プロセスシミュレーション（鋳造・溶接・プレス）を外に頼むとき——入力の出どころと実物での確かめ方

この記事は、鋳物、溶接構造物、プレス部品などを新しく作るときや、不良が続くときに、製造工程を計算で再現して原因や対策を事前に確かめたい、という生産技術と設計の担当者に向けて書く。化学プラントの物質と熱の収支を計算する「プロセスシミュレータ」とは別の話である。射出成形の樹脂の流れは樹脂流動解析、部品の強さを計算する構造解析はFEM 構造解析を頼むとき、流体そのものの解析はCFD 解析を外部に頼むときで扱う。ここでは、加工の工程で起きる不良を予測する解析に絞る。

工程のシミュレーションで何を当てるのか

鋳造の解析は、充填中の流れに起因する不具合を予測する湯流れ解析、充填後の凝固の過程に起因する不具合を予測する凝固解析、凝固した後の熱収縮に起因する不具合を予測する熱変形解析に分けられる^[3]。北海道大学の学位論文の要旨によると、鋳造のシミュレーションは 1970 年代に熱伝導の数値解析を凝固解析に使うことで大きく進み、1980 年代に流体の解析を湯流れに取り入れて、今の基礎ができた^[3]。同じ論文は、湯流れ・凝固の解析が製品開発に欠かせない道具として広まった一方で、計算の土台になる物理現象を正しく認識することの重要性はますます高まっている、と書いている^[3]。

溶接では、熱で局所的に膨らみ縮むことで溶接変形と残留応力が生じる。溶接学会の論文は、溶接変形は構造物の見た目を損ねるだけでなく構造の性能を下げ、許容値を超えればプレスやガス加熱で矯正する必要が生じて工期と製造コストに響くので、事前に予測する技術が必要だとし、その方法として有限要素法による非線形の熱弾塑性解析を挙げている^[4]。

プレスでは、曲げた後に元に戻ろうとするスプリングバックが代表的な対象である。群馬県の次世代産業振興戦略会議は、スプリングバックをプレス技術における最大の課題の 1 つとしてスプリングバック研究会を設け、群馬産業技術センターでのキックオフセミナーで、シミュレーションによる予測技術の事例として、解析の条件の違いによる精度の差や、材料の繰返しの応力とひずみの関係（バウシンガー効果）を扱う材料モデルを取り上げている^[6]。溶接の変形の許容値の決め方は溶接ひずみの許容値と矯正の指示、板金の曲げでできないことは板金の曲げ加工の限界で扱った。

精度を決めるのは、計算に入れる値の出どころ

工程のシミュレーションの結果は、入れた値以上にはならない。岩手県工業技術センターは、アルミ合金 AC4C の砂型鋳物で凝固解析をして、その結果を鋳造の実験で確かめている^[1]。解析に入れた値の一部を抜き出すと、次のとおりである^[1]。

この検証では、解析で予測した引け巣の一部が鋳造の実験では出なかった^[1]。報告はその原因として、要素の大きさなど解析モデルの精度、評価に使った固相率（固相率 0.7 だけで評価した）、そして解析モデルでは溶湯の面を鋳型の外形までとしたのに、実際には外形より上に盛り上がるように注湯していたという、解析と実験の条件の違いを挙げている^[1]。同じ報告は、解析システムに CAD データを渡すときのファイル形式で、読み込みの確かさと効率が変わったことも書いている^[1]。どれも、計算そのものより、入れたものと実物の食い違いの話である。

境界の条件の取り方も効く。北海道立総合研究機構は、道内の鋳物工場が鋳造解析システムを導入する際の技術支援で、鋳型に熱電対を付けて鋳造時の鋳型の温度変化を測り、その結果から鋳型の熱物性を推定して境界の条件を決める方法を解説している^[2]。北海道大学の学位論文は、鋳型の中の溶湯と鋳型の壁の間の熱伝達係数は、エアギャップ（すき間）の生成、接触圧力の上昇、塗型の影響などで時間とともに変わることが知られているとして、接触の状態に応じて変わる熱伝達のモデルを作り、それを入れると従来の凝固シミュレーションより予測の精度が上がったと結論している^[3]。同じ論文は、砂型の L 字形の薄肉の鋳物で熱によるそりを測り、計算と定性的によく一致したとも書いている^[3]。

