■テクニカルレポーター：マシュー・マクミリオン（Matthew McMillion）

■概要：

会社や顧客の設計やエンジニアリングのニーズに対して、CADシステムが必要かどうか迷っているのなら、ぜひ読んでみてください。CADシステムには様々な選択肢があり、一見すると高額な投資に見えますが、実は膨大な時間と労力、そして費用を節約できる素晴らしい選択なのです。この記事では、今日のCADシステムの概要、CADシステムで解決できる課題、そして3Dスキャンが検査からリバースエンジニアリングまで、CADワークフローをいかに強力に強化するかについて説明します。

はじめに

CADソフトが普及する以前は、設計のほとんどを手作業で行い、寸法や特性を紙に書き出していたことを考えると、気が遠くなるような思いがします。それが、CADソフトの登場で一変しました。しかし、1つのパッケージですべてのデザイナー、エンジニア、建築家のニーズを解決できるわけではありません。コンピュータ支援設計のニーズを正確に理解する最善の方法は、まず現在どのような選択肢があるのか、なぜあるソリューションと他のソリューションが必要なのか、そして3DスキャンというアドオンソリューションがいかにCADの成果を高め、数ヶ月、数年後に何倍もの対価を支払うことができるのかを知ることなのです。

なぜCADソフトを使うのか？誰がCADソフトを使うのか？

CADソフトを使うことで、設計やエンジニアリングのプロセスがどれだけ容易になるかは、いくら強調してもしきれません。コンセプトや設計の段階から、部品やアセンブリの解析、さらには製品の製造やパッケージングに至るまで。

また、寸法や形状の変更が、瞬時に設計全体に反映されることは、現代の設計ワークフローにおいて計り知れないメリットとなります。紙と鉛筆の2Dデザインでは不可能なことです。

サブミリメーターレベルの高精度

今日のコンピュータ支援設計ソリューションは、数ミクロン単位の公差で実世界を正確に表現するモデルを作成する力を備えています。製図や2D図面とは異なり、CADソフトを使えば、ゼロからデザインを描き直したり、特定の角度から新しいレイアウトを作ったりする無駄な時間がなくなります。

3Dの場合、6面体のレイアウトに縛られることはありません。何百ものアングルから、好きな倍率を選ぶことができます。

デザインするものは、たいていの場合、1つだけの製品になることはないでしょう。このような場合、コンピュータ支援設計ソフトウェアが威力を発揮し、何度も繰り返し使用する部品のテンプレートやライブラリを簡単に構築することができます。また、自社で設計した電子部品やファスナーなどのカスタムパーツやアクセサリー、市販の部品も利用することができます。

これらはすべて、必要に応じてドラッグ＆ドロップで設計に取り込むことができます。これにより、将来の設計ワークフローがより簡単かつ迅速になり、設計を実現するために必要な時間と労力が劇的に削減されます。

CADモデルを最大限に活用する

CADモデルを作成すると、単に製造するだけでなく、さまざまな使い方が考えられます。例えば、様々な種類の試作品を素早く作りたい、あるいはオリジナルを縮小して、部品や機能を追加したい、と考えてみましょう。

既存のCADモデルから設計を始めることで、作業の基礎が固まるだけでなく、プロトタイピングのワークフローを数日、あるいは数週間短縮することができます。

FEA、CFD、そしてその先へ

また、FEA（有限要素解析）やCFD（数値流体力学）試験などのシミュレーションを行うことも可能です。CADで作成したモデルをこれらのシステムに取り込むことで、航空宇宙や自動車部品などの解析や改良に不可欠な応力・疲労解析試験を実施することができます。

CADモデルをCFDシステムにインポートすることで、モータースポーツ、航空、海洋産業など、多くのクライアントにとって設計プロセスの重要な段階である空力／流体力学試験を実施できるようになります。

効果的なパッケージデザイン

また、CADで作成したモデルは、出荷時やディスプレイ用のカスタムパッケージの作成にも利用できます。製品の正確な寸法のCADモデルがあれば、特に壊れやすく衝撃に弱い製品を保護するために、ダンボール、発泡スチロール、マイクロフォームを媒体として、緩衝材となる内包物を簡単に製作することができます。

また、保護目的だけでなく、CADによる正確な包装は、スペースの最適化、総重量の削減を可能にし、数百、数千の製品を長期にわたって生産、出荷する際の重要な要素となります。

