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3D CADの基礎知識

3D CADの基礎知識

著者:D2FORM 代表 榎本 実

近年、製品や部品を設計し製造するための道具として、CADシステムが活用されています。そのCADには、2D CADと3D CADがあります。この2つは仕組みが異なるため、道具としての使い方も異なります。3D CAD特有の仕組みを理解すると、それぞれの活用方法が見えてきます。本連載では全7回にわたり、3D CADを理解するための基礎知識を紹介していきます。第1回は、3D CADの特徴を紹介します。

第1回:3D CADとは

1. 3D CADとは

CAD(Computer Aided Design)の最も基本的な役割は、形状を含む設計内容をデジタルデータとして表現し、設計データの作成・変更・再利用を容易にすることです。このとき、形状データの表現方法の違いが2次元(2D)と3次元(3D)です。実際の製品は、3次元の立体です。2次元データは、3次元の立体を製図規則によって投影図で表現したものです。一方、3次元データは、現実の立体をそのままコンピュータ内に表現したものです。この違いは、コンピュータにとっても、利用者にとっても大きな違いであり、2D CADや製図に慣れた技術者にとって、3D CADを理解しにくいものにしています。

・3次元とは

3次元(3D:Three Dimensional)の次元は、形状を表現するための座標の数です。1次元は座標軸が1つ、座標上の点は一直線上に限られます。2次元(2D)は、座標軸が直行する2軸、つまり平面上の位置です(図1)。グラフなどで目にするxy座標と同じです。

図1:3次元とは

図1:3次元とは

3次元(3D)は座標軸が直行する3軸で、現実世界と同じ立体空間を表現できます。3次元空間上に部品を置いたとき、位置と向きを設定します。向きは、3つの座標軸にそれぞれ回転角度があり、6軸または6自由度といいます。これは物体の運動や部品の配置などでは必要になります。ただし、座標軸としてはxyzの3つなので、6次元とはいいません。

・3D CADの歴史

3D CADは、設計・製造上の要求から発展し、普及してきました。3D CADの発展を振り返り、3D CADの役割や現在の状況を把握しましょう。3D CADの歴史の中で、初期に台頭したのがサーフェスCADです。サーフェスは外観を面として表します。その後、サーフェスの中身の情報も表せるソリッドが登場し、現在の3D CADの主流はソリッドCADです。

サーフェスCADの発展
1970年代、主に航空機メーカーや船舶メーカーがコンピュータを利用した設計・製造システムを盛んに開発しており、これが汎用的なCADにつながっていきます。

1980年代は、自動車メーカーが本格的に3D CADの開発と活用を進めました。典型は自動車のボディを設計・製造する工程です。その形状は自由曲面で構成されます。そして、ボディパネルの量産にはプレス金型(図2)を使用します。2D図面は、利用が難しいため、マスタモデルと呼ばれる実物大の原形を図面代わりに用意して、金型や検査冶具を製作していました。ここに3D CADを導入することにより大幅な効率化ができました。

図2:プレス部品と金型の例

図2:プレス部品と金型の例

そこで、自動車メーカーの多くは3D CADを自社で開発して使用しました。これを、社外に販売するようになり、一般企業への3D CADの普及が始まりました。このような経緯から、当時の3D CADは曲面形状の作成と曲面加工に適したサーフェスCADで、現在のようなソリッドモデルは扱えませんでした。

1990年代には、サーフェスCADを自社開発していた自動車メーカーが、市販のサーフェスCADをベースに開発する体制への移行が始まりました。この市販サーフェスCADとは、古くから3D CADを開発してきた航空機メーカーをルーツに持つ3D CAD(現在のCATIA、NX)です。

2000年代になると、サーフェスCADもソリッドモデルを扱えるようになります。これにより、曲面形状とともに機構・構造を含めた製品設計にも活用されるようになります。こうして発展してきた3D CADは、自由曲面に強く、自動車産業の関連企業に多く採用されるようになりました。

