産業機械におけるデジタル ツイン・シミュレーション　デジタルインダストリーズソフトウェア

デジタルインダストリーズソフトウェア 産業機械におけるデジタル ツイン・シミュレーション 製品と運用を改革する能力に変革を起こす エグゼクティブ・サマリー 技術の急速な進歩により、産業機械メーカーは新たなデジタライゼーション・ツールを 導入して機械の設計、エンジニアリング、運用のバリューチェーン全体を効率化しようと 努めています。複雑化する製品やプロセス、そしてそれらと顧客や環境とのかかわりにつ いて理解する手段として、産業機械メーカーはますますデジタルツインに期待を寄せて います。 しかしこうした取り組みは、ゼロから始めなければならないのでしょうか。 自動車業界や航空宇宙業界など、すでに数十年も前からシミュレーションを活用してき た業界の経験を産業機械メーカーが学ぶことで、デジタル・イノベーション戦略を機械 業界向けに改良できます。各業界でデジタライゼーションが加速するなか、いち早くシ ミュレーションを取り入れてきた業界の知見や実装戦略こそが産業機械メーカーにとっ ての良い参考事例となるでしょう。 siemens.com/software

ホワイトペーパー – 製造におけるデジタルツイン・シミュレーション はじめに 産業機械メーカーは、特に物理資産の包括的なデジ 実際の最終製品を再現する効率的なデジタル・ワー タルツインを構築するために、デジタライゼーション クフローと運用インフラを築くには、5Gや産業用IoT 技術への投資を優先しています。ここ数年、システム・ (IIoT)、マルチフィジックス・シミュレーション、テスト・ソ エンジニアリングやシミュレーションベース設計、連携 リューションなど、さまざまな技術を融合させる必要が 的なマルチフィジックス・エンジニアリングなど、モデ あります。シミュレーションで得た知見を製品ライフサイ リング、シミュレーション、テストのあらゆる側面が大 クル全体に取り入れれば、デジタライゼーションへの投 幅に進化してきました。 資効果を最大限に引き出すことができます。 イノベーションを促進 イノベーションやカスタマイズ、規制要件によって製 産業機械は競争が激しく、差別化しにくい分野であるた 品の複雑化が爆発的に進むなか、製造企業はイノ め、製造企業にとっては、デジタル・ソリューションへの ベーションを加速するためにデジタライゼーション技 投資が顧客を獲得する鍵です。デジタルツインを使って 術への投資を増やしています。ボストン・コンサルティ 知見や感情を伝え、共感を示すことで、機械のイノベー ング・グループによると、デジタル成熟度がトップクラ ションのあり方を変え、運用のビジネスモデルを変革す スの産業機械メーカーは、6%の収益成長率と9%の ることが期待されています。最近の技術的な進歩 (5G、 利益成長率 (いずれも年平均) を達成しており、業績 IoT、ソフトウェア、ハードウェア、センサー) を既存の 不振の企業をはるかに上回っています。また、サービ ツールと組み合わせて、デジタルを大規模に活用した ス・オペレーション、ラピッド・プロトタイピング、イノ 未来のエンタープライズに変革する夢を実現し、インダ ベーション、新規事業の開拓に秀でており、実現の難 ストリー4.0が約束するコストの削減を果たしましょう。 しさにもうまく対処しています1。 トップレベルのデジタル成熟度を持つ産業機械 メーカーは、収益が年平均6%、利益が9%成長して おり、業績不振の企業をはるかに凌駕しています。 BCG シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェア  2

