デジタルツインによる工場のスマート化・活用事例｜製造業の未来と課題とは
デジタルツイン技術は近年、製造業において大きな注目を集めています。
この技術は、仮想空間に現実の工場や製品を再現し、リアルタイムで現実空間を監視・管理することを可能にします。
近年ではVRを活用した可視化・遠隔支援と組み合わせる事例も増えており、製造業のデジタルツイン導入は新たな段階に入りつつあります。
本記事では、デジタルツインの基本概念から製造業への具体的な活用事例までを詳しく解説します。
デジタルツインとは何か？製造業におけるデジタルツインの定義と注目される理由
デジタルツインの基本概念
デジタルツインはその名の通り「現実空間をデジタル化したもの」を指します。
表面的なコピーではなく、状態・挙動などをリアルタイムでデジタル化しシミュレーションします。
製造業におけるデジタルツインは、製造プロセスや製品の物理的な構造、機能をデジタル上に再現することで、生産ラインの効率化や製品品質の向上を図るものです。
製造業では、生産設備や製品の設計データ、センサーデータを元にデジタルツインを構築し、製造過程をリアルタイムで監視、シミュレーションすることで、設備の稼働状況や製品の性能を最適化できます。
デジタルツインとメタバースの違い
デジタルツインと近いワードとされる「メタバース」ですが、両者は若干異なります。その差異は、以下のように捉えられます。
- メタバース：完全な仮想空間。現実空間を模しているものもあれば、現実には存在しない仮想空間もある。また、複数人が同時に接続し、コミュニケーションを行える空間を指す。
- デジタルツイン：あくまで現実空間をリアルタイムでデジタル化したもの。複数人でのコミュニケーションは不要。
あくまでデジタルツインは現実空間のデジタル化に比重を置いており、産業用途での利用が主である一方で、メタバースは一般ユーザーをメインペルソナとしたコミュニケーションスペースという色合いが強いです。
製造業へのデジタルツインの活用メリット
デジタルツインは、製品の設計段階から工場での製造・運用・保守に至るまで、あらゆる段階で効率化や品質向上を実現できることから、製造業における活用が注目されています。
製造現場の可視化やデータ分析にも役立ち、より効率的な生産計画や品質管理も可能にします。
ここでは、デジタルツインの主な活用メリットを紹介します。
リアルタイムデータ監視・分析による予知保全
デジタルツインでは、工場内の各種設備の稼働状況をIoTデバイスからリアルタイムで収集・監視し、過去の稼働・故障データと照らし合わせることで、わずかな変化から故障の兆候を検知し、事前にメンテナンスを行うことができます。
これにより、設備のダウンタイムを最小限に抑えることが可能です。
生産プロセスの最適化・効率化
デジタルツインを使用して生産ライン全体をシミュレーションすることで、生産効率の向上やエネルギー消費の削減が図れます。
例えば、ボーイングはMarkLogicを基盤としたモデルベースシステムズエンジニアリング（MBSE）にデジタルツイン技術を組み合わせ、製造プロセスを効率化しています。
製品開発データを統合してリアルタイムに影響分析を行うことで、品質向上とコスト削減を実現するとともに、データの一貫性・セキュリティ強化や複雑な製造工程の可視化にもつながっています。
参考記事：MarkLogicはボーイングのMBSEをどのように実現したか
デジタルツインによる遠隔監視・支援による人手不足の解消
デジタルツインを用いると、遠隔地からでも工場や設備の状態をリアルタイムで監視したり、遠隔地からの設備や装置の操作や制御も可能にします。
また、遠隔の技術者は現場に赴くことなく工場や設備の状態を把握し、現地の作業員にAR・VRグラスなどを通じて必要な指示を出すこともできるため、人材不足や地理的な制約・移動時間といった問題を解消する効果も期待できます。
製品の試作のコスト削減や工場のシミュレーション
デジタルツインを活用することで、シミュレーションによって試作品の製造コストを削減できます。
製造業では3DCADによる製品設計がすでに主流となっており、設備の3Dデータを組み合わせて製造ラインをデジタルツイン化することで、仮想空間上での試作品の製造・検証が可能になります。
VRを使えば、試作品を実寸大の3D空間で確認しながら検証することもできます。
これにより、従来は実際に設備を稼働させ原材料から製造していた試作も、ソフトウェア上で完結できるようになり、大幅なコスト削減につながります。
工場のデジタルツインの構築手順6ステップ
実際に工場をデジタルツイン化する場合、以下の6ステップが必要になります。
①既存のデータ管理や業務の課題の洗い出し及び目標設定と要件定義
まず、デジタルツイン導入の目的を明確にします。
- 設備の稼働効率を向上させる
- 製品品質を改善する
- 設備の予知保全を実現する
といった具体的な目標を設定します。その後、その目標に基づき、必要なデータやシステム要件を定義します。
この際、定義された要件に基づいてセンサーやIoTデバイス、データ収集システムの選定が行われますが、既存の生産管理システム（MES）やERPシステムとの連携を考慮する必要があります。
②データ収集とインフラ整備
