1. PRODUCT DEVELOPMENT OF ROOM AIR-CONDITIONERS USING SOLID EDGE
Solid Edge Second Annual
International User Group Conference
October 14, 1999
PRODUCT DEVELOPMENT OF ROOM AIR-CONDITIONERS USING SOLID EDGE
Takashi MIYAWAKI
Daikin Industries Limited
Information Technology Advancement Center
こんにちは、ダイキン工業の宮脇と申します。本日は家電製品の一つである家庭用空調機の開発に、Solid Edgeを適用した例について説明させていただきたいと思います。
私は情報化推進センターという部門に属し、計算機による設計業務の効率化について調査、企画、開発およびその推進を行っています。
今回のプロジェクトでは3次元CADシステムの選定、3次元設計ノウハウの確立とユーザーへの教育を行いました。
ゆえに本日は設計支援という立場からSolid Edgeの製品開発実適用での効果や課題について報告させていただきます。

2. Overview of DAIKIN http://www.star-net.or.jp/daikin/index_e.html
Company Profile
Number of Employees : About 8000
1 Head Office and 4 Branch offices
5 Manufacturing Plants
Related Company：61 in Japan, 14 in the World (Belgian, Thailand, etc..)
Main Products
Air-conditioners and the Applications
Fluorine Chemical products
Computer Hardware and Software Sales
Room Air-conditioners
Air-conditioners for Store and Building
Example of
Air-conditioners
まずはじめに、ダイキン工業の業務内容にについて簡単に説明したいと思います。
ダイキン工業は業務用および家庭用の空調機を中心とした製品を提供している製造メーカーです。
業務用空調機は、店舗用からビル用まで幅広く扱っており、日本国内では
シェアーNo1となっています。
本社は日本の大阪にあり関西を中心として5つの生産事業場があります。また海外への展開としてタイやベルギーなど１４の関連会社が存在します。
本日はこちらにありますような家庭用空調機の室内機の製品開発にSolid Edgeを用いて3次元設計を行った例について報告したいと思います。

3. First Step : Introduction Term (Up to the present)
History of Three Dimensional CAD Advancement in DAIKIN and Purpose of This Trial Project
First Step : Introduction Term (Up to the present)
In order to apply three dimensional CAD to Air-conditioner’s piping design, system development using Pro/E was started from 1991.
Trial use and improvement of the system until 1994.
Release to user from 1995, and now it is used in the almost of main developments of air-conditioners outdoor units.
Second Step : For real use Term (Now)
To enlarge the effectiveness of 3D Design, change the direction to full 3D design and start to reevaluate the 3D CAD system from 1997.
Evaluation point : Ease of use, Well-balanced function of 2D and 3D, and Cost
Solid Edge was selected best one of next CAD in June 1998.
適用内容の報告に移る前に、今回の取り組みの位置づけに関して、これまでの3次元CAD展開の歴史を交えて説明したいと思います。
ダイキンでは3次元CADの設計者への展開に関し、９０年代の初頭から検討を開始しました。これは、製品のコンパクト化・コストダウンに対応するため特に配管設計の3次元化が必要とされたからであります。
当時Solidモデラーとしてもっとも実用的であったPro/Eをベースとし、そのときはPipingオプションが存在しなかったため配管設計に必要な機能をほぼすべて開発しました。
いくつかの試行およびシステムのブラッシュアップを経て、1995年にはシステムもハードウエアも実用的になり、ユーザーへの展開を開始しました。現在では主要製品の配管設計は3次元化実施済みであり2次元設計と比較し設計効率化を実現しています。
これまでの取り組みを3次元展開の第1ステップと位置づけていますが、更なる効率化を目指して全面的な3次元展開の検討を97年より第2ステップとして開始しました。
ここで、ハード環境およびソフト環境がツールの初期導入時から大幅に変わっていることから、ツールの見直しも行いました。
見直しの観点として、空調機の製品設計ができることが必須ではありますが、その中で、使いやすさ・2次元と3次元の統合性、およびコストを重視して各種評価を行い、昨年6月にもっとも有望なCADとしてSolid Edgeを選定しました。
今回のプロジェクトは選定したツールの実用性の検証を行うと同時に、事前評価ではわからないような課題を実適用にて明確にし開発元であるUGSにフィードバックすることが目的でした。
Purpose of This Trial Project
Verification of Solid Edge Function
by Practical use in the product development