ソリッドCADの登場
1990年代前半、曲面を扱う分野ではサーフェスCADの普及が進んでいました。しかし肉厚の部品形状の設計や機構・構造の設計など、一般的な機械設計には使いにくいものでした。そこに、ソリッドモデルを扱う画期的な3D CAD(Pro/Engineer、現在のCreo)が登場しました。この新しいソリッドCADの特長は、フィーチャーと呼ばれる立体形状の作成を簡単に行える仕組みを持ち、形状の大きさは寸法変数(パラメータ)として簡単に変更できる点でした。フィーチャー・パラメトリック型ソリッドモデラーとも呼ばれました。これによって、分野を問わず機械設計を実用的に行えるようになり、家電メーカーでの製品設計や自動車メーカーでのパワートレイン系の設計に用いられ始めました。図3はソリッドCADでリモコンのケースを設計した例です。

図3:ソリッドモデルと試作品

図3:ソリッドモデルと試作品

ソリッドCADは全く新しい設計ツールでした。2D CADで問題なく業務が進んでいる分野が多く、3D CADを導入すればすぐ簡単に成果を上げられるものではありませんでした。そこで、ソリッドCADの利用技術(組立製品の設計手法)が盛んに開発されました。

1990年代後半、3D CADはワークステーション上で動作していました。そこに、PC上で動作する比較的安価なソリッドCAD(SolidWorks、SolidEdgeが代表的)が登場します。これも、ソリッドCADの普及を後押ししました。また、積層造形装置(現在3Dプリンタとしてよく知られています)による高速試作(Rapid Prototyping)もソリッドモデルとの相性が良く、設計検証の手段として普及が始まりました。ソリッドCADは、機構・構造を含む製品設計を重視する家電メーカーとその関連企業に多く採用されています。

現在の3D CAD
2000年代以降は、サーフェスCADとソリッドCADの区別はなくなり、3D CADの主流はソリッドCAD(フィーチャー・パラメトリック型ソリッドモデラー)となって現在に至ります。

3D CADの歴史を振り返ると、まず曲面形状設計・加工分野でサーフェスCADが発展しました。しかし、サーフェスCADは用途、使い方が限られており、そこに登場したのが一般的な製品設計に使えるソリッドCADでした。ソリッドCADの対象分野は広く、使い方もさまざまです。

・3D CADの基礎用語

ここまでにも、3D CADに関する用語が幾つか出てきました。ここで主要な基礎用語を確認しておきましょう。3D CADの製品によって、呼び方には違いがあるので、どのようなキーワードがあるのかを参考にしてください。正式な用語はJIS B 3401 CAD製図にあります。ここでは実際によく目にする名称を中心に紹介します。

表1:3D CADの基礎用語
分類名称内容
全般モデルCAD内に表現された形状
ソリッドモデル材料側(内側)と外側を識別できるデータ構造を持つ3Dモデル
ソリッドモデラーソリッドモデルを扱える3D CAD。ソリッドCAD
サーフェスモデル平面・曲面で表現される3D形状
ワイヤモデル立体の稜線を線要素で表現される3D形状。ワイヤフレームともいう
頂点、コーナーソリッドやサーフェスの角部先端
稜線、エッジソリッドやサーフェスの折り目。サーフェスの端の線
面、サーフェス平面や曲面の形状要素。厚さはない(厚さ0)
ボディソリッド。複数のソリッドが存在する時の呼び方
CAMMはManufacturing。NC工作機械のプログラムを作成するシステム
CAEEはEngineering。強度解析や流動解析や熱解析の工学計算システム
表示シェーディング表示ソリッドやサーフェスの表面に光源による濃淡を付けた画面表示
隠線表示隠れた稜線を隠れ線で描画した画面表示
ワイヤ表示全ての稜線を線描画した画面表示
モデリングフィーチャー形状特徴。ソリッドCADでの形状の単位。押出、フィレットなど
スケッチ2D断面形状。スケッチ要素やスケッチ環境など、広い意味も含む
スケッチ面3D空間の中にスケッチ(2D形状)を作成するために指定した平面
輪郭形状、
プロファイル
2D断面形状。押し出される領域など、スケッチに比べて狭い意味
パラメトリック寸法を変数で保持し、変数で形状をコントロールする仕組み。寸法を変更すると形状が追従する
寸法拘束形状の位置やサイズをコントロールする寸法要素
幾何拘束形状の姿勢をコントロールする幾何的な要素。鉛直や平行など
集合演算数のソリッド間で、形状の和・差・積の演算を行って結果を得る処理。ブーリアン演算
履歴フィーチャーやスケッチなどの設定や構築順を記録・管理する仕組み
補助要素基準要素CADの座標系で原点に関する参照要素。原点、基準軸、基準平面
参照要素参照平面、参照軸、参照点。モデリングの基準などとして使う
参照平面スケッチ面の指定などに多用する補助的な平面。無限平面

