フロントローディング設計で、開発リードタイムを短縮する方法

ものづくり企業が、狙いどおりの品質水準を確保し続けるには、設計者が付加価値を生む業務に集中できる環境づくりが必要です。こうした環境は、CAE 機能などを搭載したパラメトリック系 3D CAD へ移行することで実現できます。

限られたリソースでコスト競争力を高め、開発リードタイムを短縮するには、ミスや手戻りの少ない、標準化された設計・開発プロセスの構築が重要です。これはムダ・ムラ・ムリを減らす設計の標準化に加え、フロントローディングの導入によって実現できるのです。

そこで今回は、競合他社に対する優位性を高める方法として、フロントローディング設計をご紹介します。

記事後半では、Creo を活用したお客様の導入事例も紹介します。

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そもそもフロントローディングとは、開発の上流工程である企画や設計の段階にリソースを重点的に投入し、製造などの後工程で起こりうる問題を前倒しで解決するアプローチです。2020 年版ものづくり白書によると、「仕様変更の自由度が高い設計段階で、製品の品質とコストの 8 割程度が決まる」とされています。そのため、競合他社に対する優位性を高めるには、設計の初期段階で多くの問題点やリスクを洗い出して対策を講じ、設計品質を高めるとともに、開発リードタイムの短縮やコスト削減を図ることが極めて重要です。

初期段階でより多くの問題点を洗い出すには、できるだけ多くの部門と情報を共有し、フィードバックを早期に吸い上げることが重要です。抽出した課題に対し、関係者全員で複数の解決策を考え、その中から最適解を検討するには、製品の設計者だけでなく、生産技術部門や工場の技術者などが集結する「場」が必要になります。

ここでは、フロントローディング実現のために必要な活動を 3 つ紹介します。CAD を見直すことで、これら 3 つの活動が可能になり、フロントローディングを実現できます。

フロントローディングを実現するために有効な活動の 1 つ目は、コンカレントエンジニアリングの実践です。コンカレントエンジニアリングとは、製品開発の各工程を同時並行で進めることで、開発期間の短縮やコスト削減、品質向上を目指す手法であり、サイマルテニアスエンジニアリングとも呼ばれています。

設計部門だけに任せるのではなく、開発の初期段階から生産技術部門や生産部門はもちろん、部品メーカーや資材メーカーも参画することを想定した手法です。同時並行で各工程を進められるコンカレントエンジニアリングは、より多くの部門からフィードバックを収集できるため、フロントローディングの実現に不可欠な活動といえます。

その際に重要になるのが、データアクセシビリティの確保です。常に最新のデータにアクセスできなければ混乱を招き、かえって業務効率や品質が低下するリスクがあるからです。

コンカレントエンジニアリングには、部品、アセンブリ、図面、製造、解析などの作業をすべて同じデータ（シングルデータ）で行える環境が必要です。Creo はシングルデータベースによって強固な相互連携性を実現しており、パラメトリックな関連付けによって変更が素早く反映されるため、追加検証も可能になります。また、Creo なら、常に最新のデータにアクセスできるよう、データ管理ツールへのアクセス権も柔軟に設定できます。

トップダウン設計

フロントローディングを実現するために有効な活動の 2 つ目は、トップダウン設計です。トップダウン設計とは、製品全体のレイアウトなどの構想設計を行い、その情報を活用して各部品などの詳細設計を行うことをいいます。その代表的な手法の一つが、PTC が推奨してきた MAP 手法です。MAP 手法では、ユニットや部品の位置の基準、接続部の形状に関する決めごとを個々の 3D 形状から切り離してレイアウトファイル（ワイヤフレームの情報）にまとめ、各部品はこのレイアウトファイルを参照して設計します。トップダウン設計を実践するには、レイアウト専用モデル、基準となる情報を伝達する機能、仕様の変更を構成要素に伝達する機能が必要になります。

フロントローディングでは、早い段階で多くの問題点やリスクを洗い出し、対策を講じていくため、詳細設計の内容が頻繁に変更されるケースが多くあります。トップダウン設計の仕組みが整っていない場合、設計変更時に製品全体の構想との整合性が損なわれ、品質や作業効率が低下する可能性があります。