4. Details of Verification
Function verification
Function of 3D design for Air-conditioners
Performance speed
Reliability
Utility Verification
Decrease of learning time than the system before
3D design of large and complex plastic parts in the real development
Effectiveness Verification of 3D design
Accuracy improvement of design, and Decrease of design time
Reduction of processing time of trial manufacture
Time Reduction of mold design
評価内容を詳細に説明しますと、空調機の製品設計から出図に関し機能的に問題がないか、また速度・信頼性で問題ないかといった機能性の検証、ツールの習得負荷や実開発でのユーザー の実用性の検証および、設計工数、試作や金型納期の削減といった3次元設計効果の検証を評価の観点としました。

5. Features of Target Product
Overview of Solid Edge Trial Project - Application to Product Development of Room Air-conditioners -
Features of Target Product
Drastic cost-cutting: new type of shape/structure should be developed
Faster development by two months D Design was the only solution
Action Overview
Consists of 200 parts
Including 5 very large parts: 1500 dimensions each
Four to five designers are working in a team
Using Solid Edge over the entire design process: Conceptual Design through Generating Production Drawings
Room Air-conditioners Image
(Previous Model)
さて今回対象とした製品開発プロジェクトですが、大幅なコストダウンを目的として部品点数を削減するため構造が大幅に変わり3次元設計が必須であること、開発期間が非常にタイトであること、今後の展開のキーとなる大物の樹脂部品がが多く含まれる製品ということで今回の住宅用空調機の室内機開発を選定しました。
適用時期としては3次元設計の効果が出やすい構想設計から3次元を適用し最終的には5名のチームメンバーが全員3次元設計を実施しました。

6. Theme in Applying 3-D Design
Effective modeling of Large and Complex plastic parts
Characteristics of Feature base modeler
Advantage : Make the design efficient, Information Transmission of design Intent
Effective Approach in Series Design and Appropriation Design
Transmit design intent correctly
Avoid stupid mistake
Problem : Handling of Large Part Features
It takes a lot of time for searching and recalculating when feature editing
Establish of Efficient Three Dimensional Modeling Skill for Feature based Modeler
今回の3次元適用に関して、当初よりもっとも大きな課題と考えていたのは大物樹脂部品のモデリングです。
フィーチャベースのモデラーはフィーチャや寸法をうまく定義することでシリーズ設計や流用設計の効率化ができる反面、寸法数の多い複雑な部品になるとフィーチャーの履歴が長くなり、編集や再計算で非常に手間取り、最悪作り直したほうが早いということになってしまいます。
そこで本プロジェクトでは効率的な3次元モデリング技術として機能ベースのモデリング手法を考案し、実適用を行いました。
Suggestion of Function Based Modeling and Implementation

7. About Function Based Modeling
Modeling by functional character rather than geometric
Large and Complex parts are multi-functional
structure could be simple and applicable to other models by dividing by function
functions are usually to contain something
air duct : contain air, drain-pan : receive water
Basic consideration
divide into parts by function and unit to be made shell
rough shaping to start
editing by cut/add should be done before shelling
機能ベースのモデリングに関してもう少し詳しく説明しますと、これはフィーチャーベースの特徴を活かしたうえで、対象の形状ではなく機能に着目して機能ごとにモデル分けを行うモデリング手法です。
この手法を考え付いた背景は２つあります。
まず第1に大物樹脂部品は、本来別の機能を持った小さな部品が統合化によって集約されていった複合機能部品であることから、元々の各機能に分ければシンプルになり処理がしやすいということです。
そして第2に複数の部品分けを行うことでSolid Edgeの特徴であるラージアセンブリの高速化手法すなわちパーツの非表示や非アクティブ化、アンロードが可能になること、部品分けというフィーチャのグルーピングを行うことで、形状修正時に関係のあるところだけの修正をかけることが可能になることです。
実際の処理としては、機能毎もしくはシェル化できる単位毎に部品分けを行います。概略から詳細といった標準的なモデリングを行っていき、形状修正時はシェル化の前に行います。