2. 2D CADと3D CADの違い

2D CADは製図をデジタル化したものであり、設計手法などは2D CAD登場以前のドラフターによる手書き製図と何ら変わりません。手書き製図から2D CAD製図に移行する時、設計手法に関してほとんど変更する必要がありませんでした。

一方、3D CADは、設計・製造工程のデジタル化を目的に使用されます。その仕組みも、利用方針も、2D CADの延長線上にありません。製品をどのようにモデリングすべきかどうかは、どの工程でどのように活用するのかによります。例えば、コイルばねは、円柱形状で十分かもしれないし、ソリッドにする必要すらない場合もあります。

3. 3D CADのメリット

3D CADを利用するメリットの象徴は、設計・製造工程をデジタル化して効率化したことによる納期短縮と品質の向上です。納期短縮の考え方は、製造に関わる各種工程(解析・加工・組立・保守)を3D CADによる設計段階で作り込むことです。各工程が設計工程から並行して進行しているとことから、コンカレントエンジニアリングといわれます。具体的なメリットは、次のようなものが挙げられます。

設計上の利点

・設計検討スピードの向上
・空間の把握(干渉・隙間)が的確にできる
・設計ミスの大幅な減少
・投影図の読み書きのミスが発生しない(2D CAD製図と比べて)
・デザインレビューが迅速・的確に進む

3Dデータの利用

・3D CADの図面機能で、製作図作成が迅速化し作図ミスが減少する
・加工データに利用できる(加工部門で3D化する必要がなくなる)
・マニュアルの文書に、見取り図(等角図)で示せる

ただし、留意点もあります。
・3D CADの習得に多少の時間がかかる
・3Dモデリングに、予想外の時間がかかることがある
・2D設計から3D設計への移行に、組織としての計画が必要

3D CADは、どのように使えばメリットを最大化できるかという観点で活用することが大切です。設計の工程だけでも3D CADのメリットは大きく、後工程でも3Dデータを活用できると、さらに多くのメリットが生まれます。

いかがでしたか? 3D CADの成り立ちを踏まえて、3D CADの概要と特徴を紹介しました。次回は、モデリング手法のフィーチャーや、ソリッド・サーフェス・ワイヤなど、具体的な3D CADの仕組みを紹介します。お楽しみに!

 

第2回:フィーチャーとは

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前回は、3D CADの特徴や、使用上のメリットを紹介しました。今回から、3D CADの具体的な仕組みを紹介します。今回は、ソリッド作成の基本となるフィーチャーを取り上げます。なお、3D CADはソリッドモデリング、サーフェスモデリングのどちらにも対応しています。本記事では、特に断りのない限り、ソリッドモデリングに焦点を当てて説明します。

1. フィーチャーとは?

