導入事例

Particleworks導入のきっかけ ～ 粒子法解析のデモを見て驚愕

上：小田原研究所 　下：開発商品の数々

株式会社 明治の研究所について教えてください

明治の研究所は埼玉県鶴ヶ島とここ小田原の２ヶ所ですが、小田原には「食品開発研究所」「食機能科学研究所」「技術開発研究所」３つがあります。

食品開発研究所では主に商品開発を行っており、食機能科学研究所では、菌のもつ機能性の研究や人体への効果など新たな食品開発につながる基礎研究を行っています。

我々の所属する技術開発研究所では、原料開発、発酵技術開発、生産技術開発、また分析・品質管理技術開発等、製造設備の製作や導入のみならず、生産時の品質管理に関する技術開発研究を総合的に行っています。

粒子法シミュレーションソフト導入のきっかけを教えてください

粒子法シミュレーションソフトを最初に知ったのは、切り屑のデモを見たときです。

当時、ヨーグルトに大きめの果肉をたくさん入れた商品を製造していましたが、充填された果肉の量にばらつきがあり、どうしたら果肉を均一に搬送し充填できるかという課題がありました。 固体と液体の混合については他のソフトウエア会社に委託解析をして検討したこともありましたが、有効なレポートが出ず、お金をかけてもこの程度かとがっかりしました。

付き合いのある代理店に相談したところ、SolidWorks Flow Simulationを紹介してくれることになり、構造計画の営業の松木さんが一緒に来社され、「その課題には粒子法が合っているかもしれません」とParticleworksの姉妹製品だった二次元粒子法ソフトによるデモを見せてくれました。

U字溝のシミュレーション画像

５分くらいのデモでしたが、みごとに固体と液体の連成計算ができていて、衝撃でしたね。粒子を使う計算は知っていましたが、粒子法という解析方法をその時初めて知り、これはすごいものを見たと思いました。

自由表面流れ（液面が自由に変形する流れ）をあんなに簡単に計算できるとは思いもよらなくて。

複雑な方法を使って自由表面流れを計算しようと試みたことはありましたが、目の前でマンガのような絵を描いてリアルタイムに計算を流して、というデモを見せられて、これは面白いと思ったのが粒子法を知ったきっかけでした。

切り屑を攪拌する画像を見て、これでヨーグルトと果肉の混合の解析ができると確信しましたし、広範な用途もイメージでき、すぐに社内で検討し、二次元版の粒子法ソフトとSolidWorks Flow Simulationを導入しました。それが2009年でした。半年後、三次元粒子法ソフトのParticleworksを導入しました。

Particleworksの特徴：自由表面流れ（液体の表面変形）が計算できること

二次元から三次元のParticleworksに機能を拡張した理由は何でしょうか

二次元は奥行きが計算できません。実際の物性値を用いた数値表現もできませんでした。
二次元では実時間の計算もできませんでしたが、Particleworksでは実際の時間の計算ができますから、製造工程での攪拌時間の指定など、実現象に即した具体的な設定および解析が可能です。

自由表面流れと言うしぶきや飛沫の表現は解析のハードルが高いのですが、そういったものでも粒子法であれば容易にシミュレーションが可能です。

Particleworks活用事例１：製造設備導入時の検証や最適な運転条件の設定にフル活用

技術開発研究所 素材開発研究部
素材開発Ｇ長　神谷哲氏

具体的な活用場面を教えてください

１つは、新しく導入する設備の検証です。
新しい機械ではどのようなことが起こるかわかりません。起こりうるリスクを装置導入前に評価ができるので、コスト削減や効率化という面で大きなメリットがあります。

もう１点は、設備の最適な運転条件の設定です。
攪拌しすぎると渦ができ、気泡を巻き込んでしまうので、製品充填時に気泡の分だけ充填量が少なくなります。自由表面流れが見られることで、泡を発生させないタンクの最適な運転条件が設定できます。

Particleworksによるシミュレーションが社内に一気に広がり、装置のスクリーニングにおいて使用する頻度が増えました。また、導入済みの機械であっても、不具合があるときなど、シミュレーションを行い、解決策を立案することもあります。

活用事例２：固体と液体の混合～果肉入りヨーグルト

固体と液体の混合で課題だったというヨーグルトの混合について教えてください
Particleworks導入前はどのようにしていましたか

シミュレーションできていませんでした。工場でカップに充填し、果肉の実数を数えて検証していました。 測定にもばらつきがあるため、定性的な傾向しか見ることができませんでした。

ヨーグルトの粘度によっても混ざり具合が違います。物性値を変えたケースでも Particleworksでは、体積あたりに何個あるか定量的に評価できるので、タンク内がどのくらい均一かがシミュレートできます。

活用事例３：無菌攪拌設備の実用化～SolidWorks Flow Simulationとの連携活用

SolidWorks Flow SimulationとParticleworksを導入していますが、どのように使い分けされているのでしょうか

SolidWorks Flow Simulationが得意なところと、Particleworksが得意なところがあるので、分けて検証しています。

流動食の製造ラインで大型タンクを導入したときには、 自由表面流れなどの難しい計算はParticleworksが得意なので、まず底面攪拌と偏芯攪拌のリスクを250リッターのモデルを作って検証しました。

