現代の機械製造産業において、金型産業は国家経済を支えるための基盤産業となりつつあります。多くの新製品開発・生産は、金型製造技術に依存しており、特に、自動車産業・軽産業・電気・航空宇宙産業において、その傾向は顕著に見られます。金型産業の水準と対応する技術のレベルは、国家レベルでの機械製造技術の重要な指標となっています。それは、国家経済の多くの分野に影響を及ぼします。金型用のCAD・CAMは、金型産業向けに特化して基礎部分から開発がおこなわれてきました。これは、コンピュータ技術と金型製造の包括的な応用に新たな飛躍をもたらします。
CAD/CAM技術の急速な開発と、ソフトウェア・ハードウェアのレベルのさらなる向上は、金型産業に対して強力な技術的なサポートを提供すると同時に、製品デザインの品質・製造・製品レベルに飛躍をもたらしました。これは、現代の企業の情報化・統合・ネットワーキングにおいて、最適な選択肢となっています。
1. 旧来の金型設計・製造
旧来の金型設計・生産は複雑なプロセスを経て行われるものでした。設計の手順は図1に示すように、
・製品企画
・ソリューションデザイン
・技術設計
の3つのプロセスに分けることができます。成型加工は、金型の設計が終わった後に行われます。このプロセスは、主に手作業に依存しており、精度が低いだけでなく、製造期間の長期化・製造コストの増加という課題も抱えています。
従来の金型設計・製造は手作業に依存しており、ソリューションの設計も経験に頼っています。また、ソリューションの数を最適化して最小にするのも困難であることがわかります。さらに、複雑な機械分析や動的・正確な計算を行うのも不可能でエラーが出やすいため、設計段階における多くの時間は、部品の図面や組み立て図に費やされ、最終的に設計期間の長期化や効率・生産性の低下が引き起こされてしまいます。
図1. 伝統的な金型生産のフローチャート
2. 金型用CAD・CAMの説明
2.1 金型用CAD・CAMの設計フロー
コンピュータ技術・製造技術の急速な発展にともない、金型の設計時間・機械製造期間を短縮させる方法や、製造品質を向上させる方法への関心が高まっています。金型技術は、エンジニアの経験や標準的な機械加工技術に依存した手作業での設計から、金型用のCAD・CAE・CAM技術を用いたものへと徐々に移行しています。アメリカは、金型産業におけるコンピュータ技術の実装を進めており、金型用CAD・CAE・CAMの統合システムの開発と、設計効率と製造品質の向上・生産期間の短縮を達成しています。
現在の金型設計手順は図2のようになっています。
図2. 現在における金型設計のフローチャート
これまでに説明したとおり、現代の金型設計産業のプロセスは、人間の関与・意思決定を大きく減らしたものとなっています。金型分野においてCAEシステムが導入されたことにより、金型設計・製造は以下のメリットを享受しています。
- a) 設計効率の向上（Increased design efficiency）
- b) 設計品質の向上（Increased design quality）
- c) グループ設計による恩恵（Benefitted group designing）
- d) 簡単な設計変更（Easy design modification）
- e) 統一された設計・解析（Unified design and analysis）
- f) 容易な製品仕様の標準化（Easy to standardize product specification）
- g) 容易なネットワークの共同設計（Easy to achieve network collaborative design）
- h) 紙を使用しない製造（No-paper manufacturing）
図3は、金型設計・生産のCAD手順です。シミュレーションや検証のような分析を通じて、効果的にCADソフトを用いることにより、製品の信頼性を向上させることができます。また、設計コストや設計期間を短縮することも可能です。
図3. 現代の金型設計プロセスにおけるCADのフローチャート
CADを使用したことによって、自動化された金型生産はさらに高度なものとなりました。CAPPの製造仕様を通じて、工具位置の仕様書がCAMへと生成され、NCドリルを利用した自動製造がおこなわれることにより、製造プロセスはより便利かつ正確なものとなりました。ラピッドプロトタイピングのような金型設計プロセスの応用は、設計期間の短縮・製造コストの削減をさらに実現します。
2.2 金型用CAD・CAMの開発の歴史
1945年に、アメリカが世界初の真空管コンピュータENIACを開発して以来、コンピュータを利用したCADのような製品設計技術の開発は次の5段階に分けることができます。
1. 養成期（1940年代後半～1950年代後半）
この時期には、コンピュータエンジニアが電子管を使用するのに対し、プログラマはマシン言語を利用していました。基本的なグラフィック機能しかなかったため、通常はグラフィカルディスプレイユニット・ローラー描画機器・タブレット描画機器などを用いていました。当時コンピュータは低精度の単純な形しか描くことができませんでしたが、この時期からCADが出現し始めます。
2. 急速な開発期（1950年代後半～1960年代後半）
