3次元製品開発とは？現代の製造のためのガイド

ほとんどの製品は、問題を解決したり、満たされていないニーズを満たしたりするためのアイデアから始まります。この初期の製品開発段階では、エンジニアリング チームと製品チームは、市場の需要、顧客からのフィードバック、競合他社とのギャップ、技術的な実現可能性を調査することで、いわば「問題の全体像」を明確に把握します。その目的は、提案されたアイデアで問題を解決できるか、満たされていないニーズを満たせるか、必要な予算とスケジュールの枠の中でコスト効率の高い設計、製造、販売が可能な、機能的な製品になるかどうかを判断することです。 

通常、その結果として、製品の性能、目標の寸法、材料の制約条件、およびその他の設計要件をどうすべきかを定義する製品要件ドキュメントが作成されます。このドキュメントは、その後の意思決定の参考材料となり、製品がコンセプトから設計、検証、製造へと進む過程で、チーム間の意思統一の支えとなります。

製品要件の定義が完了すると、チームは要件をもとにさまざまな設計案を作り始めます。エンジニアは、問題解決のさまざまな方法を比較するために、早い段階で3次元コンセプト モデルを作成できます。この段階では、候補となるモデルは最終的なものではありません。そのモデルは、詳細設計を行う前に、形状、サイズ、構成部品の関係、基本的な機械的挙動を検討するために使用されます。
その後、各コンセプトは元の要件と照らし合わされて評価されます。チームは、性能のポテンシャル、材料の選択肢、推定コスト、製造可能性、全体的な実現可能性を比較します。目標は、有力候補のコンセプトを1つか2つ選び、最終的には1つのコンセプトに絞り込んでから設計および開発することです。

コンセプトを選択した後、3次元CADで設計を細かく詰めていきます。エンジニアは、寸法、公差、材料、設計意図をはっきりと決めた状態で、正確な部品モデルやアセンブリ モデルを作成します。設計意図とは、製品がどのように機能するか、部品がどのように相互に関連しているか、設計変更時にどのように反応するかなど、製品の背後にあるエンジニアリング上の考え方のことです。個々の構成部品が1つの完全なデジタル製品モデルにまとめられるため、製品開発チームは、製品の製造に入る前に、適合性、クリアランス、動作、潜在的な干渉の問題を確認できます。

この段階は、開発の残りの部分を導く製品定義を確立するうえで非常に重要です。精細な3次元モデル、2次元図面、部品表、技術仕様は、シミュレーション、試作品作成、ツーリング、調達、製造の支えとなります。CADデータが正確で完全であれば、製品開発チームは手戻りを減らし、コストを抑え、製品をよりスムーズに、自信を持って生産へと進めることができます。

仮想試作品とは、実物のデジタル版製品のことです。物理的な試作品を作成する前に、エンジニアリング チームは仮想環境でシミュレーションを使用して3次元モデルをテストできます。シミュレーション ソフトウェアは、数値的手法を使用して、構造荷重、熱伝導、流体の流れ、振動、衝撃力などの実際の物理的条件をモデル化し、物理的なテストを開始する前に、設計の性能がどの程度かを評価するのに役立ちます。エンジニアは、部品を製造する前に、弱い部分を見つけて修正し、製品が性能要件を満たしているかどうかを評価できます。

ツーリング、加工、生産を開始した後に問題が見つかるのではなく、3次元モデルをまだ簡単に変更できる段階で、チームはデジタル的に変更を加えることができます。この段階は、製品の安全性、耐久性、品質、規制への対応を向上させると同時に、コストのかかる製造ミスを防止する上で重要な役割を果たします。 

では、3次元製品開発のメリットを享受している企業の例を簡単に紹介します。