ホワイトペーパー – 製造におけるデジタルツイン・シミュレーション 包括的なデジタルツインによる迅速なイノ ベーションと4つの重要な要素 産業機械メーカーは、多くのニーズを抱えています。既 新素材や既存の枠にとらわれない新しい製造技術への 存の投資を活かして収益性の高い製品から最大限の利 急速な移行や、ソフトウェアおよび電子機器の大幅な増 益を得ながら、成長の新たな領域に絶えず挑戦 (未来 加によって、機械の設計、開発、保守・運用は複雑化して のイノベーションの選択肢を最大化) しています。未来 います。技術の進化に後押しされて製品イノベーション に目を向けている機械業界の原動力となっているのは はかつてない盛り上がりを見せていますが、製造企業 イノベーションです。イノベーションによって、お客様を は、顧客の期待に応えるために爆発的な数の課題に対 喜ばせる新しい機能を実現し、パフォーマンスの改善や 応しなければなりません。幸いにも、航空宇宙産業のよ ユーザー・エクスペリエンスの向上をもたらすことがで うな多額の投資が必要な業界が一足先に同様の課題と きるからです。 向き合っていました。航空宇宙業界は、デジタルツイン をはじめとする、統合型のマルチフィジックスおよびマ ここ数年、さまざまな技術の融合によって、製品を作る ルチスケール・シミュレーション・モデルを活用すること 方法が大きく変わってきました。新しい素材や、ジェネ で、「製造してからテストして、欠陥を修正する」やり方か レーティブ・エンジニアリング、革新的な製造プロセス ら「製造する前に飛行する」やり方へと一気に進化しまし を活用すれば、これまで想像もつかなかったような形 た。 状を生み出すことができます。OTA (Over-the-Air) によ る基本アップデートの配信から、ユーザーの製品利用 仮想のデジタルツインは、製品が実際の運用段階で課 に関する詳細な知見にいたるまで、IoT技術はこれまで 題に直面するたびに進化しながら、素早く知見を提供 にない可能性をもたらしています。また、ソフトウェアと し、複雑さを競争力に変えていきます。包括的なデジ ハードウェアを機械ユニットに統合して、エネルギー効 タルツインは、ハイエンド製品の設計、製造、アフター・ 率の良いカスタマイズ機械を実現する新たな可能性が サービスを実現する効率的な方法です。市場をリードす 開きました。しかしその結果、製品だけでなく、製品を設 るデジタル・ファースト (デジタル最優先) 企業を詳しく 計するプロセスの複雑化も招いています。 調べてみると、シミュレーションとテストがデジタルツイ シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェア  3

ホワイトペーパー – 製造におけるデジタルツイン・シミュレーション ンの心臓部とも言える重要な役割を果たしていること ファースト (デジタル最優先) の評価手法を活用し始め がわかります。産業機械でデジタルツイン・シミュレー ています。 より迅速な製品イノベーションを繰り返し確 ションを活用するには、4つの重要な要素が不可欠で 実に行える企業が、大成功を収めると言えます。 す。 連携を保つ 複雑さをモデル化 製品開発がますます多面化するにつれて、チーム間の 業界の先駆者たちは、絶えず新しい製品やサービス、機 不整合が発生するケースが増えます。開発は、さまざま 能、オプションを提供して、複雑化が高度に進んだ世界 な部門で同時に進行します。ある部門には最適な決定 で他社との差別化を図っています。そのなかで、あらゆ でも、別の部門には適切ではなく、開発の遅れや、最悪 る種類の課題に直面します。製造企業が直面する共通 の場合、製品化後の故障を招くことがあります。そのた の課題は、複雑さをいかに競争力に変えるかということ め、関連する部門全体を連携させるソリューションが必 です。複雑さを支配している物理学と、その物理学と運 要です。最新ではないデータを使って処理エラーを起こ 用環境、材料パラメーター、パフォーマンスの関係性を すことがないように、最新のデータを使ったデジタル・ 理解することが非常に重要です。 ワークフローを築くことが非常に重要です。 1D/3D/物理テストを含む正確なコラボレーション型の ここで挙げた4つの分野は、シーメンスデジタルインダ マルチフィジックス・モデリング・ツールを使って、幾何 ストリーズソフトウェアがSimcenter™ソフトウェアで最 形状から物理特性、材料、使用環境にいたる複雑さをモ 先端のソリューションを顧客に提供するために多額の デル化することで、最良の方法でパフォーマンスを予測 投資を行っている分野とも一致しています。 または属性を評価できます。高精度なモデルは、予測の 信頼性を高め、より迅速な決断を可能にします。 SimcenterはXcelerator Shareとの接続機能がありま す。Xcelerator Shareは、エンジニアリング主体のクラ 可能性を探る ウドベース・ソリューションであり、自在なコラボレー ここ10年間で計算能力や最適化アルゴリズムが向上す ションをサポートします。チームの規模に関係なく、設 るにつれて、モデリング技術も進化してきました。企業 計者や管理者、テスト・エンジニア、サプライヤー、顧客 は複雑なモデルをシミュレーションし、考え得る結果を といった関係者のアクセスを適切に制御しながら安全 効率的に探り、新たな競争の世界を果敢に生き抜く必 にコラボレーションを促進します。その結果、プロジェク 要があります。設計空間を体系的かつインテリジェント トに応じてワークスペースを拡張・縮小できるので、製 に探索することで、各業界のトップ企業は新しい設計案 品開発に高い柔軟性をもたらします。プロジェクト・メン の発見からパフォーマンスの最適化、堅牢性の向上に バーは、いつでも、どのデバイスからでも、設計データ いたるまで、すべてを実際に即した仮想環境で実現し、 の参照やマークアップ、シミュレーション・テンプレート 多大な価値を享受し始めています。 の共有、シミュレーション結果の確認が可能です。 より迅速に エンジニアリングが複雑化するにつれて、時間やコス ト、品質問題といったプレッシャーに苦しむ企業にはさ らなる負担がのしかかり、製品に関する適切な意思決 定も遅れがちです。こうした状況下でも、収益性を維持 するために、市場や競争環境、顧客の嗜好の変化に迅 速に対応しなければなりません。先駆的な製造企業は、 Siemens Xceleratorポートフォリオの中心的な 迅速に対応して複雑化のリスクを緩和するために、従 ツールであるSimcenterは、システム・シミュレー 来の設計-試作-テストというサイクルを改め、デジタル・ ションから機械シミュレーション、数値流体力学 (CFD) シミュレーション、電磁および電子機器の 冷却と物理的なテストまで、エンジニアリングの あらゆる手法に対応しています。それぞれのエン ジニアリング領域は、設計探索や解析、ワークフ ロー自動化、シミュレーション、データ管理によっ てさらに強化されています。 シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェア  4

