CADとは何ですか?

Artec 3D社製品を用いたスキャンは、複雑なCAD設計を十分な精度でキャプチャします

コンピュータ支援設計は非常に最先端技術でありながら普及もしている、製品開発における繰り返し作業（イテレーション）を促進させるツールであるため、つい最近発明されたものと思い込んでいる人がいても無理はありません。しかし実際は、パトリック・ハンラッティ（Patrick Hanratty）博士が1957年に最初の商用数値制御システムである「PRONTO」の基礎を築いていました。

その6年後、アイヴァン・サザーランド（Ivan Sutherland）氏は、人間とコンピューターの最初の対話を可能にした画期的なマシンであるSketchPadでその状況をさらに前進させました。サザーランド氏のデバイスは円弧や線分などの基本要素のみをサポートしていましたが、これまでにない方法で機械設計を画面上に描画できるようになり、将来のCADシステムの先駆けとなりました。

その後間もなく、企業らは独自のCADプログラムを立ち上げ始めました。ハンラッティ博士が提供したコードを使用して、マクドネル・ダグラス（McDonnell Douglas）氏は 1967年に部品のレイアウトとジオメトリのためのソフトウェアを導入しました。同社はその後ボーイング社と合併して消滅しましたが、同社のMicroGDS CADプラットフォームの成功ははっきりと証明されており、それは現在でも使用され続けています。

何十年という年月の間、CADは依然として注目を受ける研究テーマであり続けています。この業界で初期に活躍していたプレーヤーのうちの１社であるComputervision社では、ケン・バースプリル（Ken Versprille）博士が1975年にNURBS (non-uniform rational b-splines) を開発しました。現在では3Dモデリングの主流となっているこの機能により、曲面を含む複雑なCADモデルの作成が可能になったのです。

それ以来、CREOによって初めて商用化されたパラメトリックモデリングのような進歩により、CAD の利用方法が変わり、プリセットのパラメータに基づいてモデルを調整できるようになりました。たとえば、一部のフィーチャを変更する必要がある場合、最初のスケッチでモデルのパラメータを調整するだけで、完全に再計算してモデルの形状を変更することが可能になりました。

最近では、CADのテクノロジーも3Dプリントと3Dスキャンとの融合を続けており、常に新機能がこういったテクノロジーとの融合を促進しています。

さまざまなタイプのCAD は、大まかにソリッド、ワイヤーフレーム、そしてサーフェスのモデリングに分類できます。他のアプローチについても触れておく必要がありますが、ほとんどのケースはこれら3つのカテゴリに当てはまります。

ソリッドモデリングは、計算可能なオブジェクトの体積を維持しながら、線やアーチ、球、立方体などの幾何形状を複雑なモデルに組み立てるのに最適です。これにより、設計者は出来上がったモデルを常に検証し、実際に製造できるかどうかを確認できます。

それとは対照的に、ワイヤーフレームモデリングではモデルのエッジやコーナーのサーフェスのみが表示されるため、モデルをより繊細に作成できます。技術的な側面について言及すると、これはモデルを「面」でリンクされた頂点として表現することによって実現されます。そしてそれを修正して位置を変更したり、オブジェクトの外側に曲面を作成したりもできます。

CAD技術の進歩により、設計の制限がなくなりつつあります

最後のオプションであるサーフェスモデリングを使用すると、ユーザーはガイドラインもしくは制御点の集まりを介してモデルを構築できます。次にこれらは最もスムーズな方法を計算するCADプラットフォームに接続され、サーフェスを形成します。容易に想像できると思いますが、この方法のシームレスでスムーズなサーフェスフォーカスにより、サーフェスモデリングは気体の流れが重要となる自動車および航空宇宙のモデリングに最適です。

ジェネレーティブ デザインなどの他のアプローチでは、人的エラーを完全に排除しつつあります。今の時代、設計者達は重量やコスト、そしてパフォーマンスに関係する設計上の問題を克服するようAIに依頼できるようになり、またAIはその解決策を見つけ出すようになりました。彼らは作業対象のパラメータを入力するだけで、残りはアルゴリズムが実行してくれるのです。

