ATO やマスカスタマイゼーションを実現する 3D CAD 設計標準化とは？ Creo で進めるモジュラーデザイン

機械メーカーや設備メーカーが多様な顧客要望に対応しながら設計効率を高めるには、受注ごとにゼロから設計する一品一様の進め方から、標準部品、モジュール、構成ルールを再利用する設計プロセスへ転換することが重要です。Creo を活用して 3D CAD 上でモジュール化された 3D モデルを設計して再利用できる環境を整えることで、設計手戻りや属人化のリスクを抑えやすくなります。

昨今、人手不足や熟練設計者の退職、顧客要望の多様化により、機械、重工、設備の各メーカーの設計現場では、従来の一品一様設計を維持しにくくなっています。顧客ごとに仕様が異なる製品を毎回ゼロから設計したり、Excel や属人的なメモで構成ルールを管理したりする方法では、設計工数や確認工数が増えやすく、誤発注や手戻りの原因にもなります。

本記事では、ATO（Assemble to Order：受注組立型生産）やマスカスタマイゼーションを見据えたモジュラーデザインの考え方と、Creo による 3D CAD 設計標準化の進め方を解説します。

一品一様から ATO への転換が急務だと言われる背景には、設計現場の業務量が処理能力の限界を超えているという現状があります。

とくに「ETO（Engineer to Order：個別受注設計）」比率の高い機械メーカーや設備メーカーにおいては、顧客要望の多様化により製品バリエーションが増加しており、次の課題が同時に押し寄せています。

顧客要望が多様化すると、受注前の相見積もり段階でも、精度の高い構想図面、仕様提案、概算コストの提示を求められる場面が増えます。

一方で、受注確度が高くない案件にも設計者が関与するため、本来注力すべき受注後の詳細設計に十分な時間を割きにくくなります。標準モジュールや再利用可能な 3D モデルが整備されていない場合、見積もり段階の構想設計も案件ごとに個別対応となり、設計部門の負荷が高まりやすくなります。

機械メーカーや設備メーカーの ETO は、「過去のあの案件の図面をベースにすればいける」という熟練設計者の記憶と経験（暗黙知）に頼ることで成り立ってきました。ところが、ベテラン設計者の定年退職や再雇用期間の終了、そして若手や中堅の離職により暗黙知が失われた結果、「あの人しかわからない」ケースが数多く発生しています。

これは、設計意図や過去の変更経緯が明文化されておらず、ノウハウが共有されていないことに起因する課題です。

多くの現場では、既存製品の延長線上にある設計の場合、過去の CAD データを「切り貼り」して形状を変える、いわゆる「コピペ設計」を行っています。しかしコピペ設計では、過去の不具合や潜在的な問題、前の設計者が「安全のために」と上乗せした不要なマージンまで引き継ぐため、関連部品との干渉や連動エラーなど、重大な手戻りや品質不良を引き起こすリスクが高くなります。

図面データの検索性が悪いため、類似図面を探し出すのに時間がかかりすぎています。その結果「探すよりも描いたほうが早い」と考え、毎回ゼロから設計している現場も多く、流用設計のメリットを十分に活かせていません。

たとえ類似図面が手元にあったとしても、設計意図がわからない過去図面の流用は若手にとって不安が大きく、ゼロから設計するという非効率を招いています。

部品のバリエーションや構成ルールは、各設計者が Excel やメモで管理してきました。これまでは、頭の中で干渉を予測して複雑に絡み合う部品同士の調整を行ってきたのです。

この従来の管理方法では、受注ごとに膨大な部品表 (BOM) を Excel から手入力で生産管理システムに登録するため、誤発注、設計工数、確認工数、手戻りが増加します。

ATO やマスカスタマイゼーションを進めるには、顧客ごとの個別設計を増やすのではなく、あらかじめ検証された標準部品やモジュールを組み合わせて、多様な仕様に対応できる設計基盤が必要です。

ATO（Assemble to Order：受注組立型生産）とは、標準部品やユニットを準備しておき、受注後に顧客仕様に合わせて組み立てる生産方式です。一方、マスカスタマイゼーションは、大量生産の効率性と個別仕様への対応を両立させる考え方です。

製品の共通部分を標準化し、顧客ごとに変わる部分をモジュールやオプションとして整理することで、多様なニーズに対応しながら、設計と製造の効率化を図ります。

ここでは、ATO やマスカスタマイゼーションを実現するためのアプローチを 3 つ紹介します。

モジュラーデザインとは、製品を機能単位の「共通部分（プラットフォーム）」と交換可能な「オプション部分（モジュール）」に分け、それぞれの結合ルールやインターフェースを整理した上で、組み合わせによって製品バリエーションを展開する設計手法です。