8. Parallel Approach and Sequential Approach of Function Based Modeling
making parts and integration by linking with Assemble Layout
grouping by function
Sequential Approach
sequential Link by Divide Parts or Insert Parts
grouping by modeling level
Parallel
Approach
Sequential Approach
Desired
Part
Insertion for Integration
Part
Part
Part
Assembly
Layout
Desired
Part
Assembly
Insertion
Insertion
またフィーチャのグループ化という観点から見た場合、機能ベースのモデリングの実現方法としては２つのアプローチがあります。部品をアセンブリ設計するというパラレルアプローチと、部品を別部品に挿入しながらレベル分けをするというシーケンシャルアプローチです。
詳細に関しては、実適用例のところで説明したいと思います。
Feature
Feature
Feature
Function
Part
Function
Part
Function
Part
Control of Shape
Feature
Feature
Feature

9. Implementation Result 1 : Concept Design by Solid Edge
Existing product
Integration two parts into one
and It is difficult to design by 2D
Rapid Prototype
Concept Design by Solid Edge
Data Transfer by
それではまず構想設計でのSolid Edgeでの3次元設計適用結果について説明します。
構想段階でもっとも重要な検討ポイントは、既存機種では２つに別れていたこちらの大物樹脂部品を一体化するための形状検討でした。
単に形状として成立させるだけではなく、金型の成形性、組み立てや分解の作業性をも考慮して形状検討する必要があり、２次元設計では検討ができない状態でした。
そこでOJTにて設計者にSolid Edgeの基本的な使い方の教育を行いました。２次元設計の場合頭の中で形状を想像しながら検討する必要がありますが、3次元設計では、常に具現化された形状をチェックすることが可能なため、各種の構想検討が可能になり、ユーザー自らこちらの構想モデルを短期間で作成することが可能となりました。OJT教育の部分を除けば実質3日程度でこのようなモデルが作成可能です。
また、実モデルでの確認を行うため、Solid Edgeの3次元データから直接光造形試作を行いました。納期は6日ほどで従来から半減することができました。
これらのことから新形態の製品開発における構想設計でのSolid Edge適用効果は非常に高いことが分かりました。
6 Days for processing
（1/2 time）
Result in Concept Design
Function :
Utility :
Effectiveness :
6.5 days for modeling include OJT(On the Job Training)
1/2 time compare to 2D design

10. Implementation Result 2 : Detail Design by Solid Edge
Heat Exchanger Assembly
Fan Assembly
Frame
Assembly
Air clean unit
Air flow Assembly
Electric Component
Assembly
構想設計での効果を受けて、詳細設計でのSolid Edgeの全面展開を行いました。構想設計では設計リーダー1名への適用でしたが、詳細設計では担当者4名がサブアセンブリ毎に担当を受け持ち、チームで設計を進めました。担当者は全員3次元設計は今回が始めてでしたが、基本操作の習得は3日間程度、実利用で独り立ちができるまでおおよそ2週間程度で、従来と比較しおよそ半分の期間で3次元設計が習得できました。
なおこちらのような3次元曲面が含まれる意匠部品に関しては、Solid Edgeの曲面設計機能の見極めができておらずモデル作成のための試行錯誤がかなり必要と思われたため、外形部分の曲面モデリングのみ宮脇が作成しました。ただし、内部構造に関しては設計担当者が3次元設計を実施しております。
Front Panel Assembly
Two kind of
front panel
Learning Time
2 or 3 days for basic
2 weeks for practical use

11. Divide into parts as air path, motor cover, fix part on back
Implementation Example of FBM (Function Based Modeling) - Parallel Approach on Frame Part -
Divide into parts as air path,
motor cover, fix part on back
face, drain pan, etc
さてそれでは機能ベースのモデリング手法の適用例を説明したいと思います。これは、構想設計のところでお見せしたフレーム部品の最終形状です。空気の流れを作る流路、モータカバー、背面固定部、および熱交換器から出てくる水滴を受けるドレンパンなどに機能部品分けを行い、アセンブリ設計を行いました。流路、ドレンパン、モータカバーは概略形状としてボリューム形状を定義してからシェル化を行う方法を用いております。
このアセンブリは、最終的に別部品に挿入することで一体化を行い、一つの部品に変換しています。このアセンブリと部品はリンク関係を保つことができるので、設計変更を行う場合はアセンブリ側の変更が必要な部品のみを修正し保存した後で、一体化した側の部品のリンクを更新すれば修正内容を反映することができます。
このような手法を取ることで、単品部品で作成するときと比較しフィーチャ数は1/4に削減でき、またフィーチャの編集処理速度も大幅に改善できました。
Integration to one part by
assembly insert

12. Frame Part by FBM: Part Linkage with Assembly Layout
ただし複数部品に分けることで弊害も発生しました。それは１つの部品なら別フィーチャの要素を包含することでフィーチャどおしの関連づけを行い、関連部分を一度に修正することが可能ですが、別部品においては包含コマンドによるフィーチャ間の関連づけができないことです。
そこでアセンブリレイアウトを利用し部品間の関連付けを行いました。
Generate parts by “Create In-place”, and Linking with Assemble Layout.

