製造業のデジタルツインとは？メリットや将来性、活用事例を徹底解説
近年、製造業においてスマート工場化が期待される中、デジタルツインの技術にも注目が集まっています。
デジタルツインは、現実世界に存在するさまざまな物をデジタル空間内に再現し、現実世界とのリンクを可能とする技術です。
今回は、製造業にデジタルツインを導入するメリットや製造現場における活用例を紹介します。
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目次
１．デジタルツインとは
デジタルツインとは、IoTの技術を基としてデジタル空間内に現実世界の対となる空間を再現し、分析やシミュレーションを行なう技術です。
現実世界に実在する対象物を3D図面やシステム図などを用いてモデル化し、デジタル空間内に設置します。
そして、対象物に取り付けたセンサーからデータを取得し、ビッグデータに取り込むことで、現実世界とデジタル空間のリンクを図ることが可能です。
デジタルツインについては、以下の動画も参考になります。
引用：ロボット技術＆デジタルツイン／シミュレータとバーチャル試運転でロボット立ち上げをスムーズに -Robot and Digital twin | スギノマシン / SUGINO MACHINE LIMITED
例えばロボットアームでは、以下のプロセスによってデジタルツインでの再現が推察されます。
- デジタル空間内にロボットアームの3Dモデルを設置
- ロボットアームの力覚センサー・ジャイロセンサーなどからデータを取得
- 取得データをデジタル空間内に取り込む
すると、デジタル空間内に現実世界とリンクしたロボットアームを再現することができます。
また、デジタルツインは5GシステムとAi技術を用いることで、デジタル空間内のモデルがリアルタイムに自発的な判断を下し、現実世界にフィードバックすることも可能です。
したがって、デジタルツインはデジタル空間と現実世界にある対象物が相互に情報をフィードバックして、最適解を見つける技術と言えるでしょう。
生産現場に用いられているさまざまなロボットアームに関して、以下の記事も参考になります。
２．デジタルツインがもたらすメリット
前項では、デジタルツインの概要をロボットアームの例を用いて紹介しました。
ここでは、デジタルツインがもたらすメリットを3つ紹介します。
（１）開発コストの低減
新商品を開発する際には、試作品の製作が必須です。
しかしながら、試作段階ではコスト削減に対する改良が含めれていないケースが多く、精度の高い部品を用いたり、難易度の高い組み立て技術を要求したりします。また、開発試験中に部品が破損することも少なからず考えられ、開発の期間やコストを増加させる可能性もあるでしょう。
そこで、試作品を製作する前段階で、デジタルツインによるシミュレーションを行なうと以下のようなメリットが期待できます。
組立時のトラブルを未然に解消
デジタルツインでシミュレーションを行なうと、実機を製作する前に各部品の干渉や組付け方法の検討ができ、試作品の製作コストや製作時間が軽減されると期待できます。
複数の試作品で試験を実施
デジタルツインの技術は、複数の試作品で試験を行なうケースでもコストの低減につながります。
例えば、型式の違う数種類のロボットアームを用いて検証したいケースにおいて、それぞれの試作品を製作すると開発期間・コストがともに膨れ上がることは容易に想像できるのではないでしょうか。
そこで、デジタルツインを用いてデジタル空間内に複数台のロボットアームを設置し、分析およびシミュレーションを行うと、遥かにコストが低減されることはいうまでもありません。
上記の例の他にも、過酷な条件での試験や破壊試験においてデジタルツインを用いると、低コストかつ安全に検証ができると推察されます。
このように、製品開発にデジタルツインを用いると、開発期間やコストを低減できることがわかります。
（２）製品の品質向上
デジタルツインを用いると、開発時にさまざまな状況での検証や起りうる不具合を未然に対策できる可能性が高く、商用化した際の品質ベースが向上すると言えます。
また、製品の工場内・市場でのトラブルにおいても、デジタルツインで状況を再現し、原因の検証およびフィードバックが迅速に行なえるため、加速度的な品質向上が期待できます。
