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3次元CADを学ぶときのキモ

この章では実際にソフトウェアを使ってコマンドを理解する前に、３次元CAD の特徴を理解して、どのような仕組みで動くのか、また２次元と３次元でのデータの作り方はどんなところが違うのか。そのような差異を理解するとともに、どのような考え方をすれば３次元によるモデリングを学ぶことが容易になるのか、ということを理解することを目指す

さまざまな 3 次元モデラー
製造業を中心に３次元によるモデリングが普及を始めてから久しい。製造業はもとより、建築やジュエリーなど、あるいは映像関係でも３次元によるモデリングが導入されていない産業はないといっても過言ではない。しかし、一口に３次元のモデラーといっても実は、主なもので３種類のモデラーが存在する。
一つ目が主に CG など映像関係を中心に使用されている「ポリゴン系」の３次元モデラーである。このタイプのモデラーの特徴は、まるで粘土細工のように形状を作っていくことができるということだ。その形状は三角パッチで形成されている。したがって、あまり正確な形状を記述することは難しいが、キャラクターのように寸法では定義できないような形状をモデリングしたりするのにも向いている。
モデリングの流れとしては、たとえば立方体などのプリミティブな形状を作った後にその形状を制御する点を、動かしながら、またその分割を細かくしてより細かく形状を動かしながら、粘土細工のように形状を整えていく。CG ソフトは非常に高価なものが存在する一方で、シェアウェアなみの価格でありながら、かなり機能の豊富なものも存在している。
二つ目のタイプのモデラーが、「サーフェイスモデラー」と呼ばれるものである。これは形状が NURBS などの数学的な形状で厳密に定義されているものである。主に工業デザインをはじめとする、自由曲面で非常に厳密に表面形状をデザインする必要がある業務で使用されている。自動車のボディーのデザインなどは、まさにハイエンドのサーフェイスモデラーの独壇場である。基本的なモデリングの流れは、特徴となるラインを直線や NURBS の曲線などで定義し、それらを押し出したり、回転させたり、あるいは別の線に沿ってスイープをかけたりしてCHAPTER1

3次元CADを学ぶときのキモ7

ポリゴン

サーフェス

ソリッド曲線はなく、直線で構成された三角面の集合で立体を定義する

曲線と曲面、曲面同士の関係で立体を定義する

サーフェスに加え、裏表情報、体積情報などを持ち、塊りとして立体を定義する

図1

3 次元形状の 3 つの表現形式

面を作成し、物体の形状はそのように物体の面を作りつなぎ合わせながら作っていく流れになる。面の形状の変更は、そのようにして出来上がった NURBS 面のコントロールポイント（制御点）を動かしながら、調整していく。それゆえに、自由に形状を制御するためには、そのような NURBS の特徴も知っておく必要がある。ただし、出来上がった形状を「製品」としてモデリングしていくにはやや難しい面もある。
実際の、製品開発の流れでも工業デザイナーがサーフェイスモデラーで魅力的な形状をデザインし、その形状を受け取った設計者が、ソリッドモデラーを使って製品として設計していくという流れが一般的である。
そして、三つ目がこの本で扱う「ソリッドモデラー」である。ソリッドモデラーは、特に製造業を中心に最も幅広く使われているものである。「ポリゴンモデラー」と「サーフェイスモデラー」が、主として「形状を作る」ことが主たる機能であるが、「ソリッドモデラー」の機能は単に形状を作ることにとどまらない。形状を作り、それらを組み合わせ、製品として仕上げていく、まさに設計のための道具である。機械ものの部品を作っていくには最も適切であるばかりでなく、備わっているさまざまな機能を使うことで、家電製品の筐体などデザイン性が重視される製品のモデリングにも多用されている。特に最近のミッドレンジ以上のソリッドモデラーの場合には、サーフェイスモデリングの機能も成熟してきており、専門のサーフェイスモデラーほどではないにしても、かなり柔軟な自由曲面の形状を作る機能が備わってきている。
さらに作成した形状が実際に製品として壊れずにその役割を果たすことができるのかどうか検討するための解析ツールが備わっているものもある。それらを考えれば、ソリッドモデラーが最も柔軟で、これ一台あれば、形状の検討から実際に製品を設計していくことができるといっても過言ではない。形状の作り方も、やはり前述の二つとは異なる。詳しくは、本書の第２章以降で詳述していくが、スケッチと押し出し（あるいはカット）といったコマンドの繰り返しで物体の形状を仕上げていく。このソリッドモデラー特有のコマンド操作の手順や、なぜそのような手順でモデルを構築していくのかを理解できれば、効率的に、また変更や流用のしやすい３次元形状を作っていくことができる。ソリッドモデラーで作る形状は、その名の通り「ソリッド」と呼ばれる中身の詰まった立体である。サーフェイスだけでも一見したところ同じ形状を作ることができる。しかし、サーフェイスというのは全く厚みのない「形」だけを表現している。ソリッドの場合には、そこに厚みがあり、容積があり、材料の物性を定義すれば、重8SolidWorksさもある。言ってみれば、コンピュータの画面上で表示されている「バーチャルな」物体であり製品であるといえる。このようにバーチャルな製品を作っていくことができるのが、ソリッドモデラーであるといえる。

