デジタルツインとは？

デジタルツインとは、物理的な製品やシステム、プロセスをデジタル空間に再現する技術のことを指します。

製造業においては、工場の設備や生産ライン、さらには完成した製品そのものをデジタルツインとして仮想環境に作り上げることで、リアルタイムでのモニタリングやシミュレーションが可能になります。

デジタルツインの活用によって、現実世界での試行錯誤や実験を行う前に、デジタル環境でシミュレーションを行うことができるため、リスクを低減し、効率的な生産プロセスを実現することができます。たとえば、製造ラインの稼働状況をリアルタイムで把握し、生産性の向上や不良品の発生予測、メンテナンスの効率化など、さまざまな分野で活用されています。

デジタルツインの導入により、企業は製品ライフサイクル全体にわたってデータを活用し、設計、製造、運用、メンテナンスにおける最適化を図ることが可能です。また、将来的には、自律的な生産システムの構築や、AIを活用した高度な予測モデルの実現など、さらなる技術革新が期待されています。

近年、製造業においてデジタルツインが注目される背景には、技術の進化とともに、競争力を維持しつつ、コスト削減や品質向上を求める声が高まっていることが挙げられます。特に、グローバル市場での競争が激化する中で、企業はより柔軟で効率的な生産体制を構築する必要に迫られており、デジタルツインはその有効な解決策として注目されています。

デジタルツインを支える技術

デジタルツインは、IoT（モノのインターネット）、AI（人工知能）、ビッグデータ、AR/VR（拡張現実/仮想現実）など、さまざまな先進技術を組み合わせて構築されます。
以下で、デジタルツインを支える主要な技術を紹介します。

センサー技術

デジタルツインの基盤となるのは、物理的なオブジェクトや環境からデータを収集するセンサー技術です。 温度、圧力、振動、位置情報など、さまざまなパラメータをリアルタイムで取得し、そのデータをもとにデジタルツインを構築します。

センサー技術の進化により、より高精度かつ多様なデータの収集が可能となり、デジタルツインの精度と信頼性が向上します。

IoT

IoTは、センサーで収集されたデータを、ネットワークを通じてリアルタイムで送信し、デジタルツインに反映させるために重要です。

物理的なデバイスや機械、システムをインターネットに接続することで、遠隔地からでもデータのモニタリングや制御が可能になります。こうして、デジタルツインは常に最新の情報で更新され、正確なシミュレーションや分析が行えるようになります。

ビッグデータ解析

デジタルツインが収集するデータは、膨大かつ多様です。これらのビッグデータを効果的に解析することが、デジタルツインの価値を最大化する鍵となります。

ビッグデータ解析技術を活用することで、データからトレンドやパターンを抽出し、予測モデルを構築することが可能です。この結果、生産性の向上やコスト削減、リスクの予測と対策が行えるようになります。

クラウドコンピューティング

デジタルツインの大量のデータを保存し、リアルタイムで処理するためには、クラウドコンピューティングが不可欠です。

クラウド環境にデータを集約することで、アクセスの柔軟性が高まり、必要に応じてリソースをスケールアップすることも容易になります。 さらに、クラウド上でのデータ共有やコラボレーションにより、複数のチームが同時にデジタルツインにアクセスして作業を行うことができます。

シミュレーションソフトウェア

デジタルツインの中核を担うのがシミュレーションソフトウェアです。 シミュレーションソフトウェアの活用により、物理的なオブジェクトやシステムの動作を仮想空間で再現し、さまざまなシナリオのシミュレーションを行うことができます。

たとえば、製品のデザイン変更が生産ラインに与える影響を事前に評価したり、予期せぬトラブルが発生した場合の対応策を検討したりすることができます。

たとえば、Autodesk Fusion（Fusion360）は、こうしたシミュレーション機能を提供し、設計から製造までのプロセスを統合して管理するための強力なツールとなるでしょう。

AIと機械学習

AI（人工知能）と機械学習は、デジタルツインの中で蓄積されたデータを分析し、予測や最適化を行うために必要です。

たとえば、製品のデザイン変更が生産ラインに与える影響を事前に評価したり、予期せぬトラブルが発生した場合の対応策を検討したりすることができます。

過去のデータをもとに機械学習アルゴリズムがパターンを学習し、未来の動作を予測することができます。

この結果、異常の早期検出やメンテナンスの最適化、生産計画の効率化など、さまざまな分野での応用が可能になります。

拡張現実（AR）・仮想現実（VR）

ARとVRは、デジタルツインの情報を視覚的に体験するために必要な技術です。

ARを使用することで、現実の作業環境にデジタル情報を重ね合わせて表示し、作業者が直感的に理解しやすい形で情報を提供します。VRは、完全に仮想的な環境内でデジタルツインを操作し、設計やトレーニング、シミュレーションを行うことができます。