機械メーカーや設備メーカーの場合、フレーム、駆動部、制御部、配管ユニット、ポンプ、モーター、アタッチメントなどをモジュールとして整理することで、顧客仕様に合わせた派生設計を行いやすくなります。

モジュラーデザインを進める際は、製品全体をどのような構造、機能、モジュールに分けるかという「製品アーキテクチャ」の整理も重要です。製品アーキテクチャの種類や PLM との関係については、「製品アーキテクチャとは？種類、メリット、PLM との関係まで詳しく解説」で詳しく解説しています。

パラメトリック設計とは、寸法や形状を「パラメータ」として定義し、それらの数値を変更するだけでモデル全体を自動的かつリアルタイムに連動させて更新する 3D 設計手法です。パラメトリック設計により、顧客の要望や設置環境に合わせた動的な形状の生成が可能になります。

設計ルールや論理的な関係は設計者が拘束条件として定義して固定し、寸法や形状などの設計要素は、パラメータ（設定値や変数）を使って数式で連動させます。

たとえば、装置の幅、高さ、ストローク量、容量、出力、ボルト本数などをパラメータ化しておくことで、仕様違いの 3D モデルを作成しやすくなります。

Creo では、リレーション機能を活用することで、寸法や仕様を関係式で制御し、パラメトリック設計による派生モデルの展開を進めやすくなります。詳しくは「Creo のリレーション機能とパラメトリック設計の活用方法」をご覧ください。

遅延差別化とは、仕様が共通している「半製品、汎用部品、ユニット」の状態で在庫を抱え、顧客の個別注文に応じて出荷直前や流通段階で個別の仕様に仕上げる手法です。

遅延差別化では、顧客からの注文が入ってから最終的な組み立てや加工を行います。そのため、受注後に標準部品やユニットを組み立てる ATO は、遅延差別化と相性のよい生産方式です。

ただし、単に標準部品を準備するだけでは十分ではありません。標準部品をどのように組み合わせるか、どの仕様ではどの部品を選ぶか、どの組み合わせが成立するかを、設計データや BOM と連動して管理する必要があります。

マスカスタマイゼーション実現に必要な遅延差別化を体現している生産方式が ATO です。あらかじめ検証された標準部品やユニットを最適に組み合わせる ATO へ転換することで、限られたリソースで多様な顧客要望に迅速かつ正確に応えられるようになります。

ATO は、限られた数のコンポーネントをさまざまに組み合わせることで、多様な製品バリエーションを提供します。その実現には、モジュラーデザインと 3D CAD 設計標準化が必要です。

しかし、従来のボトムアップ設計を前提とした 3D CAD で ATO を実現しようとすると、次の課題に直面します。

ボトムアップ設計は、最初に単体の部品データ（パーツ）を独立して作成し、それらを 3D バーチャル空間のアセンブリに配置して「拘束」で組み立てていく伝統的な手法です。

ただし部品が完全に独立しているため、部品単位の流用や交換には向いていますが、幅や高さなどの変更に周囲の部品を自動追従させることはできません。そのため、流用やバリエーション展開を行う際に、1 カ所の変更に合わせて関連するすべての部品データを個別に手動で修正し、再配置する必要があります。

製品サイズが変わるたびに膨大な手戻りと修正作業が発生し、ミスも起きやすくなるため、効率的なバリエーション展開には向いていません。

なお、3D CAD アセンブリで発生する参照エラーの通知と修復の方法については、「3D CAD アセンブリのエラー対策に役立つ Creo の分析モードとは？」でも詳しく解説しています。

マスカスタマイゼーションで求められるのは、顧客の要望に合わせてサイズや容量も柔軟に変えられる「次世代の ATO」です。

Creo のトップダウン設計なら、製品の「スケルトン」を変更するだけで、その変更をアセンブリ全体へ自動的に反映できます。流用設計のスピードを高めながら、設計ミスを減らせます。

なお、ボトムアップ設計とトップダウン設計の運用の違いについては、下記にまとめています。

ATO やマスカスタマイゼーションを見据えて 3D CAD 環境を見直す場合は、モデリング機能だけでなく、設計再利用、アセンブリ管理、シミュレーション、PLM 連携などの観点から比較することが重要です。

3D CAD ソリューション選定ガイドブック

ATO や設計標準化を見据え、3D CAD 選定時に確認すべき評価観点を整理できます。

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Creo は、モジュラーデザイン、トップダウン設計、パラメトリック設計、バリエーション管理を組み合わせることで、ATO やマスカスタマイゼーションに向けた 3D CAD 設計標準化を支援します。

ここでは、Creo を活用してモジュール化された 3D モデルを設計して再利用する際に重要となる機能や考え方を整理します。

Creo のモジュラーデザインを支える中核が、スケルトンモデルを活用したトップダウン設計です。Creo のトップダウン設計では、「設計意図を 1 カ所に集約する」ために、マスターモデル法という設計アプローチを用います。