ホワイトペーパー – 製造におけるデジタルツイン・シミュレーション 機械のイノベーションを加速させる戦略 マルチフィジックス機能を設計者に提供 システム規模で考える 設計エンジニアは以下の理由により、自ら下す意思決 最新の機械は、高度な制御アルゴリズムを備え、相互接 定の影響について深く理解しておく必要があります。 続されたシステムです。エンジニアは、一次的な影響を • 開発コストの7～8割近くは初期の構想段階で決定 超えた全体を把握できるソリューションを必要としてい した内容によって決まる ます。例えば、1つのコンポーネントまたはサブシステ • 問題個所を修正するコストは構想段階から製造段 ムの属性を変更することで、アーキテクチャや他のサブ 階へと工程が進むほど増加する システムのパフォーマンスにどのような影響があるの かを理解する必要があります。システム・シミュレーショ システム動作の最適化や、アディティブ・マニュファク ン・ツールであるSimcenter Amesim™ソフトウェアは、 チャリング (AM) などの新たな製造技術の導入、さら 要件をサブシステムの仕様としてモデル化するための には複合材をはじめとする軽量新素材の採用など、 豊富なライブラリー一式を備えており、最終製品に統合 イノベーションの取り組みに力を入れたとしても、知 する前にシステムやコンポーネントのパフォーマンスを 見を深め、製品の失敗やコスト超過を回避するには、 仮想的に評価することができます。エンジニアは、アク 早い段階から頻繁にシミュレーションを実施するこ チュエーターやコンポーネントの正しい寸法定義から とが不可欠です。設計者はしばしば、新たなモデリン バーチャル・コミッショニングにいたるまで、アーキテク グ・ツールの習得や、シミュレーションの高度な知識 チャ関連のあらゆる選択を初期の構想段階から評価す の欠如といった障壁に直面します。しかし、CAD (コン ることができます。 ピューター支援設計) 環境にマルチフィジックス機能 を直接組み込むことで、設計者が適切な意思決定を Simcenter Amesimはシーメンスデジタルインダスト 下せるようになります。 リーズソフトウェアが提供する包括的なソフトウェアと ビジネス上のメリット: サービスの統合ポートフォリオ、Siemens Xceleratorの • 設計パフォーマンスを早期に把握 一部です。 • 最終設計を検証する時間を短縮 ユーザー事例 シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェア  5

ホワイトペーパー – 製造におけるデジタルツイン・シミュレーション サイロ化を解消して人、技術、プロセスを連携 テストとシミュレーションを賢く組み合わせる この従来から続く非効率な縦割りの製品エンジニアリ 機械の開発プロセスとその最終製品の要件は急速に ングのあり方を改善したいと考えています。最新の技術 進化しています。システムのマルチフィジックス特性 を使えば、シミュレーションと物理的なテストの間の情 が変化するにつれて、実際のパフォーマンスを効果的 報交換を容易にして、製品エンジニアリングを加速する に予測するための新たなエンジニアリング技術が生 ことができます。開発サイクル全体を通じてシミュレー まれました。ただし、シミュレーション・モデルの精度 ションと効率的な物理テストをインテリジェントに組み を確かめるには、依然として試作機や最終モックアッ 合わせることで、モデリング・ツールへの投資効果を最 プによる実地試験が必要です。革新的な製造企業は、 大化します。 シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェア  6

