CAEとは？CAD・CAMとの違いや活用するメリット、活用事例を解説

この記事では、幅広い業界の製品設計に活用されているCAEの特徴からCAD・CAMとの違い、できることまで解説します。

CAEの代表的な解析手法や活用するメリット、活用事例もあわせて紹介します。

CAEの活用を検討している方は、ぜひ最後までご覧ください。

CAEとは？

CAEとは「Computer Aided Engineering」の略で、製品設計のプロセスを支援するコンピュータシステムを指します。

真空状態や高温、高圧などの実現が困難なシミュレーションをコンピュータ上で再現し、設計・実験を実施できるのが特徴です。

CAEが普及する前は、製品設計の段階で試作品を製作して問題の発見や修正を行っていたり、極端な環境を再現の試作品の製造に多くの時間とコストがかかっていたりしました。

CAEであれば、幅広いシミュレーションをコンピュータ上ですぐに再現ができるため、製品の性能向上や業務の効率化、開発コストの削減も実現できます。

CAE の必要性とは？

製造業の人手不足が顕著な現代において、CAEは、製品開発プロセスの効率化や生産性向上に役立つツールです。

加えて、CAEを活用すれば、コンピュータ上で幅広いシミュレーションを実施できるため、これまでよりも製品の品質向上と開発コストの削減も実現できます。

また、シミュレーションによって設計ミスを早期に発見し修正することで、製品の安全性と耐久性の確保もできるため、市場の変化や競争が激しい業界では、競合優位性の獲得にもつながるでしょう。

CAEで何ができるのか？

CAEでは、製品や構造体が受ける力・応力、製品の周りの空気の流れ、熱の伝わり方などの幅広い物理現象をコンピュータ上で解析できます。

目に見えづらい・見えないような現象でもコンピュータ上のCGで可視化が可能です。

このことで、製品のさまざまな環境下での挙動や寿命を評価し、品質向上につなげられます。

具体的な解析内容は後ほど紹介するので、CAEで実施できる解析の詳細を知りたい方は、ぜひご確認ください。

CAEとCADの違い

CAEと混同されやすいものにCADがありますが、それぞれで用途や目的が異なります。

CADとは「Computer Aided Design」の略で、コンピュータ上で2Dや3Dデータを使って設計図面の作成を行う仕組み・ツールで、従来の紙媒体の製図よりもモデルの修正や共有が容易である点が特徴です。

主に、エンジニアやデザイナーがCADを使用して製品の2Dまたは3Dのデジタルモデルを作成する際に使用します。

一方で、CAEは、コンピュータ上の3Dモデルを活用してさまざまなシミュレーションや解析を行うのが目的です。

具体的にCAE解析の手法には、有限差分法や有限要素法、境界要素法などがあります。

それぞれの手法は後ほど紹介するので、ぜひ最後までご覧ください。

また、CADの詳細は「BIMとCADの違いは？メリット・デメリット、代表的なソフトも解説」で解説しているので、あわせてご確認ください。

CAEとCAMの違い

CADと同様に、CAMもCAEと並んで挙げられる言葉です。

CAEとは「Computer Aided Manufacturing」の略で、CADで作成された設計図データを製造工程に適用するためのツールです。

たとえば、CADで作成した設計図は、そのままでは工作機械で使用できないため、CAEを活用して工作機械を動かす数値制御プログラムを作成することで、設計図を元に工作機械で製品を製造できるようになります。

