Chapter 1 基礎編
CAEで 3 次元設計をスキルアップするための基礎知識1

なぜ、3D CADを導入したら設計力が落ちたといわれるのか？

大手の製造業を中心に普及してきた 3D CAD も、2012 年後半から始まった 3D プリンターブームも相まって、これまであまり 3D CAD の導入に積極的ではなかった中小企業にも急速に普及してきています。さらに最近は、加工の依頼に図面が求められないケースも増えていますし、設計業務において 3D CAD を使うことの後工程へのメリットが認識されてきていることも大きいでしょう。それどころか、今や導入しやすいクラウドベースの 3D CAD が普及してきたことで、モノづくりに興味のあるアマチュアまでが日常的に 3D CAD を使用するようになってきています。
しかし、3D CAD の導入に伴って、デメリットの声も聞かれることがあります。最近に限ったことではなく、以前から言われてきたことですが、「3D CAD を使うようになってから設計力が落ちたように思う」とういうベテラン設計者からの声です。なぜ、そのようなことが言われるのでしょうか？
理由は様々だと思いますが、3D CAD では、それなりに形ができてしまうので、一通りの形状ができ、アセンブリが組めたりすると、何か「できたつもり」になってしまうということが多分にあるかもしれません。言うまでもなく、モデリングができることと設計ができることはイコールではありません。
2 次元で図面を作る時、その図面は後工程の製造の人たちが作れる状態のもの、すなわち設計がきちんとなされたものが描かれているはずで、そこに至るまでには様々な検討がなされているはずです。そうでなければ、どんなに綺麗に描かれていてもそれは意味がありません。つまり、図面が作成される前に様々な検討がなされていて、その結果が図面であると言えるのではないでしょうか。
ところが、3D CAD の場合、いきなり形をつくりアセンブリを組み何となく検証ができれば、それでよしとしてしまっている場合も少なくないでしょう。一度モデリングした形をわざわざ簡略化して手計算で検証するのは面倒ですし、かといって解析専任者用の CAE では使い方が難しいでしょう。本来、3D CAD でモデリングをしたものをきちんと検証し、仕上げたものを 3D CAD の成果物とすれば、別に 3D CAD だから設計力が落ちるということにはならないでしょう。
言い換えれば、設計の現場がまだ完全に 3D で行うプロセスになりきっていないということが言えるのかもしれません。

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3D CAD と CAE は不可分なセット
駆け出しの設計者とベテランの設計者では、同じ役割を果たすパーツを設計しても、その形状は異なってきます。それは、初心者の設計者は頭の中に思い浮かんだものをそのまま形にするところを、ベテランの設計者の場合は、どのような形にすればより上手く機能するか、あるいは、製造性をきちんと満たしているのかというノウハウが頭の中に入っており、そのノウハウが形の違いとなって現れてきます。どれくらいの太さや厚みにすれば壊れずに済むのか、と同時に過剰設計にもならないのか、ということも、ベテラン設計者の頭の中には過去の経験、失敗に基づいたノウハウが入っていますが、初心者にはわかりません。
こうすれば良いというノウハウについては、先輩から教えてもらうのが近道でしょう。しかし、ベテランであろうと駆け出しであろうと、その固有のパーツについて、本当にそれで良いのかということは、実際にリアルな試作を行ってみないとわからないことが多いと思います。手計算が可能なのは、あくまでも簡略化したものを手計算するときだけで、これでは細かなところまでは検証しきれません。それは初心者でもベテランでも同じことです。
そこで、有効な道具が CAE です。特に 3D CAD と連動する設計者 CAE のメリット
は、モデリングをした形をすぐさま検証できるということです。つまり、① 3D CAD でモデリングをする修正を行う→④再度検証をする→② CAE で検証をする→⑤承認される→③必要に応じてというプロセスを容易に回すことができるようになると言えます。
もちろん、このプロセスを回すためには、しっかりとした工学の知識やスキルが必要であることは言うまでもありません。
現在、3D CAD を使用している多くの現場では、CAE があまり活用されていない例が多く、②以降のプロセスを効率的に回せていない可能性もあります。もちろん製品ができているのですから、ダメな設計とは言えないかもしれませんが、もっと最適なパーツにすることができるかもしれません。
つまり、3D CAD と CAE を設計者は本来、２つセットで使うべきものであり、車の両輪であるべきものなのに片方だけで設計作業を進めていたとういことです。文字通り、「片手落ち」だったと言えるかもしれません。

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基礎編：CAE で 3 次元設計をスキルアップするための基礎知識

9操作に慣れれば、3D CAD ならいきなり、かなり複雑な形状まで作り込むことが可能です。形ができたことで設計したつもりになってしまった設計者が増えたことが考えられます。実際に 3D CAD の教育に携わる人たちからの声としても、設計の現場に 3D CAD がかなり入り込んできたことは良いことだが、残念ながら多くの現場では、3D CAD によるモデリングは浸透してきているものの、3D 設計をやっている現場はほとんど無いと言い切る人すらいます。

CAE こそが実はコンピューター支援による設計？
CAE とは Computer Aided Engineering の 3 つの単語の頭文字をとったもので、一般に「解析」の意図で使われることが多いと思います。ちなみに、CAD（ComputerAided Design）はコンピューターの支援による設計と説明されることが多いと思います。もっとも、Engineering も工学と訳される一方、英語で Engineering Department というと大学なら工学部ですが、会社であれば「設計部門」と訳されることがあります。つまり、Computer Aided Engineering もコンピューター支援による設計と捉えてもよいのです。
ただ、ニュアンスとしては、Design が「形を作る」ところに主にフォーカスしているのに対して、Engineering は「それがきちんと機能するように作る」ところにフォーカスが当てられていると筆者は理解しています（図 1.1）
。実際に私たちが使うメカ系 CAD は、この両方が揃ってこそ「設計」といえるでしょう。その意味では、CAEなしの 3D CAD は、設計ツールとしては片手落ちと言っても良いかもしれません。
合わせて本来の3D設計

3D
CAD

形状を主にした
作業
図 1.1

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3D CAD と CAE を合わせて 3D 設計

CAE

工学的な検討を主にした作業

3D CAD で CAE をやるべき理由
CAE を意味ある形で使用するには、材料力学などの知識が必要ですが、材料力学だけで解くことのできる形状は比較的単純なものに限られます。もちろん、ビル一棟をものすごく簡略化して全体的な挙動を見るなどの時には、それでも良いかもしれませんし、あるいは複雑な形状のパーツをやはり、簡単な等価なモデルに置き換えて、材料力学の知識を使って解くことは意味のあることです。しかし、複雑な形であれば単純化自体が難しいこともありますし、局所的な応力を求めること自体が難しくなります。単純な穴あき平板を例にとって説明してみましょう。

▲ 穴あき平板の応力集中。

穴あき平板の応力集中に関してはすでに計算式が存在していますので、手計算であっても求めることは比較的用意です。でも、これがパンチングメタルのようなものだったらどうでしょうか。さらに、それらの穴が不規則に開けられているとしたらどうでしょうか。

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▲ 不規則に穴が開けられ、折れ曲がった板。

▲ 穴の縁に発生する応力。

穴の縁に発生する最大の応力値が発生する場所は経験則的に予測できる場合があるにせよ、それがどのくらいの値になるかを予測するのは難しいでしょう。
2 次元図面しか作っていなければ、仮に計算したいと思ってもわざわざメッシュを作成する必要があり面倒でしたが、3D CAD と連携すれば手間はかかりません。これだけでも、ちょっと試してみる価値があるでしょう。

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