CADで話題を呼んでいる先進テクノロジーは、AIだけではありません。3Dスキャンを使用すると、設計作業を自動化できるだけでなく、既存の製品をデジタル化したり、将来の物理的なプロトタイプの基礎として使用することで、設計そのものを完全に失くすことが可能になります。

以上が、3Dスキャンが3D CAD設計に利用される方法の説明でした。しかしここで発生する新たな疑問は、必要なデータをキャプチャしたその後に一体どうするのかという点です。CADソフトウェアでスキャンの編集を開始できるのでしょうか?

残念ながら、すぐにはそうできません。まず、スキャンをソリッドの3Dモデルに変換する必要がありますが、メッシュとモデルの間の橋渡しとして機能する「スキャン ・トゥ・CAD」プログラムの進歩のおかげで、このワークフローはますます容易になっています。

スキャンからCADへ変換させるにはいくつかの手順が必要ですが、その結果がその価値を証明します

Artec Studioは、このワークフローを開始するのに最適なプラットフォームで、スキャンデータのキャプチャと処理を効率化し、ステップのいくらかをワンクリックで簡素化します。ジオメトリおよびテクスチャ追跡アルゴリズムにより、エンジニアは部品を細かくキャプチャできるようになり、このプラットフォームの進化しつつあるブール演算ツールキットを使用することで、壊れやすい表面を厚くするなどしてメッシュの強化ができます。

Artec Studioは、メッシュを準備したり、重要なリバースエンジニアリング作業を実行するために必要なものをすべて提供します。このプラットフォームでは、修正のために面の移動やオフセットができますし、面取りやフィレット用ツールで仕上げをしたり、幾何形状の追加・削除や、他のモデルと交差させて新しい形状を作成することも、すべてこの1か所で行えます。

Geomagic for SOLIDWORKSのようなプログラムは、この非常に洗練されたメッシュをCADモデルに変換させるプロセスを迅速化します。このアドオンをSOLIDWORKSのワークスペースに直接接続すると、スキャンデータからソリッドかつ編集可能なモデルを作成するために必要なフィーチャー抽出ツールが提供されます。馴染みのあるインターフェイスで既存のデザインを迅速に、簡単に、そして正確に修正もしくは編集したい場合には、このプログラムは理想的なArtec Studioのお供となります。

高度なリバースエンジニアリング向けの、最先端のソフトウェアであるGeomagic Design Xには、より包括的なスキャン・トゥ・CAD用ツールセットが付属しています。正確なサーフェスを使用すると、複雑な自由形状を再構築してからプラットフォームのパッチ機能を展開して、オブジェクトの輪郭や曲線に厳密に従うサーフェスボディを即座に追加することが可能になります。

Geomagicは、現在業界をリードしているスキャン・トゥ・CAD対応のプラットフォームをいくつか開発しています

2Dおよび3Dのスケッチに関しては、Design Xは迅速なスキャンをベースにしたエンジニアリングのための完璧な基盤を提供します。その自動スケッチを使用すると、ジオメトリの抽出を高速化することができ、必要なパラメータを満たす方法で形状をポリラインのエンティティに自動的にフィットさせるように構成できます。ロフトやスイープなどの他のツールを使用すると、断面をシームレスなサーフェスに簡単にブレンドできます。

より広範的な視点で言及すると、現時点でCADプログラムとスキャン・トゥ・CADのプログラムの間にはかなりの重複があり、多くの従来の設計プラットフォームには3Dスキャンに適した機能が統合されています。それではここで、それらの中で最も人気のあるもの、それらが提供するもの、そして使用される用途について見てみましょう。

製品デザイン

さまざまな業界で製品の品質を確保するにはイテレーションがどうしても必要となりますが、多くの用途はCADに依存しているという共通点があります。一部の分野では、初期デザインが未だに従来の製図によって作成されているところもあるかもしれませんが、過去に製品のローンチを遅らせる原因となった長く延々と繰り返されるスケッチプロセスは今ではほとんど見られません。

