製品開発におけるシミュレーションとテストの役割

製品開発におけるシミュレーション とテストの役割 Lifecycle Insightsによる『デジタル・トランスフォーメーションの投資利益率調査』の結果

『DXのROI調査』の結果 変更指示の数 製品レベルでの試作とテストの回数 10.7 9.7 Lifecycle Insightsは製造企業がデジタル・トランスフォーメー 8.7 8.7 8.7 7.6 ションに取り組む要因となった問題点を定量化し、製品や開 発の複雑さを測定し、デジタル・トランスフォーメーションへ の取り組みのROIを調べるために、『2021年デジタル・トラ ンスフォーメーション (DX) の投資利益率調査』を実施しま した。 最も遅れている企業 最も先進的な企業 最も遅れている企業 最も先進的な企業 シミュレーションとテストは、製品開発プロセスにおいて Lifecycle Insightsの『2021年DXのROI調査』の結果によると、最も先進 非常に重要な部分です。その価値は設計から製品のメ 的な企業は変更指示が少なく、試作とテストの回数も少ないことがわか りました。 ンテナンスや点検修理にまで及びます。また、より良い 製品づくり、安全プロフィールの向上、市場投入の加速 在庫日数 電子基板システムの手戻り回数 にも貢献します。製品の改良は顧客満足度の向上に もつながります。『DXのROI調査』の結果によると、シ 16.9 ミュレーションを使用している企業は、必要な試作 6.5 や設計変更指示 (ECO) の数が少なく、在庫日数も 14.9 短いことがわかりました。 5.9 14.1 5.6 この電子ブックは、製品開発および製造プロセス を合理化するうえで、シミュレーションとテスト 最も遅れている企業 最も先進的な企業 最も遅れている企業 最も先進的な企業 が果たす役割を明らかにします。セクションごと に、最も先進的な企業と最も遅れている企業を 重要なビジネス・パラメーターに関して比較 し、DXのROIを考察します。 2 – 製品開発にのジおレけンるマシミュレーションとテストの役割

システム・アーキテクチャとコンセプトの開発 今日の製品は、電子機器、電気システム、ソフトウェアで構成されて しかし、システムモデルを構築したからといって、成功が保証される います。その結果、複数のエンジニアリング領域にまたがる設計要件 わけではありません。システム・エンジニアリング手法でモデルが信 が、ますます増加してきました。こうした複雑化に伴い、製品要件の 頼できる唯一の情報源として機能するには、データのアクセス性と整 定義、システム性能のトレード・スタディの実行、機能的完全性の保 合性、および管理がきわめて重要です。シミュレーションを含む、製 証がより一層困難になっています。 品に関するすべての定義がシステムモデルと接続され、コンテキス トと関係性が明らかになっている必要があります。さらに、製品のラ 多くの企業はモデルベース・システム・エンジニアリング (MBSE) と イフサイクル全体にわたって、すべての関係者が接続されたデータ いうトップダウン手法を使用し、製品定義や、要件解析、ユースケー を利用できなければなりません。 ス解析、機能解析を統合した製品開発を行っています。さらに、1Dシ ステム・シミュレーションとジェネレーティブ・デザインを使用して、従 来の設計手法ではほぼ不可能な画期的なシステム・アーキテクチャ を作成し、検証しています。『2021年DXのROI調査』によると、MBSE や1DシステムモデルなどのDXの取り組みによって、最も先進的な企 業は他社と比べて試作の数を20%以上削減できていました。 23% モデルベース・システム・ 54% 73% エンジニアリング (MBSE) システム・シミュレーション 31% 35% 56% (1Dシミュレーション) 最も遅れている企業 最も先進的な企業 『 DXのROI調査』の結果によると、最も先進的な企業は最も遅れている企業よりも高 い割合で、MBSEと1Dシステム・シミュレーションを活用していました。 3 – 製品開発におけるシミュレーションとテストの役割