この結果、物理的なモデルを用いずに、製品やシステムの設計・検証が行えるため、コストと時間の削減が可能になります。

製造業でデジタルツインを活用するメリットとは？

デジタルツインは、製造業において多くのメリットをもたらします。 ここでは、製造業でデジタルツインを活用する主なメリットをご紹介します。

ダウンタイムを削減できる

デジタルツインは、製造プロセスのリアルタイム監視と予測メンテナンスを可能にします。 機械や設備の状態を常時モニタリングすることで、故障の兆候を早期に検出し、計画的なメンテナンスを実施できます。 この結果、突発的なダウンタイムを大幅に削減し、生産ラインの稼働率を向上させることができます。

生産プロセスを最適化できる

デジタルツインを活用することで、生産プロセス全体の可視化が可能になります。 その結果、各工程のパフォーマンスを詳細に分析し、ボトルネックや無駄な工程を特定することができます。こうして、生産フローを最適化し、リードタイムの短縮やコスト削減を実現します。

さらに、シミュレーションを通じて、新たな製造プロセスの導入前にその効果を検証することができるため、リスクを最小限に抑えることが可能です。

製品品質を向上できる

デジタルツインは、製品の品質管理にも貢献します。

製造過程で発生するデータをリアルタイムで分析し、不良品の原因を迅速に特定することができます。 また、製造プロセスの微調整を繰り返すことで、製品の一貫性と品質を向上させることができます。

こうして、顧客満足度を高め、製品リコールのリスクを減少させることができます。

開発コストと時間を削減できる

製品開発において、デジタルツインを利用することで、試作や実験の回数を減らすことができます。 具体的には、仮想環境でのシミュレーションを繰り返すことで、実物のプロトタイプを作成する前に、設計上の課題や問題点を発見できます。 この結果、開発コストと時間を大幅に削減することができ、より迅速に市場に製品を投入することが可能となります。

リアルタイムな意思決定につながる

デジタルツインは、リアルタイムのデータを基にした迅速な意思決定をサポートしてくれます。 具体的には、生産現場からのデータを瞬時に分析し、その場で最適な対応策を講じることが可能です。

この結果、変化する市場や顧客のニーズに柔軟に対応できるようになり、競争力を高めることができます。

カスタマイズ製品を迅速に提供できる

消費者の多様化するニーズに対応するために、デジタルツインを活用してカスタマイズ製品の生産を効率化することができます。

デジタルツインを活用することでデジタルモデルを基にした柔軟な生産計画が可能となり、個別のオーダーに対応する時間を短縮できます。 この結果、顧客に対して迅速にカスタマイズ製品を提供し、顧客満足度を向上させることができます。

サプライチェーンを最適化できる

デジタルツインは、サプライチェーン全体の可視化と最適化にも貢献します。

部品の調達から製品の出荷までの各段階をリアルタイムで管理することで、在庫管理の効率化や納期の短縮を実現できます。 また、予測分析により、供給リスクの早期察知や需給バランスの調整が可能となり、サプライチェーン全体の安定性を高めることができます。

デジタルツインにデメリットはある？

デジタルツインは製造業に多くのメリットをもたらしますが、その導入や運用にはいくつかのデメリットも存在します。

ここでは、デジタルツインのデメリットについて解説します。

費用がかかる

デジタルツインの構築と運用には、相応のコストがかかります。 まず、デジタルツインを構築するためには、IoTセンサーやデータ収集インフラ、シミュレーションソフトウェアなどの初期投資が必要です。 さらに、データの保存や処理にはクラウドサービスの利用が一般的であり、その利用料金も継続的なコストとなります。

これらの初期費用と運用費用をカバーするには、十分な予算を確保する必要があります。

システム管理が複雑になる

デジタルツインは、複数の技術が連携して機能する高度なシステムです。 そのため、システムの構築や管理が複雑化し、専門的な知識やスキルが求められます。

たとえば、IoTセンサーの配置やデータの収集・分析、シミュレーションモデルの作成など、多くのプロセスが関与するため、運用体制の整備が不可欠です。 また、システムの複雑化に伴い、トラブルシューティングやメンテナンスにも時間とコストがかかる可能性があります。