MAP 手法では、ユニットごとに用意したレイアウトファイルのアセンブリとして、製品全体のレイアウトを表現するほか、位置や形状の基準も共通レイアウトファイルに含めます。レイアウトファイルへの参照は、原則として維持される仕組みです。

なお Creo は、トップダウン設計に必要な構築力、伝達力、管理力を備えています。レイアウト専用モデルがあり、情報や変更を確実に伝達できるため、トップダウン設計を実践しやすいのが特長です。トップダウン設計が可能な CAD を使用してはじめて、先述したコンカレントエンジニアリングも実践可能になるのです。

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モジュール化設計（バリエーション）

フロントローディングを実現するために有効な活動の 3 つ目は、モジュール化設計です。モジュール化設計とは、製品や図面をいくつかの下位システム（モジュール）に分け、モジュール間のインターフェースを標準化し、それらを組み合わせて製品を開発する設計手法です。

インターフェースの標準化により、モジュールの取り替えや組み換えが可能になることから、設計の再利用性が高まるのです。このモジュール化設計に取り組むことで、流用設計や製品バリエーションの展開を効率化し、開発リードタイムの短縮、コスト削減、品質水準の確保といったメリットが得られます。

フロントローディングでは、製品設計時に多くのバリエーションを作成し、検証やフィードバックを繰り返すことで、製品品質を高めていきます。そこでモジュール化設計を実践すれば、より多くのバリエーションを容易に作成できるのです。

なおモジュール化設計の実践には、インターフェースの定義や参照関係の制御を可能にする機能とともに、モジュール化に関する知識も必要になります。

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端的にいえば、設計工数を削減し、開発プロセスを短縮できる点がフロントローディングのメリットです。開発の上流工程にリソースを投入することで、問題点の早期発見や品質向上にもつながり、量産開始時など後工程での初期不良を減らせます。

たとえば、すでに製造した部品に開けた穴の位置を、後工程で動かしたい場合を考えてみましょう。位置の都合が悪いことが判明した穴を溶接などで埋めてから、適切な位置に穴を機械で開けることになります。フロントローディングを実践していれば、実物ではなく 3D モデル上で穴の位置を変更すればよいので、仕様の変更が簡単です。

ここでは、フロントローディング設計を導入するメリットについて見ていきましょう。

フロントローディング設計を導入すれば、開発リードタイムと市場投入までの期間の短縮につながる点がメリットです。メリットを享受するためには、製品設計のできるだけ早い段階で、できるだけ多くの部門からフィードバックを収集する場づくりが必要になります。

Creo なら、フィードバックをもとに行った設計変更時の修正漏れを防げます。関連する図面や部品情報も自動で一括更新できるので、設計者は安心してフロントローディングに取り組めます。3D モデルをもとに図面を自動生成することも可能です。

PLM との連携により、デジタルスレッドで製品ライフサイクル全体をつなぎ、デジタルデータを全部門が活用することで、市場投入までの時間を大幅に短縮できます。PLM を活用すれば、CAD データや図面、帳票の管理も効率化できます。

【技術ブログ】製造業 DX の成功事例に学ぶ：3D モデルと PLM でつながるデジタルスレッド
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部品表、作業手順書、原価を自動生成できるよう、PTC のエキスパートが PLM 連携を最短でサポートしますので、ぜひお問い合わせください。また、ALM（アプリケーションライフサイクル管理）を活用した、SDV（Software Defined Vehicle：ソフトウェア定義車両）向けの効率的で高品質な要件管理やトレーサビリティの実現もサポートしております。

【製品情報】Windchill PLM ソフトウェア
本文で触れた「PLM 連携」を可能にするのが、PTC の PLM ソフトウェア「Windchill」です。設計から製造、サービスに至るまでの全部門で製品情報を一元管理し、BOM 管理や設計変更、品質管理を高度化します。

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デジタルスレッドの中核をなす Windchill の機能とメリットをご紹介します。

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フロントローディング設計を導入すれば、後工程における不具合の発生や、それに伴う手戻りや修正作業の回数を減らし、損失額を削減できる点がメリットです。設計の初期段階で、製造を止めないよう問題を未然に防止できれば、設計者の対応工数を減らし、大幅なコスト削減につながります。

