-> Abstract
ปัจจุบันการออกแบบรถยนต์ มีความซับซ้อนมากขึ้น อีกทั้งการแข่งขันทางเทคโนโลยี มีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว รถยนต์มีการเปลี่ยนรุ่นเร็วขึ้น บ่อยมากขึ้น ขั้นตอนในการออกแบบและการทำรถยนต์ต้นแบบต้องทำมากขึ้น ซึ่งเป็นอุปสรรคอย่างมากเพราะการทำรถยนต์ต้นแบบแต่ละคันกว่าจะสร้างชิ้นส่วนแต่ละชิ้นมาประกอบกันยังต้องนำมาทดสอบและปรับปรุงแบบครั้งแล้วครั้งเล่า ซึ่งกินเวลายาวนานกว่าจะได้เป็นรถแต่ละรุ่น จากปัญหาคอขวดของการพัฒนารถยนต์ตรงจุดนี้ ผู้ผลิตรถยนต์ชั้นนำของโลกต่างมีความรู้สึกกดดันจากการแข่งขันที่มากขึ้น แนวคิดในการจำลองแบบด้วยคอมพิวเตอร์และการสร้างต้นแบบเสมือน (Virtual Prototype) ถูกคิดค้นและนำมาใช้ในการออกแบบและพัฒนาต้นแบบของรถยนต์ เพื่อเป้าหมายหลักคือ ประสิทธิภาพ, สมรรถนะของรถยนต์และในขณะเดียวกันใช้เวลาและต้นทุนต่ำที่สุด โดยจะทดแทนการสร้างและทดสอบแบบเดิม ๆ เทคโนโลยีต้นแบบเสมือนสามารถที่จะรองรับปัญหาดังกล่าวได้แต่ปัญหาคือ บริษัทต่าง ๆ จะมั่นใจได้อย่างไรกับการสร้างและทดสอบต้นแบบเสมือนในคอมพิวเตอร์ว่าจะให้ผลลัพธ์ถูกต้องในระดับที่ต้องการ


บทความนี้กล่าวถึงปัจจัยหลักของความสำเร็จในการนำต้นแบบเสมือนจริงมาใช้งานและยังกล่าวถึงแนวโน้มอุตสาหกรรมที่จะก้าวมาสู่เทคโนโลยีนี้

-> บทนำ
BMW Series 3 ใหม่นี้ เปิดตัวขึ้นมาพร้อมกับความสำเร็จอย่างสูง "ความสมบูรณ์แบบเกิดขึ้นจนรายละเอียดสุดท้าย" ถูกใช้เป็นปรัชญาในการออกแบบทุกขั้นตอน ซึ่งทดแทนคำพูดเดิมที่ว่า "สุดยอดแห่งจักรกลขับเคลื่อน" (The Ultimate Driving Machine) จากข้อมูลในหนังสือ BMW Magazine การออกแบบจะใช้เวลาประมาณ 5 ปีครึ่ง หรือ 2.6 ล้านชั่วโมงทำงาน 130 ระบบถูกสร้างขึ้นด้วยต้นทุนประมาณ $360,000 ต่อ 1 ต้นแบบ ซึ่งมีชิ้นส่วนประกอบ 2,400 ชิ้น ระบบเบรค ABS ระบบ Traction-control รวมถึงระบบ Advance-multi-link system ไปจนระบบความปลอดภัยสูงสุด และระบบช่วงล่างอื่น ๆ อีกมาก

บนพื้นฐานของการเปลี่ยนแปลงในอุตสาหกรรมรถยนต์ อาจพูดได้ว่ามาตรฐานที่เยี่ยมยอดได้บรรจุอยู่ใน BMW 3-Series ใหม่นี้จะถูกถ่ายทอดไปสู่รถรุ่นอื่น ๆ ในอนาคตอันใกล้นี้ เทคโนโลยีที่ล้ำหน้านี้จะทำให้ยานพาหนะรุ่นใหม่ ๆ ที่เกิดขึ้นมีสมรรถนะที่ดีเยี่ยม ขับขี่ได้อย่างนุ่มนวลราบเรียบ มีการตอบสนองอย่างฉับไว ภายในห้องโดยสารเงียบ มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน ในขณะที่การบำรุงรักษาง่ายขึ้น รวมไปถึงความปลอดภัยระดับสูงสุดซึ่งที่ลูกค้าจะได้รับประโยชน์นี้สูงสุด ที่มากกว่านั้นก็คือ BMW 3-Series นี้ใช้เวลาในการพัฒนาเพียงครึ่งเดียวเมื่อเทียบกับรุ่นก่อนหน้า ตามรายงานยังกล่าวว่าต้นทุนในเรื่องของการผลิตชิ้นส่วนเพื่อทำต้นแบบอาจจะไม่แตกต่างมากนัก แต่เมื่อดูภาพรวมของการพัฒนา ก็สามารถลดต้นทุนจากการประหยัดเวลาได้มาก สิ่งนี้ BMW เขาสามารถทำได้อย่างไร และอะไรคือสิ่งที่ทำให้การพัฒนาก้าวกระโดดได้อย่างรวดเร็ว คำตอบก็คือ "ต้นแบบเสมือนจริง (Virtual Prototype)"