このため、システムの安定稼働を維持するためのリソースが必要となります。

情報セキュリティのリスクがある

デジタルツインは、大量のデータを収集・処理するため、情報セキュリティのリスクも高まります。たとえば、サイバー攻撃やデータ漏えいのリスクが伴います。

製造業においては、機密情報や技術情報が含まれることが多く、これらのデータが漏えいした場合、企業にとって重大な損害となる可能性があります。

デジタルツインを運用する際には、情報セキュリティ対策を強化し、リスクを最小限に抑える必要があります。具体的には、データの暗号化やアクセス制御、定期的なセキュリティ監査などの対策が必要です。

製造業におけるデジタルツインの活用方法

デジタルツインは、製造業におけるさまざまな分野で革新をもたらす技術です。 その活用方法は多岐にわたり、企業の競争力向上や生産効率の改善に大いに役立ちます。

「製造業でデジタルツインを活用するメリットとは？」でご紹介した内容と重複する部分もありますが、以下で、製造業での具体的な活用方法を紹介します。

製品開発と設計の最適化

デジタルツインを活用すると、製品開発と設計プロセスを大幅に効率化できます。

具体的には、仮想環境で製品のデザインをシミュレーションし、設計上の問題点や改良点を早期に発見することが可能です。 また、物理的な試作を作成する前に、デジタルツイン上でさまざまなテストを実施できるため、開発コストと時間の削減を実現できます。

たとえば、Autodesk Fusion（Fusion360）などのソフトウェアを使用することで、設計からシミュレーション、製造までのプロセスをシームレスに統合し、より効率的な開発が可能になります。

生産ラインの最適化

デジタルツインは、生産ラインの最適化にも活用できます。 具体的には、生産ライン全体をデジタル空間に再現し、ボトルネックの特定や効率化のためのシミュレーションが行えます

この結果、生産プロセスを改善でき、リードタイムの短縮や生産性の向上が期待できます。 また、リアルタイムでのモニタリングにより、異常の早期発見と対応が可能となり、ダウンタイムの削減にも寄与します。

品質管理と改善

デジタルツインを活用すれば、製品の品質管理の強化を図れます。 製造過程で収集されるデータを基に、リアルタイムで品質の監視と分析を行い、異常が発生した場合には即座に原因を特定し対策を講じることができます。

こうして製品の一貫した品質を維持し、不良品の発生を最小限に抑えることが可能です。 また、過去のデータを分析することで、長期的な品質改善策を検討することもできます。

サプライチェーンの最適化

デジタルツインは、サプライチェーン全体の可視化と最適化にも活用できます。 調達から製造、出荷に至るまでの各段階をデジタルで管理することで、在庫管理の効率化や供給リスクの早期察知が可能です。 さらに、需給予測に基づいてサプライチェーンを最適化することで、過剰在庫や納期遅延を防ぎ、コスト削減に貢献します

設備管理の効率化

工場内の設備や機械の管理にも、デジタルツインを活用できます。 各設備の稼働状況やメンテナンス情報をデジタルツインで管理することで、予防保全が可能になります。

この結果、設備の故障リスクを低減し、保守コストの削減が期待できます。 さらに、設備の稼働データを分析することで、運用効率を最大化し、エネルギーコストの削減も実現できます。

カスタマイズ製品の製造

消費者の多様なニーズに応えるために、デジタルツインを利用してカスタマイズ製品の製造を効率化できます。

仮想空間で製品のデザインや仕様を即座に変更し、生産ラインを迅速に適応させることができるため、短納期でのカスタマイズ製品の提供が可能となります。 こうして、顧客満足度を向上させ、差別化を図れます。

環境負荷の軽減

デジタルツインは、製造業における環境負荷の軽減のためにも活用できます。

製造プロセス全体をデジタル化することで、エネルギー消費や廃棄物の発生量をリアルタイムでモニタリングし、最適化を図ることができます。 さらに、シミュレーションを通じて、環境に配慮した製品設計や生産プロセスを検討することができ、持続可能な製造を実現します。

