自動車業界においては、環境性能に対する要求の高度化に起因する、高効率で軽量なエンジンやモーターの開発、車体の軽量化、社内の静音化、またそれらを実現するための3Dプリンティングなどの新しい製造法の普及によって、新材料へのニーズは高まるばかりだ。自動車メーカー自身も新材料の研究開発に取り組んでいるが、材料分野の範囲は非常に広いため1社でカバーできるものではなく、材料メーカーの持つ製品情報を含めた情報の活用が求められている。
本田技研工業株式会社では、Ansysの材料情報管理システム「Ansys GRANTA MI」を導入し、それまで個々の担当者が持っていた材料情報を一元管理すると共に、集約した情報と統計的手法を組み合わせるマテリアルズインフォマティクスによって、材料分野での新しい価値の創造につなげようとしている。本田技研工業株式会社 四輪事業本部 ものづくりセンター 完成車開発統括部 材料開発部 パワーユニット材料課 アシスタントチーフエンジニアの伊藤剛氏に、材料データベース構築の背景から運用、活用方法などを聞いた。
社内横断で利用できる材料データベースの重要性
伊藤氏はホンダグループにおける研究開発部門である株式会社本田技術研究所に入社以降、エンジン用アルミ骨格部品の開発を担当し、開発上の課題に対して材料という見地から解析や対策を行ってきた。その間、CAEを駆使して、熱処理残留応力の予測手法や高サイクル疲労強度評価手法などを構築し、さまざまな材料試験を実施している。こうした経験の中で「材料試験データを後代にどう残していくべきかということに大きな課題を感じ、材料データベースに関する知識がゼロの段階から、地道に社内データベースの構築をスタートしました」と話す。
本田技研工業株式会社が「Ansys GRANTA MI」を導入し材料データベースの構築に取りかかった背景の1つが材料情報の高度化だ。軽量化への強いニーズから、エンジンや車体に樹脂やマグネシウムのようなより軽量な材料が多用されるようになったほか、3Dプリンティングのような製造技術の登場により従来にない特性をもつ新しい材料が得られるようになってきた。加えて自動車開発で一般的に行われているモデルベース開発では、一次元解析や衝突解析などにCAEが活用され、それに伴って材料モデルもより高度なものが求められてきている。
2つ目の背景が社会環境の変化だ。さまざまな価値観や国籍の人たちと共に働く時代においては、企業のもつ情報やノウハウをいかに共有していくかがアウトプットに直結する。また材料開発においては実験や理論、シミュレーションだけでなく統計処理を活用するデータ指向型研究手法が注目されている。
以上のような背景から、カテゴリーを超えた情報共有や開発システムとの連携が求められるようになってきた。ところが当時は、網羅的な材料データベースが社内に存在せず、材料のデータは部門ごとあるいは個人レベルで集めたものがばらばらにある状態だった。
「まずは分散して存在していた材料データを一元的に管理することでデータ共有の効率を向上させる。そしてそれらをデータサイエンスやデータエンジニアリングに活用し、最終的にはマテリアルズインフォマティクスによる材料開発を進め、新価値の創造につなげるところまで実現することが狙いです」(伊藤氏)
「Ansys GRANTA MI」が材料データベース構築の課題を解決
材料データベース構築に当たって伊藤氏は現状の材料データの課題を整理した。自動車開発で扱う材料分野は非常に範囲が広く、大きく金属、有機、機能材、化成材に分けられる。そしてそれぞれにさまざまな材料があり、製造工程や要求特性も多種多様なため取り扱いには高い専門性が要求される。これにより材料担当者も細分化され、材料データが分散して管理されるという課題につながっている。また、設計担当者、CAE担当者、材料担当者のそれぞれの立場によって、必要とする材料データの性質が異なるという課題もあった。
こうしたことから伊藤氏は、材料データベースの管理運用において発生することが予想される問題として、①7日々進化する材料データや製造技術に対応するための入力テンプレート項目の頻繁な変更、③多数の人が入力することで発生するデータの表現のばらつきの修正、③大量の材料データを整理する上で必要な階層構造の追加や変更、④データ有効利用のための自由なデータ出力の4項目を挙げた。