フィーチャー(Feature:形状特徴)は、ソリッドCADで形状を作成する際の最小単位です。ソリッドCADでは、フィーチャーの設定に基づいてソリッド形状を作成します。従って、ソリッドモデリングとはフィーチャーの設定を定義することと考えることができます。フィーチャーの種類には、断面形状を押し出して立体形状を作成するスケッチ型フィーチャーと、既存の立体形状に対して面取りなどを行う編集型フィーチャーがあります(図1)。

図1:スケッチ型フィーチャーと編集型フィーチャー

図1:スケッチ型フィーチャーと編集型フィーチャー

2. スケッチ型フィーチャー

押出フィーチャーは、代表的なスケッチ型フィーチャーです。押出フィーチャーの設定内容は、大きくスケッチと押出設定に分けられます(図2)。

図2:押出フィーチャーの設定内容

図2:押出フィーチャーの設定内容

押出フィーチャーは、断面形状を押し出すことでフィーチャーを作成します。この一様断面の作図内容を、スケッチと呼びます。スケッチの特徴は、1:スケッチを作成する平面を指定する必要があること、2:スケッチは2D作図専用の作業環境で作成すること、3:断面形状は材料側と外側を区別できる閉じた領域が必要なことの3つです。スケッチの詳細は、次回詳しく解説します。

スケッチは閉じた2D領域なので、押し出された立体の領域も閉じた3D領域となります。これがソリッドです。ソリッドを作成するには、断面を押し出す方向や、押し出す長さなど、押出方法を設定します(図3の左)。また、押し出した3D領域によって、既存のソリッドを削り取る操作ができます(図3の中央と右)。

図3:スケッチの押出方法

図3:スケッチの押出方法

このように、既存のソリッドに他のソリッドを組み合わせることによる形状の作成は、集合演算(ブーリアン演算)の概念で理解することができます(CADソフトウェアによっては、別コマンドの場合もあります)。図4は集合演算の例です。図4左端で集合演算なしの場合、左の円柱(緑色)は既存のソリッドとして存在しています。これに、新規の押出フィーチャー(黄色の円柱)を作成するとき、集合演算の方法(和、差、積)を指定します。

図4:集合演算の例

図4:集合演算の例

代表的なスケッチ型フィーチャーには、押出のほか、回転、スイープ、ロフトなどの種類があります(図5)。これらの場合も、フィーチャー作成に必要な形状要素は、スケッチを使って作成します。

図5:スケッチ型フィーチャーの種類

図5:スケッチ型フィーチャーの種類

フィーチャーの特徴として重要な点は、方向、深さ、集合演算といったフィーチャーの設定を記録していることです。設定を変更すると、CADはフィーチャーを再計算して新しい形状を作り直します(パラメトリック機能)。このような形状の再計算を、CADでは更新や再構築と呼びます。この機能を意識して、ソリッドCADをフィーチャー・パラメトリック型ソリッドモデラーと呼ぶこともあります。

目的の部品形状を作成するには、フィーチャーを順番に積み重ねていきます。このとき、あるフィーチャーの設定が、前の順番のフィーチャーの形状を参照している場合、前のフィーチャーの設定を変更すると、その後に作成したフィーチャーも全て再計算されます。このフィーチャーの順番を、履歴と呼びます。フィーチャー・パラメトリックの仕組みと履歴は、切っても切れない関係にあり、この機能を意識して、ソリッドCADを履歴ベースCADと呼ぶこともあります。

3. 編集型フィーチャー

編集型フィーチャーは、既存のソリッド形状を指定して作成するフィーチャーです(図6)。パターンやミラーなど、2D CADから連想できる機能もあります。ただし、ソリッドCADでは、パターン元として形状要素ではなくフィーチャーを指定します。

図6:編集型フィーチャー

図6:編集型フィーチャー

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4. ソリッド、サーフェス、ワイヤーの違い

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第3回:スケッチとは

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前回は、ソリッドCAD特有の概念であるフィーチャーを紹介しました。今回は、フィーチャーの作成に不可欠な2D作図機能、スケッチについて解説します。スケッチは、フィーチャーと同様に、ソリッドCAD独特の機能です。2D CADに慣れている人は、先入観にとらわれないように気を付けてください。