CAMはCADを用いた製造プロセスに欠かせないため、CAMとCADをあわせて使用できるソフトが一般的には流通しています。

このように、CADとCAMはCAEと用途や使用する目的が異なるので、混同しないようにそれぞれの意味を把握しておきましょう。

CAEの活用に求められる知識

CAEを活用することで、業務効率化や生産性向上などを実現できますが、活用するには専門的な知識が求められます。

CAEの活用に求められる知識を以下で解説します。

材料力学

CAEを活用するには、材料力学の知識が不可欠です。

材料力学は、製品や構造物の強度や剛性、柔性などを知るための学問で、CAEで得られた解析結果を正しく把握・評価するには、材料力学の知識が求められます。

たとえば、スポンジの場合、何度も使用すると徐々に応力が弱まっていき、性能を発揮しなくなりますが、この応力とひずみの関係を材料力学では数学的に表現します。

CAEも、製品がどの程度の力・回数まで耐えられるのかを予測する際に用いられるため、CAEを活用するには、材料力学の基本理論と各種材料の特性の理解が必要です。

また、材料力学の他には解析手法の知識や活用するための知識が求められます。以降で解説するので、参考にしてください。

CAEの解析手法

CAEの解析手法には、主に「有限差分法」・「境界要素法」・「有限要素法」の3つがあります。

それぞれの特徴を解説します。

有限要素法

有限要素法は、現在最も一般的に活用されている解析手法です。

「Finite Element Method」の略称の「FEM」と呼ばれることもあります。

2D・3D問わず、三角形や四角形に分割が可能で、複雑な形状や性質を持つ製品を分割することで、対象物全体の解析をしやすいようにします。

主に、熱伝導解析や流体解析に用いられています。

境界要素法

境界要素法は、解析対象の全体を解析する有限要素法とは異なり、領域の境界のみを解析する手法です。

「boundary element method」の略称の「BEM」と呼ばれることもあります。

解析対象の領域内に差分格子を作成する必要がないため、ほかの解析手法よりも効率的な解析が可能です。

主に、音響解析や電磁界解析などに活用されています。

有限差分法

有限差分法は、複雑な構造の解析対象を差分格子と呼ばれる直交格子で分割する解析手法です。

「Finite Difference Method」の略称で「FDM」と呼ばれることもあります。

各格子点から温度や応力関数に関する連立方程式を構成し、解析を行います。

熱伝導解析や流体解析、電磁場解析などに活用されていますが、有限要素法の方が分割のバリエーションが豊富であるため、現在は有限要素法の活用が主流です。

CAEの活用で得られるメリット

CAEの活用で得られるメリットを具体的に解説します。

CAEの導入を検討している方は、意思決定の参考にしてください。

製品コストの削減

CAEを使用すれば、製品開発にかかるコストの削減が可能です。

従来の製品開発では、試作品を製造して実験を行っていましたが、CAEを活用することで、コンピュータ上でデジタルモデルを用いてシミュレーションを実施できるため、試作品の製造にかかるコストや時間を大幅に削減できます。

また、設計段階のエラーも早期に発見できるので、製造段階での修正コストも抑制できます。

製造時間の短縮

製造時間の短縮もCAEの活用で得られるメリットのひとつです。

従来は試作品の製造と実験を繰り返し行っていましたが、CAEでは試作品を作らなくても良い分、製造時間を短縮できます。

また、コンピュータ上ですぐにシミュレーションを再現できるので、実験の準備にかかる時間も削減できます。

条件に応じた幅広いシミュレーション

製品の製造段階では、製品の安全性を保証するためにさまざまな環境・物理条件のシミュレーションが行われます。

CAEを活用すれば、耐火や耐熱、高圧、真空状態といった、実現が困難なシミュレーションでもコンピュータ上で再現が可能です。

このことで、製品が実際に使用される条件に応じた性能評価を効率的に実施できます。

環境負荷の低減

CAEを活用すれば試作品を製造する必要がないため、試作品の製造に使われる原材料の消費を抑えられます。

また、試作品は実験に使われると廃棄処分になるため、製品開発の過程で生じる廃棄物やエネルギー使用量が削減され、環境負荷の低減を実現できます。

DXの推進

近年は、働き方の多様化に伴いDX化の動きが活発になっていますが、CAEは製品開発プロセスのDX化を推進します。

CAEを活用すれば、製品開発の効率化だけでなく、製品データの一元管理や共有、再利用も可能となります。

CAE の具体的な解析内容

CAEではさまざまな解析を実施できますが、今回は代表的なものを4つ解説します。

構造解析

構造解析は、製品の形状や材質に基づいて、強度や変形などの性質を数値的に解析する手法で、解析対象に力を加えたときの変形や応力を解析します。

解析結果は3D形状や色、数値で可視化されるため、試作品を活用した従来の解析よりもより精度の高い解析を行えます。

このことで、製品の構造的に耐久力が弱い部分や修復すべき箇所を確認できるため、設計の最適化の実現が可能です。

流体解析

流体解析は、流体（液体や気体）の流れや動きを可視化し解析する手法です。

流体の圧力や速度、温度の分布なども予測し、設計の最適化を図ります。

たとえば、自動車や建築物周囲の風の流れを予測することで、空気抵抗を受けづらい形状の製品・構造物を開発できます。パイプ内の流体の流れを計算するなど、さまざまな産業分野で利用されています。