マスターモデル法とは、製品の構想段階で主要なコンポーネントの配置や構成を 1 つのファイルで検討し、そこから各部品を生成する手法です。このマスターモデル法を Creo 内で具体的に実現するための機能がスケルトンモデルです。

トップダウン設計では、まず製品全体の骨格、配置スペース、ユニット間の結合部の情報を定義した「スケルトンモデル」を最上位に作成します。

これにより、各モジュールを担当する設計者は、「共通のスケルトン（幾何学的な基準）」という 1 つのマスターデータだけを参照して設計できるようになります。

モジュラーデザインで重要なのは、結合部のインターフェースが共通になっていることです。スケルトンモデルに「結合部」を集約することで、モジュラーデザインのインターフェースを容易に共有できるようになります。

これにより、内部の設計を変更したり派生させたりしても、スケルトンで定義された占有スペースと結合部のルールを守っていれば、ほかのモジュールを巻き込むエラーや干渉は起きにくくなります。経験の浅い設計者でも、結合部の不一致や部品同士の重なりなどの干渉を抑えながら、バリエーション設計を進められます。

Creo Parametric におけるトップダウン設計の基本機能や強みについては、「トップダウン設計とは？ Creo Parametric のトップダウン設計機能や強みを解説」で詳しく解説しています。

パラメトリック設計とリレーション機能をベースに、ファミリーテーブルなどの仕組みを活用することで、各モジュール内部のバリエーションの作成を大幅に効率化できます。

リレーション機能は、寸法や仕様をパラメータとして定義し、関係式で形状をコントロールする機能です。1 つのマスターモデルの数値を書き換えるだけで、関連するすべての部品や図面、アセンブリを一括で自動的に変形させ、追従させることができます。

ファミリーテーブルとは、基本となる 1 つのモデル（ジェネリック）から、寸法や形状、仕様などが異なる複数のバリエーションモデル（インスタンス）を自動生成して管理する機能です。寸法やパラメータなどの値を表形式で一元管理することで、カスタム品ごとに新しいファイルを作る作業が不要になるほか、コンポーネントの標準化、そしてアセンブリ内の CAD 部品およびサブアセンブリの交換も簡単になります。

バリエーション管理のさらなる効率化に役立つ機能がマルチボディです。マルチボディとは、単一の部品ファイル内で複数のボディを作成、編集できる機能です。マルチボディによってマスターモデル法は大幅に効率化され、各モジュールのレイアウトや形状検討を直感的かつ簡単に行えるようになるほか、ファミリーテーブルの管理も非常にシンプルになります。

Creo におけるマルチボディの考え方や活用方法については、「マルチボディとは？ Creo における活用方法を解説」で詳しく解説しています。

Creo にはモジュラーデザインを加速させる拡張機能「Creo Options Modeler」が用意されています。製品の共通基盤に対して、ユーザが選択可能なオプションを定義し、正確な 3D 表示で個別の構成を動的に生成できる機能です。これにより、3D でのアセンブリ操作をスピードアップできるようになります。

Creo Options Modeler の概要については、PTC の英語ページ「Creo Options Modeler」でも確認できます。

従来は、受注ごとに過去の 3D データをコピーし、干渉しないように周囲の部品を調整しながら手作業で修正する必要がありました。

一方、Creo によるモジュラーデザインでは、スケルトンモデルによって「結合ルール」が固定されています。検証済みのモジュールを選んで組み合わせることで、干渉を抑えた 3D モデルを作成できます。これにより設計現場が得られるメリットは、次の 3 点です。

結合部のインターフェースが固定されているため、アセンブリ全体の幾何学的な整合性を確保しやすくなります。組み合わせるモジュール自体も、過去の製品で性能や品質の実績がある「検証済み」のものを流用するため（コンポーネントの標準化）、個別の詳細設計や再検証の手間が減り、製品全体の設計手戻りを大幅に減らせます。

ベテランの経験則や設計ルールは、ロジックとして表現できます。干渉ルールや結合ルールの制約をあらかじめスケルトン側にロジックとして組み込んでおくことで、経験の浅い若手設計者でも、設計ルールに沿って一定の品質を保ちながら 3D モデルを作成しやすくなります。

CAD 上でモジュールが整理されるため、似た部品の設計が乱立するのを防げます。その結果、購買部門が同じ部品をまとめて発注できるようになり、調達コストを下げられます。

Creo で 3D モデルのモジュール化と再利用を進めた後は、Windchill と連携して BOM、製品構成、変更管理まで一貫して管理することで、ATO 型の設計プロセスを運用しやすくなります。