たとえば、リアルタイムシミュレーションを使用し、構想設計や詳細設計と並行して、常にシミュレーションが実行されている状態を作るとよいでしょう。

【技術ブログ】なぜ Creo はリアルタイムシミュレーションで選ばれるのか？機能・連携・最新動向を完全解説
後工程での手戻りや修正を減らし、コスト削減に大きな効果を発揮する「リアルタイムシミュレーション」。設計者が形状を変更すると、その影響が瞬時に解析され、可視化される Creo Simulation Live が、どのようにして「シミュレーション駆動の設計」を可能にするのか、その仕組みとメリットを動画を交えて解説します。
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材料や製造プロセスなどの拘束条件や要件に基づき、AI が形状を自動生成するジェネレーティブデザインも、高品質かつ低コストでの製造を可能にするためおすすめです。

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AI が最適な形状を自動生成する「ジェネレーティブデザイン」をはじめ、設計変更の手間を大幅に削減する「ダイレクトモデリング」や、3D モデルに製造情報を集約する「MBD」など、Creo が設計プロセスをいかに変革するか。設計者が本当に使える 17 のメリットと機能をこの一冊に凝縮しました。
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ものづくりプロジェクトに携わる設計者全員が、フロントローディングによってもたらされるメリットの大きさを理解できなければ、新たな手法を前向きに受け入れることは難しいでしょう。設計者の理解不足は、フロントローディング設計への移行を阻むよくある課題です。

現場が新しいプロセスを受け入れ、前向きに取り組めるよう、設計改革の担当者は設計者自身のメリットについても十分な説明を行う必要があります。不具合に対応する設計者の工数が減れば、案件をよりスムーズに完了できるのです。より付加価値の高い製品開発の検討にも、設計者はより速やかに移行できます。

不具合への対応に追われて、フロントローディング設計を検討する時間を確保できないことも考えられます。この点については、上層部の理解が必要といえるでしょう。

【事例あり】AI や SaaS は設計者の「相棒」に：開発力を強化し、競争優位を築く製造業 DX の進め方
フロントローディングの推進は、単なる設計手法の変更にとどまりません。本記事で触れる現場の課題は、システムの老朽化やセキュリティ、人材不足といった経営層が取り組むべき「設計 DX」の課題と密接につながっています。より大きな視点から設計改革を成功させるためのポイントを解説します。
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ここでは、フロントローディング設計の成功のコツについて紹介します。

後工程で検討していた内容を前倒しして検討する手法がフロントローディングです。設計者が想定していなかった組み立てやすさや製造のしやすさは、製造部門の担当者が設計に積極的に参画しなければ実現できません。製造部門が見れば 5 秒でわかる問題であれば、コンカレントエンジニアリングの体制を整え、早い段階から製品設計に参画してもらうほうがよいでしょう。

コンカレントエンジニアリングの体制づくりには、トップダウン設計手法とともに、3D モデルをビューワーでいつでも見られる環境も必要になります。3D ビューワーがあれば、3D CAD を使わずに DR（デザインレビュー）を実施できるほか、製造部門での生産性の検討や、3D アノテーションによる加工情報の確認にも使え、組み立て指示書としても活用できるのでおすすめです。

変更内容が漏れなくモデルに反映される仕組みづくり

後工程による変更が漏れなく反映される仕組みがあれば、設計者は自信を持ってフロントローディングに取り組めるようになります。フロントローディングを確実に実践するには、シングルデータベースが欠かせない点を押さえておきましょう。シングルデータとは同じデータという意味であり、設計者が扱うデータと後工程が扱うデータは同じです。

トップダウン設計機能を備えた Creo は、設計意図の定義を徹底し、データ連携 100% を保証しているため、フロントローディングの実践に適しています。

トップダウン設計をサポートする Creo Advanced Assembly Extension (AAX) は、Creo の Design Advanced パッケージからご利用になれます。AAX の機能を、下記にまとめました。

【3D CAD ソフト Creo パッケージ完全ガイド】コンカレントエンジニアリング/トップダウン設計、Ansys の最新解析、AI 設計機能まで
トップダウン設計の中核をなす「Creo Advanced Assembly Extension (AAX)」をはじめ、AI 設計やリアルタイムシミュレーションといった Creo の強力な機能がどのパッケージに含まれているのか、T1 から T5 までの最新ライセンス構成と、アップグレードによって得られるメリットを網羅的に解説します。
Creo の最新パッケージ構成を詳しく見る