電磁界解析

電磁界解析は、電気や磁気の挙動を予測するための解析手法です。

電磁界解析には、静電界解析や静磁界解析、電磁誘導解析などの種類があり、機器の故障や誤動作の原因となる電磁ノイズを分析します

具体的には、電子回路の設計や、モーターや変圧器などの電磁装置の設計、通信機器のアンテナ設計などに活用されています。

光学解析

光学解析は、光の挙動を解析する手法です。

具体的には、光学部品が発する光の流れや照度、輝度などを解析して可視化します。

レンズや鏡などの光学系の性能を評価し、最適化できるため、カメラレンズや望遠鏡、顕微鏡、ディスプレイや照明装置など、さまざまな産業分野で活用されています。

CAEが活用されている業界

CAEは業務効率化や生産性向上を実現できることから、すでにさまざまな業界で活用されています。

自動車業界

自動車業界では、車両の設計段階から製造までのプロセスにおいて幅広いシミュレーションを実行することで、性能の最適化や安全性の向上を実現しています。

たとえば、衝突シミュレーションでは、多種多様な事故シナリオを再現し、車両の安全性を評価します。

加えて、エンジンの性能や燃費効率を最適化するためのシミュレーションも実行が可能で、性能向上に役立てられています。

また、車両の試作機を製造するには、およそ3万個のパーツが必要ですが、CAEを活用すれば、試作機にかかるコストも抑えられます。

エレクトロニクス業界

エレクトロニクス業界でもCAEの積極的な活用が見られます。

たとえば、半導体の製造では、CAEを設計からテストまでの各過程で活用することで、製品の小型化と性能向上が可能となります。

また、CAEは新製品の開発時間を大幅に短縮し、市場投入のスピードを上げる役割も果たすため、競争が激しいエレクトロニクス業界において、競合優位性を獲得するためにCAEの活用は不可欠です。

ヘルスケア業界

CAEは、ヘルスケア業界でも活用されています。

製薬業界では、新薬の開発や既存薬の改良にCAEが使用されます。特に、薬物の分子構造をシミュレーションすることで、有効性と副作用のバランスを最適化します。また、医療機器の設計や開発においても、CAEは設計最適化や安全性確認のために利用されます。これらの活用は、患者の生活の質を向上させ、医療の質を高める役割を果たします。

