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東北大学工学部

東北大学工学部

東北大学工学部では、デジタルエンジニアリングを活用した独自の創造工学教育プログラムを実施、3次元CAD SolidWorksを活用してきた。また、2008年度後期には、SolidWorksを利用した新授業をカリキュラムに組み入れることを決定、新たに1000ライセンスを購入した。東北大学大学院 工学研究科 機械システムデザイン工学専攻 山中将(まさし)准教授にSolidWorksの活用法について詳しく伺った。

東北大学工学部

東北大学工学部ではSolidWorksをどのように活用しているか

― 東北大学工学部では、SolidWorksをどのように活用していますか。

東北大学工学部では1996年から創造工学研修を実施しており、テーマの一つとしてデジタルエンジニアリングを活用した創造工学教育プログラム「3D-CAD/CAEによるデジタルデザイン」を行っています。その教育ツールとしてSolidWorksを活用しています。導入は以下のように行ってきました。

  1. 1999年 「創造工学研修」に使用するためSolidWorksを5セット導入
  2. 2002年 付属施設「創造工学センター」拡充のために10セット追加導入
  3. 2008年3月 機械知能・航空工学科の新たな設計教育に使用するため1000ライセンス購入

東北大学工学部が取り組む「創造工学研修」とは

― 東北大学工学部が取り組む「創造工学研修」についてお聞かせください。

高校教育、受験教育が、「一つの問題に一つの答え」を教える教育であるのに対し、創造工学研修は「一つの問題に複数の答え」を出すことができる「創造性の育成教育」として、1996年から始まりました。受験を終えた学生に入学後なるべく早く工学や研究の楽しさを体験してもらうため、1年生の後期プログラムの選択課目に取り入れています。

創造工学センター内の一角。SolidWorksが使える15台のPCが備わっている。

2001年には、創造工学研修の実践の場である学内付属施設「創造工学センター」(別称「発明工房」、述べ1029m2)がオープンしました。センター内の「デジタル造形室」には、3次元CAD SolidWorksを快適に使用できる環境を整えた15台のPC、3次元CADのデータを樹脂で造形できるRP(ラピッド・プロトタイピング)装置、3次元レーザースキャナを設置しています。これらのデジタルエンジニアリングツールを使い、学生たちには発想から設計、試作、製作、検査・検証まで、実際のものづくりの現場で行う「発想を形にする」一連のプロセスの実践教育を行っています。

SolidWorksを使って行う教育の実際

― 「創造工学研修」プログラムの内容を教えてください。

では「3D-CAD/CAEによるデジタルデザイン」で行われる課題の一つである、「フックの最適設計」についてご説明しましょう。これは、SolidWorksおよびRP装置を使って、なるべく軽く、なるべく丈夫なフックを作るという課題です。以下の手順で行います。

  1. フックの最大寸法と穴の大きさ、位置を指定し、SolidWorksでフックの形状設計を行う。
  2. COSMOSWorks(SolidWorksのアドオン解析ソフト)を用いて応力解析を行い、これを参考にしてSolidWorksで軽量化のための形状変更を行う。
  3. この設計と解析を繰り返して最終的に最適な形状を作り込む。
  4. RP装置を使って造形、フックを製作。
  5. 重りに吊し、フックがどの程度丈夫かを検証する。

SolidWorksで3次元設計を行うだけでなく、それをRP装置で実物のフックを作って検証を行うことで、学生はPCの中だけの学習にとどまらず、ものづくりのプロセスが体験できます。本テーマの定員は15名であり、私と2名のアシスタントがついて指導を行います。

SolidWorksでの「フックの最適設計」の例

学生による課題後のレポート

― このプログラムではSolidWorksの使い方の指導も行うのですか。

いえ、ほとんど行いません。使い方の指導については最初に2時間チュートリアルを行うのみで、後は実践で学ばせます。SolidWorksは直感的な操作ができるので、学生たちは触っているうちにできてしまうようです。ここではCADの操作法を教えるのが目的ではないのでそれで十分だと思っています。

― 授業での学生の反応はいかがでしょうか。

今の学生は画像の鮮明な3Dのテレビゲームに慣れているため、SolidWorksでの設計に関しては抵抗もない代わりに感動もないようです。しかし、RP装置で実際に自分の設計したものがそのまま形になって出てくる場面では、みな感動しています。

