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3D CADの周辺技術:3D CADの基礎知識7

3D CADの基礎知識

更新日:2019年3月28日(初回投稿)
著者:D2FORM 代表 榎本 実

前回は、3D CADの図面機能とサーフェス機能を紹介しました。最終回の今回は、3D CADの周辺技術を紹介します。3D CADの周辺技術は、3D CADのメリットを際立たせます。特に加工と解析の分野では、CAD/CAM/CAEと呼ばれて古くから利用されています。近年、ソリッドCADとの連携によって使いやすくなり、設計者にも身近になりました。また、ラピッド・プロトタイピング技術は、ソリッドCADとともに発展しました。

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1.  CAM(機械加工)

CAM(Computer Aided Manufacturing)は、機械加工分野において、NC(Numerical Control、数値制御)加工を行うために、NCプログラムを作成するシステムです。3D CADの発展は、曲面加工を行う上で大きな役割を占めています。この分野ではCAD/CAMシステムと呼ばれるほど、CAMは3D CADと深い関わりがあります。

NCプログラムは、カッター(刃物)の動きを主体に工作機械の動作を定義したもので、曲面加工や自動加工を行うために必要です。NC工作機械で特に汎用性の高いものがマシニングセンタ(MC、Machining Center)です。カッターは部品に対して並進3自由度(xyz座標)の動きをするので3軸加工と呼び、曲面加工を行うことができます(図1の左)。さらに、回転2自由度(カッターの向き)の動きを加えたものを5軸加工と呼び、3軸加工ではカッターが届かない部品の加工ができます(図1の右)。これには、5軸加工に対応した加工機とCAMが必要になります。今回は、基本的な3軸加工のCAMについて説明します。

図1:マシニング加工

図1:マシニング加工

2.5次元CAMは、図2のように段の付いた形状や、穴形状の加工に用います。図2の青い線が切削加工用のカッターパス(刃物の動き)です。他の色の線は切削以外の動き(単なる移動など)を示しています。2次元平面上の動きで切削加工し、深さを変えて加工していきます。平面上の輪郭データのみでも、深さを指定することでNCプログラムを出力できるため、CAMには2D CADデータを利用できます。3Dモデルを利用した場合、形状を指定すると深さも自動的に認識します。しかし、曲面ではなく平坦なサーフェスや輪郭形状が対象です。このように、形状の指定や加工方法が2次元と深さであることから、2.5次元と呼ばれます。

図2:代表的な2.5次元加工

図2:代表的な2.5次元加工

3次元CAMは、図3のように曲面を切削するために用います。カッターパスは曲面形状から計算されるので、3Dモデルが不可欠です。CAMには、切削工具、切削条件、工作機械特有の制御方法(工具交換など)を登録する機能があり、これらを反映したNCプログラムを作成することができます。

図3:代表的な3次元加工

図3:代表的な3次元加工

2. CAE(解析)

CAE(Computer Aided Engineering)は、形状データを基に力学的な観点や製造上の観点から設計上の指標を得るシステムです。技術分野に応じて多種多様なCAEがあります。今回は、機械系で特になじみの深いCAEとして、強度剛性解析と機構解析を紹介します。

強度剛性解析は、静解析とも呼ばれます。応力やたわみを計算して部品形状が設計要件に合致しているかを検討します。応力やたわみは材料力学で学びますが、複雑形状に適応させるには知識と経験が必要です。CAEではこれをさまざまな部品形状に当てはめるため、有限要素法(FEM、Finite Element Method)を用います。CAEでは3Dモデルを基に簡単な操作で有限要素法による計算ができます。

強度剛性解析では、パーツモデルを利用し、部品を1つの弾性体として扱います。ソリッドモデルの形状(面・エッジ)に対して、固定などの境界条件の設定、荷重条件の設定を行います(図4の左)。図4の右に三角の網目状に見えるのが有限要素(メッシュ)で、ソリッドモデルから自動的に生成します。解析計算を実行後、応力やたわみの大きさを色、変形図、数値などで確認できます。有限要素が多すぎると計算負荷が大きくなるため、計算に影響の少ない形状(対称形状や応力が低い場所の穴など)を省いて簡略化した方がよく、そのときは3Dモデルを変更します。図4の右は、3枚ある羽根を1枚だけに変更した3Dモデルで解析を実行した例です。応力の大きさを色で表しています。

図4:強度剛性解析

図4:強度剛性解析

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3. ラピッド・プロトタイピング

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4. 機械設計と3D CAD

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