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先進製造業はインダストリー4.0にどのように適合するのか?

まず、インダストリー4.0とは何か?

第4次産業革命と呼ばれるインダストリー4.0は、2011年にドイツ政府によって初めて導入されたもので、製造業を完全にデジタル化するための戦略的イニシアティブである。インダストリー4.0は、産業バリューチェーンの組織化と制御における新たな段階を意味する。 それは、製造/生産および関連産業のデジタルトランスフォーメーションである。

第一次産業革命は、機械化、蒸気動力、水力の出現によってもたらされた。続いて第2次産業革命は、電気を使った大量生産と組立ラインを中心に展開した。第3次産業革命は、エレクトロニクス、ITシステム、オートメーションによってもたらされ、サイバー・フィジカル・システムに関連する第4次産業革命へとつながった。以下の図1は、4つの産業革命をまとめたものである。

インダストリー4.0
図1.インダストリー1.0からインダストリー4.0へ(1)

インダストリー4.0への移行は、以下の9つのデジタル技術の柱に関連している。 (2):

  1. ビッグデータと分析-最初の柱はビッグデータと分析である。ビッグデータとは、大規模で複雑なデータの集合体を指す。データ分析とは、データから意味のある情報を抽出するプロセスである。継続的に流れるデータとアナリティクス能力を活用することで、企業はデータパターンの変化に迅速に対応し、コストを削減し、より迅速で優れた意思決定を行い、新しい製品やサービスを生み出すことができる。
  2. シミュレーションとデジタル・ツイン 第二の柱は、シミュレーションとデジタル・ツインである。シミュレーションは製品に起こりうることを再現しますが、デジタル・ツインは現実世界で実際の特定の製品に起こっていることを再現します。ビッグデータとアナリティクスが利用可能になり、継続的に向上するコンピューティング・パワーと相まって、3Dシミュレーションの応用範囲は、製品や生産プロセスの一般的なエンジニアリング・フェーズから工場のオペレーションにまで広がっている。
  3. 自律型ロボット-第3の柱は自律型ロボットである。自律型ロボットとは、人間の制御に頼らずに行動するロボットのことである。従来、製造業者は複雑な作業や任務に取り組むために産業用ロボットを使用してきた。しかし、技術的能力の進歩により、自律的に機能し、ますます複雑で困難な作業を引き受け、人間と一緒に、あるいは人間が制限された作業スペースでも働くことができる新世代のロボットが登場しつつある。
  4. 水平・垂直システム統合-第4の柱は水平・垂直システム統合である。インダストリー4.0の文脈では、垂直統合とは、企業のさまざまな階層にわたる社内ITシステムの接続を指す。水平統合とは、企業のサプライチェーンとバリューチェーン全体にわたるさまざまなシステムのデジタル化と接続を指す。この接続は、異なる企業間の価値ネットワークを構築し、エンド・ツー・エンドのソリューションを提供することを目的としている。
  5. モノのインターネット(IIoT)-第5の柱はモノのインターネット(IoT)である。IoTとは、インターネットに接続された相互にリンクされた物理的なモノやデバイスから構成されるネットワークシステムの概念を指す。IoTのサブセクションである産業用モノのインターネット(IIoT)は、IoT機能を産業目的に応用することに焦点を当てている。IIoTは、企業が機械、センサー、製品、デバイスから継続的に情報を収集し、この情報を使用して故障を検出し、品質を監視し、保守手順を開始することを可能にするため、インダストリー4.0の概念にとって不可欠な前提となっている。
  6. サイバーセキュリティ- 6つ目の柱はサイバーセキュリティである。インダストリー4.0への移行は多くのメリットをもたらす一方で、サイバーセキュリティに関する懸念も増大している。実際、システムの統合やIIoT、ビッグデータ、アナリティクス、クラウドコンピューティングの導入は、サイバー攻撃のリスクを増大させる。サイバー攻撃の脅威は様々であるが、ビジネスへの影響は深刻である。その影響には、労働者の生命を脅かす事態、産業取引や知的財産の窃盗、安全や公害のコンプライアンス違反、ネットワークへのサービス拒否、重要なインフラや機械、部品への妨害行為などが含まれる。
  7. クラウド・コンピューティング- 7つ目の柱はクラウド・コンピューティングである。クラウド・コンピューティングとは、インターネット上でITリソースとコンピューティング・パワーを共有することを指す。クラウド・コンピューティング・サービスには、サーバー、ストレージ、データベース、ネットワーキング、ソフトウェア、分析、インテリジェンスなどが含まれる。インダストリー4.0の文脈では、クラウド・コンピューティングは、社内部門や会社の境界を越えた生産・製造活動を促進し、より多くのコラボレーション、作業の柔軟性、サービスの提供、新製品の創造への道を開くことができる。
  8. 積層造形と3Dプリンティング -第8の柱は アディティブ・マニュファクチャリング (AM)である。AMとは、材料を追加して部品を作成する3Dプリンティング技術を含むプロセスを指す。このプロセスは、フライス加工や旋盤加工、射出成形(金型に材料を注入して製品を作る)などの従来の製造プロセスとは異なる。これまでは、ほとんどの企業が主に個々の部品やコンポーネントの試作や製造にAMを使用していた。しかし、AM技術が進化・成熟するにつれて、同じ製品の大量生産から、高度な属性を持つカスタマイズされた洗練された製品の少量生産への移行に、AMを利用する企業が増えている。
  9. 拡張現実(AR)と仮想現実(VR) 9つ目の柱は、拡張現実(AR)と仮想現実(VR)である。ARとは、タブレット、スマートフォン、スマートグラスなどのデバイスを通じて、ユーザーの視界にグラフィック情報のレイヤーを投影することで、コンピューターが生成した情報を現実の環境に統合することを指す。この付加的な情報レイヤーは、デジタル/バーチャルと物理的環境のギャップを埋め、作業タスクや意思決定をサポートすることで、作業員を支援することができる。 バーチャル・リアリティ (VR)はARの一歩先を行っている。現実世界の環境に投影されたグラフィカルな情報のレイヤーの代わりに、VRデバイスは現実世界の環境の仮想レプリカを生成し、ユーザーが仮想要素と相互作用し、仮想環境での活動を評価し、実行することを可能にする。
図2.インダストリー4.0の9つの技術的柱の概要(2)