構想設計の内容が大幅に変更された場合も、AAX の機能により、設計者は設計変更を恐れずに作業を進められます。AAX 機能を活用することで、製品のバリエーション展開も効率的に行えるため、設計者の工数を大幅に減らすことができます。空いたリソースを使って、設計者はより付加価値の高い製品開発の検討に注力できるのです。

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設計変更を確実に伝達する仕組みをさらに発展させたのが、3D モデルに公差や注記などの製造情報を集約する「モデルベース定義 (MBD)」です。ベテランの設計ノウハウをデジタル資産として次世代に継承し、グローバル規格にも対応する Creo の MBD 機能の進化について、このeBookで詳しく解説します。
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ここでは、Creo を活用したフロントローディングの成功事例を紹介します。

某日系自動車 OEM では、設計部門と生産技術部門（生技）による同時設計に取り組んでいます。スライスモデル、ポートモデル、加工モデルなどの機能部品をアセンブリファイルに持たせることで、生技を含めたチーム設計を可能にしました。

設計の初期段階から生技メンバーが設計作業に参加しています。Creo の強力な連携機能により、スケルトンモデルをもとに各部署が同時に別部位の設計に取り組むことが可能です。

たとえば、生技が「製造テンプレート」付きの穴を設計モデルに配置します。これにより、設計モデルの完成とともに、「製造テンプレート」からオペレーション、ツール、加工パラメーターなどの加工情報を瞬時に抽出可能です。もちろん、設計変更も自動的に伝達されます。

Volvo Trucks

Volvo Trucks 社は、Creo を活用してモジュール化に取り組み、バリエーション戦略を成功させました。300 種類のトラックバリエーションに必要な部品の種類を、従来の 12,000 点からほぼ半分（6,000 点から 7,000 点）に削減し、市場に投入できるようになりました。

後部車両のモジュール化によって車両のバリエーションを増やしながらも、部品の種類を減らしていくことができました。Volvo Trucks 社では、顧客からの個別の要望にはバリエーションで対応するようにしています。

モジュール化によるバリエーション戦略の影響は、流通機構やアフターサービスにまで波及し、次のようなコスト削減効果が見られました。

・部品の製造コスト：種類の半減と製造数量の倍増により約 10% 削減
・在庫部品の発注や保管による流通費：約 10% 低下

Volvo Group のデジタルスレッド活用事例を見る

【導入事例】Creo で設計業務を最適化した企業の成功事例
本記事でご紹介した自動車 OEM や Volvo Trucks 社のほかにも、多くの企業が Creo を活用して設計改革を実現しています。3D データによる意思決定の迅速化や、データ継承による業務効率化など、具体的な課題解決のヒントを導入事例からご覧ください。
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今回は、フロントローディングの実践に必要な活動や、ものづくり企業および設計者にもたらすメリットについて紹介しました。Creo がフロントローディング設計をどのように支えるのか、その技術的な背景についてもおわかりいただけたのではないでしょうか？コンカレントエンジニアリング、トップダウン設計、モジュール化設計といった活動を支え、設計変更が 100% 下流工程まで伝達される Creo は、貴社の設計改革を成功に導く最適なパートナーです。競争力を高めるための次の一歩を、ぜひご検討ください。

「自社の設計プロセスに、どうフロントローディングを適用できるか」「Creo 導入の費用対効果を具体的に知りたい」など、お客様一人ひとりの状況に合わせて、Creo のエキスパートが最適なご提案をします。ご興味をお持ちいただいたご担当者さまは、ぜひお気軽にお問い合わせください。

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さらに情報収集をしたい方へ

Creo の機能について、以下の記事でさらに詳しく解説しています。

【設計者必見】クラウドにも対応。3D CAD 「Creo」で設計を効率化する使い方と機能を徹底解説
フロントローディングを実現する Creo は、本記事でご紹介した以外にも、設計業務全体を効率化する多彩な機能を搭載しています。Creo が持つ可能性の全体像をつかみたい方は、ぜひこちらの記事をご覧ください。
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