Creo 単体でも、モジュール化された 3D モデルの設計、再利用、派生仕様の作成は可能です。しかし、ATO やマスカスタマイゼーションでは、3D モデルだけでなく、BOM、オプション、製品バリエーション、変更履歴、承認プロセスも連動して管理する必要があります。

Windchill は、BOM、製品構成、変更管理を担う PLM として活用できます。Creo と Windchill を組み合わせることで、3D CAD 上の設計情報を製品構成管理へつなげやすくなります。

Windchill による製品構成管理の考え方については、「製品構成管理」も参考になります。

ATO 移行は、3D CAD を導入するだけで完了するものではありません。対象製品、標準化する範囲、モジュール分割、BOM 連携の順に、段階的に整備することが重要です。

まず、どの製品ラインで ATO 化やマスカスタマイゼーションを進めるかを整理します。すべての製品を一度に標準化しようとすると、範囲が広がりすぎる可能性があります。最初は、派生仕様が多い製品、見積もりや構想設計の負荷が高い製品、手戻りが発生しやすい製品から着手すると、効果を把握しやすくなります。

次に、製品のどの部分を標準化し、どの部分を顧客仕様に応じて変えるのかを整理します。たとえば、フレームや基本構造は共通化し、モーター、ポンプ、制御盤、搬送部、アタッチメントなどをオプション化する、といった分け方が考えられます。

モジュール化で重要なのは、モジュール同士の結合部や接続条件を明確にすることです。インターフェースが曖昧なままでは、部品を入れ替えるたびに干渉確認や再調整が必要になります。スケルトンモデルやトップダウン設計を活用し、配置基準、接続点、占有スペース、取付条件などを定義します。

サイズ、容量、出力、ストローク量、材質、仕向け地仕様など、顧客要望に応じて変わる要素をパラメータとして整理します。同時に、「この仕様ではこの部品を使う」「この組み合わせは選択できない」といった構成ルールを明文化します。これらを 3D CAD や PLM 上で扱える状態にすることで、Excel や個人メモへの依存を減らしやすくなります。

Creo 上で標準モジュールや派生仕様を整備した後は、Windchill で BOM や製品バリエーション管理へつなげます。3D モデルと BOM、構成ルール、変更履歴を連携させることで、設計部門だけでなく、製造、購買、サービス部門まで一貫した情報を共有しやすくなります。

ATO（Assemble to Order：受注組立型生産）とは、あらかじめ準備した標準部品やユニットを、受注後に顧客仕様に合わせて組み立てる生産方式です。完全な一品一様設計ではなく、標準モジュールの組み合わせで多様な仕様に対応する点が特徴です。

マスカスタマイゼーションは、大量生産の効率性と個別仕様への対応を両立させる、生産と経営の戦略です。モジュラーデザインは、その実現手段の一つであり、製品を標準モジュールに分けて組み合わせる設計手法です。

ATO では、標準部品やモジュールを正しく組み合わせ、顧客仕様に応じた派生設計を効率的に行う必要があります。3D CAD 上で設計意図、パラメータ、インターフェース、構成ルールを標準化しておくことで、設計手戻りや属人化のリスクを抑えやすくなります。

Creo は、トップダウン設計、スケルトンモデル、パラメトリック設計、ファミリーテーブル、マルチボディなどを活用し、モジュール化された 3D モデルの設計と再利用を支援します。標準モジュールや派生仕様を整理することで、ATO やマスカスタマイゼーションに向けた設計プロセスを構築しやすくなります。

Creo は、主に 3D CAD 上で部品、アセンブリ、標準モジュールを設計するために活用します。Windchill は、BOM、製品構成、製品バリエーション、変更管理を担う PLM として活用します。両者を組み合わせることで、3D モデルの標準化から BOM や構成の管理までを一貫して扱いやすくなります。

顧客要望の多様化、人材不足、熟練設計者の退職、Excel による属人的な構成ルール管理により、機械メーカーや設備メーカーの一品一様設計は限界を迎えつつあります。

ATO やマスカスタマイゼーションへ移行するには、顧客仕様ごとにゼロから設計するのではなく、あらかじめ検証された標準部品やモジュールを組み合わせる設計プロセスが必要です。そのためには、3D CAD 上で設計意図、インターフェース、パラメータ、構成ルールを標準化し、モジュール化された 3D モデルを再利用できる環境を整えることが重要です。

Creo を活用すれば、トップダウン設計、スケルトンモデル、パラメトリック設計、ファミリーテーブル、マルチボディなどを組み合わせて、モジュラーデザインを進めやすくなります。さらに Windchill と連携すれば、BOM、製品バリエーション、変更管理まで一貫して扱いやすくなり、ATO 型の設計プロセスへ発展させることができます。

一品一様設計から脱却し、Creo による 3D CAD 設計標準化、モジュラーデザイン、設計効率化を進めたい方は、ぜひお問い合わせください。

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