インダストリー4.0の9つのテクノロジーは、図2の左側にハイライトされている。

このようにインダストリー4.0は、新たな産業革命の約束を包含し、スマートなコネクテッド・テクノロジーが組織内に組み込まれる方法を表している。デジタル技術の活用は、製造システムの最適化を通じて、製造業をより機敏に、より柔軟に、そして顧客へ対応できるようにする。 

インダストリー4.0を採用する主なメリットは以下の通りである。 (3)

インダストリー4.0における積層造形と3Dプリンティング: (4)

アディティブ・マニュファクチャリング(積層造形)と3Dプリンティングが8つの主要製品に選ばれた。th インダストリー4.0の柱は、インダストリー4.0をリードする新たな製造技術である。アディティブ・マニュファクチャリングを他の技術と組み合わせて使用・導入することで、機械(自律型、自動型、インテリジェント型)、システム、ネットワークが情報を交換し、生産管理システムに対応できるインテリジェント生産へと産業が進化している。さらに、3D設計を介入なしに製品化できる技術として、3Dプリンティングはインダストリー4.0における製造の基本的役割を担っている。高価な工具や治具が不要になり、後処理、材料の無駄、人の介在が削減される。 

3Dプリンティングのおかげで、工場は柔軟性を高め、ますます要求が厳しく予測不可能な市場のニーズに適応することができる。さらに、高価な金型や製造ツールを使わずに、あらゆる種類のパーソナライズされたオブジェクトを製造することができる。 

現在の気候状況や、資源の消費や廃棄物の発生を抑えた持続可能な製造プロセスの重要性を考慮すると、3Dプリンティングは環境の強い味方でもある。加えて、3Dプリンティングが原因で世界的に経験している現状は、次のようなものである。 COVID-19 は、パーソナライズされた要素を迅速に求めるニーズの高まりを受けて、3Dプリンティングのさらなる進展と統合につながった。

まとめ

インダストリー4.0による積層造形のようなスマートテクノロジーは、生産性の向上、部品品質の改善、コストと従業員のダウンタイムの削減につながる。また、リソースの利用率も向上します。インダストリー4.0は、企業の製造方法に革命をもたらし、製品の品質と流通を改善します。インダストリー4.0は、製造企業の競争優位性を促進し、製品を販売する新しい方法と、企業がデジタルプロセスに変更する方法を可能にする。  

参考文献

  1. https://www.researchgate.net/figure/from-industry-10-to-40_fig1_346901544
  1. https://www.researchgate.net/figure/overview-of-the-nine-technological-pillars-of-industry-40_fig2_346901544
  1. https://www.horsfield-smith.co.uk/insights/blog/how-is-industry-4-0-revolutionising-the-manufacturing-industry/ 
  1. https://www.3dnatives.com/en/3d-printing-in-industry-4-0-150220215/

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