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製造工学または生産工学は、機械工学、化学工学、電気工学、工業工学など、他の工学分野と多くの共通概念や考え方を共有する専門工学の一分野です。製造工学では、製造の実践を計画する能力、ツール、プロセス、機械、設備を研究および開発する能力、最適な資本支出で高品質の製品を生産するための設備とシステムを統合する能力が求められます。[ 1 ]
製造技術者または生産技術者の主な役割は、原材料を最も効果的、効率的、かつ経済的な方法で改良または新製品に変換することです。例えば、企業がコンピュータ統合技術を用いて製品をより迅速に、かつ人的労働力を削減して生産する場合などが挙げられます。
製造工学は、中核となる産業工学と機械工学のスキルを基盤とし、メカトロニクス、商業、経済学、経営管理といった重要な要素を付加したものです。この分野では、物理学の原理や製造システム研究の結果を応用し、以下のような様々な設備やシステムを統合して、高品質な製品を（最適なコストで）生産する方法も扱います。
製造エンジニアは、物理的な製品、生産プロセス、および技術を開発・創造します。これは製品の設計と開発を含む非常に幅広い分野です。製造工学は、産業工学およびシステム工学のサブ分野とみなされており、機械工学と非常に強い重複があります。製造エンジニアの成功または失敗は、技術の進歩とイノベーションの普及に直接影響を与えます。この製造工学の分野は、20世紀初頭に金型分野から生まれました。1960年代以降、工業化された国々が次のような工場を導入したことで、大きく発展しました。
1.数値制御工作機械および自動化生産システム
2．高度な統計的手法を用いた品質管理：これらの工場は、アメリカの電気技師ウィリアム・エドワーズ・デミングによって開拓されましたが、当初は母国アメリカでは無視されていました。しかし、同じ品質管理手法によって、日本の工場は後にコスト効率と生産品質において世界をリードする存在へと成長しました。
3．1970年代後半に導入された工場現場の産業用ロボット：これらのコンピューター制御の溶接アームやグリッパーは、自動車のドアを取り付けるといった単純な作業を24時間体制で迅速かつ完璧に行うことができた。これによりコスト削減と生産速度の向上が実現した。
製造工学の歴史は、19世紀半ばのアメリカと18世紀のイギリスの工場に遡ることができます。中国、古代ローマ、中東にも大規模な国内生産拠点や工房が設立されていましたが、ヴェネツィア造船所は、現代的な意味での工場の初期の例の一つと言えるでしょう。産業革命より数百年前の1104年にヴェネツィア共和国に設立されたこの工場は、製造された部品を用いて組立ラインで船舶を大量生産していました。ヴェネツィア造船所は、ほぼ毎日1隻の船舶を生産し、最盛期には1万6000人を雇用していたようです。
多くの歴史家は、マシュー・ボルトンのソーホー工場（1761年、バーミンガム設立）を最初の近代的な工場とみなしている。同様の主張は、ジョン・ロンブのダービーの絹織物工場（1721年）やリチャード・アークライトのクロムフォード工場（1771年）にも当てはまる。クロムフォード工場は、そこに設置された設備を収容し、様々な製造工程を経て材料を輸送するために特別に建設された。
歴史家のジャック・ウェザーフォードは、最初の工場はポトシにあったと主張している。ポトシの工場は、近隣で採掘された豊富な銀を利用し、銀の延べ棒を加工して硬貨を製造していた。
19世紀のイギリス植民地では、工場とは単に多数の労働者が集まって手作業を行うための建物であり、主に繊維生産に従事していた。これは、家内工業や家内工業といったそれまでの製造方法よりも、個々の労働者への資材の管理と分配において効率的であることが証明された。
綿紡績工場は、蒸気機関や動力織機といった発明品を活用し、19世紀の工業工場の先駆けとなった。そこでは、精密工作機械と交換可能な部品によって、効率性が向上し、無駄が削減された。この経験は、後の製造工学研究の基礎となった。1820年から1850年の間に、機械化されていない工場が、伝統的な職人による工房に代わって、製造業の主流となった。
ヘンリー・フォードは、 20世紀初頭に大量生産という革新的な手法を導入することで、工場の概念、ひいては製造技術に革命をもたらしました。高度に専門化された作業員たちが、一連の回転式スロープに沿って配置され、（フォードの場合は）自動車などの製品を組み立てていきました。この概念は、事実上あらゆる製造品の生産コストを劇的に削減し、消費主義の時代を到来させたのです。