次に導き出した条件をSolidWorks Flow Simulationに設定し、流量や完全に混ざるまでの時間を計算しました。使い分けている理由は、SolidWorks Flow Simulationは自由表面の計算ができない反面、設定が簡単で計算が速いからです。

底面攪拌と偏芯攪拌のリスク検証とはなんですか

このとき、我々が直面していた課題が2点ありました。 １点目は、渦の発生しない条件を見つけること。２点目は、流動食の製造ラインなので、貯液から充填までを無菌で行うことです。

「攪拌装置はじめ、新規導入設備や既存設備の
不具合点改善にフル活用しています」
技術開発研究所 生産技術研究部
システム工学Ｇ　羽生圭吾氏

１点目の渦の発生についてですが、それまでの偏芯攪拌の機械は、同じところをぐるぐる回るだけで、大きな動力を使いながらも混ざるまでに時間がかかっていました。 偏芯攪拌で短時間でよく混ぜるためには、それまでの倍以上の動力を使い、もっと勢いよく混ぜる必要がありましたが、それでは渦が発生してしまいます。

そこで、新しく底面攪拌の機械を導入しましたが、この攪拌装置は動力が小さいため、果たしてきちんと混ざるのか確認する必要がありました。Particleworksによるシミュレーションの結果、底面攪拌では大きな流れの上下循環流ができるため半分の流量でも効率よく攪拌できることを確認しました。

２点目については、この底面攪拌はマグネットで翼を回すため外気と接する部分がなく、無菌充填しなければならない製品に向いています。

粒子法によるタンク自由表面の解析

Particleworksによる新たな取り組み～嚥下シミュレーション

今後の取り組みとして考えていらっしゃることがあれば教えてください

社内に喉ごしの定量評価を検討しているチームがあるのですが、一緒に嚥下のシミュレーションを進めています。

前述のデモで、流しにモノを落として排水のU字溝に詰まる画像を見たときに、嚥下という食物を飲み込むときの喉の部分のシミュレーションができるのではないかと思いつき、今はParticleworksをつかってとろみ剤（嚥下補助食品）を加えた食材のシミュレーションを行っています。 とろみ剤は病院や在宅介護でも使いますので、今後ますます重要な食材となります。

嚥下シミュレータ

具体的には、解析モデルを舌、軟口蓋、咽頭、喉頭と４つのパーツに分けて、それぞれをに物性値等を細かく設定して実際の動きに近いシミュレーションを行います

食べ物が口に入ると、舌がこう動いて、どのように食道や気道が動くかをシミュレーションし、どういう状態で誤嚥が起こるか、上から横から、いろいろな角度でシミュレーションを行います。

共同研究している病院のレントゲン写真から人体のモデルをつくり、粘度や表面張力などの食品の物性を測定して、解析に反映していますが、学会などで発表したり、ブースでデモをしている最中にさまざまな先生方から、ここまでの画像は見たことがないから、そこで止めてもっと見せてほしいと言われますね。

嚥下シミュレータを使って、学校などでの食育にも利用できると思っています。 「なぜ食物を丸のみしてはいけないのか」ということも、画像で食物が気管に入ってしまう様子を見れば納得できます。

他にも、高齢者や障害のあるお子さんのご家族に対しては、どういう粘度のとろみ剤が適当なのか、このように身体を倒してあげると誤嚥しにくいですよ、など臨床的にはわかっていることですが、Particleworksを使ったこのような動画があるとお伝えしやすいので、このシミュレーターの効果的な活用方法を考えています。

嚥下造影とシミュレーションの定性的な比較

嚥下造影とシミュレーションの定量的比較

今後の期待

弊社へのご要望があればお願いします

当社では解析の底辺を広げていくために若い人材が解析に触れるチャンスを増やす取り組みを行っています。 構造計画研究所には解析ツールとしての活用にご協力いただいていますが、今後は工学的なバックボーンのある構造計画研究所に計算結果に対するコメントやアドバイスをいただきたいと希望しています。これからもご指導をよろしくお願いします。

また、嚥下シミュレーションの作成ではParticleworksのメーカーであるプロメティック・ソフトウェアにカスタマイズをお願いしました。望んだようなカスタマイズが実現でき、嚥下シミュレーションが開発できたのは、構造計画研究所がこれまで培ってきた工学的な知見と解析的な経験を踏まえ、当社のニーズを理解したうえで、何度も一緒に打ちあわせを行ってくれたお陰です。一般的ではないカスタマイズに対し、できることできないことを明確にし、最大限できることを高めた形でカスタマイズすることを提案いただき、また真摯にご対応いただきましたこと、たいへん有難く思っています。

取材日：2012年10月

株式会社 明治について
設立 1917年12月
本社所在地 東京都江東区
ホームページ http://www.meiji.co.jp