1. スケッチとは

スケッチの最も重要な役割は、スケッチ型フィーチャーの作成に必要な2D断面形状の作図です。また、スイープフィーチャーのパスなど、ワイヤーとしても利用します。ただし、スケッチの作図は、2D CADの作図とは役割と仕組みが大きく異なります。

ソリッドCADにおける通常の作業対象は、フィーチャーです。そこでは1つのスケッチを、1つの要素として扱います。線分や円などの2D要素は直接扱えません。ソリッドCADでは、スケッチの作図は、スケッチモードと呼ばれるスケッチ専用の作業環境で行います。このため、スケッチの作業を行うには、スケッチモードに入る、またはスケッチモードから抜けるといった操作が必要です。CAD操作に慣れないうちは、この仕組みを意識しながら、混乱のないように作業してください。

2. スケッチ面とスケッチ形状

・スケッチ面

3D空間で2Dのスケッチを作図するには、3D空間内で、どの平面上に作図するかを指定する必要があります。これがスケッチ面です。例えば、スケッチから立体を押し出す押出フィーチャーでは、スケッチは立体の基準の面となるので、最初のフィーチャーのスケッチ面によって、3D座標の中での部品の向きが決まります(図1)。

図1:スケッチ面と部品の向き

図1:スケッチ面と部品の向き

慣れない設計者は、スケッチ面を指定する際、直感や操作性で選んでしまいがちです。フィーチャーの形状の機能や役割を考え、基準としてふさわしい面を指定する必要があります。図2の形状図面を例に、考えてみましょう。この場合、20mmの寸法(円柱の高さ)に機能的な意味があるとします。モデル上面をスケッチ面にすると、押出距離の計算が必要になります(図2の中央)。これに対し、基準平面(またはモデル底面)をスケッチ面にすると、図面寸法のままモデリングができます(図2の右)。

図2:スケッチ面の取り方

図2:スケッチ面の取り方

なお、スケッチ面として記録されるのは指定先の平面です。指定先の平面の位置が変更されると、スケッチ面も追従します。また、スケッチ面を別の平面に変更することも可能です。

・スケッチ形状

スケッチの線を作図するコマンドは2D CADと大差ありません。線分、円・円弧、トリム、面取り・フィレットなどの作図・編集機能を使用します。ただし、ソリッド作成のためのスケッチ形状は断面形状です。閉じた領域を持つ形状であることが必要条件です(図3の左)。複数の領域があるものや、交差やはみ出した形状は、断面形状として不適切です(図3の中央、右)。なお、CAD製品によっては、複数領域や交差した線がある形状も、閉じた領域として認識します。しかし、特に理由のない限り、原則に従い作図するのがよいでしょう。

図3:スケッチ形状の要件

図3:スケッチ形状の要件

3. 寸法拘束・幾何拘束

スケッチでは、正確な大きさで線を作成する必要はありません。作成後の線に寸法拘束と幾何拘束を与えると、それらをCADが計算し、正しい線の位置と大きさに変化します。寸法拘束は、スケッチで作成する寸法です。寸法数値は変数として記憶され、変数の値を変更すると形状に反映されます(図4の上)。寸法拘束と呼ばれるのはこのためです。一方、幾何拘束は、線の姿勢を定義します(図4の下)。

図4:寸法拘束と幾何拘束

図4:寸法拘束と幾何拘束

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4. 既存形状の投影

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第4回:パーツモデリングのコツ

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前回は、2D作図機能のスケッチについて解説しました。今回は、パーツモデリング(部品形状のモデリング)を効率的に行うためのコツを紹介します。パーツモデリングを効率的に行うには、部品の機能や形状に応じて、フィーチャーやスケッチをうまく使いこなす必要があります。また、フィーチャーを管理する履歴を適切に扱うことも重要です。

1. 基準の取り方

CADを使って部品形状を設計する場合、形状の位置を決める基準を明確にする必要があります。基準は、部品に要求される機能によって決められます。2D CAD製図では、基準は中心線や寸法記入によって表現します。一方、ソリッドCADではフィーチャーで形状を表すため、スケッチや押出方法など、フィーチャーの設定内容で基準を表現します。そのため、モデリング作業の前に、フィーチャーの形状と基準を検討しなければなりません。ソリッドCADで基準を決定する際の検討方法を紹介します。