現代の製造工学の研究には、製品の構成部品の製造と統合に必要なすべての中間工程が含まれる。
半導体メーカーや鉄鋼メーカーなど一部の業界では、これらの工程を「製造」と呼んでいます。
自動化は、機械加工や溶接など、製造のさまざまな工程で活用されています。自動化製造とは、工場で製品を生産するために自動化技術を適用することを指します。製造工程における自動化製造の主な利点は、自動化を効果的に導入することで実現され、一貫性と品質の向上、リードタイムの短縮、生産の簡素化、取り扱いの削減、ワークフローの改善、そして従業員の士気の向上などが挙げられます。
ロボット工学とは、メカトロニクスと自動化技術を応用してロボットを製作する学問であり、製造業において危険、不快、または反復的な作業を行うために用いられることが多い。これらのロボットは形状やサイズは様々だが、いずれも事前にプログラムされており、物理的に外界と相互作用する。ロボットを製作する際、エンジニアは通常、運動学（ロボットの可動範囲を決定するため）と力学（ロボット内部の応力を決定するため）を用いる。ロボットは製造工学において幅広く活用されている。
ロボットは、企業が人件費を削減し、人間が経済的に行うには危険すぎる、あるいは精密すぎる作業を代行させ、品質向上を実現することを可能にします。多くの企業がロボットによる組立ラインを導入しており、一部の工場は完全にロボット化され、自動運転が可能になっています。工場以外では、爆弾処理、宇宙探査、その他多くの分野でロボットが活用されています。また、様々な家庭用ロボットも販売されています。
製造エンジニアは、高品質で経済的に競争力のある製品を得るために、統合された生産システムの設計、開発、運用に重点を置いています。[ 2 ]これらのシステムには、マテリアルハンドリング機器、工作機械、ロボット、コンピュータ、またはコンピュータネットワークが含まれる場合があります。
製造エンジニアは、製造工学を専攻とする工学系の準学士号または学士号を取得しています。このような学位取得には通常2～5年かかり、その後さらに5年間の実務経験を積むことで、プロフェッショナルエンジニアの資格が得られます。製造エンジニアリングテクノロジストとして働くには、より応用的な資格取得経路が必要となります。
製造エンジニアの学位は通常、工学準学士または工学学士（BEまたはBEng）、および理学準学士または理学学士（BSまたはBSc）です。製造技術者に必要な学位は、大学によって異なりますが、製造分野の技術準学士または技術学士（B.TECH）または応用科学準学士または応用科学学士（BASc）です。製造工学の修士号には、製造工学修士（MEまたはMEng）、製造管理理学修士（M.Sc）、産業・生産管理理学修士（M.Sc）、および製造のサブ分野である設計理学修士（M.Sc）と工学修士（ME）が含まれます。大学によっては、製造分野の博士課程（PhDまたはDEng）も受講可能です。
学部課程のカリキュラムは、一般的に物理学、数学、コンピュータサイエンス、プロジェクトマネジメント、そして機械工学および製造工学の特定のトピックに関する科目で構成されています。当初は、これらの科目は製造工学のほとんど、あるいはすべての分野を網羅しています。その後、学生は学位取得の終盤で、1つまたは複数の専門分野を選択します。
製造工学または生産工学の学士号取得のための基礎カリキュラムは、以下のシラバスで構成されています。このシラバスは、工業工学や機械工学と密接に関連していますが、製造科学または生産科学に重点を置いている点で異なります。具体的には、以下の分野が含まれます。
製造工学の学位は、通常、機械工学の学位といくつかの専門科目を除いて違いはありません。機械工学の学位は、製品設計プロセスや複雑な製品に重点を置いており、より高度な数学的専門知識を必要とします。
資格認定と免許
一部の国では、「プロフェッショナル エンジニア」は、登録または免許を取得し、専門的なサービスを一般の人々に直接提供することが許可されているエンジニアを指す用語です。プロフェッショナル エンジニア（米国では PE、カナダでは P. Eng. と略される）は、北米における免許の名称です。この免許を取得するには、候補者は米国でABET認定大学の学士号を取得し、州の試験に合格し、通常は体系的なインターンシップを通じて得られる 4 年間の実務経験が必要です。米国では、最近の卒業生は、この免許取得プロセスを 2 つの段階に分けるオプションがあります。多くの場合、卒業直後に基礎工学（FE）試験を受け、選択した工学分野で 4 年間働いた後に工学原理と実務試験を受けます。