การออกแบบโดยใช้การจำลองเหตุการณ์ต่าง ๆ บนคอมพิวเตอร์ ช่วยให้นักออกแบบผลิตภัณฑ์ วิศวกร และนักวิเคราะห์สามารถสร้างรูปแบบ, การประกอบ, หน้าที่การทำงานของสิ่งที่ตัวเองกำลังทำได้อย่างรวดเร็ว โดยสามารถใช้คอมพิวเตอร์ทำตั้งแต่ขั้นตอนออกแบบในคอนเซฟท์, ลงรายละเอียด จนกระทั่งเป็นผลิตภัณฑ์ นอกจากในส่วนของการออกแบบผลิตภัณฑ์แล้วคอมพิวเตอร์ยังสามารถจำลองกระบวนการผลิตของส่วนประกอบแต่ละชิ้นเพื่อดูปัญหาและแก้ไขในส่วนของการผลิตอีกด้วย ด้วยความสามารถของระบบคอมพิวเตอร์นี้ เราไม่จำเป็นที่จะต้องรอเป็นเดือน ๆ เพื่อที่จะผลิตชิ้นส่วนทีละชิ้นแล้วถึงประกอบกันเป็นต้นแบบและทดสอบ นี้ยังไม่รวมถึงเวลาที่เราจะต้องเปลี่ยนแปลงหรือดัดแปลงหลังจากต้นแบบที่เราทดสอบให้ผลลัพธ์ที่ไม่น่าพอใจ การจำลองต้นแบบบนคอมพิวเตอร์สามารถให้เราสร้างชิ้นส่วน, ประกอบ, และทดสอบได้ภายในไม่กี่สัปดาห์ นอกจากนั้นเราสามารถดัดแปลงรูปแบบของชิ้นส่วนแต่ละชิ้นส่วน, ทดสอบเพื่อดูผลได้อีกนับครั้งไม่ถ้วน จนกระทั่งเราได้ต้นแบบที่ดีที่สุด ทั้งรูปแบบ, หน้าที่การทำงานไปจนถึงกระบวนการผลิตที่เหมาะสมที่สุด


อะไรคือองค์ประกอบที่ทำให้การนำเอาต้นแบบเสมือนจริงมาใช้จนประสบความสำเร็จทำไมก่อนหน้านี้ไม่ใช้ ต้นแบบเสมือนจริงตั้งแต่แรกถ้ามันดีจริง และอะไรคือจุดสำคัญที่ตัดสินว่า ระบบต้นแบบเสมือนจริงสามารถนำมาใช้ได้จริง นี้คือวัตถุประสงค์หลักของการเขียนบทความนี้

ระบบ CAD/CAM/CAE แบบเดิม ๆ กับระบบ System - level Virtual Prototype
CAD/CAM/CAE ได้ถือกำหนดขึ้นในช่วง 1970 ถึง 1980 ซึ่งมุ่งเป้าไปที่คอนเซฟท์ "art-to part" หรือจากศิลปสู่ชิ้นงานซึ่งใกล้เคียงกับแนวโน้มที่วิศวกรจะต้องมีการพัฒนาการออกแบบและพัฒนาผลิตภัณฑ์จนถึงการการผลิตเพื่อคุณภาพของงานที่สูงขึ้น ระบบ CAD โดยเฉพาะระบบของ Solid Modeling จะทำให้ท่านสามารถสร้างและออกแบบชิ้นงานได้อย่างรวดเร็ว ระบบ Finite Element Software สามารถวิเคราะห์ผลกระทบต่าง ๆ ทางโครงสร้าง, การแลกเปลี่ยน, ความร้อน, แรงสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นบนชิ้นงานที่เราออกแบบ และระบบที่มีเป้าหมายจะปรับปรุงความสามารถในการผลิตก็คือ CAM ซึ่งสามารถทำให้เราควบคุมเครื่องจักรประเภท CNC, หุ่นยนต์อุตสาหกรรม อีกทั้งยังควบคุมการสร้างแม่พิมพ์กระบวนการ Stamping หรือการ Forging (ตีขึ้นรูป) ได้สมบูรณ์แบบยิ่งขึ้น

