EDESFEM
電着塗装の付きまわりシミュレーション専用
数値解析ソフトウェア

P. 1

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

電着塗装とは？
+−＋＋

Paint

Cathodehttp://n-link.nissan.co.jp/◼ 塗料溶液中に全没させた車体に直流電流を流し，車体表面に塗膜を析出させる塗装法．
◼ 自動車車体を含む様々な金属製品を腐食から保護するための防食用下塗り工程として幅広く利用されている．
◼ 複雑形状を持つ車体でも比較的均一な成膜が可能．
P. 2

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

電着塗装の重要性

https://wd40.pk/◼ 車体の安全性/健全性に関する検査（実車衝突試験など）は，通例，腐食のない新車でのみ実施される．
◼ しかし，現実には腐食が進むと新車の時と比べて強度や剛性が著しく低下してしまう．
◼ すなわち，腐食により新車で評価した車体の安全性/健全性は簡単に陳腐化する．

∴電着塗装は自動車の安全性/健全性にとって極めて重要．
P. 3

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

電着工程の車体設計への影響

https://www.goauto.ca/◼ 車体足回りは厳しい腐食環境に晒される．
（海水や融雪剤のある環境では一段と厳しい．）◼ 従って，足回り部品では全面に渡って最低限の厚さの塗膜が成膜されることを保証する必要がある．
◼ サイドシル等は合わせ部を持つ複雑な袋状構造であるため，その内部に塗膜を析出させるには電着時に電流の通り道となる「電着穴」を多数空ける必要がある．
∴電着穴の位置とサイズを含め，車体設計には電着工程の理解と考慮が不可欠．
P. 4

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

電着塗装シミュレーションの必要性◼ 電着穴は防食にとっては必要不可欠である一方，強度/剛性にとっては迷惑な存在．
◼ よって，車体設計の現場では次の様な争いが起こり得る．

電着穴を増やせ！

電着穴を減らせ！

防食設計担当者

強度/剛性設計担当者

電着塗装シミュレーションを行えば，この様な争いが後腐れなく解決され，車体の最適設計に繋がります．
◼ その他，電着条件変更による膜厚変化の事前検討，付きまわり不良の原因究明と短期改善などに対しても，電着塗装シミュレーションは勿論有効です．
P. 5

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

電着塗装シミュレーションとは？
実ラインシミュレーション

電着槽

移動する 電極車体

1. 電着槽2. 移動する車体
3. 電極
をコンピュータ内に再現する方法．

全長 約30 m
P. 6

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

電着塗装シミュレーションとは？

◼ 支配方程式：塗料領域における静電場のラプラス方程式 (𝜵𝟐 𝝓 = 𝟎) ．
◼ 境界条件：◼ 結果出力：1.
2.
3.

壁(絶縁)境界，アノード(電極表面)境界，カソード(車体表面)境界：
塗膜抵抗/成長の構成則モデル ← ラボ実験で同定
P. 7

•
•

表面電位，電流密度，•

膜厚 などの時刻歴→ 最終膜厚分布の予測が主目的

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

EDESFEMの４特徴

P. 8

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

特徴１：４節点四面体メッシュでも高精度有限要素定式化に平滑化有限要素法(S-FEM)を採用（業界初）◼ 平滑化有限要素法(S-FEM)は次世代の有限要素法として近年活用が進んでいる．
◼ EDESFEMでは４節点四面体メッシュの各エッジにガウス点を配置するエッジベースのS-FEM(ES-FEM-T4)を採用．
簡単のため２次元で表示

標準FEM

ES-FEM

ガウス点を各要素中心に配置

ガウス点を各エッジ中心に配置◼ ４節点四面体メッシュにも関わらず，２次要素と同等のメッシュ収束速度が得られる．
◼ 電着穴周辺など，２次要素やカーテシアン系のメッシュでは要素数が過剰に増えてしまう場所でも，４節点四面体メッシュなら必要最小限の要素数で計算が可能．
P. 9