２次元的考え方と３次元的考え方
最近では、初めから３次元 CAD を習得していくケースも増えてきているが、まだ２次元CAD から３次元 CAD へ移行するというケースも多い。そこで、必ず問題となるのが、２次元のドラフティング的な考え方を３次元 CAD に持ち込み、結果としてうまく使いこなすことができずに、挫折してしまうというパターンだ。最初から３次元であれば、「モデリングツールとはこういうもの」という思い込みがないだけに、このような問題はおきにくい。
２次元の図面である物体を表現しようとすれば、三面図のように、物体をある視点からとらえた側面を記述したり、それで表現しきれないところは、断面図を使って表現する。全体像は投影図などを使って表現する。ポイントは、２次元ではどのような視点から、いくつ図を書いたところで、ある物体の一つの側面しか示していないということである。２次元 CAD を使うという行為は、そのある側面のスケッチを描いていくということに他ならない。そのように２次元 CAD に習熟した人ほど、その２次元の作法を３次元のモデリングの世界に無意識に持ち込んでしまう。
３次元 CAD の場合でも、基本ある部分のスケッチから始まる。しかし、そのスケッチの持つ位置づけが異なっているのだ。３次元 CAD においては、スケッチは簡単なほうがよい。簡単なほうがよい理由はあるのだが、それは後のセッションで説明する。いずれにしてもその３次元モデリングにおけるスケッチで、２次元 CAD から脱却できない人の場合には、ついついスケッチのところでディテールを書き込んでしまうのだ。寸法も含めて詳細に書き込んでしまうことも珍しくない。その結果、なんとか形ができたとしても、モデルの作成そのものにやたらと時間がかかってしまったり、出来上がった形状を変更しようとしても、うまく変更ができず結果としてトータルの設計時間が長くかかってしまうことも珍しくない。

スケッチは単純に、ソリッドのフィーチャーの積み重ねで形状を作る一つの例を取り上げてみよう。図 2 に示すものは、極めてシンプルなコップのような形状である。これを３次元 CAD で作ろうとしたらあなたはどうするであろうか。この形状を作成する方法はいくつかある。