次に、工場内の設備や生産ラインにセンサーを設置し、必要なデータをリアルタイムで収集できるインフラを整備します。
これには、ネットワーク環境の構築やクラウドサービスの導入も含まれます。主に以下の内容となります。
- センサー設置：温度、圧力、振動など、モニタリングが必要なパラメータに応じて適切なセンサーを選定・設置します
- IoTプラットフォーム：収集したデータを一元管理するためのIoTプラットフォームを導入します。クラウドベースのプラットフォーム（例: AWS IoT、Azure IoT）やエッジコンピューティングを活用します。
- ネットワークインフラ：セキュアで高速なデータ伝送が可能なネットワークを構築します。5GやWi-Fi 6など最新の通信技術を利用することも考慮します。
③デジタルツインの構築
物理的な工場のモデルをデジタル上に構築します。
これには、CADデータを基に工場の生産ラインの3Dモデルを作成し、収集したリアルタイムデータを反映させるプロセスが含まれます。
モデルには、機械やライン全体の物理的挙動や生産プロセスが再現されます。
具体的には以下の内容となります。
- 3Dモデリング：工場設備や生産ラインの詳細な3Dモデルを作成します。CADソフトウェア（例: Autodesk、SolidWorks）を使用します。
- シミュレーションエンジン：デジタルツインに基づいてシミュレーションを行うためのエンジン（例: SiemensのSimcenter、Ansys、UnrealEngineなど）を導入します。
- リアルタイムデータ連携：IoTプラットフォームから得られるデータを3Dモデルにリアルタイムで反映させるためのデータインテグレーション技術を活用します。
④3Dシミュレータによるシステムの統合
デジタルツインを稼働させるためのシステムを統合し、工場内の実際の環境でテストを行い、システムが期待通りに動作しているかを確認します。
- システムインテグレーション：生産管理システムやデジタルツインプラットフォーム、センサーシステムを一つに統合します。APIやカスタムインターフェースの開発が必要になる場合もあります。
- テストプロトコル：工場稼働をシミュレーションするためのテストプロトコルを開発し、異常が発生した場合の対応を検証します。
⑤本番運用とデータ活用による最適化
システムを本番稼働させ、デジタルツインを通じて工場の運用を最適化します。
リアルタイムデータの分析をもとに設備の稼働状況をモニタリングし、異常発生時の対処やプロセスの最適化を継続的に行います。
具体的には、以下のような取り組みが中心となります。
- データ管理・分析：収集したデータを分析し、予兆保全やプロセスの最適化に活用します。AIや機械学習アルゴリズムを導入することが一般的です。
- ダッシュボードによるデータのビジュアライズ：運用状況をリアルタイムで監視するダッシュボードを開発・実装します。Power BIやTableauなどのビジュアルアナリティクスツールを使えば、少ない工数でも実現可能です。
⑥稼働後の定期的な保守・メンテナンス
デジタルツインを維持し続けるには、継続的なメンテナンスとデータの更新が欠かせません。新しいデータや技術が導入された際には、デジタルツイン自体もアップデートする必要があります。
- データ更新：センサーやシステムから取得するデータを定期的に更新し、実際の工場に近いデジタルツインの状態を保ちます。
- セキュリティ対策：外部からの攻撃に対して脆弱でないかを定期的に確認し、必要な対策をアップデートします。
こうした運用・保守を確実に実行することで、デジタルツイン技術を工場に効果的に導入し、持続可能で効率的な運用を実現できます。
※大手化学メーカーなど多数のデジタルツインの実装支援実績のある会社はこちら
デジタルツインを実現する4つの技術
デジタルツインは、単一の技術だけで成り立っているわけではなく、複数の技術を組み合わせることで実現されています。
ここでは、デジタルツインを支える代表的な4つの技術（IoT、AI、AR・VR・MR、5G・ローカル5G）を紹介します。
デジタルツインを実現する技術①IoT
IoTデバイスは、工場内の各設備・インフラからセンサーやアクチュエータを通じてデータを収集し、ネットワークを介してリアルタイムに伝送する役割を担います。
デジタルツインは、これらのデータをもとに物理的なオブジェクトの状態を仮想空間上に再現します。
デジタルツインを実現する技術②AI
AIは、IoTデバイスから取得した大量のデータを分析し、パターンや傾向を検出する形で活用されます。
デジタルツインで何を実現したいかによって、活用方法やデータ設計は異なります。
例えば、設備のパフォーマンスデータや作業員の作業データを数値で分析する方法もあれば、現場の画像データを画像認識AIで解析し、作業内容の判定に使う方法もあります。
目的に応じて、必要なデータの取得・蓄積方法を適切に設計しておくことが重要です。
デジタルツインを実現する技術③AR・VR・MR
拡張現実（AR）や仮想現実（VR）、複合現実（MR）といった技術により、デジタルツインの視覚化が可能になります。
ARは現実世界にデジタル情報を重ねて表示する技術、VRは仮想空間を体験できる技術、MRは現実世界と仮想世界の情報を融合し、双方向に操作できるようにする技術です。