・部品の向き

基準を決定するには、初めに、CADの座標に対する部品の向きを決めます。部品の向きは、一般的に、部品を使用するときの向きや、製図で正面図とされる向き、または、加工工程の作業のしやすさなどに基づいて決められます。2D CAD製図では、向きを決めたらすぐに作図を始めることができます。しかし、ソリッドCADでは、引き続き検討を行います。

・原点(基準面)

次に、部品の機能上の基準を原点(xy平面、yz平面、zx平面)に合わせます。ここで、最初のフィーチャーのスケッチ面によって、部品の向きが決まります(第3回の図1を参照)。基準が部品の端面にないと考えられる場合、原点は、スケッチ拘束で基準に合わせます(図1の上)。押出方向は、スケッチ面が基準となるように設定します(図1の下)。

図1:部品の基準とモデリング

図1:部品の基準とモデリング

・フィーチャーの構成

フィーチャーの構成の検討も重要です。形状が持つ役割をできるだけ単純化し、1つの役割を1つのフィーチャーで表すように考えます。そうすると、フィーチャーの形状も単純化し、基準を考えやすくなります。ただし、フィーチャー数は多くなるため、重要な役割のフィーチャーから順番に作成します。

図2の形状図面の部品は、1つのスケッチで作成することも可能です。しかし、単純形状フィーチャーを複数組み合わせると、作成時も編集時も、モデリングが容易になります(図2の右)。

図2:フィーチャーの構成

図2:フィーチャーの構成

このように、部品の向き、原点(基準面)、フィーチャーの構成を検討することで、部品の最初のフィーチャーのスケッチ面が決まり、モデリング作業を開始できます。

ところで、モデリング中に基準を取りたい位置に適切な要素がない場合はどうしたらよいでしょうか? この場合、参照要素を利用します。例えば、図3の形状図面のような斜めのアームをスケッチするには、スケッチ面として参照平面を利用します(図3の右)。

図3:参照要素の利用

図3:参照要素の利用

参照要素には参照平面、参照軸、参照点があります。よく利用するのは参照平面です。代表的な参照平面の作成方法は、オフセット、角度、3点、カーブ上の4つです(図4)。

図4:代表的な参照平面

図4:代表的な参照平面

2. よくある不具合

2D CADでの不具合のほとんどは作図ミスです。これに対し、ソリッドCADでは、スケッチやフィーチャーの設定内容の不整合が不具合の原因です。ソリッドCADにおけるありがちな不具合を5つ紹介します。

・空間のカット

押出によりカットする領域がそもそも空間である場合、形状に変化はありません。意味のない処理なので、CADから警告が出されることもあります。フィーチャー作成時に、この手のミスが起きることはないものの、形状変更では起こりえます。図5は、直方体の押出後、円でカットして穴を作成したモデルです。直方体の長手方向を大幅に短くすると、カットする領域にソリッドが無い状態となります(図5の右)。

図5:空間をカット

図5:空間をカット

・無理のある形状

図6のようなスイープフィーチャーで、断面の円の半径がパスの曲がる半径より大きいと、曲がった内側の表面で交差が生じます(図ではつぶれた形状として作成されています)。場合によっては、エラーが出たり、面が交差したままの不正な形状となることもあります。

図6:無理のある形状

図6:無理のある形状

・細部の形状

図7の形状図面は、製図の投影図としては問題ありません。ところが、これをソリッドCADで作成すると、斜面が円柱上面に達する箇所で、図7のモデル例1~3のように、さまざまな解釈が生じます。製造上、無視できる違いだとしても、ソリッドCADではいずれかの方法で作成する必要があります。もちろん、後工程に影響がなければ、どの方法でも構いません。

図7:細部の形状

図7:細部の形状

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3. フィーチャーの履歴

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