工場レイアウト設計におけるシミュレーション活用

製造オペレーションのレイアウトを設計する際、離散事象シミュレーションは強力な最適化ツールです。これは、バーチャルコミッショニングを可能にするデジタルツインの基盤にもなり、潜在的にコストのかかるミスを回避するとともに、設備に関する計画やスケジュールの立案を支援します。

本記事では、工場レイアウトの設計プロセスにおいて、Visual Componentsなどのシミュレーションツールを活用する方法を解説します。工場レイアウトへの製造戦略の反映、新たなレイアウトが必要となるタイミング、そしてVisual Componentsを使用した最適なレイアウトの設計方法について取り上げます。各セクションの内容は以下のとおりです。

• レイアウトが重要である理由と検討すべきタイミング
• プロジェクトの定義と開始
• Visual Componentsを活用した工場レイアウト設計の多面的アプローチ
• 工場レイアウト設計におけるその他の考慮事項

レイアウトが重要である理由と検討すべきタイミング

工場レイアウトには、事業における製造戦略が反映されます。工場レイアウトは、一連の作業における各工程、制約条件、資材の運搬や保管といった要素を結び付けるもので、時間とともに変化していきます。以前は最適であったものが非効率的となり、管理が難しくなることも少なくありません。

工場レイアウトの作成プロセスには、使用する設備の決定、隣り合う設備同士の連携、そして資材の運搬や現場スタッフによるアクセス、メンテナンスに必要なスペースの検討などがあります。さらに、組織の目標がどの程度達成できるかを確認するために、レイアウトをシミュレーションする必要もあります。

以下の動画では、こうした設計プロセスにおいて、Visual Componentsの基本機能を活用する簡単な方法を解説しています。

設計において前提となるのは、マネジメントにより設定される製造目標の達成です。そのための手法としては、完全受注生産、1個ずつ流す「1個流し」の原則、セル製造方式、バッチ生産などが挙げられます。設備の選定や配置は、工場内でのワークフローや目標の達成度合いを左右します。

工場レイアウトの設計には、グリーンフィールドとブラウンフィールドという2つのパターンがあります。

グリーンフィールドのレイアウトとは、新たに工場を建設する場合を指します。最小限の制約条件のもとで、白紙の状態からワークフローを完全に最適化できます。レイアウトは排気フィルターや集じん設備などに影響するため、施設の完成前から着手されます。場合によっては、工場に必要な敷地面積や出荷ドックの数、資材保管施設などを算出するため、さらに早い段階でレイアウトの構想が必要となることもあります。

これに対し、ブラウンフィールドとは、既存の工場レイアウトがある場合を指します。製造する製品や数量に大幅な変更が生じた場合、あるいは単に効率向上の一環として、マネジメントの判断によりレイアウトの見直しが行われる場合があります。

通常、ブラウンフィールドのレイアウト設計には、多くの制約条件があります。進入路は固定されていることが多く、建物自体の面積や構成も決まっています。インフラを供給できるエリアが限られている場合や、柱などの障害物が存在する場合もあります。このため、既存の建物における制約条件のもとで、いかにワークフローを最適化するかが課題となります。

プロジェクトの定義と開始

工場レイアウトの設計は、1つのプロジェクトです。したがって、目標を正式に定め、範囲を明確に設定して進める必要があります。制約条件や期限に加え、多数の関係者を明確にすることが非常に重要です。

一般的にブラウンフィールドの場合、範囲を設定し制約条件を特定する際に、より多くの課題に対応する必要があります。利用できる総面積は限られており、変更が困難な場合やコストが高くなる場合があります。また、エリアの改修や設備の移設を行う間も、生産を続ける必要があるかもしれません。

境界条件が特定されたら、レイアウトの作成を開始します。関係者が多数にわたる場合が多いため、まずは議論の出発点として、大まかなコンセプトから作り始めるのが一般的です。製造レイアウトの計画や設計のほとんどは反復プロセスであり、案の作成や説明、見直しに十分な時間を確保することが重要です。

設計者やチームが頻繁に直面する課題として、提案するレイアウトが実際にどのように機能するのかを伝達するのが難しいという点が挙げられます。この点、Visual Componentsによる視覚的な離散事象シミュレーションは、さまざまな状況に応じて新しい構成がどのように機能するかを示す、強力なツールとなります。