米国製造技術者協会（SME）認定資格
米国ミシガン州ディアボーンに本部を置く製造技術者協会（Society of Manufacturing Engineers）は、製造業に特化した資格認定制度を運営しています。これらの資格は学位レベルのものではなく、専門技術者レベルでは認められていません。以下の説明は、米国における資格認定制度のみを扱います。認定製造技術者資格（CMfgT）の取得には、3時間、130問の多肢選択式試験に合格する必要があります。試験範囲は、数学、製造プロセス、製造管理、自動化、および関連分野です。さらに、受験者は、教育と製造関連の実務経験を合わせて4年以上有している必要があります。
認定製造技術者（CMfgE）は、米国中小企業協会（SME）が認定する技術者資格です。認定製造技術者資格を取得するには、CMfgT試験よりも詳細な内容を網羅した、4時間、180問の多肢選択式試験に合格する必要があります。また、CMfgEの受験者は、教育と製造関連の実務経験を合わせて8年以上有する必要があり、そのうち最低4年間は実務経験が必要です。
認定エンジニアリングマネージャー（CEM）資格は、教育と製造業での実務経験を合わせて8年以上有するエンジニアを対象としています。試験時間は4時間で、160問の多肢選択式問題が出題されます。CEM認定試験では、業務プロセス、チームワーク、責任感、その他マネジメント関連の分野が問われます。
多くの製造企業、特に先進国の企業は、2Dおよび3Dソリッドモデリングによるコンピュータ支援設計（CAD）を含む、コンピュータ支援エンジニアリング（CAE）プログラムを既存の設計および解析プロセスに組み込み始めています。この手法には、製品の視覚化がより容易かつ包括的になること、部品の仮想アセンブリを作成できること、嵌合インターフェースや公差の設計が容易になることなど、多くの利点があります。
製品メーカーが一般的に使用するその他のCAEプログラムには、製品ライフサイクル管理（PLM）ツールや、複雑なシミュレーションを実行するための解析ツールなどがあります。解析ツールは、疲労寿命や製造性など、想定される負荷に対する製品の応答を予測するために使用できます。これらのツールには、有限要素解析（FEA）、計算流体力学（CFD）、コンピュータ支援製造（CAM）などがあります。
CAEプログラムを使用することで、機械設計チームは設計プロセスを迅速かつ低コストで反復し、コスト、性能、その他の制約条件をより適切に満たす製品を開発できます。設計がほぼ完了するまで物理的なプロトタイプを作成する必要がないため、比較的少数の設計ではなく、数百、数千もの設計を評価することが可能になります。さらに、CAE解析プログラムは、粘弾性、嵌合部品間の複雑な接触、非ニュートン流体など、手作業では解決できない複雑な物理現象をモデル化できます。
製造工学がメカトロニクスなどの他の分野と連携しているのと同様に、多分野設計最適化（MDO）も他のCAEプログラムと連携して、反復的な設計プロセスを自動化および改善するために活用されています。MDOツールは既存のCAEプロセスを補完し、アナリストが業務を終えて帰宅した後も製品評価を継続できるようにします。また、高度な最適化アルゴリズムを活用して、よりインテリジェントに設計の可能性を探り、困難な多分野設計問題に対して、より優れた革新的な解決策を見出すことができます。
製造エンジニアリングのビジネス面では、企業資源計画（ERP）ツールはPLMツールと重複することがあり、コネクタプログラムとCADツールを使用して図面を共有したり、改訂版を同期したり、部品番号や説明など、上記の他の最新ツールで使用される特定のデータのマスターとなることができます。
製造工学は世界的に重要な学問分野です。国によって呼び方が異なります。米国と欧州連合大陸では一般的に工業工学として知られており、英国とオーストラリアでは製造工学と呼ばれています。[ 3 ]
力学とは、最も広義には、力とその物質への影響を研究する学問である。一般的に、工学力学は、既知の力（荷重とも呼ばれる）または応力の下での物体の加速度と変形（弾性変形と塑性変形の両方）を解析および予測するために用いられる。力学の下位分野には以下が含まれる。