CAD設計は、従来スケッチが主流であった自動車業界でも盛んに利用されるようになりました

プロトタイピングの速度の観点以上に、CADの導入は、縮尺図の誤解や共有に関する問題を克服させるのにも役立ちました。設計のデジタル化とCADの普及により、以前では考えられなかったレベルの自動化とコラボレーションも可能になりました。

CADの登場は、製品の設計方法を変えただけでなく、今までになかった全く新しい道を切り開きました。それまでは、初期のデザインをプレビューするには模型を作成してそれを出荷する必要がありました。しかし現在では、高級家具を取り扱うSherrill Furniture社のような企業はたった数分で3Dスキャンを活用して家具をデジタル化し、そのデータを使用して毎週カスタマイズプロジェクトや3Dビジュアライゼーション用に数十単位のCGIラウンジアイテムを作成します。

これはArtec Leoによる、3,500万ポイント/秒という超高速のスピードによって可能になりました。 クリックでスキャンができる機能に加え、サブミリメートルレベルの3Dスキャン機能も備えたLeoを使用すると、混雑したショールームにある家具などの複雑でテクスチャーが豊富なアイテムをすばやく簡単にキャプチャできます。また、次に説明するように、Leoは他の用途でも活躍します。

エンジニアリング

CAEは、機械エンジニアにとってCAD が非常に役立つ分野であり、製品が生産段階に入る前に機械部品やアセンブリのパフォーマンスを分析できる手段として活用されます。製品のプロトタイピングと同様に、メーカーは無駄な模型を作成する必要がなく、代わりにどのように動作するかをシミュレーションできるようになります。

ただし、エンジニアリングにはそれとはまったく異なるシミュレーションツールセットが必要となります。Autodesk社は、Inventorでこれを認識しました。Inventorとは、製品が設定荷重に耐えられるかをテストするための、手動でドラフトする際の必須ツールと静的および固有応力の解析ツールを組み合わせたプラットフォームです。

他にもSiemens社はSimcenter FLOEFDと呼ばれるCADが組み込まれた数値流体力学 (CFD)のソフトウェアを提供しています。CFDのシミュレーションを使用すると、空気や水などの流体がモデルの周囲をどのように流れるか、ひいては空気力学を高めるために流体をどう流すかを予測することができます。これは、空気抵抗を最小限に抑えることが首位でゴールするための鍵となる、競技サイクリングなどの分野では特に重要となります。

Leoで取得したデータと超高精度スキャナのArtec Space Spiderを使用したことで、英国のシム企業のVorteq社はこのアプローチを磨き上げ、 世界最速のレーシングバイク（自転車）の開発に至りました。Leoのスピードとワイヤレスの持ち運びやすさにより、比較分析のためのキャプチャが加速されましたが、0.1mmレベルの解像度を持つSpace Spiderでキャプチャされた極めて詳細な情報により、レーシングバイクのフレームを通過する力を CFDを使用してモデル化することができました。

接続されたボディがどのように動作するかを調べるために行う、マルチボディ動的解析などの他の機能も多くのプラットフォームに導入されつつあり、詳細なエンジニアリングはやはりCAD設計において最もエキサイティングな領域の1つであることは明らかです。

自動車

自動車業界では、手描きで行う自動車デザインがもたらす芸術性が未だに根強く重視されており、CADモデリングだけが唯一2１世紀らしい技術となっています。そのプロセスは今でもスケッチから始まる傾向がありますが、エンジニアはCADプラットフォーム上でデジタル製図を行い、その結果から得られたモデルを使用してテスト用の等身大模型を作成することで、スケッチ作業を徐々に仮想設計に変換しつつあります。

チューニング会社の多くは既存のモデルをキャプチャし、必要なアップグレードをデジタルで設計します

概念設計をデジタル化することでプロセスの精度が向上し、ユーザーが意図したとおりにモデルが適合し、動作することを確認できるようになります。また、部品やアセンブリが負荷の下でどのように動作するかを特定するためにシミュレーションに使用できるモデルも生成できます。その負荷が空気力学的なものであっても物理的なものであっても、その結果を利用して設計の安全性とパフォーマンスを分析できます。