13. Frame Part by FBM: Correspondence to Design Modification
また構想設計では現れないこのような形状は、薄肉化した後では追加はしづらいのですが、部品のフィーチャーの初期段階、すなわちシェル化を行う前に挿入することで簡単なオープンスケッチだけで追加できました。
詳細設計では他部品との場所の取りあいなどで、形状を削ったり付け足したりといった、切り貼り作業が多く発生しますが、このような設計もシェル化前に作成することフィーチャー数の削減に役立ちました。
Shape modification before shelling

14. Frame Part by FBM: Shape Coordination after Integration
ネジ受けのボスは、1つの部品中で複数発生する形状です。そこで標準的な部品として長めに作っておきアセンブリ配置および前述の一体化処理を行っいますが、こちらのようなはみ出た部分が発生します。しかし、「面の置き換え」コマンド」を利用することで簡単に削除できました。
Screw boss : prepared longer than required as functional part.
After assembled, protrusion is cut by Replace Face

15. Example 2:Front Panel Parts - Parallel and Sequential approach -
次に化粧パネル部品に機能ベースモデリングを適用した例を説明します。
こちらは製品全体を覆うこちらのグリル部品と、空気の吸込み口があり、また内部のフィルターを掃除するために開口できる開閉機構を持ったパネル部品に別れており、意匠性を考慮して3次元曲面で生成されています。
デザイナーはまずグリルとパネルを分けていない外形でデザイン図を作成しそこから詳細に部品の形状をデザインしていきます。基本的に形状的には左右対称です。

16. Front Panel Parts by FBM: Industrial Design Surface
Industrial Designer
Integrate them by insertion
to a part, and divide
the part into two parts using Divide by face
Modeled the right half of
outside shape of Front Panel
Generate the other side by
Insert Part and Mirroring
そこでSolid Edgeによる3次元モデリングもそのデザインプロセスに合わせて行いました。
外形右半分のモデルを1つの部品で作成しそれを別部品に鏡映しながら挿入、そしてその2つの部品を一体化し、それをまた面による分割でパネルとグリルに分けて意匠面全体を完成します。
この全体の形状をみながら左上のモデル寸法を修正し形状の変更をしていきデザイン性を検討します。これらの部品はリンク関係にあるのでもとのモデルの変更はリンクの更新にて最終形状に反映できます。
外形デザインを決定すれば、つぎに詳細形状を作り込んでいきます。
Completion of Panel Face

17. Front Panel Parts by FBM: Detail Modeling 1
(Outside)
パネルの格子部分は金型にダイレクト利用が出来るまで作り込みました。格子は繰り返し形状ではありますが、3次曲面に対する処理になるのでパターンが使えずフィーチャー数が非常に増えます。
そこでカットやラウンドといった処理毎に区切りを設け、別部品に挿入しながら作成することでフィーチャーのグループ化を行い、形状変更時の再生の効率化および形状作成の履歴を理解しやすくしました。
Detail Modeling
(Inside)
Feature grouping was done by Integration, Division, and Part insertion (FBM sequential approach)

18. Front Panel Parts by FBM: Detail Modeling 2
Designer
グリル形状は先ほどのデザイン外形モデルを元に別の設計者が詳細設計を行いました。
この部品にも上部の吸込み口や左右及び下部のローレットと呼ばれる半円柱をスイープした凹凸形状といった多くの繰り返しパターンが含まれ非常に処理が重くなるので、これらの処理は別部品分けを行い、軽量化を行いました。
Divide Part into upper slit portion and rollet portion (when Patterning is included, other operations tend to becomes abnormally slow.)