他にも、生産設備に搭載されたセンサーのデータを収集し、Aiが複数の生産設備を連携させ物流の最適化を図ったり、不良品の製作データから原因を洗い出したりすると、サイクルタイムの短縮やさらなる品質の向上につながるでしょう。
したがって、デジタルツインの技術は開発だけではなく、生産ラインに導入するとより短い時間で品質の良い製品の生産が期待できます。
（３）予知保全の実現
デジタルツインの技術を生産設備に用いると、予知保全を実現することができます。
予知保全とは、機器の状態を観察することで、経年劣化や故障を未然に対策することです。
デジタル空間内に生産設備を含めた生産ラインを再現すれば、生産の全体像を視覚的に捉えたり、人では感知しにくい情報を収集したりすることが可能です。
そして、収集したデータに基づいた最適化案をデジタルツインから受けることで、より効率的に保全活動を行うヒントが得られます。
他にも、デジタルツインに物理法則のモデルを埋め込むと経年劣化や機器内部の不具合の兆候を早期に把握できる可能性が高く、生産設備の重大なトラブルや製品内部に含まれる不具合因子を改善しやすくなります。
したがって、デジタルツインの技術を生産設備や製品に用いると、精度の高い予知保全を実現できるでしょう。
また、工場の自動化に対するメリットは、以下の記事に詳しく記載されているので参考になさってください。
３．デジタルツインが実現する製造業の将来性
前項では、デジタルツインは製造業における開発から生産に至るまでのさまざまな場面で、メリットがあることを紹介しました。
また、デジタルツインは5Gなどの通信技術の進化により実現可能となった技術のため、今後さらに進化していくことが期待される技術でもあります。
そこで本項では、デジタルツインが実現する製造業の将来性を紐解いていきます。
（１）工場の見える化
デジタルツインの技術は、工場全体における見える化への応用が期待されています。
例えば、工場の敷地面積を模したモデルを作成し、モデル内に工場・生産設備・製品・作業者のモデルを設置すると、遠隔地にいるスタッフでも生産内容を確認できます。
すると、出張中の担当者に現認を求めるケースや遠隔地にいる熟練者に技能的なアドバイスを貰いたいケースにも対応でき、生産活動がよりスムーズに進むことが期待できるでしょう。
加えて、デジタルツインのモデルを見れば、リアルタイムで生産状況を確認できるため、より多くのスタッフが生産状況を確認することも可能です。
さらに、将来的にはデジタル空間のモデルに実際の工場での稼働状況を集約することができ、Aiを介して自立的かつ状況に適した品質や物流のコントロールが実現できる可能性があります。
したがって、デジタルツインの技術を工場全体に用いると、より生産性の高い工場を造ることができると言えるでしょう。
工場を見える化するメリットについては、以下の記事に詳しく記載されているので、ぜひ参考になさってください。
また、工場の見える化については、以下の動画も参考になります。
引用：The Next Evolution of Industrial Automation with Siemens Xcelerator and NVIDIA Omniverse | NVIDIA
（２）生産スケジュールの最適化
工場にデジタルツインの技術を用いると、生産スケジュールの最適化の一助になると期待されています。
近年の製造現場では、高度な技術を用いた製品を短納期で製作するケースがよく見られます。
また、諸外国の状況や需要に応じて大幅な生産計画の変更を余儀なくされるケースも少なくありません。
上記のような生産スケジュールの変更は、担当部署や担当者の経験や勘に基づいて計画され、関連部署との擦り合わせで対処していることが多いのではないでしょうか。
加えて、変更後の生産スケジュールが最適解であるかを検証する術がなく、事後での確認および検証しかできない側面も否めません。
そこで、デジタル空間内で生産スケジュールのさまざまな検証ができ、より短い時間で最適な生産スケジュールを立案できる、デジタルツインを用いた工場全体のモデル化が重要になります。
このように、デジタルツインの技術を工場に用いることで、より効率の良い生産ができると期待されます。
（３）工場内物流の最適化
工場内の物流に関しても、以下のケースなどでデジタルツインの技術による最適化が期待されます。
工場内の物流
デジタル空間内に工場の全体モデルや生産ラインのモデルを再現すると、Aiを用いて最適な順序で各工程および物流の動線を選択することが可能です。