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

特徴２：複数台の槽内移動解析に対応
オーバーセットメッシュ法により，複数台の槽内移動解析が可能

車体周辺メッシュのアクティブ要素

非アクティブ要素

水面

電着槽メッシュのアクティブ要素◼ ユーザーは電着槽メッシュおよび車体周辺メッシュ（車種数分）を用意し，各車体の移動パターンを入力するだけ．
◼ 多点拘束(MPC)により，EDESFEM内部でメッシュ同士が界面で自動的に結合される．
P. 10

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

特徴３：並列計算による高速化が可能
MPI/OpenMPハイブリッド並列により，種々のHPC環境に対応◼ EDESFEMは多ノード/マルチコアCPUのHPC環境で計算を実行できる．
◼ 解析手順：
1.
2.

電着槽メッシュと車体周辺メッシュを４節点四面体で作成する．
METISを使用し，各メッシュのパーティショニングとリオーダリングを行う．

パーティショニングされた電着槽メッシュ

パーティショニングされた車体周辺メッシュ

3.
4.

メッシュファイル名，境界条件，移動パターン等が記載された入力ファイルを用意する．
解析を実行する．OpenMPIを用いるLinux環境での実行コマンド例は次の通り．
orterun –np 64 -bind-to socket -npersocket 1-x OMP_NUM_THREADS=8 -x numactl -l edesfem.bin input_file_name.ied
P. 11

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

特徴４：内板の析出遅れを忠実に再現
詳細な電着ラボ実験に基づく最新の電着数理モデルを搭載◼ 電着塗装では電着穴内部の内板の膜厚が重要．
◼ 内板の析出挙動を数理モデルに落とし込むには詳細なラボ実験が不可欠．

一枚板実験

４枚ボックス実験

回流槽実験◼ EDESFEMには最新の実験的知見から得られた電着数理モデルが実装されている．
◼ 非物理的な「合わせ込み」作業の削減に貢献．
P. 12

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

EDESFEM
検証解析例１
４枚ボックス解析

P. 13

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

４枚ボックス解析
概要⚫ ４枚の板で３つの袋を構成．
⚫ ３つ目の袋部に塗膜が析出し辛い．

膜厚時刻歴
４枚ボックスの写真◼ サイドシルの様な袋状構造をラボで再現．
◼ 最奥面（Face G)の膜厚が重要．
◼ 密度の異なる４種類のメッシュを用意し，標準FEM(FEM-T4)とEDESFEM(ES-FEM-T4)で精度を比較．
P. 14

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

４枚ボックス解析
４種類のメッシュ表面メッシュのみを表示

3.2 mmメッシュ(要素数：約3万)

1.6 mmメッシュ(要素数：約7万)

0.8 mmメッシュ(要素数：約17万)

0.4 mmメッシュ(要素数：約72万)
P. 15

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

４枚ボックス解析
最奥面の膜厚時刻歴

メッシュサイズ

標準FEMの解析結果（破線）は誤差が大きい．
他方，EDESFEM(ES-FEM)の解析結果（実線）はほぼ誤差が無く，メッシュ収束速度が極めて速いことが分かる．
P. 16

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

４枚ボックス解析

In Final thickness

最奥面の膜厚のメッシュ収束速度比較

最も細かいメッシュ(0.4 mm)を用いた
ES-FEMの解析結果を参照解とした．

◼ 標準FEMのメッシュ収束速度は１次．
◼ EDESFEM(ES-FEM)のメッシュ収束速度は２次．
EDESFEMが採用するES-FEM-T4は標準FEMよりも遥かにメッシュ収束速度が速い．
P. 17

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

４枚ボックス解析
計算時間比較
メッシュサイズ3.2 mm
1.6 mm
0.8 mm
0.4 mmPC（Intel i9-9960X）で1個のCPU（16コア）を使用
標準FEM
EDESFEM(FEM-T4)(ES-FEM-T4)
7s
10 s
8s
12 s
41 s