製品設計時のシミュレーション シミュレーションは、より良い設計判断を下す鍵となる知見を提 供します。複雑な製品の動作を把握するには、マルチ・フィジック スが必要です。今日の複雑化する製品にとって電子機器は欠か シミュレーション駆動 28% せない部分であり、その設計検証には電磁、熱、落下の試験だ 型設計を使用 (機械系 37% 61% CADの一部として) けでなく、伝統的な構造シミュレーションも実行しなければな りません。 最も遅れている企業 最も先進的な企業 従来は解析担当者 (シミュレーションのエキスパートであ るコンピューター支援エンジニアリング [CAE] の専門家) が、設計の作成後にシミュレーションを実行していました。 『 DXのROI調査』の結果によると、最も先進的な企業は最も遅れている企 そのため、設計プロセスの終盤になって問題が発見され 業よりも高い割合で、設計プロセスのなかでシミュレーションを使用して ることがよくありました。これに対して、シミュレーション いました。 駆動型製品設計の場合、大量の設計案を初日から検討 できます。ジェネレーティブ・デザインを使用するエン ジニアは、従来の設計手法では考えられないような、 革新的な設計を次々と短期間で作成できます。テン プレートによる自動化や最適化コンポーネントを 利用したシミュレーションが、ジェネレーティブ・デ ザインを可能にします。したがって、『2021年DXの ROI調査』で最も先進的な企業の回答者が、シミュ レーション駆動型設計を活用し、試作やECOを 削減できていたことは、驚きではありません。 シミュレーションからは大量のデータが生成さ れるため、シミュレーション・データ管理によっ て設計バージョンを追跡できることが重要に なります。それによって、他部署や社外の関 係者もシミュレーション・データを利用し、 設計戦略や意思決定に加われます。 4 – 製品開発にのジおレけンるマシミュレーションとテストの役割

エレクトロニクス・シミュレーションによるシフトレフト スマート・コネクテッド製品への需要が高まっています。こうした製品 基板のレイアウトからシステム定義まで、あらゆる抽象度において要 には多数のセンサーやソフトウェア制御システムが必要で、IoT機能 件の達成状況をデジタルに検証することは、開発時の物理的な手戻 との接続性も求められます。これによって、マルチボード・システムの り回数の削減にきわめて有効です。 複雑化が急速に進みました。エレクトロニクス・システムの統合と性 能を検証/妥当性確認しなければならないため、製品開発プロセス 電子機器をシミュレーションすると、大量のデータが生成されます。 の遅延リスクが高まっています。しかも、納期は延長されるどころか、 シミュレーションごとに、その電子設計モデルや、単純化されたシ ますます短縮されています。このような問題やリスクを軽減する目的 ミュレーション・モデル、シミュレーション・オプション、結果のデータ で、シフトレフト型エレクトロニクス・シミュレーション戦略が採用さ があり、合わせると非常に多くのファイルになります。ほかの設計バ れるようになりました。 リエーションも探査すれば、その数はたちまち膨れ上がります。企業 はこれらのデータを追跡、管理するために、データ管理システムを使 シミュレーション駆動型シフトレフト手法では、物理的なテストに頼 用しています。さまざまな設計構成を検討する際、システムを通じて らなくても、性能や動作をデジタルで検証・妥当性確認できます。設 すべてのシミュレーション・データにアクセスできます。また、特別な 計時に一次シミュレーションを実行し、シグナルおよびパワー・イン ソフトウェアをインストールしなくても、シミュレーション結果を表示 テグリティと熱特性を確認し、電磁干渉の問題を評価します。この段 できます。 階では制約がはるかに少ないため、代替案を自由に探査できます。 また、要件が満たされているかを非常に早い段階で検証できます。 電子基板システムの手戻り回数 早期のエレクトロニク 6.5 ス・シミュレーションと 21% 39% 46% 検証 (電気系CADの一 5.9 5.6 部として) 最も遅れている企業 最も先進的な企業 最も遅れている企業 最も先進的な企業 『 DXのROI調査』の結果によると、最も先進的な企業は設計サイクルの早期にエレクトロニクス・ シミュレーションと検証を多く実行し、電子基板システムの手戻りが少ないことがわかりました。 5 – 製品開発におけるシミュレーションとテストの役割

シミュレーションに対する自信 設計サイクルの早期にシミュレーションを実行すれば、実現不可能な設計 を生み出す事態を回避できます。また、シミュレーションしなければ検討対 シミュレーション・テンプレート 象にならなかったような、革新的な設計案を探査できるようになります。 これまでの設計エンジニアは、シミュレーションを正しく実行できる自信 も専門知識もないという理由から、シミュレーションを避ける傾向があり ました。しかし、設計エンジニアが設計プロセスの早期にシミュレーショ ンを使用すると、コストと時間の削減や、イノベーションの容易さ、製品 品質の向上など、数多くのメリットがあります。そのため、設計エンジ 設計エンジニア ニアが不安なく、設計サイクル早期にシミュレーションを使用できる シミュレーション専門家 ことが重要です。 先進的な手法では、解析者が設計上の特定の問題に対応した、検 証済みのシミュレーション・テンプレートを設定します。次に、この シミュレーション・テンプレートを、ガイド付きシミュレーション・ ワークフローに組み込みます。このワークフローを使うことで、設 計エンジニアも自身の設計でシミュレーションを実行できるよ テ ンプレートやワークフローによってシミュレーション・プロセスを自 うになります。シミュレーションによって設計判断を導く経験を 動化し、設計エンジニアが使えるようにします。 重ねるにつれ、自信を持ってシミュレーションを使えるように なります。 適切なシミュレーション・データの管理は、シミュレーション の民主化に不可欠です。データ管理の目標は、設計探査の 自動化を支援することです。シミュレーションに裏打ちさ れた設計探査を行うと、何千ものアーティファクトやファ イルが作成されます。設計モデルと、シミュレーション・モ デル、解析結果を自動的にリンクするデータ管理機能に よって、どの結果がどの設計のものなのか、明確に関連 付けされます。ただし、アーティファクトやファイルの 追跡とリンクだけでは不十分です。設計探査データの 中から実用的な知見に到達し、それを素早く取り出 せなければ、意思決定に使えません。結果の視覚化 ツールや、レポート、データ・アナリティクスは、すべ ての要件を満たす最適な設計を選択する助けに なります。 6 – 製品開発にのジおレけンるマシミュレーションとテストの役割

