製造工場におけるデジタルツイン導入の取り組みと実装例

『デジタルツイン』と言う言葉を耳にすることが多くなっていますが、弊社も製造工場に対し、デジタルツイン導入支援をしていますが、『必要性』『効果』『費用対効果』『将来展望』のイメージがない状態で導入すると、『ダウンタイムの短縮』や『生産プロセスの最適化』の数値目標になかなか到達できずに悩んでしまったり、プロジェクトが滞ってしまったりといった事態に陥ることが少なくありません。
そこで今回は、デジタルツインを導入での効果を整理し、実装にあたっての課題もピックアップしてみます。
最後に、弊社支援した企業も含め、国内外メーカーの導入事例を紹介します。

目次

1. デジタルツイン導入効果やキーワード

   1. プロセスの最適化

   2. 予知保全

   3. 製品開発とプロトタイピング

   4. サプライチェーンの最適化

   5. 従業員のトレーニングと安全性

   6. エネルギー効率

2. 製造工場にデジタルツインを導入する際の課題

   1. データの統合と品質

   2. モデルの精度

   3. コストと投資

   4. セキュリティとプライバシー

   5. 変更管理

   6. 相互運用性

   7. スケーラビリティ

   8. 規制とコンプライアンス

3. デジタルツイン導入企業事例

   1. 多国籍コングロマリット企業集団

   2. 産業用ロボット及び工場自動化システム企業

   3. 電機メーカー

1）デジタルツイン導入効果やキーワード

プロセスの最適化：

企業はデジタルツインを使用して製造プロセスのシミュレーションと最適化を行い、ボトルネック、非効率性、改善の機会を特定できるようにしました。これには、生産シーケンスの改善、ダウンタイムの削減、無駄の最小限化が含まれます。

予知保全：

機器や機械の状態をリアルタイムで監視するためにデジタルツインが採用されていました。センサーやその他のソースからのデータを分析することで、メーカーはメンテナンスの必要性を予測し、計画外のダウンタイムを削減し、機器の寿命を延ばすことができます。

製品開発とプロトタイピング：

デジタルツインは、物理的な生産の前に製品のパフォーマンスをシミュレーションおよびテストするために、設計およびプロトタイピングの段階で使用されました。これにより、設計上の欠陥を早期に特定し、物理的なプロトタイプにかかるコストと時間を削減できます。

サプライチェーンの最適化：

メーカーはデジタルツインを使用してサプライチェーンをモデル化し、より適切な需要予測、在庫管理、リスク評価を可能にしました。これにより、在庫切れが減り、リードタイムが短縮され、よりスムーズな業務が確保できるようになりました。

従業員のトレーニングと安全性：

仮想環境で従業員をトレーニングするためにデジタルツインが採用され、従業員は事故のリスクなしにタスクや操作をシミュレーションできるようになりました。これにより、安全性が向上し、新入社員の研修時間の短縮につながる可能性があります。

エネルギー効率：

デジタルツインは、工場内のエネルギー消費パターンを監視し、エネルギー節約の機会を特定するために利用されました。これには、リアルタイムデータに基づいた機器の使用量の最適化とスケジュール設定が含まれます。

2）製造工場にデジタルツインを導入する際の課題

デジタルツイン導入にあたっては、システム企業の準備以外に、導入する側の企業も対応しなければならない項目もあります。強いて言えば『導入側の準備』『導入企業メンバーの心構え』がデジタルツインの効果を左右すると言っていいのではないでしょうか

データの統合と品質：

様々なソースからデータを収集し、その正確性と一貫性を確保することは課題です。センサー、マシン、様々なソフトウェアシステムからのデータの統合は複雑になる場合があります。

モデルの精度：

デジタルツインが現実世界のシステムを正確に表現していることを保証することが重要です。不正確なモデルは、不正確な予測や決定につながる可能性があります。

コストと投資：

デジタルツインの開発と維持には、テクノロジー、ソフトウェア、センサー、熟練した人材の面で多額の投資が必要です。

セキュリティとプライバシー：

接続性が高まると、送信および保存されるデータのセキュリティに関する懸念が生じます。重要な製造データに不正にアクセスすると、重大な結果が生じる可能性があります。

変更管理：

デジタルツインの導入には、多くの場合、組織内の文化的な変化が必要です。従業員は新しいプロセスやテクノロジーに適応する必要がありますが、時には抵抗に直面することがあります。

相互運用性：

異なるシステムやテクノロジーがシームレスに通信し連携できるようにすることは、特にレガシーシステムを扱う場合には課題です。

スケーラビリティ：

工場が成長し進化するにつれて、デジタルツインインフラストラクチャは変更や拡張に対応できるようにスケーラブルである必要があります。

規制とコンプライアンス：

業界によっては、デジタルツインテクノロジを実装する際に対処する必要がある規制要件がある場合があります。

3）デジタルツイン導入企業事例

ａ）多国籍コングロマリット企業集団：

この企業のデジタルツイン導入の目的は、仮想環境で生産システム全体をシミュレートおよびモデル化し、工場とプロセスのパフォーマンスを最適化することです。実工場の仮想空間を作成して、リアルタイム データを用い、生産プロセスを監視すると同時にプロセスの最適化を図ると同時に製品品質を向上させ、ダウンタイムを削減し、生産効率の工場を実現します。

これらの目標達成のために、高度なセンシングデバイスを使用して、生産ラインや製造設備からリアルタイムデータを収集し、仮想空間にフィードします。このデータを処理して、改善が必要なプロセスや動きを特定できる高度な分析力とAIアルゴリズムを開発しました。

また、仮想空間との対話型AIを開発したことで、生産ライン構成や工程をテストし、生産パラメーターの変更影響をシミュレーションすることで、生産工程の潜在的なボトルネックを特定し、対応することができるようになり、生産効率や生産性の向上、コストの削減を実現しました。

ｂ）産業用ロボット及び工場自動化システム企業：

デジタルツイン技術を用いて、ロボットシステムのシミュレーションと最適化を図っています。AI と IoT 技術を組み合わせてロボットと生産プロセスのデジタルツインを構築し、オリジナルデジタルツインプラットフォームを開発しました。該プラットフォームを活用して、ロボットシステムの性能向上や予防保全機能を充実させ、他の企業にデジタルツインソリューションを提供しています。

ｃ）電機メーカー：

デジタルツイン技術を用いて、自社システムのシミュレーションと最適化を実行しています。 同社は、自社の優れたIoT技術とAIを組み合わせて生産設備とプロセスのデジタルツインを作成するオリジナルデジタルツインプラットフォームを開発しました。彼らは、このプラットフォームを用いて、得意分野とするFAシステムのパフォーマンスを向上させ、他の企業にデジタルツインソリューションを提供しています。

これらの企業のデジタルツイン開発・活用により、生産効率、品質、及びパフォーマンスを向上させ、企業が持つ物理的な資産とプロセスのデジタルツインを作成、シミュレーションし、様々なソリューションを実際の世界に実装する前にトライアルと検証することができます。
これにより、プロセスエラーやダウンタイムのリスクを軽減し、生産プロセスを最適化し、且つ最大の効率とパフォーマンスを実現することができるのです。更に、これらソリューションを他社に提供することで、製造業の全体的な効率と生産性向上を実現することができるのです。ここで言う『他社』とは、直接の製造メーカーだけでなく、そのメーカーを取り巻くサプライチェーンも含めた製造企業集団を指します。