3DCAD用語
筐体設計者として覚えておきたい専門用語をまとめました。こちらでは、筐体設計で使われる3D CAD用語を説明します。
- 3D CAD
- ワイヤーフレームモデル
- サーフェスモデル
- ソリッドモデル
- ヒストリーベース
- ノンヒストリーベース
- STLデータ
- 外向き法線ベクトル
- 内向き法線ベクトル
- フィーチャー
- パラメトリック機能
- アセンブリ
3D CAD
CADとは、「Computer Aided Design」の略で、和訳すると「コンピューター支援設計」です。コンピューターによる設計支援ツールが「CAD」です。具体的には、製図台（ドラフター）で作成していた図面をコンピューター上で行えるようにしたものです。筐体設計の仕事に就くと、まずはCADを使った図面や3Dモデルの作成を学ぶほど、筐体設計においてなくてはならないツールです。当初は3Dモデリングを扱える性能のパソコンが高価でしたが、現在は安価な高性能パソコンが普及したことでCADが一般的になり、2D CADから3D CADへ移行しています。
CADには、平面の図面作成を行う「2D CAD」と、立体を作成する「3D CAD」の2種類があります。3D CADで作成できるモデルには「ワイヤーフレームモデル」「サーフェスモデル」「ソリッドモデル」があります。3D CADの特徴は、立体モデルを作成することで、体積・表面積・質量・重心等の幾何情報を算出できることです。また、部品同士の干渉もデータ上で検証でき、3D CADのデータを使用して3Dプリンタ等で造形モデルを作成することも可能です。
ワイヤーフレームモデル
体積を持たず、骨格のみで、2D CADの図面を組み合わせたようなイメージです。特徴は、データ量が少なく、表示速度が速いことです。現在、ワイヤーフレームのみで3Dモデルを作成するCADはほとんどありませんが、形状を作成する過程で広く使用します。
サーフェスモデル
サーフェスモデルは、厚みを持たない面で構成された立体モデルです。風船のように生身のない立体をイメージしてもらうとわかりやすいと思います。
中身の情報がないので、体積や質量の計算、部品同士の干渉の検証などはできません。そのため筐体設計の過程で使用することが多く、最終的にソリッドモデルに変換することが一般的です。サーフェスモデルは、自由曲面の多いキャラクターやインテリアなど、デザイン系が得意な表現方法です。
ソリッドモデル
ソリッドモデルは、頂点・線分・面で構成された体積を持つ立体モデルです。フィーチャーを積み重ねて、足したり、除去したりして立体を作成するので、粘土細工をイメージしてもらうとわかりやすと思います。
中身の情報があるので、体積や質量の計算、部品同士の干渉の検証なども可能です。そのぶんデータ量が多くなり、パソコンでの処理に時間がかかるというデメリットがあります。しかし、近年のパソコンは高性能化が進み、多くがソリッドモデルに対応しています。3Dプリンタで造形する場合にもソリッドモデルを使用します。ソリッドモデルは、幾何計算ができ、実物に近いイメージでモデリングができるので、曲面の少ない工業製品等に向いている表現方法です。
ヒストリーベース
3D CADのモデリング方式は、「ヒストリーベース」と「ノンヒストリーベース」の2種類に大別できます。ヒストリーベースは、モデリングの際に作業の履歴が残っていくタイプのモデリング方式です。「フィーチャー」と呼ばれる単形状を組み合わせて造形するため、「フィーチャーベース」とも呼ばれます。特徴は、作業履歴が残るので、自分以外の人が作業した内容がわかりやすく、部品の一部だけの変更がしやすいことです。ただし、修正まで考慮したモデリング方式のため、初期段階ではノンヒストリーベースよりも時間がかかる傾向にあります。
ノンヒストリーベース
モデリングの際に履歴が残らないタイプのモデリング方式です。形状作成コマンドを繰り返して造形を進めるので直感的な編集が可能です。ヒストリーベースに比べて短い時間でモデル作成できる傾向にあります。ただし、ヒストリーベースのように部品の一部だけ変更するようなパラメトリック編集ができません。
STLデータ
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元データ -
STLデータ（ポリゴンデータ）
STLデータとは、3D CAD用ファイルフォーマットのひとつです。3Dプリンタ業界で最も使用されるファイルフォーマットで、ほとんどの3D CADソフトでサポートされています。名称の由来は、光造形を意味する「Stereolithography」ですが、「Standard Triangulated Language」「Standard Tessellation Language」の略称と言われることもあります。3次元形状を小さな三角形（ポリゴン）の集合体として表現するシステムで、色やトポロジーデータ、カーブ形状などの表現はできません。STL形式で曲面を表現する場合は、三角形を細かくして生成します。
外向き法線ベクトル
STL形式のモデルを形成する三角形（ポリゴン）は、向きの情報を持っています。この三角形の向きは「法線ベクトル」で定義されており、モデルの外側を示す単位ベクトルである必要があります。
法線ベクトルとは、面に対して垂直なベクトルで、空間における方向と大きさを持った量です。特に3Dプリンタで造形する場合には、法線ベクトルの向きが非常に重要です。以下、図のように外側に向いているものを「外向き法線ベクトル」と呼びます。
内向き法線ベクトル
法線ベクトルの向きが内側のものを「内向き法線ベクトル」と呼びます。逆に外側のものを「外向き法線ベクトル」と呼びます。
フィーチャー
3D CADの表現方法には「ワイヤーフレーム」「サーフェス」「ソリッド」があり、モデリング方式には「ヒストリーベース」と「ノンヒストリーベース」があります。ノンヒストリーベースでソリッドモデルを作成する場合は、3D CAD上で「フィーチャー」と呼ばれる単位形状を積み重ねて作成します。フィーチャーを積み重ねてソリッドモデルを作成する方法は、現在の3D CADの主流です。フィーチャーには、「スケッチタイプのフィーチャー」と「配置タイプのフィーチャー」の2種類に大別されます。「押し出しフィーチャー」「回転フィーチャー」といった形状を作成するものを「スケッチタイプのフィーチャー」、「フィレットフィーチャー」「面取りフィーチャー」といった形状を加工するものを「配置タイプのフィーチャー」と呼んでいます。
パラメトリック機能
パラメトリック機能とは、フィーチャーが持つ寸法情報・接続情報などを変更することで、形状を変えられる機能です。フィーチャーは、断面・寸法・方向などの情報を保持していますが、これらの情報は作成後に変更可能です。パラメトリック機能を活用すれば、部分的に寸法を変更することで、その情報が関連箇所にも反映されます。例えば、設計初期段階には曖昧な寸法で大まかな形状を確認し、設計が進んだ段階で正確な寸法に修正するといったことも簡単に行えます。また、それらが図面やアセンブリにも反映されます。ただし、事前に設計意図を考慮して寸法を入れたり、親子関係を考慮した設計を行う必要があるなどの工夫が必要です。
アセンブリ
3D CADでは、部品を「パート」、組立品を「アセンブリ」と呼びます。2D CADや設計図における、組立図と同じ意味です。また、最上位のアセンブリを「トップアセンブリ」、その配下のアセンブリを「サブアセンブリ」と呼びます。2D CADでは、実際に部品を組み付けないと位置関係や干渉のチェックができませんでしたが、3D CADはアセンブリを活用することでコンピューター上で干渉や組付けの確認ができます。また、パラメトリック機能では、アセンブリ・パート・図面が相互関係を持っているので、パートを変更すると自動的にアセンブリと図面に反映されます。
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