シミュレーションとテストのハイブリッド検証 最新の製品は途方もなく複雑なシステムです。従来のシミュレーショ ン・ザ・ループ (SIL) や、モデル・イン・ザ・ループ (MIL)、ハードウェ ンとテストは、別々の部署が互いに連携することなく実行していまし ア・イン・ザ・ループ (HIL) によって、実際のシナリオで製品をテスト た。ところが、シミュレーションとテストには相乗効果があります。シ できます。『DXのROI調査』ではシミュレーションとテストのハイブ ミュレーションから得られたデジタルな知見は、物理的なテストに生 リッド手法について、以下の利点が示されました。最も先進的な企業 かせます。また、テストデータをデジタルツインに取り込むことで、シ はこの手法を活用し、製品レベルの試作とテストの回数を削減して ミュレーション・モデルを改善できます。シミュレーションとテストを いました。 賢く組み合わせることにより、複雑なシステムの開発が加速します。 シミュレーションとテストを統合したデータは、あらゆる部署の関係 シミュレーションとテストを組み合わせるメリットは、ハードウェアと 者がコラボレーションに利用できます。データ管理機能によって、テ ソフトウェアのどちらのコンポーネントにも当てはまります。物理的 ストとシミュレーションのデータが区別され、さまざまな設計案の比 ハードウェアのセンサーデータをシミュレーションの入力として使 較やデータ解析が可能になります。 用して、モデルを改善できます。ソフトウェア側では、ソフトウェア・イ シミュレーションとテス トを統合している (テ ストのセンサーデータ 20% 29% 46% をシミュレーションの 入力として使用) テストと測定を自動化 32% 40% 56% している 最も遅れている企業 最も先進的な企業 『 DXのROI調査』の結果によると、最も先進的な企業は最も遅れている企 業よりも高い割合で、シミュレーションとテストを統合するとともに、テス トの自動化手法を採用しています。 7 – 製品開発におけるシミュレーションとテストの役割

製造計画 検証・妥当性確認にツールパ ス・シミュレーションを使用す 28% 37% 41% 現代のメーカーは多方面に優れ、市場の変化に適応できなけれ る(CAMの一部として) ばなりません。既存のセットアップに新しい機械や、組み立てラ イン、ロボット、製造セルを組み入れる必要性は頻繁に発生し 20% ます。新製品や生産の変更要求に対応して、生産ライン全体 製造セルのシミュレーションを生 32% 54% 産フローに使用する を作り変えなければならないこともあります。こうしたシナリ オをコンピューターでシミュレーションすることにより、重要 25% な生産パラメーターを事前に入手できます。 工場または設備のシミュレーショ 36% 50% コンピューター支援製造 (CAM) ツールを使用して、コン ンを製造フローに使用する ピューター数値制御 (CNC) マシンのコードを生成した り、加工プロセスをシミュレーションすることも可能で 最も遅れている企業 最も先進的な企業 す。生産ラインや、製造セル、工場の3D仮想モデルに よって、材料フローや、スループット、人間工学、安全性 を評価できます。仮想現実ツールと3Dモデルを組み 『 DXのROI調査』の結果によると、最も先進的な企業は最も遅れている企業より 合わせると、新しい装置の研修に使用できます。『DX も高い割合で、製造シミュレーションをさまざまな用途に使用していました。 のROI調査』によると、最も先進的な企業は製造計 画を使用することで、スループットの向上と在庫日 数の短縮を実現しています。 データ管理ツールによって、部品レベルの設計 変更をトラッキングしたり、該当するCAMファイ ルをアップデートできます。また、設計部門と製 造部門の間で変更がシームレスに伝達され、 製造上の問題に関するナレッジベースとして も機能します。 8 – 製品開発にのジおレけンるマシミュレーションとテストの役割