ホワイトペーパー – 製造におけるデジタルツイン・シミュレーション シミュレーションとテストを相互連携させたこの手法 • 現代の機械は、機械、電子機器、制御アルゴリズムで は、取り組む課題に応じて3つに分類されます。 構成されています。制御ロジックが入力に応じて適 切に機能するようにするために、物理テストとシミュ • シミュレーション・モデルの精度は、さまざまな物理 レーション・モデリングを並行して実施し、製品機能を 方程式やシステム定数によって変わってきます。した より迅速に開発する必要があります (ハードウェア・ がって、シミュレーションでシステム・パフォーマンス イン・ザ・ループ (HiL) など)。 を予測する前に、シミュレーション・モデルの精度を 定量化する必要があります。物理的なテストから得た • シミュレーション結果は、事前試験など、効率的な実 データを使うことで、エンジニアはシステムの物理特 地試験を設定するための入力値 (センサーの数や位 性を正確に評価することができます。 置) として使用します。 ジェネレーティブ・エンジニアリング ロバスト設計や、設計探索、設計合成技術をAI (人工知 ジェネレーティブ・デザインは、基準や要件から形状お 能) ベースのその他の手法と組み合わせています。機械 よびデザインを生み出す着実さと有効性が実証され 学習 (ML) やディープ・ラーニング手法もここに含まれ ています。航空宇宙メーカーや自動車メーカーは、ジェ ており、複数領域にまたがる複雑な要件を満たした、最 ネレーティブ・デザインをサブシステム・レベルやコン 適なアーキテクチャ設計案を見つけることができます。 ポーネント・レベルで適用することで、革新的なデザイ ンを実現しています。ジェネレーティブ・エンジニアリン グは、ジェネレーティブ・デザインの主要コンセプトを ベースに発展させたものであり、製品設計のシステムレ ベルの全体像を提供します。コンピューターで拡張した シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェア  7

ホワイトペーパー – 製造におけるデジタルツイン・シミュレーション 機械学習/ 履歴データ データ・サイエンス/ シミュレーション・ファ MOR イル - 3Dおよびプロセスモ デル データ 予測 • 仮想センサー • モデル予測制御 モデルの調整/妥当性確認 継続的なエンジニアリング • 機械の状態をリアルタイムに監視することで、予期せ 前述のような複雑なシステムやシミュレーション・モデ ぬオペレーションの停止を削減し、必要に応じて予知 ルを解析し、構成を調整して動作を最適化することは、 保全を実施できます。 設計段階および運用段階においても引き続き重要で • ビジュアルを駆使したインタラクティブな3Dデモを す。シミュレーション・モデルは絶えず進化するものであ 使って、現場のサポート・エンジニアを教育することも り、製品エンジニアリングの範囲を超えて再利用されま 可能です。 す。 デジタルツインは、バーチャル・コミッショニングをサ • デジタルツインを実物の機械と合わせて用いると、実 ポートします。また、実行可能なデジタルツインという形 物のセンサーでは測定が不可能または測定コストが でエッジ・コンピューティングを実現することで、迅速な 高すぎるパラメーターでも測定が可能です。このよう オンライン診断にも利用できます。 なデジタルモデルから得た知見を活用して、製造オペ レーションの最適化や保守・整備の綿密な計画立案 に役立てることができます。 まとめ 人材の知恵に頼って競争力を維持することの多かった デジタルツインは、製造業が製品と運用を改革する能 産業機械メーカーは、デジタライゼーションへ多額の投 力に変革を起こしています。このホワイトペーパーは、 資を始めています。慎重な組織であれば、他の業界を参 開発サイクル全体を通じてシミュレーションおよびテス 考にしながらデジタライゼーションを成功させるための ト・ポートフォリオがいかに製品の仮想デジタルツイン 詳細な計画を立てることができます。 を支えており、縦割りによるサイロ化を解消して、透明 性とコラボレーションを向上しているのかについて考 察しました。 参考文献 1. https://www.bcg.com/publications/2023/why-digitization-is-so-important-to-industrial-machinery シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェア  8

シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェア シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェアは 、S i e m e n s Xceleratorビジネス・プラットフォームのソフトウェア、ハードウェア、 北米・中南米: 1 800 498 5351 サービスを最大限に活用し、あらゆる規模の組織がデジタル・トラ ヨーロッパ・中東・アフリカ: 00 800 70002222 ンスフォーメーションを実現する支援をします。シーメンスのソフト ウェアと総合的なデジタルツインにより、企業は設計、エンジニアリ アジア・太平洋: 001 800 03061910 ング、および製造プロセスを最適化し、現在のアイデアを将来の持続 そのほかのお問い合わせ先はこちらをご覧ください。 可能な製品に転換できるようになります。シーメンスデジタルインダ ストリーズソフトウェアは、チップからシステム全体、そして製品から プロセスに至るまで、あらゆる産業において変革を加速させます。 Siemens Digital Industries Software – Accelerating transformation. siemens.com/software © 2025 Siemens. 関連するシーメンスの商標はこちらに記載され ています。その他の商標はそれぞれの所有者に帰属します。 83756-D9-JA 8/25 LOC