3Dスキャンを使用することで、現実世界のオブジェクトからそういったモデルを非常に高速かつ正確にリバースエンジニアリングできるようになったおかげで、製品のイテレーションに使用できるようになりました。過去に、自動車レースチームであるSNAG Racing Rallyeは、非常に柔軟性の高いArtec Evaを使用したことがありますが、その理由はEvaが中型サイズのテクスチャつきの部品をデジタル化するにあたって実績のあるソリューションだったからです。

ペーパーモデリングからラリーカーのアップグレードをデザインするのための3Dスキャンに変えたことで、生産コストとリードタイムの削減を達成しながらも、強度・速度・操作性もまた向上させることができました。

建築

CADはあらゆる形状やサイズを伴う建築の設計に利用されますが、通常、それらは主流のソフトウェアではなく建築設計専用のソフトウェアで行われます。製品スケッチの場合と同様に、建築設計とプロジェクト管理をデジタル化することにより、土木技術者は１から始めなくても、それらの変更をクライアントからフィードバックを受ける度に繰り返し行っていくことができるようになりました。

CADよりもビルディング・インフォメーション・モデリング (BIM) と呼ばれることが多いこのプロセスでは、建築家が建築計画の達成後に結果がどのように見えるかをプレビューすることもできます。ArchiCADなどの人気のソフトウェアパッケージを使用すると、ショベルカーが地面を掘り起こす前の段階で写実的なビジュアルを生成したり、インテリアデザイナーを支援したり、不動産のマーケティングを事前に開始することもできます。

長距離用の3Dスキャンにより、施設をデジタル化したり現場の効率を向上させることができます

建設現場には非常に多くの関係者が存在するため、BIMも重要な現場計画ツールです。おおまかに説明すると、BIMモデリングには７つのコラボレーションのレベルがあり、１番最初のレベルは2D図面の作成で、最後のレベルではこれらが3Dモデルに変換されてプロジェクトの関係者全員と共有されます。後者は効率的な用地計画とコスト計算を容易にし、最先端とみなされています。

歯科と医療

CADは歯科分野でも盛んに使用されていますが、純粋に設計ツールとしてよりもカスタムメイドのインプラント製造に使用されることが多くなっています。歯科業界で使用されるCAM（コンピュータ支援製造）では、患者の口のインプレッションまたはスキャンによって歯の3Dモデルが表示され、歯の修復・復元を提供するための基礎として使用されます。

1980年代に歯科用CAD/CAM がきちんと定着するまでは、カスタムメイドのクラウンやインプラント、または義歯を作成するには歯科医院へ数回通わなければならず、その後模型は製造業者に送られていました。現在、歯科医は3Dスキャンを使用して、完璧にフィットする歯科用インプラントの開発に十分な精度で患者が歯を見せる笑顔をキャプチャすることができるようになったので、それぞれの歯科クリニックでの製造が実現しました。

そのような実践を行うインプラント専門の歯科センターでは、Space Spiderでキャプチャした超高精度でフルカラーのスキャンと口腔内のスキャンを組み合わせて、非常に現実的な歯のモデルを作成する方法を発見することができました。これによってインプラントの設計プロセスが加速されただけでなく、患者がそのインプラント治療後の新しい自分の笑顔をプレビューできるようになったので、それ以来クリニックの承認率が急上昇しました。

当然のことながら、CADの出力をSTLファイルに変換するのがいかに簡単かを考慮すると、3Dプリントもアウトソーシングに代わる人気の選択肢となりつつあり、歯科分野でより高精度の結果を達成するためにこれら2つのテクノロジーを併用することには大きな可能性があります。

3Dプリントは医療分野でも普及し始めており、CADを標準的な「DICOM」の臨床データ形式に統合する取り組みが行われてきています。そこにCADがさらに導入されることで、ギプスや補綴物のカスタマイズが容易になるだけでなく、生物学的モデリングを通じて手術計画や薬剤設計が前進することが期待されています。