14 s
26 s
125 s

◼ メッシュが同じなら，EDESFEMは標準FEMより約2～3倍遅い．
◼ 精度が同じなら，EDESFEMは標準FEMより約4倍速い．
EDESFEMが採用するES-FEM-T4は標準FEMよりも遥かに効率的である．
P. 18

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

EDESFEM
検証解析例２実ライン解析

P. 19

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン解析概要◼ 電着槽および車体の右半分のみを考慮した面対称の解析．
◼ 槽・車体・電極の形状および車体の移動を全て再現．
◼ 300秒間の現象を約1000時間ステップで解析（平均時間増分Δ𝑡 = 0.3秒）．
◼ 密度の異なる３種類のメッシュを用意し，標準FEM(FEM-T4)とEDESFEM(ES-FEM-T4)で精度を比較．
P. 20

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン解析
10M要素の車体周辺メッシュ
車体表面メッシュのみを表示◼ 鋼板間の狭い隙間に多数の電着穴があることが確認できる．
P. 21

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン解析
16M要素の車体周辺メッシュ
車体表面メッシュのみを表示◼ 鋼板間の狭い隙間に多数の電着穴があることが確認できる．
P. 22

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン解析
51M要素の車体周辺メッシュ
車体表面メッシュのみを表示◼ 鋼板間の狭い隙間に多数の電着穴があることが確認できる．
P. 23

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン解析
表面電位分布のアニメーション（51M要素EDESFEMの解析結果）
Outer View

Inner View

P. 24

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン解析
電流密度分布のアニメーション（51M要素EDESFEMの解析結果）
Outer View

Inner View

P. 25

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン解析
膜厚分布のアニメーション（51M要素EDESFEMの解析結果）
Outer View

Inner View

P. 26

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン解析サイドシル内の最終膜厚分布（51M要素の場合）
EDESFEM (ES-FEM-T4)

標準FEM (FEM-T4)

参照解

標準FEMの解はやや厚い．
(サイドシル中央のコンター色が黄色）

この解を参照解とする．
(サイドシル中央のコンター色が緑色）
P. 27

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン解析サイドシル内の最終膜厚分布（16M要素の場合）
EDESFEM (ES-FEM-T4)

標準FEM (FEM-T4)

参照解

標準FEMの解はかなり厚い．
(サイドシル中央のコンター色が橙色）

EDESFEMの解は高精度．
(サイドシル中央のコンター色が緑色）
P. 28

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン解析サイドシル内の最終膜厚分布（10M要素の場合）
EDESFEM (ES-FEM-T4)

標準FEM (FEM-T4)

丸印のサンプル点で膜厚時刻歴をグラフで比較する．

参照解

標準FEMの解は異常に厚い．
(サイドシル中央のコンター色が赤色）

EDESFEMの解はやや厚い．
(サイドシル中央のコンター色が黄色）
P. 29

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン解析サイドシル内サンプル点における膜厚時刻歴比較⚫ 標準FEM(51M要素) と EDESFEM(10M要素) が同等精度．
⚫ EDESFEM(16M要素) は実用上充分な精度でメッシュ収束している．
P. 30

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン解析
計算時間比較
東工大TSUBAME3.0（Intel Xeon E5-2680 v4）で64個のCPU（計896コア）を使用
標準FEM
EDESFEM
要素数(FEM-T4)(ES-FEM-T4)
10M
1.6 h
1.9 h
単独入槽の実ライン解析なら16M
2.3 h
3.4 h
数時間で完了する．
51M
6.0 h
8.5 h
◼ メッシュが同じなら，EDESFEMは標準FEMより約1.5倍遅い．
◼ 精度が同じなら，EDESFEMは標準FEMより約3倍速い．
並列計算を行う実ライン解析においてもEDESFEMが採用するES-FEM-T4は標準FEMより遥かに効率的である．
P. 31

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン解析
強スケーリングテスト（10M要素の場合）
東工大TSUBAME3.0（Intel Xeon E5-2680 v4）で64個のCPU（計896コア）を使用