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3次元CADを学ぶときのキモ9図2

コップ形状を作成する

最も標準的なソリッドモデリングの手順で作成すれば、図 3 に示すように、円の スケッチ→ 押し出し → スケッチ → 押し出しカット の４つの手順で出来上がる。

図310

SolidWorks

標準的なソリッドモデリングでの図4

断面をスケッチして回転させる場合

しかし、図 4 に示すような、いわゆる図面のような絵を思い描いていたとしたらどうだろうか。これを思い浮かべているとすると手順はおそらく、図４に示すようにＬ字型のスケッチを描いてからそれを、円の半径で回転させることを思い浮かべるのではないだろうか。実際問題、このようにやっても全く同じ形の形状が出来上がる。だったら、２次元的な頭で考えたやり方で何が悪いのだろうか。
実は、スケッチで形状を作り込むと、後の変更が面倒なのだ。それは、３次元モデルのデータの持ち方による。３次元モデラーの種類にもよるが、一般に市場で最もよく使われているソリッドモデラーの場合には、データの中身としてフィーチャの「履歴」というものを持っている。スケッチは、履歴の中でも最もベースとなるものであり、そこを作りこんでしまうと後で変更をする時などに面倒なことになってしまうのだ。例えば、このコップの側面および底面の厚みを現在の５ミリから 2.5 ミリに変更することを考えてみよう。最初に述べた方法であれば、フィーチャーをクリックして押し出しの深さを変えるだけで変更完了だ。ところが、スケッチを書き込んだ方法だとどうであろうか。まずスケッチに戻って、そこの寸法を変更しなければならない。この程度の形状であれば、大した差ではないかもしれないが、より複雑な形状であればなおのこと、スケッチで作りこんでしまうと面倒になってくる。３次元モデルを作成する
ときはスケッチは単純にして、３次元 CAD としてのフィーチャーを使って、足したり引いたりするような作り方が「ソリッドモデラー」らしい作り方であり、それがモデルを作る時にも変更する時にも苦労が少ないやり方なのである。

3 次元 CAD を学ぶときのハードルの乗り越え方
最近の３次元 CAD は、どのように作ってもそれなりの形状ができたりする。ところが、見た目の形状ができたとしても、ちゃんとした作り方をしていないので後でデータの流用ができなかったり、あるいは２度と変更のできないような形状ができてしまって頭を抱えたりする。
しかし、この問題に対しては、すでに３次元モデリングの多くの先達たちが、設計の観点から意識した、３次元モデラーとして正しいモデリングの手順とはどのようなものかを解説してあるテキストも存在するので、そちらを参照すると良い。

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3次元CADを学ぶときのキモ11ところが、まだその段階に届かないところで、足踏みをしている場合もある。講習会で使い方を学んでは見たのだが、自分なりのオリジナルの形状を作ってみようとするとどうもうまくいかない。あるいはなんとかできるのだが、やたらと時間がかかる。なぜかというと、ユーザインターフェイスに用意されているアイコンやメニュー上のコマンドの意味がよくわからないのだ。２次元 CAD であれば、そのコマンドとそこから生成される形状というのは、ほぼ等価にマッピングされているといってもよいかもしれない。第一、作成される形は基本的にはさまざまな種類の線種があるとはいえ、線やハッチング、それに寸法などだけで形成されている。

設計を意識したモデリングの前に、そもそもコマンドを押したら何が起きるのかを理解する
ところが、３次元モデラーの場合には、言ってみればパソコン上に、バーチャルなものを作る。
すなわち実際に即した本当の形状を作り上げるので、そのための作り方がコマンドになっている。だから、コマンドがそもそもどんな役割を果たしているのか。あるいは、そのコマンドを実行するのにどんなインプットが必要で、それらのインプットに応じてどんな形状が作成されるのか、ということがある程度理解できていないと、思うような形状が作れないのだ。例えば、下記にいくつかの異なるメニューバーを示してみる。最初のものは、おなじみの MS WORDのメニューであり、２番目のものが SolidWorks のスケッチのメニューである。そして最後のものが SolidWorks で３次元の形状を作るためのフィーチャーのメニューだ。
◉ MS WORD のメニュー◉ SolidWorks のスケッチのメニュー◉ SolidWorks の 3 次元形状を作るためのフィーチャーメニュー

WORD のメニューもスケッチのメニューもコマンドの内容が、成果物そのものにひもづいていたり、そうでなかったとしてもその変化が容易に想像がつくものがほとんどある。ところが、フィーチャーのメニューの場合、確かにその行為を代表させるような絵がアイコンとして記されているが、実際にはそこから創りだされる成果物の形状は実に様々である。ソリッドモ
デラーのオペレーションに慣れるまでは、それが主要なわかりにくさの一つである。

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SolidWorks