これらの技術を用いることで、仮想空間上に再現されたオブジェクト（工場内の製造ライン・設備）や取得データを3Dでビジュアライズできます。
これにより、ユーザーはデジタルツインをより直感的に理解し、操作することが可能になります。
製造業・工場におけるXR活用事例やポイントが気になる方はこちら：
- AR（拡張現実）やMR（複合現実）の活用事例・活用方法→【製造業・工場のAR/MR/VR活用事例】メリットや導入のポイントを解説
- VRの活用事例・活用方法→【2024年最新】製造業・工場のVR活用事例と導入プロセス・費用
デジタルツインを実現する技術④5G・ローカル5G
5Gは、従来の通信技術よりも高速・低遅延な通信を実現する技術です。
デジタルツインでは、5Gを活用することでリアルタイムに大量のデータを伝送でき、より精度の高いデジタルツインの実現につながります。
セキュアなデータ送信・管理が必要な場合は、クローズドなネットワークを構築できるローカル5Gを用いることで、セキュリティを担保できます
工場のデジタルツイン化・XR活用を支援する企業
当メディアの運営元・株式会社Forgersは、製造・通信・小売業など幅広い業界の企業に対して、VR/ARやデジタルツインの実装・コンサルティング支援を行ってまいりました。
NTTドコモ、アイシン、ニトリ、NTT東日本などのXR開発や、大手化学メーカーの「工場のデジタルツイン化」も支援しています。
スマートファクトリーの実現や、工場のデジタルツインの実現に向けて、企画・設計のコンサルティングや3D/XR開発も行いますので、少しでもご興味がある方は、こちらからご相談ください。
製造業でのデジタルツイン活用事例
ここでは、国内外の製造業で実際にデジタルツインを活用している企業の事例を紹介します。
デンソー：工場のデジタルツイン
デンソーウェーブのデジタルツインシステム「DTS」は、工場の生産ラインを仮想空間上に再現することで、実際の生産プロセスをリアルタイムでシミュレーションし、最適化するためのソリューションです。
このシステムは、ロボットや設備の動作を正確にモデル化し、生産性の向上や設備の効率的な運用を支援します。
また、トラブルの予測や対策を事前に行うことが可能で、工場全体の安定した稼働を実現します。
- 詳細はこちら
ダイキン：止まらない工場のデジタルツイン
ダイキンは、2018年6月に空調機器製造の堺製作所臨海1号工場でデジタルツインを本格稼働させ、「止まらない工場」の実現に取り組んでいます
カメラによる作業時間の自動計測や目視検査の自動化で工場全体を見える化し、設備故障の事前予知、数千パターンの生産順位シミュレーションによる最適化を組み合わせています。
2024年度の実績では、生産ロスを全体で6割、設備故障に由来する生産ロスは8割削減しており、この取り組みは国内外の他拠点にも展開されています。
- 詳細はこちら
また、多分野での活用やさらに事例を知りたいという方はこちらから
→デジタルツイン事例5選｜製造業・物流・都市開発・医療での国内外の活用と効果
- 詳細はこちら
デジタルツインの課題や今後の展望
デジタルツインの導入にはいくつかの課題があります。
まず、デジタルツインを構築するためには膨大なデータの収集・管理とセキュリティ対策が欠かせず、実際の設備とデジタルツインの精度を保つためには継続的な更新・校正も必要です。
特に日本国内では、セキュリティに対する意識の高さから工場データの3D化やクラウド管理へのハードルが大きく、活用が進みにくい側面があります。
また、工場全体のデータをシミュレーションするには膨大な計算リソースが必要になるため、ハードウェアやクラウドへの初期投資も課題です。
VR・AR・MRによる可視化を取り入れる場合は、専用ゴーグルなどのデバイス導入コストや、コンテンツを継続的に制作・運用する体制づくりも検討事項になります。
こうした課題を乗り越えるには、クラウド上のセキュリティ対策の強化、シミュレーションの軽量化やハードウェアの進化に加え、VR・ARコンテンツを低コストで制作・運用できる仕組みづくりが不可欠と言えます。
まとめ：更なる技術革新に向けて
デジタルツインは製造業の未来を切り開く重要な技術であり、その活用が進むことで業界全体の革新が期待されます。
デジタルツインは、製造業の効率化、品質向上、コスト削減、持続可能性など、様々な課題解決に貢献する技術です。今後、デジタルツイン技術は、製造業だけでなく、様々な業界で活用されることが期待され、社会全体の進化に貢献していくでしょう。
また、当メディアの運営元・株式会社Forgersは、製造・通信・小売業など幅広い業界の企業に対して、VR/ARやデジタルツインの実装・コンサルティング支援を行ってまいりました。
NTTドコモ、アイシン、ニトリ、NTT東日本などのXR開発や、大手化学メーカーの「工場のデジタルツイン化」も支援しており、スマートファクトリーの実現や、工場のデジタルツインの実現に向けて、企画・設計のコンサルティングや3D/XR開発も行います。
少しでもご興味がある方は、こちらからご相談ください。
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