SolidWorksで何が可能になるのか

― 「創造工学研修」のような実践教育プログラムにSolidWorksを使うことの効果は何ですか。

SolidWorksを教育プログラムに利用することで、これまで不可能だったことが可能になり、加えて指導側の管理コストの削減にもなっています。

「時計プロジェクト」などはまさに、3次元CADでなければできない課題であり、不可能が可能になっているいい例でしょう。これは、4年生および大学院生向けの設計教育プログラムで、「モーターを動力源とし、長針、短針を使わず、部品点数が最小限となる時計を作る」というものです。

SolidWorksによる「時計」の設計画面

学生の製作した「時計」の例

これをSolidWorksを使わず、2次元CADで行った場合、以下の手順になります。

  1. 時計の部品一つ一つの部品図を起こす。
  2. 組立図を作り図面上で組立を確認する。
  3. 部品製作業者に製造を発注するか、自分で機械加工を行う。
  4. 部品を実際に組み立て、動作を確認し、しなかった場合は設計変更し、部品製造や組立をやり直す。

このように行うと膨大な時間がかかるだけでなく、指導スタッフも相当数が必要になります。学生にとってもかなりのスキルを要求されるため、時間をかけたとしても最終的に完成できない者が出る可能性が十分あります。

一方、この課題をSolidWorksを使えば以下のように簡素化されます。使用する部品は、SolidWorksのデータが用意されているカタログ部品とRP装置で製作するものに限定します。

  1. 部品図は作る必要がない。SolidWorksの中で立体のデータを作るのみ。
  2. 組立図も不要。SolidWorksのアセンブリで確認。
  3. RP装置で樹脂製部品を即時に製作できる。
  4. カタログ部品はインターネット通販で学生が自分で調達。

部品図を作ったり業者に部品発注を行ったりする手間がないので、2次元CADに比べはるかに短時間で完成しますし、スキルのない学生でも容易に取り組むことができます。指導側も、一人で多数の学生を見られるので管理コストの削減になります。さらに、部品調達などの雑用もすべて学生に任せられるため、指導者は本来の業務である設計アドバイスに集中することができます。

― 創造工学研修のような3次元CADを活用したカリキュラムを成功させるにはどういう条件が必要でしょうか。

まず1番は、「指導者が何をしたいかが明確であること」。2番目は「よいツールを使うこと」。最後は「ツールのサポートが充実したものであること」。この3つが3次元CADを利用したカリキュラムの成功に必要な条件であると思います。

講義を行わない時には、学生は自由に発明工房を利用、
SolidWorksやRP装置を使って自主的な研究を行うことができる。
(左端は山中准教授)

「子どもキャンパス」で地域に貢献

― 「創造工学センター」では夏休みを利用した小中学生向けの体験授業も開催していると伺いました。その内容について教えてください。

「子どもキャンパス」と呼んでいるこの体験授業は、仙台市の教育委員会とタイアップして市内小中学123校に案内、地域サービスの一環として行っています。1日90人、2日間180人の定員のところ、1000人ほどの参加希望者が集まるため抽選を行うほどの人気になっています。

ここでは「コンピュータでかっこいいコマを作ろう」というテーマで、自動車や花など、自分の好きな形をSolidWorksで設計し、RP装置で成型します。そこで「重心」についての学習をし、コマの軸の位置を決め、竹ひごを通し、形状にかかわらず回せるコマを完成させます。このプログラムのため、オリジナルで小学生向けのSolidWorksチュートリアルも作成しました。

「いくら直感的な操作ができるとはいえ、果たしてSolidWorksのような専門的なソフトを小学生が使えるのだろうか」ということに関しては、米SolidWorks社ですら最初は懐疑的だったようです。しかし同社の教育マーケティング担当者が来日した際にここを訪れ、「子どもキャンパス」を見学し、想定外であったと驚いていました。SolidWorksは誰でも使えると言われていましたが、この「誰でも」には小学生も含まれるということがこれで証明されました。

SolidWorksでのコマの設計に
真剣に取り組む小学生

小学生向けにわかりやすく解説した
オリジナルチュートリアル

1000ライセンスで「CAD教室レス」の取り組みも

― 今回、東北大学工学部ではSolidWorksを新たに1000ライセンス購入されました。この経緯と目的についてお聞かせください。

これまで少人数で行ってきた創造工学研修は学部1年生を対象とした導入教育です。今回1000ライセンスを購入したのは、東北大学工学部の5つある学科のひとつである「機械知能・航空工学科」の3年生以上の専門教育に広くSolidWorksを活用するためです。今回はマス教育です。2008年8月からの3年生の後期授業に取り入れ、カリキュラムの充実を図る予定です。