つまり、解析を頼むときに大事なのは、どのソフトを使うかより、材料の値と境界の条件を「どこから取ったか」である。カタログの代表値か、自社の材料で測った値か、自社の型で温度を測って合わせた値か。これを記録として受け取れるようにしておく。

計算を軽くする工夫が、結果をずらすことがある

大きな部品や長い溶接線を計算するときは、計算の時間とのかね合いで模型を簡略化する。2025 年の溶接学会の論文は、10 m を超える大きな構造物で 100 パスを超える長い溶接線を解析する場合、実際の寸法の入熱分布を使うと要素の数が膨大になって解析時間が現実的でなくなるため、熱源の長さを大きくして模型を小さくする必要があるが、大きくしすぎると入熱の範囲で過度な膨張と収縮が生じて実際とずれる可能性がある、と書いている^[4]。

この論文は、幅 2,200 mm・長さ 13,000 mm・高さ 2,750 mm、板厚 40〜60 mm の溶融亜鉛めっき釜の溶接組立を対象に、解析の結果を実機の変形量と比べて精度を確かめた^[4]。その結果、熱源を長くするほど最高到達温度が下がり、溶接変形は小さく見積もられた^[4]。精度と計算時間を両立させるには、熱源の長さに応じて入熱の密度を調整する必要がある、としている^[4]。

解析の理論の選び方でも結果は変わる。2011 年の溶接学会の論文の要旨は、微小変形理論に基づく熱弾塑性解析で溶接変形と残留応力を高い精度で予測できたことを確かめた一方、その結果を大変形理論の弾塑性解析に持ち込むと、理論の違いから生じる不釣り合いな力のために溶接変形と残留応力が再現できないことが分かっていた、と書いている^[5]。そこで、両方を一続きに扱えるプログラムを作っている^[5]。

頼む側として覚えておきたいのは、簡略化そのものは悪くないが、どこをどう簡略化し、それが結果をどちらにずらしうるかを、解析した側に説明してもらうことである。上の例のように、変形を小さめに見積もる方向のずれなら、許容値ぎりぎりの判断には使えない。

実物との突き合わせを、最初の計画に入れる

工程のシミュレーションは、実物と比べて初めて使える道具になる。岩手県の検証^[1]、北海道立総合研究機構の支援^[2]、学位論文の実証実験^[3]、溶接学会の実機との比較^[4]は、どれも計算と実物の突き合わせを含んでいる。自社で頼むときも、次の 3 つのどれかを計画に入れておく。

1. 既に作った品で合わせる
過去に作って不良が出た品、出なかった品を同じ条件で計算し、不良の場所と量が再現できるかを見る。再現できなければ、入力の値か境界の条件を見直す。

2. 温度やひずみを測って合わせる
鋳型や治具に熱電対を付ける、溶接の前後で形を測る、といった測定で、計算の入力を合わせ込む^[2]。

3. 試作で確かめる
計算で選んだ方案や順序で 1 回作り、予測と実物の差を記録する。

社内で準備できること

解析そのものを外に頼む場合でも、社内で準備しておくと話が早いことがある。

不良の記録を整理する
不良の位置、大きさ、頻度、出たロットと出なかったロットの工程条件を表にする。何を当てたいのかが、ここで決まる。

使っている材料の値を集める
材料の規格の値、自社の受入検査の値、仕入先の検査証明書の値を集め、どれを使うかを決める。

工程条件の実際の値を測る
注湯の温度と時間、溶接の電流と速度と順序、プレスの金型の形と板の材料のロットなど、図面や作業標準の値ではなく、実際に動いている値を記録する。