エンジニアリングプロジェクトで車両を設計する場合、静力学を用いて車両のフレームを設計し、応力が最も集中する箇所を評価することができます。動力学は、エンジンのサイクル中にピストンやカムにかかる力を評価するために、エンジンの設計に用いられることがあります。材料力学は、フレームやエンジンの製造に適した材料を選択するために用いられることがあります。流体力学は、車両の換気システムを設計したり、エンジンの吸気システムを設計したりするために用いられることがあります。
運動学とは、物体（オブジェクト）やシステム（オブジェクトのグループ）の運動を、その運動を引き起こす力を無視して研究する学問です。クレーンの動きとエンジンのピストンの振動は、どちらも単純な運動システムです。クレーンは開運動連鎖の一種であり、ピストンは閉じた4節リンク機構の一部です。エンジニアは通常、機構の設計と解析に運動学を用います。運動学を用いることで、特定の機構の可能な可動範囲を求めることができ、逆に、望ましい可動範囲を持つ機構を設計することも可能です。
製図、または技術図面は、製造業者が部品製造のための指示書を作成する手段です。技術図面は、部品の製造に必要なすべての寸法、組み立てに関する注意事項、必要な材料リスト、その他の関連情報を示すコンピュータモデルまたは手描きの概略図です。技術図面を作成する米国のエンジニアまたは熟練労働者は、製図者または製図担当者と呼ばれることがあります。製図は従来、2次元のプロセスでしたが、現在ではコンピュータ支援設計（CAD）プログラムにより、設計者は3次元で作成できるようになりました。
部品を製造するための指示は、手動、プログラムされた指示、またはコンピュータ支援製造（CAM）もしくはCAD/CAM複合プログラムを使用して、必要な機械に入力する必要があります。場合によっては、エンジニアが技術図面を使用して手動で部品を製造することもありますが、コンピュータ数値制御（CNC）製造の登場により、これはますます稀になっています。エンジニアが手動で部品を製造する主な分野は、スプレーコーティング、仕上げ、および機械では経済的にも実用的にも実行できないその他のプロセスです。
製図は、機械工学および製造工学のほぼすべての分野、そしてその他多くの工学および建築分野で用いられています。CADソフトウェアを用いて作成された3次元モデルは、有限要素解析（FEA）や計算流体力学（CFD）でも一般的に使用されています。
工作機械は、切削や成形を行うための何らかの工具を使用します。すべての工作機械には、加工対象物を拘束し、機械部品のガイドされた動きを提供する何らかの手段が備わっています。 金属加工とは、切断、曲げ、組み立ての工程を経て金属構造物を構築することです。
コンピュータ統合生産（CIM）とは、コンピュータを用いて生産工程全体を制御する製造手法である。コンピュータ統合生産は、自動車、航空、宇宙、造船などの産業で活用されている。
メカトロニクスは、電気システム、機械システム、製造システムの融合を扱う工学分野です。このような複合システムは電気機械システムと呼ばれ、広く普及しています。例としては、自動製造システム、暖房・換気・空調システム、各種航空機および自動車のサブシステムなどが挙げられます。
メカトロニクスという用語は一般的にマクロスケールのシステムを指すのに用いられるが、未来学者たちは極めて小型の電気機械装置の出現を予測している。すでに、マイクロ電気機械システム （MEMS）と呼ばれるこうした小型装置は、自動車のエアバッグ展開、デジタルプロジェクターの鮮明な画像生成、インクジェットプリンターの高精細印刷用ノズル生成などに利用されている。将来的には、こうした装置が小型の埋め込み型医療機器や光通信の改良にも活用されることが期待されている。
繊維工学のコースでは、繊維、織物、アパレルの製造工程、製品、機械のあらゆる側面における設計と制御に、科学的および工学的原理を応用することを学びます。これには、天然素材と人工素材、材料と機械の相互作用、安全衛生、省エネルギー、廃棄物および汚染対策などが含まれます。さらに、学生は工場設計とレイアウト、機械および湿式工程の設計と改善、繊維製品の設計と製作に関する実務経験を積みます。繊維工学のカリキュラム全体を通して、学生は機械工学、化学工学、材料工学、工業工学など、他の工学分野の授業も受講します。