19. Front Panel Parts by FBM: Detail Modeling 3
Right and Left covers
電装品のカバーを行う部分は左右で良く似た形状で、一部のみ異なります。このような形状はパーツのファミリーおよび鏡映した部品の挿入を利用することでモデリングの省力化を行いました。
Almost symmetric each other but have slight difference
applied Family of Parts ( with Suppress Feature)

20. Front Panel Parts by FBM: Integration to one Part
またこの部品に関してもグリルとパネルの蝶番の部分や嵌め込みの部分など複数の標準的な部品に分けてモデリング後、一体化処理を行いました。
Integrate into one part
(FBM parallel approach)

21. Effect of Three Dimensional Surface Modeling
Two types of panels are designed.
Shape parameters are defined using parametric dimensions
in Solid Edge.
Not coordinate
here
Shape modified on the
Screen
3次元曲面設計の効果ですが、今回の開発では2つの製品グレードがあり、その差別化をパネルで行うため、このような2種類のパネルを用意しました。
もともとは上のパネルとグリルがセットでデザインされ、あとから下のパネルが追加でデザインされたのですが、そのデザインをデザイナーが最初2次元で検討していました。3次元の曲面が複雑なことから、2次元の検討だけではこのような形状間違いを犯すところでした。3次元化したモデルの寸法を検討しながら画面上でグリルにもっともあう寸法を決定し、それを正の情報とすることで、大きな間違いを防ぐことが出来ました。
Avoid mistake which will occur in case of two dimensional design

22. Whole Image of the Product
これが、製品全体のイメージです。
機能ベースのモデリングの効果ですが、構想設計モデルでの検証でフィーチャ数が約２００から５０と約１/4に減りました。また電装品モデルにおいてもフィーチャー数が約１/２、データサイズは1/4に減ることが確認できています。
このような3次元モデリングの効率化手法を適用することで非常に複雑な樹脂部品も実用的な期間で3次元設計することが可能になりました。

23. Result of Direct and Rapid Prototype from 3D Model
Effect
Realization of Drawing Less and Data Transfer by Internet
Panel Parts : Accurate and Time Eliminate by NC Processing. Omission of ID Model making.
Electric Component : Rapid Prototypes are very effective in these parts (small and complex)
Inquiries from processors about model are Almost nothing
Subject
Rapid Prototype for Large Part like Frame (Accuracy and Strength is not enough for test model)
It is difficult to transfer the modification portion when alternation because there is no drawing
Prototype is made the same shape as 3D model even if there is a mistake (No check before prototype) -> Strong evaluation of 3D model before trial is needed
Comparison between 2D and 3D about Front Panel Parts ２Ｄ
今回、3次元のモデル化を行うことで、試作に関しては図面作成というプロセスを省略することが出来ました。
部品によって実試作の方法は異なりますが、グリル・パネルに関しては、NCによる削り出し加工を行い、試作であっても人手がまったく入らず加工が出来ました。加工精度が高いためこれまで別に作っていたデザイン承認モデルも兼用することが、出来ました。
また電装品はサイズが小さくかつ複雑なため光造形を適用し、期間およびコスト面でも従来から半減することができました。
いづれの試作においても正確に作られていることから業者からの問い合わせはほぼ０でした。
一方問題点としては、底フレームのような大物で複雑な部品はどうしても光造形の一般的な樹脂では精度・強度で課題があります。さらなる高耐性、高精度の樹脂での展開が必要です。
また図面がないため変更内容が伝えづらいことやデータの間違いがそのまま試作されるといった問題もありましたが、これは運用のルール決め等を行うことで徐々に解消されると思われます。
今回は3次元の習得の時間も必要だったので次回からということですが、試作期間に関する2次元設計と3次元設計の比較を示したのがこちらの図です。試作を行うまでの期間すなわち設計者の初期負荷はどうしても増えますが、トータルの期間は短縮されます。またPCやSolid Edgeの処理速度が早くなることでこの検討期間は今後どんどん短くなっていくと考えられます。
Prototype
making
Modification
of mistake
Design
Drawing
Alternation
Inquire
Accuracy Improvement ３Ｄ
Design
Prototype
making
Alternation
Inquires Decrease

24. 最後に
今回のプロジェクトで多くのサポートを頂き、またこのような発表の機会を与えていただいたユニグラフィックスソリューションの方々にお礼を申し上げます。
特にダイキンの要望を理解していただき、機能の実現をしていただいたDavid Hagood氏、また技術的な質問の受け答えから米国とのやりとりを含め各種の辛抱強いサポートを頂いた原さんに感謝します。