CAD

CADは、コンピュータ支援設計とも訳され、コンピュータを用いて設計をすること、あるいはコンピュータによる設計支援ツールのこと。人の手によって行われていた設計作業をコンピュータによって支援し、効率を高めるという目的からきた言葉である。

CADを「コンピュータを用いた製図」と解する場合は「computer-assisted/aided drafting}}」、「computer-assisted/aided drawing}}」を指し、同義として扱われることもある。

設計対象や目的によりCADD、CAID、CAADなどと区分される場合もある。

日本での定義としてはJIS B3401に記載があり、「製品の形状、その他の属性データからなるモデルを、コンピュータの内部に作成し解析・処理することによって進める設計」となっている。

3次元の作業の場合でも、数値の精密さの必要がないコンピュータゲームや映画やアニメーションなどの制作関係の事柄については「3DCG」を参照

1. 概要
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CAD自体はコンピュータを使用して設計や製図をするシステムであり、製図作業や図面作成が時間はかかるが正確に処理できること、編集が容易であること、データ化、ソフト間の互換性があること、10年程度の学習期間で技術修得が可能になる等の利点があるとされるが、大きく分けて汎用型と専用型があり、汎用型は図面を模様として細かく描くことを最大の目的とし、あらゆる図面を描くことができる。しかし、積算までは単独ではできない。専用型はある特定の分野における省力化・迅速化を目的としている。

その後、コンピュータ上のデータを下流の生産工程で有効活用するためにCAM、コンピュータ支援検査など、逆に上流で強度や振動などを解析するためにCAEなどの技術が開発提供され、これらを EDPS/MISといった情報処理システムと統合して CIMSという概念に発展した。

CADによって、設計作業においては、以下のように効率化や正確さの向上がなされた。

繰り返し図形をコピーで作れるので効率的に作図可能。また、類似図面の作成が容易
コンピュータが持つデータから寸法を記入するため、単純な寸法ミスを無くせる
設計途中での寸法や面積の測定により、手計算の手間を省ける
設計したデータはプロッターに出力するので、細部まで正確な描画が可能一方、電気系ではプリント基板のパターンを効率良く設計するためのシステムが、半導体産業では集積回路のフォトマスクを設計するためのシステムが開発された。また、電気回路の動作シミュレーションのためのシステムなどを加えて電気系CADの分野が生まれ、後に EDAという言葉が使われるようになった。

市販のCADは一般的に毎年のようにバージョンアップが存在し、その度に高額なライセンス料が発生するため、中小企業にとっては痛手でもある。仮にバージョンアップをしなかった場合、数年後のバージョンでは現在の保存形式がサポートされないなど、かなり強引な販売手法を使う企業も少なからず存在する。また、官公庁や元請けにお墨付きのCADも存在し、下請けはなかなか他のCADに変更できないなどの問題もある。近年では電子納品におけるSXFへのファイル形式統一、Jw_cadやFreeCADのような無償で利用できる汎用CADの登場により多少は緩和されている。

2. CADの種類
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各分野用に各種のCADが用意されている。

機械用CAD
建築用CAD
建築設備用CAD
土木用CAD
電気用CAD
半導体分野 - 半導体回路設計の分野では、単なる形状設計に留まらなくなりEDAと呼ばれることが多い。半導体の製造分野ではTCADという用語があるが、このTは技術を意味する英語「en」で、CADというよりは他の分野におけるCAEの範囲に近い。
その他、熱解析用、電磁波解析用等の専用のCADがある。
服飾デザイン、配管、橋梁などの分野にも専用のCADがある。

2.1. 機械用CAD
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内部的にデータが2次元 で表現されているものを2次元CADと呼び、表示上では、立体を正面図・側面図・平面図等の平面図形として表示・操作する。内部的にデータを3次元 で表現するものを3次元CADと呼び、ディスプレイモニターなどの表示デバイスで陰影などを付け、3次元的に表示・操作する。内部的には2次元プラス高さ情報で表現されて、表示上3次元CADに似た表示をするものを2.5Dと呼ぶ場合がある。

2.1.1. 2次元
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一般的な2次元グラフィックソフトウェアのデータを大別すると、主に線分要素で表示するベクトルデータと、ビットマップ画像で表示するラスタ形式とに分けることができる。作図ソフトとしての2次元CADでは、ごく簡易なものを除いてベクトルデータによる。ベクトルデータは、2次元では始点から終点を示す 、3次元では のような座標値で線分要素を表現する。

2次元CADが機械製図図面の電子化の位置づけであるのに対して、3次元CADでは3次元形状をデータモデルとして正しく表現することが要求される。すなわち対象の頂点や辺、面などの連節を位相構造として表現すること、辺や面に対応する幾何要素の形状が数学的に厳密に定義されていること、その上で立体同士の和、差、積などの集合演算を実施できること、などである。このような3次元CADのデータ構造は境界表現 en と呼ばれる。