CAD/CAM/CAE ได้ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมที่เป็นหัวใจหลัก ๆ เช่น อุตสาหกรรมรถยนต์และชิ้นส่วน, อากาศยาน, เครื่องจักรกล และ อิเลคโทรแมคคานิค ซึ่งสามารถยกระดับในการออกแบบและการผลิตในแทบจะทุกชิ้นส่วน อย่างในอุตสาหกรรมทางด้านยานยนต์ เช่น มีการรายงานว่า ผู้ผลิตชิ้นส่วนสามารถลดของเสียได้ถึง 40% ภายใน 5 ปีที่นำเทคโนโลยีนี้มาพัฒนา จุดสำคัญหลังจากที่ประสบความสำเร็จในการพัฒนาระบบด้วย CAD/CAM/CAE คือ ต้นทุนในการพัฒนาผลิตภัณฑ์และการผลิตนั้นลดลง แต่โชคไม่ดีที่ในระหว่างที่ผู้ผลิตชิ้นส่วนประสบความสำเร็จในการลดของเสียถึง 40% ภายใน 5 ปี บริษัทที่เป็นผู้ผลิตระบบย่อย เช่นระบบเกียร์, คอนโซลภายใน อื่น ๆ ผู้ซึ่งนำชิ้นส่วนจากผู้ผลิตมาประกอบกันอีกครั้งเป็นระบบย่อย สามารถลดต้นทุนจากการรับประกันเพียง 20% เท่านั้น ซึ่งเป็นที่แปลกใจของบริษัทผู้ผลิตระบบยอ่ยที่หวังว่าเมื่อเปอร์เซ็นของเสียลดลงในการผลิตสามารถลดลงได้ถึง 40% ต้นทุนของการรับประกันชิ้นส่วนก็น่าจะลดลงในระดับที่ใกล้เคียงกัน

ชิ้นส่วนต่าง ๆ ที่ออกแบบอย่างเหมาะสมไม่นำไปสู่การออกแบบระบบย่อยที่ดีเสมอไป เมื่อเรานำระบบเบรคที่ดีมารวมกับช่วงล่างที่เยี่ยมยอดแล้วนำไปติดตั้งบนแชสซี ผลที่ได้อาจจะไม่เป็นระบบช่วงล่างที่ดีเลิศเสมอไป ที่เป็นเช่นนี้เพราะสิ่งที่สำคัญของคุณภาพโดยรวมของระบบที่ออกแบบมาจากรูปแบบของชิ้นส่วนในแต่ละชิ้นด้วยว่าทำงานได้ตามหน้าที่ที่ผู้ออกแบบตั้งใจให้เป็นหรือไม่ นั่นก็คือถ้าเราสามารถกำหนดขนาด ณ จุดสำคัญของการออกแบบที่ใช้ CAD/CAM/CAE กำหนดในส่วนของการออกแบบชิ้นส่วนแต่ละชิ้นมาเป็นการออกแบบในระดับของการออกแบบระบบรวมได้ ก็น่าจะสามารถที่พัฒนาประสิทธิภาพของภาพรวมในการออกแบบเพื่อลดต้นทุนได้มากขึ้น หรือเรียกสั้น ๆ ว่า System level


และที่ยี่งไปกว่านั้นผลตอบแทนจากการลงทุนเป็นที่ประจักษ์ชัดในวันนี้แล้วจากประสิทธิผลของการใช้คอมพิวเตอร์จำลอง (Simulation-base) ในขั้นตอนการออกแบบและใช้ต้นแบบเสมือนกับการออกแบบระบบรวม (System-level design) ผู้ผลิตในปัจจุบันพยายามพัฒนาต้นแบบของผลิตภัณฑ์ (Digital Make - Up) ให้สามารถสร้างได้รวดเร็วขึ้น อีกทั้งยังพัฒนาไปถึงการทดสอบหน้าที่การทำงาน (Function) ของระบบรวมที่ประกอบขึ้นสำเร็จ ไม่ใช่แต่ชิ้นงานเดี่ยว ๆ เท่านั้น บรรดาผู้ผลิตต่าง ๆ เริ่มที่จะตระหนักเมื่อ 2-3 ปีที่ผ่านมาในสิ่งต่าง ๆ ที่กล่าวไปแล้วนั้น เป็นเรื่องปกติที่บริษัทเหล่านี้เริ่มที่จะมองเทคโนโลยีที่มากกว่า CAD/CAM/CAE ที่ตนมีอยู่แต่การพัฒนาจากการออกแบบชิ้นส่วนย่อย ๆ ไปสู่การออกแบบระบบรวมโดยใช้ระบบ CAD/CAM/CAE เดิม ๆ นั้นอาจนำไปสู่ปัญหาหลายอย่าง เช่น วิศวกรพยายามเขียน CAD ของระบบที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนจำนวนมาก แถมด้วยการทำ Photo Rendering (ภาพเสมือนจริง) อีกต่างหาก สิ่งที่เกิดขึ้นคือ ระบบคอมพิวเตอร์จะช้าจนกระทั่งรับไม่ได้ ในทำนองเดียวกัน ถ้าวิศวกรหรือนักออกแบบพยายามที่จะใช้ FEA (Finite Element Analysis) มาวิเคราะห์ระบบที่มีชิ้นส่วนมาก ๆ แถมยังต้องใช้ Solver แบบ Non linear ในการจำลองการทำงานด้วยแล้วอาจจะต้องใช้เวลาเป็นสัปดาห์ทีเดียวเพื่อที่จะวิเคราะห์เหตุการที่เกิดขึ้นจริงเพียงเสี้ยววินาทีเท่านั้น