先進複合材料（ACM）は、先進ポリマーマトリックス複合材料とも呼ばれます。これらは一般的に、他の材料と比較して非常に高い強度と非常に高い剛性または弾性率を持つ繊維を、より弱いマトリックスで結合した構造を特徴としています。先進複合材料は、航空機、航空宇宙、スポーツ用品分野で幅広く実績のある用途があります。さらに具体的には、ACMは航空機や航空宇宙の構造部品に非常に魅力的です。ACMの製造は、世界中で数十億ドル規模の産業です。複合材料製品は、スケートボードからスペースシャトルの部品まで多岐にわたります。この産業は、一般的に工業用複合材料と先進複合材料の2つの基本的なセグメントに分けられます。
製造工学は、製造業におけるエンジニアリングの一分野です。製造エンジニアは、生産工程を最初から最後まで改善します。彼らは、工程の特定の部分に焦点を当てながらも、生産工程全体を常に念頭に置いています。製造工学の学位取得を目指す優秀な学生は、木材などの天然資源から始まり、机などの実用的で価値のある製品を効率的かつ経済的に生産するという概念に刺激を受けています。
製造エンジニアは、エンジニアリングおよび工業デザインの取り組みと密接に関わっています。米国で製造エンジニアを雇用している主要企業の例としては、ゼネラルモーターズ、フォード・モーター、クライスラー、ボーイング、ゲイツ・コーポレーション、ファイザーなどが挙げられます。ヨーロッパでは、エアバス、ダイムラー、BMW、フィアット、ナビスター・インターナショナル、ミシュランタイヤなどが挙げられます。
製造エンジニアが一般的に雇用される産業には、以下のようなものがあります。
フレキシブル生産システム（FMS）とは、予測された変化であろうと予測されなかった変化であろうと、システムが変化に対応できる柔軟性を備えた製造システムのことです。この柔軟性は一般的に2つのカテゴリーに分類され、それぞれに多数のサブカテゴリーがあります。1つ目のカテゴリーである機械の柔軟性は、新しい製品タイプを生産するためにシステムを変更できる能力と、部品に対して実行される作業の順序を変更できる能力を指します。2つ目のカテゴリーであるルーティングの柔軟性は、複数の機械を使用して部品に対して同じ作業を実行できる能力と、生産量、生産能力、または生産能力などの大規模な変化に対応できるシステムの能力を指します。
ほとんどのFMSシステムは、3つの主要システムで構成されています。多くの場合、自動化されたCNC工作機械である作業機械は、部品の流れを最適化するためのマテリアルハンドリングシステムと、材料の移動と機械の流れを制御する中央制御コンピュータによって接続されています。FMSの主な利点は、新製品を製造する際の時間や労力といった製造リソースの管理における高い柔軟性です。FMSの最適な活用例は、大量生産から少量の製品を生産する場合に見られます。
エンジニアリングにおけるコンピュータ統合製造（CIM）とは、製造プロセス全体をコンピュータで制御する製造手法です。従来は分離されていたプロセスが、CIMによってコンピュータを介して統合されます。この統合により、プロセス間で情報交換や動作の開始が可能になります。この統合によって、製造はより迅速かつエラーの少ないものになりますが、最大の利点は自動化された製造プロセスを構築できることです。CIMは通常、センサーからのリアルタイム入力に基づく閉ループ制御プロセスに依存しています。また、フレキシブル設計・製造とも呼ばれています。
摩擦攪拌接合は、1991年に溶接協会によって発見されました。この革新的な定常状態（非溶融）溶接技術は、これまで溶接不可能だったアルミニウム合金を含む様々な材料を接合します。将来の航空機製造において重要な役割を果たす可能性があり、リベットに取って代わる可能性も秘めています。現在までにこの技術が使用されている用途としては、スペースシャトルのアルミニウム製メイン外部燃料タンク、オリオン有人宇宙船試験機、ボーイングのデルタIIおよびデルタIV使い捨てロケット、スペースXのファルコン1ロケットの継ぎ目の溶接、強襲揚陸艦の装甲板、エクリプス・アビエーションの新型航空機エクリプス500の翼と胴体パネルの溶接などがあり、用途はますます拡大しています。
その他の研究分野としては、製品設計、MEMS（微小電気機械システム）、リーン生産方式、インテリジェント製造システム、グリーン製造、精密工学、スマート材料などが挙げられる。