この時期におけるCADは2Dシステムが中心であり、3D のCADシステムは単純な大規模かつ高価なものでした。アウトラインシステムは、初歩的なポリゴン情報のみを表現し、ポリゴン同士の位相を効果的に表現できませんでした。このため、当時はCAM・CAEを実現することができませんでした。
3. 成熟・拡大期（1970年代）
曲率の再現機能の出現は、この10年間のCAD技術におけるブレークスルーとなっています。これは、第一次CAD技術革命とも呼ばれています。1970年代初期には、IBMとフランスのダッソー社が共同で、曲面を持つ部品を自由に作成し、3次元での設計を行うことができるCATIAシステムを開発しました。カーブ・サーフェスモデリング機能は、CAMにおける表面処理の課題を解決しましたが、質量・重心・体積などのポリゴンの特徴を表現することができず、CAEの開発には至りませんでした。
4. 応用期（1980年代）
CADシステムは、小規模なコンピュータ向けから、さらに小型のコンピュータに対応し始め、CAD技術の応用範囲を広げるためのハードウェア環境を生み出しました。
同時期に、CADソフトの開発において、エンティティ・モデリング理論やポリゴンの押し出し手法の構築、空間領域構成法（Constructive Solid Geometry）の幅広い利用、参照境界表現（B-rep）によるモデリング手法などが、CAD技術の特徴となってきました。CAD・CAE・CAMで利用可能なエンティティ・モデリングが台頭したことによって、CAEがついに実用化されることとなりました。
1988年には、可変モデリング技術に基づいた、世界初のCAD・CAEソフトであるPRO/Eが成功を遂げました。可変エンティティ・モデリングは、設計する製品の仕様に関連して、次元数を変化させることができるという特徴を持っています。
5. 標準化・人工知能の導入・統合期（1980年代から現在）
核となるポリゴンや実装関連の規格、ポリゴンの保存や変換に関する規格、そして仮想空間上での使用法の規格は、CAD技術を推進するにあたって非常に重要な役割を果たしました。
CADシステムに対する人工知能の導入は、CADの技術開発において必然的な傾向となっています。これにより、自動化の重要性が飛躍的に向上しました。また、CAD技術とCAM・CAE技術の統合は、各情報と機能の統合を実現する、一般的なCAD・CAMを形成しました。
3. 主な金型用CADソフトの紹介
AutoCAD
AutoCADは、米国のAutodesk社によって開発されたソフトで、2Dでの描画や編集、寸法表示機能など、対話形式の強力な2D機能を持っています。また、2D機能に加えて、3Dでの開発機能も搭載しています。AutoCADは現在世界でもっとも幅広く利用されているCADソフトであり、CAD・CAE・CAMソフト市場において約37%のシェアを占めています。
Solidwork
Solidworkは、Windows用の世界で最も初期に開発された3DCADであり、使いやすいインターフェース、学習の容易さ、低価格、そして費用対効果の良さが特徴となっています。
Pro/E
Pro/Engineerは、設計から製造段階までをカバーするマシンオートメーション用のソフトです。製品の特徴に基づくエンティティ・モデリングを用いており、これまでの製品モデリング機能の概念を一新したソフトでもあります。エンジニアはモデルを作成する際に、インテリジェントかつ設計する製品が持つ特徴に基づいた機能を用います。
このソフトは、共通の規格を持つデータベース上に構築されています。製品を構築する全ての情報は、同じライブラリから派生しています。設計プロセスにおけるいかなる変更も、他の関連している部分に反映されます。
Pro/Engineerは3Dのアウトライン設計という概念を開発しました。データム平面上に2Dのスケッチを描画したあと、3Dモデルを押し出すためにスイープ機能を使います。次に参照平面へと切り替え、平面交差・トリミングの計算を避けることができる表示手法を用います。
Pro/Engineerは、各要素の作成など全ての操作履歴を記録しており、寸法ラベルを編集した後は、対応する2Dでのアウトラインの編集に寸法値に基づいた手法を用いて、部品設計プロセスにおけるすべての操作コマンドを再試行するという、パラメトリック・フィーチャ・モデリングを行うことができます。これは曲面・エンティティ・可変ベースの機能設計を構成しており、複雑な部品を自由に作成することができると同時に、シンプルな設計編集機能も実現しています。
UG
UGでは、データム・スタンダード・スワイプ・モデリング・仲介・プロパティ・ユーザー設定などの機能を含む、フィーチャ・モデリングを行うことができます。
曲面モデリングツールは、自由曲線 / 曲平面設計・基本的 / 高度な曲面モデリング・複雑なアルゴリズムに基づいた曲面モデリング・曲面分析などの機能を含んでいます。
部品設計ツールは、部品の構造木・局所構造入力・組立モードにおける部品設計・2D / 3D両方のドライバ・従来の部品ライブラリに基づいた部品設計などの機能を含んでいます。