EDESFEMは少なくとも64CPUまで相当程度スケールしている．
P. 32

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

EDESFEM
妥当性確認例１
４枚ボックス実験/解析

P. 33

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

４枚ボックス実験/解析
実験の概要
鋼板

ボックス

実験全体

スペーサー

恒温水槽

スペーサー

丸缶
(アノード)

スペーサー

塗料

ボックスの外観
P. 34

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

４枚ボックス実験/解析
表面電位時刻歴(左)と電流密度時刻歴(右)の妥当性確認

実用的な精度で一致している．
P. 35

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

４枚ボックス実験/解析
膜厚時刻歴の妥当性確認.

最奥面(G面)の精度に課題（最大誤差3 μm）が残るものの，その他は概ね実用的な精度（誤差2 μm以内）で一致している．
P. 36

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

EDESFEM
妥当性確認例２
実ライン測定/解析

P. 37

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン測定/解析概要■６箇所の測定点
Ch.7：Back Door●

Ch.4：Roof
Ch.2：Hood

●

●

●
●

【測定】
Ch.3：Side Door
Ch.5：Side Sill
◼ 実ラインを流れる実車に車体表面電位測定装置を搭載し，Ch.6：Floor
車体表面の６箇所の測定プローブを配置して電着を実施．
は見えない位置◼ 焼付後，同６箇所の膜厚を測定．
【解析】◼ 電着槽および車体の右半分のみを考慮した面対称の解析．
◼ 槽・車体・電極の形状および車体の移動を全て再現．
６箇所の測定点における表面電位時刻歴および最終膜厚を比較
P. 38

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン測定/解析
表面電位時刻歴の妥当性確認(Ch. 2, 3)隔膜電極の劣化を解析で完全には模擬できていないため表面電位がやや高めに計算されているものの，概ね実用的な精度で一致している．
P. 39

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン測定/解析
表面電位時刻歴の妥当性確認(Ch. 4, 5)隔膜電極の劣化を解析で完全には模擬できていないため表面電位がやや高めに計算されているものの，概ね実用的な精度で一致している．
P. 40

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン測定/解析
表面電位時刻歴の妥当性確認(Ch. 6, 7)

内板であるフロアでの析出遅れを高精度に再現出来ている．

隔膜電極の劣化を解析で完全には模擬できていないため表面電位がやや高めに計算されているものの，概ね実用的な精度で一致している．
P. 41

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

実ライン測定/解析
最終膜厚の妥当性確認
場所

実測値
(𝛍𝐦)

EDESFEM
解析値(𝛍𝐦)

誤差(𝛍𝐦)

Ch.2: Hood

20.1

21.4+1.3 (+6.5%)

Ch.3: Side Door

19.0

21.0+2.0 (+10.5%)

Ch.4: Roof

17.0

19.3+2.3 +13.5%

Ch.5: Side Sill

20.021.6+1.6 (+8.0%)

Ch.6: Floor

−

14.5

−

Ch.7: Back Door

23.0

20.3

−2.7 (−11.7%)

精度にまだ改善の余地があるものの，膜厚の最大誤差は3 μm未満であり，実用に耐えうる実ライン予測精度を有している．
P. 42

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

EDESFEM
まとめ

P. 43

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

まとめ◼ 電着塗装シミュレータ「EDESFEM」 の販売を開始した．
◼ 本ソフトの４特徴を紹介した．
1. ４節点四面体メッシュでも高精度
検索 edesfem
2. 複数台の槽内移動解析に対応
3. 並列計算による高速化が可能
4. 内板の析出遅れを忠実に再現◼ ４枚ボックスおよび実ラインに対するV&V事例を紹介した．
EDESFEMの試用や購入のお申し込み・ご質問等は下記メールアドレスまでお気軽にお問い合わせください．
電着ラボ実験や実ライン測定に関するご相談も歓迎いたします．

edesfem@rccm.co.jp
P. 44

電着塗装シミュレータ「EDESFEM」製品紹介

リーフレットも配布中