シミュレーションとバーチャル・コミッショニングの統合 シミュレーションの価値は設計と製造計画にとどまりません。ハード ハイブリッド・ツールを使って、製造オペレーション全体をシミュレー ウェアのテスト前であってもロジックやソフトウェアのエラーを検出 ションし、最適化できます。『DXのROI調査』によると、最も先進的な し、製造ラインの試運転時間を大幅に削減することも可能です。 企業はこの手法により、高い割合で工場や装置を早期に、または時 間どおりに試運転していました。 バーチャル・コミッショニング・ソリューションは、自動化ロジックやプ ログラマブル・ロジック・コントローラー (PLC) のコード、その他の 堅牢なデータ管理システムがある企業は、試運転への情報となる、さ 制御システムのロジックを実際の装置に導入する前に、コンピュー まざまなデータセットを管理、連絡、処理する態勢が整っていました。 ター上で検証と改善まで行います。このソリューションは自動化生 このデータ管理システムはユーザー定義スクリプトに対応し、自動化 産システムのオフライン・プログラミングが可能で、生産システムの チャートやレポートを生成し、意思決定を助けます。 パフォーマンスを最適化します。生産の仮想モデルは、仮想のソフト ウェア・ベースのPLC、または実際のPLCハードウェアとリンクでき ます。そのため、シミュレーションとバーチャル・コミッショニングの P L C プ ログ ラム の バ ー 24% チャル・コミッショニング 41% 55% (モデル・イン・ザ・ループ や、ハードウェア・イン・ザ・ ループなど) 最も遅れている企業 最も先進的な企業 『 DXのROI調査』の結果によると、最も先進的な企業は最も遅れている企 業よりも高い割合で、バーチャル・コミッショニングを使用してコントロー ラーのロジックを検証していました。 9 – 製品開発におけるシミュレーションとテストの役割

初めの一歩 DXへの取り組みに興味のある企業は、共通のジレンマに直面しま • シミュレーションとテストに関するDXの導入には、構想、実務、 す。何から始めるべきか、という問題です。しかし、変革に向けたあら 経済、および技術の責任者を含む、さまざまな関係者が参加しま ゆるプロジェクトでは、始めることが何よりも肝心です。この電子ブッ す。誰もが積極的に関われるようにし、シミュレーションとテスト クは、シミュレーションに関するDXの取り組みのうち、製品設計や製 に関するDX構想を成功に導きましょう。 造の改善のために導入可能なものをいくつか紹介しました。自社の 事業サイクルがどういう段階にあるか、市場の成熟度はどうかによっ • 価値ある目標を設定して導入を計画し、具体的な目的に注力し、 て、優先順位を決定し、そこから始めるとよいでしょう。初めの一歩と 指標を使って成功を判断します。 して以下を提言します。 • ユーザーは、あらゆるDX構想を成功させる鍵です。ユーザーのス • シミュレーションとテストに関するDX構想の長期的なビジョンを キルを継続的にアップグレードする、先進的なトレーニング計画 定めます。社内会議で計画と目的を明確に決定します。 を実施しましょう。 10 – 製品開発にのおジレけンるマシミュレーションとテストの役割

まとめ Lifecycle Insightsの『DXのROI調査』は、シ • 『DXのROI調査』によると、最も先進的な企業はすでにシミュレーションとテストのDXによっ ミュレーションとテストの利点が設計だけで て、製品ライフサイクル全体を改善しています。 なく、製造からバーチャル・コミッショニング にまで及ぶことを明らかにしました。シミュ • 設計エンジニアはシミュレーションとテストのハイブリッド手法を含むシミュレーション・ レーションとテストの利点として、テストのた ツールによって、設計空間を探査し、設計プロセス早期における、さまざまなオプションの実 めの設計の試作数や、ECO、在庫日数、電子 行可能性を判断し、テスト結果を使用してシミュレーション・モデルを改善できます。 基板システムの手戻りの削減などが挙げら • 恩恵を受けるのは設計エンジニアだけではありません。シミュレーションとテストからの情報 れます。しかし、こうしたツールをフル活用す は、製造計画とバーチャル・コミッショニングにも活用できます。 るには、堅牢なデータ管理システムが必要で す。 • シミュレーションとテストツールの変革をどこから始めるべきか迷っている企業にとって、一 番大切なのは一歩を踏み出すことです。今日のスマート・コネクテッド製品には、スマートで 接続性のある製品ライフサイクル管理の手法が求められています。 11 – 製品開発にのおジレけンるマシミュレーションとテストの役割