組立設計ツールは、制約の管理・組立ガイダンス・構造木の管理・並行した組立設計の管理・部品表管理・分解組立図・断面図・部品構成 / 描画設計・完全なアソシエーティブデザイン・組立環境における解析などの機能を含んでいます。
描画設計ツールは、図の生成・2D描画機能・ラベリング機能・描画編集・印刷出力などの機能を含んでいます。
モーションシミュレーションツールは、従属運動の定義・運動条件の定義・解析 / 計算・モーションシミュレーション・基本法則・複合メカニズムの定義・解析データの可視化などを含んでいます。
ポートツールは、CAD・CAE・CAM・PDM・CAPP・ERPなどを含んでいます。
4. 金型用CADの開発傾向と主要な課題
4.1 金型CADの主な開発傾向
金型技術の開発は、主に金型・材料品質に関する研究・高度な設計/ 製造技術・専用機や生産管理の標準化の程度に依存しています。金型生産において、CAD・CAE・CAM技術は非常に重要な位置を占めています。金型製造業界が市場で競争して生き残っていくため、時間・品質・コスト・サービス・環境要件などを満たすため、生産効率を最大化し顧客の要求を満たすために、それらの技術はセーフガードとして重要なものとなっています。
革新的な技術力と、ネットワークコンピューティング環境が普及したことに伴い、金型用CAD・CAE・CAM技術の一般的な開発は、以下の7つの側面から行われています。
統合（Integration）
現代の製造業は、市場シェアを追求するためにコンカレント・エンジニアリングを積極的に採用しており、人材・技術・情報・資源を統合するために技術と管理を組み合わせて、物流と情報の流れの複合体を形成しています。製品開発者は、設計段階において製品のライフサイクルに対する全ての要求を考慮し、開発効率を最大化しています。
ネットワーク（Networking）
CAD・CAE・CAM技術を実装したプロジェクトを一人で行うのは不可能であり、通常はグループか、企業を介して複数のコンピュータと協同して行われます。従って、ネットワーキングはシステム全体の強みを提供し、ユーザーがより専門的に、離れた場所から、協働して包括的な設計と解析を行うことを可能にし、工学的 / 製品のイノベーション・真の統合・資源の共有を通じて、製造業におけるグローバルな開発動向を満たすことができます。
標準化（Standardization）
技術の急速な発展に伴い、技術の標準化はCAD・CAE・CAMシステムの意義を強調してきました。標準化されたCAD・CAE・CAMシステムは、応用的なソフトウェア開発の基礎となるだけでなく、資源の共有と情報交換の役に立つような、CAD・CAE・CAM技術の応用を推進するための手段となります。
一般的なグラフィックスの規格としては、GKS（Graphics Kernel System, computer graphics core system）・IGES (Initial Graphics Exchange Specification, basic graphics conversion specification)・STEP (Standard for Exchange of Product model data, product model data exchange standards)などが挙げられます。
開放性（Openness）
グラフィックス支援ソフトは、共通かつ普遍的な問題に焦点を当てる傾向があります。一つのプロジェクトは常に固有の特徴を持っています。特定の目的に向けて効果的なサービスを実行するためには、支援ソフトウェアシステムに基づいた二次開発が行われる必要があります。CAD・CAM・CAEは、ユーザーに二次開発を行うための環境、そしてアプリケーションをカスタマイズ可能にする際に中核となるソースコードを提供します。
可視化（Virtualization）
仮想現実技術・マルチメディア技術・コンピュータシミュレーション技術を組み合わせることによって、製品設計や製造プロセスにおける結果のシミュレーションを行うことが可能になりました。さまざまな媒体にデータを格納することによって、設計図や製造プロセスに関する情報を、テキスト・音声・画像・アニメーションなどの統合することができ、臨場感と投入感を聴衆に与え、技術と技術者の創造性を促進します。
専門家（Professionalization）
金型用CAD・CAE・CAMシステムソフトウェアは、システム上の二次開発を実行したり、金型製造企業の特徴に特化して基づいた専門的なソフトウェアを開発することが可能です。これにより、企業が持っているリソースを十分に活用することができ、さらに、ソフトウェアの持つ可能性を最大限に発揮する、高品質な金型製品を生産することが可能です。
スマート化（Intelligentization）
技術・技術者をできる限りわずらわしい作業から解放し、作業効率を向上させるために、CAD・CAE・CAMシステムは、これらのシステムへのKF（Knowledge Fusion）の導入のような製品サイクルの全側面における合理化を達成するために、積極的に人工知能技術を用いており、これらの経験・知識・論拠・制御戦略は専門家に匹敵するだけでなく、高度な処理能力を持つ視覚・聴覚・言語処理機能を用いて、設計から製造段階における真の自動化を達成することが可能です。