食品業界

食品業界では、製品の品質向上や製造プロセスの最適化にCAEが活用されます。

近年増えているのが、先進医療機器の開発への活用です。

医療分野の製品は人命に関わるものであるため、ほかの分野よりも人一倍安全性や耐久性を考慮しなければなりません。

CAEを活用すれば、製品の設計段階におけるミスも早期に発見できるため、高品質な製品の提供につながります。

CAEの活用手順

これからCAEを導入する方向けに、CAEの活用手順を解説します。

製品開発でCAEをどのように活用したらいいのかわからないという方は、ぜひ参考にしてください。

1.企画・コンセプトを決める

製品開発の初期段階では、企画やコンセプトの確立が必要です。

顧客のニーズや市場動向などを調査し、得られた情報を基に、製品の基本的な設計や目標、コンセプトを決めます。

この段階で設定した内容に沿って開発を進めていくため、時間をかけて行いましょう。

2.仕様を決める

次に、製品の機能や性能、品質といった具体的な仕様を決めます。

仕様は製品の設計や製造、テストの基準となるため、明確で一貫性があることが求められます。

また、仕様を決める際は、顧客のニーズや市場動向を反映して定義しましょう。

3.部品やシステムをデザインする

仕様が決まったら、製品を製造するために使用する部品やシステムの設計を行います。

一般的には、3DCADを用いて、前の工程で決定した仕様に沿った3DCADを製作します。

部品やシステムがデザインできたら、実際に試作品を製作して実験を行うための準備を整えてください。

4.試作品の実験を繰り返す

前の段階で製作した試作品を活用して実験を行い、動作や性能を評価します。

試作品の実験は、CAEを用いてデジタル上で行います。

CAEでは幅広いシミュレーションを実施できるので、求められる性能に達しているか確認してください。

CAEを活用して実験を繰り返すことで必要な改善点が見つかり、結果的に製品の品質向上につながります。

5.正規品を生産する

試作品の実験を繰り返し、問題がなければ、正規品の生産を開始します。

前の段階でCAEの解析を通して改善点を見つけられているため、従来よりも品質の良い製品の開発に期待できます。

これまでの過程で決定した内容を踏まえて、正規品の生産を行いましょう。

CAEを活用する際の注意点

CAEを活用する際の注意点を2つ解説します。

CAEの導入を検討している方は、効果的に活用するためにもしっかりと把握しておいてください。

自社に合ったCAEソフトを導入する

CAEを導入する際には、自社のニーズやリソースに適したソフトの選定が重要です。

市場には多くのCAEソフトが流通しており、それぞれが異なる特徴や機能を持っています。

幅広い分野に対応しているものもあれば、特定の工業分野に特化しているものもあるため、自社の分野に合ったものを選定しましょう。

また、自社にCAEソフトを扱える人材がいない場合は、操作性の観点も重要です。

CAEを効果的に活用するためにも、ソフトを選ぶ前に自社のニーズやリソースなどを洗い出しておくと良いでしょう。

CAEソフトを活用できる人材を確保する

CAEソフトを活用するには、専門的な知識とスキルを持った人材が必要です。

自社にCAEソフトを扱える人材がいない場合は、新たに採用するか、または育成を検討し、CAEソフトを効果的に活用できる体制を整えてください。

近年は、デジタル技術の需要に対してノウハウを持った人材の供給が不足しており、どの企業も採用に動き出しているので、採用に取り組む場合は、早期の着手をおすすめします。

幅広い解析に対応が可能なおすすめのCAEソフト

おすすめのCAEソフトを3つ紹介します。

どれも幅広い解析に対応が可能なソフトなので、ぜひ参考にしてください。

Ansys Mechanical

Ansys Mechanical（外部サイト）は、アンシス・ジャパン社が提供する構造工学向けの有限要素法解析が実施できるCAEソフトです。

幅広い解析ツールが搭載されていて、熱解析や構造解析、流体解析などが可能であることから、さまざま産業分野で活用されています。

また、直感的に操作できるインターフェースが特徴で、あらゆるレベルのエンジニアが活用できます。

Fusion 360

Fusion 360（外部サイト）は、Autodesk社が提供する3Dモデルの設計から多角的なシミュレーションの実施までを行えるクラウドベースのCAEツールです。

CAEだけでなく、CADやCAM、CAEまですべて搭載しており、開発ワークフローの効率化を実現します。

また、Fusion 360はクラウド上で動作するため、シームレスに設計からシミュレーション、製造機までの工程を一つのツールで管理できます。

Fusion 360の詳細は「Fusion 360とは？特徴や法人・個人利用の方法と注意点を解説」で解説しているので、ぜひあわせてご確認ください。

Inventor Nastran

Inventor Nastran（外部サイト）は、Fusion 360と同じAutodesk社が提供する、設計者や解析担当者向けのCAEとCADが一体化されたソフトです。

熱伝導や動解析、非線形などのさまざまな解析や、金属やゴムといった材料モデルに対応しているのが特徴です。

また、CAE技術に特化した世界で唯一の独立系機関であるNAFEMS の包括的な検証プログラムとドキュメントセットによる高度なテストを実施済みなので、高いパフォーマンスを期待できます。

HyperWorks

HyperWorks（外部サイト）は、Altair Engineering社が提供するCAE/CADソフトです。

3Dモデルの作成やシミュレーションだけでなく、レポートの作成にも対応しています。

構造や流体、電磁気の解析が可能で、最先端の解析技術と直感的なインターフェースにより、複雑なエンジニアリング問題の解決を支援します。

ホームページからは利用方法が動画で視聴できるので、ぜひ確認してみてください。

CAEの課題

CAEを活用することで、業務効率化や開発コストの削減などの多くのメリットを得られますが、一方で課題も存在します。

CAEを活用するには、材料力学や解析手法の理解、解析を実施するスキルなどの専門的な知識が求められます。

また、CAEソフトの操作技術も求められるため、企業は人材を確保する必要がありますが、自社で育成するには長い時間とコストがかかります。

加えて、CAEソフトの利用にもコストがかかるため、これからCAEの活用を考えている方は、費用対効果を考慮したうえで、導入を検討してみてください。

まとめ

この記事では、CAEの特徴からできること、CADやCAMとの違い、CAEを活用するメリットまで解説しました。

CAEを活用することで、試作品を使用した従来の開発プロセスよりも効率化と生産性向上、コスト削減を実現できます。

CAEの導入を検討している方は、おすすめのソフトや活用手順も解説したので、ぜひ参考にして取り組んでみてください。