製造業におけるデジタルツインの成功事例

デジタルツインは、多くの製造業で導入され、その効果が実証されています。 以下で、世界的に有名な企業によるデジタルツインの成功事例を紹介します。

航空エンジンや発電所で活用（General Electric社）

General Electric（GE）社では、デジタルツイン技術を航空エンジンや発電所の運用に活用しています。

具体的には、航空エンジンのデジタルツインを作成し、リアルタイムでエンジンの状態を監視しています。 こうした、エンジンの寿命を予測し、最適なメンテナンスを実施することで、運用コストの削減とダウンタイムの最小化を実現しています。

さらに、発電所の設備にもデジタルツインを導入し、エネルギー効率の向上と安定した電力供給を達成しています。

ソフトウェアを自作して保守サービスの効率化に活用（Boeing社）

Boeing社は、デジタルツインを航空機の保守サービスに活用しています。 同社は、自社で開発したソフトウェアを使用して航空機のデジタルツインを作成し、各航空機の運用データを詳細に分析しています。

こうして整備のタイミングを最適化し、予防保全を実施することで、航空機の稼働率を高めています。 また、部品の交換時期や必要な整備作業を事前に把握できるため、運航のスケジュール調整が容易になり、サービスの品質が向上しています。 同社では、航空機の設計にもデジタルツインを導入しています。

生産ラインの効率化と品質管理を実現（トヨタ自動車）

トヨタは、既存設備を3Dモデル化し、現場の技術を活かした改善を行うことで、生産性の向上に取り組んでいます。 具体的には、デジタルツイン技術を活用し、改善をデジタルとリアルの現場で双方向に反映させることで、作業の自動化も進めています。貞宝工場での取り組みで、材料投入作業を3Dモデル上で自動化し、生産性を3倍にし、改善リードタイムを従来の3分の1に短縮する成果を達成しました。

製造プロセスの効率化と品質管理の強化を実現（日立製作所）

日立製作所の大みか事業所では、RFIDタグやリーダー、ビデオカメラを導入して製造現場の「人」や「モノ」の流れを自動的にデータ収集し、「製造ラインのデジタルツイン」を構築しました。

この結果、生産の進捗把握や品質改善、設備不良の検出が可能となり、リードタイムを50％短縮することに成功しました。 また、製造現場以外でも、列車の運行管理システムでデジタルツインを活用し、運行状況をリアルタイムで把握できるようにしています。

航空機の新規開発における負荷装置に活用（三菱重工業）

三菱重工業の航空機開発では、ビルディングブロックの概念に基づいて、材料試験から全機試験までの段階を踏んで強度性能を検証しています。特に全機試験では、極限的な荷重をかけて静強度や疲労強度を確認しますが、疲労試験は長期にわたるため、中断がリードタイムに大きな影響を与えます。

これを防ぐために、デジタルツイン技術を用いて、百数十本の荷重負荷装置の内部異常を事前に検知するシステムが開発されました。このシステムは、アクチュエータの数学モデルを用い、実際の計測データと推定値の誤差を最小化しつつ、異常予兆を検出します。 具体的には、油圧アクチュエータやシリンダの異常に関連する内部状態を推定し、その変化を監視することで異常を予測します。

まとめ

デジタルツインは、製造業における生産性向上と品質管理の強化において、革新的な技術として注目を集めています。本記事では、デジタルツインの基本概念からその技術を支える要素、具体的なメリット、活用方法、そして成功事例に至るまでを解説しました。

製造業においてデジタルツインを導入することで、以下のような多くの利点が得られます。 まず、製品開発から設計、生産、品質管理、設備保守に至るまで、全プロセスの最適化が可能になります。 この結果、ダウンタイムの削減、生産コストの低減、製品品質の向上、そして迅速な意思決定が実現します。 さらに、サプライチェーン全体の可視化と最適化により、供給リスクの軽減や環境負荷の削減といった持続可能な生産活動をサポートしてくれます。

デジタルツインは、今後ますます重要性を増す技術です。製造業におけるその活用は、企業の成長と持続可能な社会の実現に向けた一歩となるでしょう。

「デジタルツインを支える技術」でもご紹介したように、デジタルツインを実現する技術の一つとして「シミュレーションソフトウェア」が挙げられます。 特に、Autodesk Fusion（Fusion360）では、CAE解析機能で、荷重や固定などの条件を設定し、仮想モデルにどのような影響が出るか検証可能です。たとえば、4本足の椅子に上から人間相当の荷重がかかっても問題ないか、といった解析を実行できます。

フアクトでもAutodesk Fusion（Fusion360）を提供しております。
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