これらの問題に対する解決策を持つ材料データベースシステムとして、伊藤氏らが選定したのが「Ansys GRANTA MI」だ。「Ansys GRANTA MI」は入力項目を追加、変更した際、自動的に入力テンプレートに反映されるためそれらを作りなおす必要がない。また、特定の項目のデータを全て出力し活用できるうえ、変更した上で戻せるため多数のデータ修正や階層構造の変更も簡単にできる。
「入力、表示、検索、出力、管理、コストなどの個々の項目について、同様のデータベースソフトと比較検討しました。(上記の機能以外では)レコード間でリンクを自動的に生成する機能や、複数のレコードに含まれるグラフを重ねて表示する機能を持ち、非常に優位性があると考えてGRANTA MIを選定しました」(伊藤氏)
マテリアルズインフォマティクスにより開発期間を大幅短縮
伊藤氏は「Ansys GRANTA MI」導入後、材料データベースを社内で普及させる活動に取り組んでいる。まず、材料データベース構造として、設計担当者、材料エキスパートなど立場の違うユーザーがそれぞれ必要とするデータを格納する領域を設けた。そしてアクセスコントロールを付加した上で相互の領域を関連付け、専門性や立場の違いに柔軟に対応できる構造とした。次にどのユーザーにどのデータベースに対するアクセス権を付与するかが管理しやすくなるよう、“チーム”という中間的なくくりを設け、管理者がチーム単位でアクセス権を管理するルールとした。このことはデータの信頼性を担保することにもなるとしている。さらにデータ入力担当者への配慮として、テンプレートに用語説明を追加したり、リストから選択して入力したりする機能を追加して、入力担当者間の認識のずれや表記のばらつきを抑制する。これによって、データの量と質が担保され、入力作業の効率化にもつながるという。
入力支援活動としては他にも、立場の違うユーザーによって異なる専門用語や常識などのギャップを埋めるため、対面式のディスカッションを開いて、互いの理解を深め、ギャップを埋めることも行っている。
材料データベースが整備されたことで、マテリアルズインフォマティクスによる新しい価値創造に向けた事例も出てきている。マテリアルズインフォマティクスとは、トライ&エラーによる従来型の材料開発とは異なる、材料データと機械学習を組み合わせた効率的な材料開発の手法だ。マテリアルズインフォマティクスで重要となるのが、データの量と質であるが、一般的にはデータの収集や変換、整理(データクレンジング)に大きく工数を取られることが機械学習のネックになっているとされる。
本田技研工業株式会社では材料開発における配合組成の設定にマテリアルズインフォマティクスを活用することによる効果を検討した。一般的に材料特性は無限にある配合組成によって変化するため、求められる特性を得るためには非常に多くの試作とテストをしなければならない。そこで材料データベースに格納した材料の組成情報、テスト結果、特性情報のデータを出力して、機械学習にかけた。こうすることで未知の組成における特性を機械的に算出することができるため、求める特性が得られる配合組成の候補を効率的に絞り込むことができた。
こうして選び出された材料の特性の予測値と実測値の誤差はわずかで、非常に高い精度で予測できていることが分かった。さらに従来のトライ&エラーに基づく開発と比較した試算では、試作材料数と試験数がおよそ半分になることが示された。
これらを踏まえて、本田技研工業株式会社では、各材料エキスパートの材料データを大量に確保して材料データベースを充実させると共にそのユーザーも増やし、マテリアルズインフォマティクスによる材料開発の普及を目指していくという。また、設計担当者や解析担当者へも積極的にデータを開示し、PLMなどの開発環境とも連携させて、開発基盤としての活用を拡大していく計画だ。
「企業の中で材料データベースを運用していくには、利用目的や守備範囲、企業体質に合った材料データベースツールを選択することがまず重要です。加えてユーザーの専門性や立場に配慮したデータベース構造とアクセスコントロールの設定、さらには普及に向けたさまざまな活動が必要になってきます。また材料開発への活用については、材料データベースに体系的にデータを格納することで、データクレンジングを大幅に削減できるため、マテリアルズインフォマティクスを活用する機会が増えていくと考えています。」 (伊藤氏)
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