数分で完璧な検査が可能

今日、CADの最も強力な用途の1つは、品質検査です。特に3Dスキャンと組み合わせた場合、コンピュータ支援設計ソフトウェアは、組立ライン、搬入口、納品時、現場など、QA/QIの一連の流れの中で最も重要なステップで非常に役立つツールになり得るのです。

その仕組みは簡単で、3Dスキャナを使って対象物や部品を測定し、そのスキャンデータを元のCADモデルと比較することで、許容範囲外の偏差を特定することができます。

手作業で部品を測定し、それを比較することは可能ですが、幾何学的に基本的な形状を扱うのでなければ、測定にはどうしても誤差が生じます。例えば、測定対象物がカーブしていたり、凹んでいたり、エッジが薄かったり、ましてや柔らかくて変形しやすい素材でできている場合です。

CAD＋3Dスキャニングの活用＝最大限の検査範囲と最短時間の実現

3Dスキャンでは、対象物に触れることなく、1秒間に数百万点を測定することができます。これは、部品が故障したときに、材料試験やその他の故障解析シミュレーションを行う必要がある場合に、より重要なことです。

もちろん、サブミリメートル単位であらゆる表面をとらえる必要があります。このような場合、3Dスキャンは、手作業による測定に比べ、ほんのわずかな時間で成功するためのチケットとなります。さらに、最新の3Dスキャンソリューションは、あらゆるタイプのハンドヘルドモデルがあり、ケーブルや追加のノートパソコンがなくても、完全に持ち運びが可能です。

ワークフローがスピードと使いやすさに依存している場合、スキャンCADソリューションが最適な場合があります。この点については、後のセクションで詳しく説明します。このようなシステムであれば、どんなに複雑なものでも数分でスキャンし、CADモデルと綿密に比較することができます。もちろん、スキャンCADソリューションがリバースエンジニアリングの可能性を提供することは言うまでもありません。

CADの実戦的な活用法

前述したように、CADソフトを使う以前は、世界中のエンジニアが紙とペンで設計を行っていた。定規や分度器などの製図道具を使って、一本一本丁寧に線や曲線などの形状を描いていたのだ。パイプの圧力、電線の電圧、翼の空気力学的な力などの計算も、すべて手作業で行われていた。つまり、人為的なミスが許されないのです。

デジタルが紙を凌駕する理由

また、これらの技術図は、破損や破壊の恐れがあり、保管や運搬が面倒であることは言うまでもありません。しかし、CADソフトがそれを変えてくれた。設計図は、もはや一枚の紙や二次元にさえも制限されず、地球の反対側で働く同僚と一緒に見たり編集したりすることができるのです。

デジタルCADモデルは、ほぼすべての面で優れています。例えば、物理的なCAD設計やオブジェクト自体が存在しなくなった場合、将来の使用のために安全に保管する必要があります。正確なCADモデルがあれば、ほとんどすべての部品やアセンブリを生き返らせることができます。

CADソフトのアプリケーション一覧

技術図面

技術者が技術図を作成するのは、部品やコンポーネント、機械の正確な仕様を確定し、対象物の製造や継続的な開発に使用するためである。航空宇宙部品、医療機器、機械部品など、さまざまなものがある。

建物平面図

建築業界では一般的に「設計図」と呼ばれ、建物をどのように設計するか、どのような材料を使うか、階段や窓、流し台、ドアなどの具体的な位置はどこかなどを詳細に記述しています。現在では、CADソフトを使うことで、この作業を迅速かつ容易に行うことができます。

電気回路図

今日、最高のコンピュータ支援設計パッケージは、回路基板設計を含む電気回路図の作成ツールセットを提供しています。従来は手作業で何日もかかっていたものが、今では数時間で完成し、必要に応じてテンプレートを再利用して、広く同僚と共有することができます。

HVACダイアグラム

住宅やその他の建築物の総合的な暖房および換気システムを設計することは、いくつかの主要なCADシステムで提供されている人気の機能です。これらのシステムでは、床面積、外気、断熱、部屋のタイプなどの要素に基づいて、設計に必要な特定の条件を計算するための複数のテンプレートとツールセットが標準装備されています。

サイトプラン

建物の壁を越えて、住宅や商業施設の敷地全体をCADで正確に設計・計算することができます。これは、単なる敷地調査の域をはるかに超えたものです。CADでは、景観エリア、プール、庭園、車道、樹木、歩道など、さまざまな機能を作成することができます。