Visual Componentsを活用した工場レイアウト設計の多面的アプローチ

工場レイアウトをうまく設計するには、さまざまな要素を検討する必要があります。製造プロセスを細部まで理解することから始まり、最終的にはさまざまな生産シナリオを評価し、具体的な課題を検討できるモデルへと落とし込みます。

その過程では、工程間の依存関係をどう整理するか、どの程度の詳細度で設計するか、そして設計作業をどれだけ迅速かつ効率的に進めるかといった課題が生じます。そのため、設備の配置やインフラの供給経路を示す図面などが作成されることとなります。しかしながら、現在多くの製造業者は、デジタルツインの導入を模索しています。デジタルツインとは、比較的新しい製造分野の技術であり、バーチャルコミッショニングやさまざまな検証に活用できます。

現在の工場では、製造プロセスが開始から終了まで1つの流れで進むことはほとんどありません。製品バリエーションやカスタマイズ要求が増えることで、資材やコンポーネントがさまざまな地点から投入され、工程が省略されることにより、最終的に異なる製品へと分岐します。

まずはこうした状況を把握し、レイアウトを行うプロセスや作業の全体マップを作成します。これを基に、プロセス同士を隣接させるべき箇所や、離して配置すべき箇所などの位置関係を決定していきます（たとえば、一般的に溶接工程と塗装工程は離して配置することが推奨されます）。

レイアウト作業では通常、まず大まかなコンセプトが作成されます。これは、加工の隣に洗浄、その隣にアセンブリを配置するなど、各機能の位置関係を示すものです。

コンセプトについて合意が得られたら、詳細設計に進みます。設計は徐々に細かくなっていき、最終的にはロボットなどの自動化ソリューションのコンポーネントや、個々の作業台やワークベンチといったレベルとなります。

細部にわたるほど作業量が増えるため、どこまで細かく設計するかとスピードのバランスを取る必要があります。そこで活躍するのがVisual Componentsです。標準モジュールを活用し、レイアウトの作成、評価、改善をスピードアップさせることで、デジタルモデル構築における労力を大幅に削減します（11個のモジュールからなるラーニングパスでは、Visual Componentsを用いた製造設計や計画について詳しく解説しています）。

Visual Componentsの活用例として、以下が挙げられます。

• ロボットと他の機械との距離を短縮（作業領域を正確にモデリングすることにより、スペースを活用）
• 保管エリアの最適化（大きすぎる場合、在庫水準の上昇を招く可能性）
• 搬送距離の短縮
• ハンドリングの削減
• ボトルネックの特定と解消

工場レイアウト設計におけるその他の考慮事項

レイアウト設計は、反復を繰り返すプロセスです。機器の1つ1つまで掘り下げる中で、過程でも何度も見直しが行われ、さらに新しい情報が得られるたびに追加の修正が発生します。適切なツールを活用して工場のオペレーションをモデリングすることで、最適化プロセスを加速し、より早く結論を導き出せるようになります。

効果的な結果を得るためには、正確なモデルの作成が不可欠です。そのため、設計にあたっては、作業にかかる時間、寸法、梱包サイズなどの正確な数値を確認する必要があります。現在の生産スケジュールを実行してみて、その結果が実際の現場で得られた結果と一致するかを確認することで検証できます（違いが生じた場合は調査を行い、必要に応じてモデルを修正します）。

また、新たなレイアウトに不可欠な要素の1つとして、作業者の安全性が挙げられます。自動化ソリューションや、化学物質を扱うなど危険性の高いプロセスの周囲には、適切な保護スペースを確保する必要があります。たとえそれによって作業フローや資材搬送の効率が制約を受ける場合でも、安全を優先しなければなりません。

工場レイアウト設計に必要なのは、CADだけではありません。レイアウトとは単なる機械の配置ではなく、実際に機能する必要があるからです。それを確かめるには、リアルタイムシミュレーションが不可欠です。Visual Componentsは、現代の製造現場において効率性、正確性、適応性を実現するうえで、強力な工場レイアウト設計ツールを提供します。詳細についてはお気軽にお問い合わせください。