を最小限に抑えています。[ 13 ]さらに、必要な物理的なプロトタイプの数を減らすことで、製造業者は材料の無駄を削減できます。
デジタルプロトタイピングは、企業が製品の二酸化炭素排出量を削減するのにも役立ちます。たとえば、革新的な風力タービンを製造するWinWinD社は、さまざまな風況に合わせて風力タービンのエネルギー生産を最適化するためにデジタルプロトタイピングを使用しています。[ 14 ] さらに、デジタルプロトタイピングによって提供される豊富な製品データは、企業が製品関連の環境規制や自主的な持続可能性基準の増加に適合していることを証明するのに役立ちます。