また、デジタル空間内で生産設備のレイアウトを変更すると、さまざまな設備配置を試すことができ、現実では実現困難な検証を何通りも検証することができます。
複数拠点にまたがる物流
海外を含めたさまざま拠点で生産を行なっているケースでもデジタルツインのモデル化が有効です。
例えば、各拠点の生産能力を人件費や輸送費などを含めてモデル化すると、納期に対して最短かつ低コストな計画を選択できるため、企業の持つ生産能力を余すこと無く使えると期待できます。
このように、工場内および複数の工場に跨る物流にデジタルツインを導入すると、生産性が高まり、工場内物流の最適化につながっていく可能性があります。
４．デジタルツインの活用事例
ここでは、デジタルツインの技術を用いて生産性や品質改善につなげている事例を２つご紹介します。
（１）成立性の検証
１つ目の活用事例は、産業用ロボットの動作に対する成立性の検証です。
産業用ロボットによる生産を成立させるには、以下のポイントが必要だと推察されます。
- 製品組立の成立
- サイクルタイム
- 品質の確保
しかしながら、産業用ロボットを導入後に、上記を守るべくレイアウトの最適化や作業の検証を行うと、改善に多大な労力と時間が掛かることが想像できます。
そこで用いられる技術が、デジタルツインによるシミュレーションです。
デジタル空間でモデル化された産業用ロボットに工順やロボットの動作軌跡を定義すると、製品の組立時に付随する設備や製品自体との干渉の有無を検証できます。
そして干渉が存在する場合でも、デジタル空間上では設備のレイアウト変更が容易に行なえるので、製品組立の成立性を考慮したレイアウトを構築できると言えるでしょう。
また、デジタルツインの技術では、作業者のモジュールも再現可能なことから、工場内における人間の作業と産業用ロボットの作業を組み合わせたサイクルタイムの算出ができます。
そのため、ロボットの正確さと人間の応用力を兼ね備えた作業を実現でき、品質の高い製品のスピード感を持った生産が期待できるでしょう。
このように、産業用ロボットにデジタルツインを用いると、より高い精度で成立性の検証が可能です。
また、産業用ロボットの課題や各業種における解決策については、以下の記事を参考になさってください。
（２）生産計画の立案
2つ目の活用事例は、デジタルツインを用いた生産計画の立案です。
生産計画の立案には、製品の納期や生産設備の稼働状況、人員配置などさまざまな要素を検討する必要があります。
そのため、生産管理スタッフは時々刻々と変化する状況を踏まえて、生産計画の検討や関連各所との擦り合わせに奔走しているのではないでしょうか。
しかしながら、デジタルツインの技術を用いて生産計画を立案すると、短時間でより良いプロセスの生産計画の実現が可能です。
その理由は、デジタル空間内に構築された工場レイアウトを用いて、Aiが生産能力や人員配置を鑑みながら最適な工程を検証およびフィードバックをするからです。
このように、生産計画の立案にデジタルツインを用いると短い時間でより良い計画の立案が期待できます。
５．お役立ち資料ダウンロード
FAプロダクツでは、スマートファクトリーの構築に関する情報をまとめた『スマートファクトリー成功ノウハウ集』をダウンロードできます。
上記の資料には、シミュレーションの活用事例や成立性の検証に加えて、工程設計・生産計画・物流におけるノウハウも網羅しているので、スマートファクトリーについてより多く知ることが可能です。
スマートファクトリーの構築にお役立ていただければ幸いです。
６．デジタルツイン実現ならFAプロダクツに相談ください
今回は、デジタルツインの概要やメリットから活用事例までを解説いたしました。
デジタルツインが製造業にもたらす効果は、コスト面・工程面・品質面と多くの場面で、効率がアップすることです。
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英文表記：FA Products Inc.
所在地：東京都港区新橋5丁目35番10号 新橋アネックス2階
設立：2011年8月
代表者：代表取締役社長 貴田 義和
資本金：9,250万円
従業員数：232名（2023年5月31日現在）
事業内容
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