古いものと新しいもの：パラメトリックモデリングとダイレクトモデリング

市場で最も人気のあるCADプログラムには、パラメトリックとダイレクトの2つの主要なモデリングパラダイムが存在します。それぞれについて簡単に説明しましょう。

パラメトリックモデリング

1987年から使われており、CADのモデリングといえば、通常これを思い浮かべる。パラメトリックモデリングでは、2次元のスケッチから3次元のフィーチャーを作成し、3次元のジオメトリをひとつひとつ構築していきます。

その過程で、必要な機能や制約を慎重に追加していきます。そのため、パラメトリックモデリングでは、特にモデルのフィーチャーセットが数百以上になると、綿密な計画が必要になります。

このような履歴ベースのモデリングが、パラメトリックモデリングともう一つの主要な手法であるダイレクトモデリングとの大きな違いです。パラメトリックモデリングでは、モデルに与えた機能を、与えた順番にソフトウェアが記憶していきます。

このように、パラメトリックモデリングは、コンピュータのプログラムのように、連続した命令が存在し、新しい機能を追加したり、既存の機能を変更したりするたびに、モデルのあらゆる側面に影響を及ぼします。

パラメトリック・モデリングは非常に強力ですが、いくつかの弱点があります。まず、学習曲線が非常に急で、習熟するまでに数ヶ月から数年の経験を必要とします。既存のユーザーにとっては問題ありませんが、新しいエンジニアにとっては、この分野に精通するまでに大変な上り坂が待ち受けているのです。

しかし、パラメトリックモデリングの最大の難関は、履歴ベースのアプローチです。モデルの構築方法を正確に理解し、制約や仕様をすべて考慮して慎重に開発しない限り、計画に支障を来す可能性があります。

ダイレクトモデリング

ダイレクトモデリングは、CAD設計市場の中では比較的新しい存在ですが、パラメトリックモデリングと比較して最も魅力的であることは間違いなく、今日の若いエンジニアがよく選択する方法です。

このアプローチでは、パラメトリックモデリングのようにフィーチャーの寸法やスケッチを編集するのではなく、モデルの実際の面を動かしてモデルを構築・編集する見たまんま（WYSIWYGET）の環境で作業することになるのです。

その結果、ダイレクトモデリングはラピッドプロトタイピングやデザインワークを得意とし、特に工業デザインにおいては、豊富なデザイン履歴を考慮することなく、変化する要件や仕様にワークフローを適応させることが必要となります。

ダイレクトモデリングの支持者の多くは、この点がパラメトリックモデリングとは異なるワークフローであると強く信じています。なぜなら、ダイレクトモデリングでは、修正や新機能の追加といった変更を行う際に、パラメトリックモデリングとは異なり、何かを破壊する危険性がないため、その変更が大きな混乱を招く可能性があるからです。

それぞれの長所と短所

しかし、どちらの手法にも長所と短所があり、現在主流のCADシステムのほとんどは、パラメトリックとダイレクトのツールセットをいくつか組み合わせたものを提供しています。例えば、いくつかのパッケージは直接編集ツールを提供していますが、フィーチャーはモデルの履歴ツリーで作成されるため、これらを「純粋な」ダイレクトモデリングシステムと見なすことはできません。

最終的には、ユーザーとして様々なプログラムを検討し、何が最も理想的かを自分で決めることになります。

ベテランのCADユーザーは、すでに膨大な時間とエネルギーを費やしてきたパラメトリック・モデリングにこだわるかもしれませんし、新人エンジニアは、会社や状況によってそうでなければならない場合を除き、ダイレクトモデリングを真剣に検討すべきです。

まとめ

市場には数多くの選択肢があるため、適切なCADまたはスキャンCADソフトウェアを選択することは、何週間もかけて検討・調査する必要があるように思われるかもしれません。しかし、上記のように、ほとんどの選択肢はいくつかの明確なカテゴリに分類されており、適切なソリューションを特定し選択する際の「霧の要素」を大幅に軽減することができます。

この概要と、様々なCADソフトやスキャンCADソフトの価格、機能、その他の特徴を説明したこの記事を読み、どのソリューションが自分のニーズに合っているかを確認した後、対面デモやWebデモを行い、さらに購入を検討する製品を絞り込む準備ができるはずです。