2.1.2. 3次元
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3次元CADは、業務で用いる対象と取り扱える形状要素のタイプと価格帯により、ハイエンド、ミッドレンジなどに種類分けされる。

ハイエンドCADでは、自動車・航空機他、強い意匠性が求められる民生品の設計に用いられ、特に自動車の車体・部品はDassault Systems社のCATIA 、PTC社のPTC Creo Parametric 、Siemens PLM Software社のNXの3製品でシェアを寡占している。

ミッドレンジCADでは、家電製品・一般OA製品などの分野で、量産前の試作回数を減らす目的での普及がめざましく、SolidWorks社のSolidWorks、オートデスク社のInventorがシェアの大部分を確保している。また、一方で工作機械・生産設備、専用機など意匠性よりも性能・精度・開発期間が重要視される分野でのミッドレンジCADも普及期に入りつつあり、富士通製のICAD/SXが国産のミッドレンジ3次元CADとして有名である。

近年、ラピッドプロトタイピングである3Dプリンタの小型・低価格が進み、ミッドレンジ3Dプリンタの普及とともに、上記のミッドレンジ3DCADソフトウェアやRobert McNeel & Associates社のRhinoceros 3Dなどの普及が製造業を中心に急速に進み、様々な用途で使われている。

クラウドベースのCADのOnshapeやAutodesk Fusion 360も登場した。

ボーイング777は、史上初めて機体の全設計を3次元機械系CADによって行なったことでも知られている。



2.1.3. クラスAサーフィス
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自動車や航空機などのハイエンドの製品には曲率の連続性を保つクラスAサーフィスが使われている。クラスAサーフィスにはCATIAやSiemens NX、ICEM Surf、Autodesk Aliasなどが対応している。

2.1.4. コンセプトモデリング
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CADで一般的に使われているNURBS曲面でのモデリングには様々な制限が存在しているため、コンセプトモデリングの段階では精度の問題があるものの3DCGで一般的に使われているポリゴンの細分化曲面  が使われることもある。

細分化曲面に対応するCADソフトウェアとしてはAutodesk Alias、CATIA 、PTC Creo 、NX 、Altair Inspire Studio 、Solid Edge 2021以降、Rhinoceros 3D 7以降などが存在する。CADソフトウェアに細分化曲面モデリングを追加するプラグインもある 。

またコンセプトモデリングではMayaなどのアニメーションやシミュレーションの強い3DCGソフトウェアも使われており、3DCGソフトウェア用の細分化曲面からNURBS曲面へと変換するプラグインやソフトウェアも存在している 。

なおNURBS曲面と互換性がありながら細分化曲面のように扱えるT-スプライン曲面も存在しており、これにはFusion 360が対応している 。

2.1.5. リバースエンジニアリング
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Cyborg3D MeshToCAD、QUICKSURFACE、XTract3D などが存在する。

2.1.6. ジェネレーティブデザイン
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トポロジー最適化など。Rhinoceros 3DのGrasshopper、Fusion 360のGenerative Design Extension、Revit 2021以降、PTC Creo 7以降などが存在する。建築と製品の両方に使われている。

2.2. 電気用CAD
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電気用CADでは機械用CADと連携できるものが増えており、Autodesk Inventorとの連携が可能なAutoCAD Electrical、Fusion 360内蔵のElectronics Design機能 、SolidWorksとの連携が可能なSolidWorks Electrical、Solid EdgeアドオンのSolid Edge Wiring & Harness Design  及びSolid Edge PCB Design などが存在する。

2.3. 建築用CAD
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建築分野では、建物や構造物などの建築物の立体を平面図・立面図・断面図、あるいは透視図等の図面として表現し、それにより建築物を製作＝施工していくことになる。技術者の専門領域に応じて、意匠、構造、設備などの図面群が存在し、それらの図面を作成するソフトウェアを建築CADと呼ぶ。図面は設計行為の成果物であるが、建築CADのレベルも製図をするだけのものから、より専門的な検討、解析、シミュレーションなどを含んだ高度なレベルまで存在することになる。

2.3.1. 汎用CAD
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基本機能は機械用CADに準ずるが、建築向けの機能を付加している。Jw_cad、VectorWorks、AutoCAD、DRA-CADなどが日本の建築分野でよく利用されている。 Jw_cadが純粋な2次元CADであるのに対し、VectorWorks、AutoCAD、DRA-CAD等は、3次元モデルを作成するモデリング機能が搭載されている。

導入コストの安さから手軽に利用できる反面、レイヤーや線種等の作図ルールを使用者個人、企業、あるいはプロジェクト毎で自由に決めることが出来てしまうため、後述するBIMに見られるような、建設のライフサイクルや社会資本としての図面データの一元化や再活用に対応できず、結果、全体としての効率や生産性は低い。

==== BIM