形状のデータを用意する
解析に渡す 3 次元の形状データを、鋳物なら湯口や押湯を含めて用意する。岩手県の検証のように、データの形式で読み込みの確かさが変わることがあるので^[1]、渡せる形式を先に確かめる。

外に頼むときに渡すもの・受け取るもの

工程のシミュレーションを頼む先は、解析を専門にする会社、公設試験研究機関、大学の研究室、型や治具を作る会社の中の解析部門に分かれる。どこに頼むにしても、次のものをそろえて渡し、受け取るものを先に決める。

頼む前に、計算だけで決めるのか、試作まで含めるのかを決めておく。工程の解析は、解析のできる会社と型や治具を作る会社が別になることが多い。両方を同じ表で話せるようにしておくと、計算の結果を実際の型に反映するところで手戻りが減る。

不良の記録と図面があれば、どの解析が合うかから相談できます→ 工程の解析を相談する

よくある質問

解析で「不良は出ない」と出れば、試作を省けますか

省く前に、その解析が既知の品で不良を再現できたかを確かめる。公設試の検証でも、予測した引け巣の一部が実際には出なかった^[1]。逆の向き、つまり出ないと予測した不良が出ることもありうる。重要な品は、少なくとも 1 回は計算で選んだ条件で作って、予測と比べる。

解析の会社によって結果が違いました

計算の条件の一覧を並べて、材料の値、境界の条件、要素の大きさ、簡略化の仕方のどこが違うかを見る。熱の伝わり方の扱い^[3]や、熱源の長さのような簡略化^[4]で結果が変わることが分かっている。どちらが正しいかは、実物と比べて決める。

プレスのスプリングバックは、計算でどこまで当たりますか

使う材料のモデルと解析の条件で精度が変わることが、研究の場でも課題として扱われている^[6]。高い強度の鋼板のように戻りの大きい材料では、材料の繰返しの性質まで扱えるモデルが要るかを、解析する側に確かめる。金型を直す前に、試し打ちの結果と計算を突き合わせる。

まとめ

製造工程のシミュレーションは、型や治具を作る前に不良の出やすい場所を当たる道具で、精度は入れる値と境界の条件の出どころで決まる^[1][2][3]。計算を軽くする簡略化は結果をずらすことがあるので、どちらにずれうるかを説明してもらう^[4]。外に頼むときは、決めたいこと、入力の出どころ、実物との突き合わせ方を先に決め、計算の条件の一覧と突き合わせの結果を受け取る。

あわせて、鋳物の発注で決める材質と内部欠陥の受入基準、伝熱解析で部品の温度を予測するも参照してほしい。

出典・参考資料

1. 茨島明・池浩之・勝負澤善行・高川貫仁・高橋範雅・吉田賜早人「鋳造シミュレーションの評価に関する研究」（岩手県工業技術センター研究報告 第 9 号／2002 年）
2. 戸羽篤也「鋳造解析システムの有効利用」技術支援成果（地方独立行政法人北海道立総合研究機構）
3. 大浦賢一「有限要素法を用いた鋳造凝固・熱変形シミュレーションの研究」学位論文内容の要旨・審査の要旨（北海道大学／2009 年）
4. 橋場大輔・柳沢祐介・本間祐太・山内悠暉・前田新太郎・河原充「大型鋼構造物の溶接シミュレーションにおけるモデル化の提案とその検証」溶接学会論文集 43 巻 2 号 105 ページ（一般社団法人溶接学会／2025 年）
5. 金裕哲ほか「熱弾塑性大変形解析で得られる溶接変形・残留応力の意義」溶接学会論文集 29 巻 2 号 96 ページ（一般社団法人溶接学会／2011 年）
6. 第 26 回「産学官交流出会いの場」を開催します～群馬県次世代産業振興戦略会議「スプリングバック研究会」～（群馬産業技術センター／2016 年 2 月 4 日）

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