また、今回の1000ライセンス導入では、教室運用における新しい試みである「CAD教室レス」に挑戦します。

― 「CAD教室レス」というのは何でしょうか。

1000ライセンスをCAD教室のPCに入れるのではなく、機械知能・航空工学科の62ある研究室のPCや、学生個人のPCにインストールして使用します。ライセンスは学内のサーバーで管理します。

実は当初、80人定員の製図実習室にSolidWorksを入れた70台のPCを導入、機械知能・航空工学科の一学年250人を4クラスに分けて授業を行う計画を立てました。しかしそれは物理的に難しいことがわかり、発想の転換を行い、ライセンスのみをサーバーで管理し、学科全体で広く使用できる仕組みの構築を考えました。1000という数字は、一学年250人に3年生から大学院生までの4学年を掛けて算出したものです。

このような経緯で誕生した「CAD教室レス」ですが、以下のようなメリットが期待できると考えています。

「新たな挑戦である『CAD教室レス』は、大きなメリットが期待できます」

  1. SolidWorksをCAD教室でしか使えないという物理的制限がなくなり、研究室や自宅で好きな時間に利用できる。
  2. PCなどのハードにお金がかからず導入の垣根が低くなる。
  3. PCは2~3年で古くなるので定期的にリプレイスのコストが発生するが、「CAD教室レス」ではその必要がない。
  4. 卒業研究を進める時に、学生は各研究室のSolidWorksを自主的に利用ができる。

ただし、これは新しい試みですので、運用が安定するまでにある程度の時間を見ています。これから上記のようなメリットを学科全体が最大限に享受できるよう、慎重に、かつ積極的に進めていきたいと思っています。

教育ツールとしてのSolidWorksの長所

― 山中准教授は1999年からSolidWorksを使った授業をしてこられました。教育ツールとしてのSolidWorksの優れた点は何だと思われますか。

教育ツールとしてのSolidWorksの優れた点は3つあると思います。

  1. 「価格がリーズナブルであること」
    今回のような大量購入の際には特に大きなメリットとして感じます。
  2. 「教育版に関しての取り組みが柔軟であること」
    SolidWorks社にCOSMOSWorksのバンドルをリクエストした際に、前向きに取り組んでいただき、最終的に取り入れてくれました。ユーザーに対して聞く耳を持つ同社の姿勢には好感が持てます。
  3. 「小学生から大学院生まで使うことができること」
    教育ツールとして考えた場合、使用者の学年やスキルに関係なく使えることは大きなメリットです。

― SolidWorksへのご不満もあればお聞かせください。

バージョンが上がるたびに重くなっていくことですね。これはSolidWorksに限らずソフトは皆そうですが、ソフトが重くなるとPCのスペックも上げていかなければなりらないこともあります。しかしSolidWorksは、例えば2年前に10セット買ったバージョンを買い足したいという時に、新しいものではなく古いバージョンを購入することができますのでその点良心的だと思います。

大塚商会を評価する点

― SolidWorksの代理店である大塚商会への評価をお聞かせいただけますか。

東北大学工学部と大塚商会とはこれまでの長いおつあいの中、厚い信頼関係を築いてきました。何かあったときに大塚商会のような大きな代理店の支店が仙台にあると安心です。大塚商会を評価する点を具体的にあげるならば以下の3点でしょう。

  1. 「担当者がはりついてくれること」
    SolidWorksのような専門的なソフトを教育ツールとして使っていくには、専任の担当者がいて、何かあるとすぐにかけつけてくれるという体制があることが重要です。その点大塚商会の担当の方は動きがマメなので助かります。
  2. 「最新の情報を教えてくれること」
    研究者、そして教育者としては、常に最新機器の情報を押さえておきたいところです。大塚商会は「今度こういうものが出ます」という情報をいち早く教えてくれます。
  3. 「マルチベンダーであること」
    今はあり得ませんが、万が一、SolidWorksに何か不都合が起きて、他のソフトに乗り換えざるを得ない状況になった場合、まず真っ先に大塚商会に相談に乗ってもらうでしょう。大塚商会はマルチベンダーなので、一つのメーカーに縛られず、常にベストのものを供給してもらえるところが良い点です。

今後の期待

― SolidWorks社および大塚商会へ、今後の期待があれば教えてください。

東北大学工学部では、これまでの少人数教育からマス教育への挑戦を行い、そしてまた、前例のない「CAD教室レス」にも挑戦をしていきます。これらの新たな取り組みを成功に導くべく、SolidWorks社および大塚商会には、これからもますますの手厚いサポートを望みます。今後ともどうぞよろしくお願いします。

お忙しい中、ありがとうございました。

※ 東北大学工学部のWebサイト
※ 取材日時:2008年4月
※ 事例制作:カスタマワイズ

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