技術設計と製造におけるデジタルツインの活用

デジタルツインは、強力な設計シミュレーション、仮想サンドボックス、総合的な性能予測、最適化ルーチンをエンジニアに提供します。アプリケーションによっては、反復的な設計作業を迅速化したり、運用性能をその場で高めたりすることができます。

デジタルツインは、シミュレーションと機械学習およびデータ分析を統合し、エンジニアが2つの重要な設計段階で設計をテストし、改良し、完成させることを可能にします。この2つの段階とは、デジタルツインが物理的に実現される前と、（より高度なシステムの場合）、デジタルツインの運用開始後、継続的な最適化の恩恵を受けることができるようになった段階です。いずれの段階においても、デジタルツインは設計品質、コストパフォーマンス、さらには安全性やサイバーセキュリティを大幅に向上させることができます。

物理的なコンポーネント、製品アセンブリ、プロセス、システムの接続モデルを含むこれらの仮想表現が、分析可能なデータとともにリアルタイムで更新されるケースがますます増えています。

図1：Ansys Discovery 3D製品シミュレーションソフトウェアとNVIDIA Omniverse Blueprintテンプレート（ワークフロー）により、リアルタイムCAEは大規模ワークフローのデジタルツインを生成することができます。（画像提供：Ansys）

デジタルツインが物理世界における設計を反映する機能の中核を成すのは、センサやIoTデバイスです。これらのデバイスはデータをソフトウェアに送信し、そのソフトウェアが仮想空間に設計を構築します。ここで、いわゆるエッジコンピューティングは、センサとともにますます一般的になっています。これらのセンサは、物理システムに関するデータを収集し、そのデータを仮想空間に送信する前に処理します。

図2：Honeywellの慣性計測装置（IMU）は、デジタルツイン飛行力学モデリングのために航空機の向きと動きを追跡する統合型スマートセンサです。（画像提供：Honeywell Aerospace）

エレクトロニクス産業における製品設計作業には、デジタルツインをご検討ください。このモデルは、調達やテストに長い時間を要する高価な物理的プロトタイプを必要とせず、機械的回路の性能、電磁干渉の潜在的なモード、熱挙動を比較的リスクなく調査・調整できます。デジタルツインを使用して開発されたこれらの製品やその他の製品は、業界の要件を上回るイノベーションとなる傾向があります。自動車、航空宇宙、防衛産業は、このような設計アプローチから最も大きなメリットを得ることができます。なぜなら、このような分野では、わずかな変更でも設計の機能性や製造性に大きな影響を与える可能性があるからです。

ビデオ：Piezotronicsの加速度センサは、産業用アプリケーションのデジタルツインに振動挙動を組み込むために不可欠です。IO-Link通信により、加速度センサの出力データの処理が簡素化されます。（ビデオ提供：Amphenol PCB Piezotronics）

デジタルツインは、スマート工場やその先のモデルへと拡張されれば、より大きな産業メタバースの基盤として機能するようになります。このデジタル領域は、機械全体、産業設備、サプライチェーンをモデル化し、接続し、生産オペレーションに情報を供給し、そこから情報を配信します。

唯一の課題は、産業メタバースの維持に必要なプログラミング、計算要件、エネルギー消費が膨大である点です。結局のところ、このメタバースの使用には以下の要件が不可欠です。

• 超高速インターネットと高性能プロセッサ（特に、グラフィック負荷の高い3D仮想現実設定がシステムの一部である場合）
• 膨大なセンサデータのリアルタイム統合
• データセンター（クラウド機能用）でホストされ、多くの場合ブロックチェーン技術で保護された仮想製造施設とその無数のデジタルオブジェクト
• 機械学習機能のためのエネルギー多消費型AI駆動分析とニューラルネットワーク

デジタルツインや産業メタバースを活用したアプローチへの投資が正当化される場合、極めて大規模な企業がその利用をサポートするツールを提供する傾向があります。対照的に、中小企業はその利用から最も恩恵を受けます。たとえば、Siemens、Autodesk、Dassault Systèmesのソフトウェアエコシステムは、全体的な仮想モデルの設計と使用をサポートしています。AnsysとAltair Engineeringのシミュレーションツール（One Total Twin製品を含む）は、材料特性や予想されるライフサイクルにわたる性能などのパラメータを考慮した製品モデリングを可能にします。

追加情報：中小企業が産業メタバースを活用してロボットソリューションを検討および導入する方法

最も急速に導入が進んでいる産業メタバースアプリケーションは、物流、製造、ヘルスケア、教育、エンターテイメント、都市計画の分野です。実際、製造分野におけるメタバースの利用の一部は、サプライチェーンの改善、特に輸送効率と可視性を高めるプログラムに関連しています。

そうは言っても、製造業における産業メタバースの利用は増加傾向にあり、特にボトルネックの削減、プロセス最適化、品質管理、予知保全プログラムに活用されています。