近年の機械設計の現場において、3D CADは欠かせないツールとなっています。かつては2D図面で設計を行い、その後に3Dへと展開する「図面主体」のアプローチが主流でしたが、現在では設計者が直接3Dモデルを作成し、そのデータを解析・製造・検査といった下流工程に活用する「3Dデータ主体」のアプローチへと移行しています。
「3Dモデルを作る」と言っても、その機能と手法は多岐にわたります。立体のかたまりを扱うソリッドモデリング、自由曲面を扱うサーフェスモデリング、寸法や履歴をベースにしたパラメトリックモデリング、そして直感的な編集を可能にするダイレクトモデリングがあり、それぞれに特徴と強みがあります。
3D CADを使用する設計者は、特徴と強みを理解し、設計対象によって使い分ける必要があります。今回は基本的な3Dモデリング機能と手法を解説しつつ、現場での活用シーンやメリット・デメリットを紹介します。設計者にとって「どのモデリングを選ぶべきか」を考える一助となれば幸いです。
3Dモデルの表現方法とモデリング機能
ワイヤフレーム
ワイヤフレームは、「点」と「線」で3次元の形状を表現します。データ構造が非常にシンプルなため、演算処理や描画が速いという特徴があります。一方、デメリットとしては、形状の面や中身の情報を持たないので、形状の認識がしづらいという点が挙げられます。
また、ワイヤフレームは、サーフェスやソリッドの3Dモデルを作る際に使われることもあります。ワイヤフレームを作り、それに沿わせてサーフェスを作ったり、要素をつないでふさぐことでソリッドを作ったりします。
3D CAD「ZW3D」のワイヤフレーム機能のメニュー例
サーフェス
ワイヤフレームで閉じた領域を「面」で表現したものがサーフェスです。ソリッドでは処理できないような複雑な形状のモデルを作るのに向いています。例えば、自動車のボディのような滑らかな曲面で構成された形状を作成できます。ただし、サーフェスは厚みを持たない面で構成された立体であり、体積情報を持ちませんので、最終的には厚みを付けたり、中身を閉じたりしてソリッドに変換して使用されます。
3D CAD「ZW3D」のサーフェス機能のメニュー例
ソリッド
サーフェス（面）で閉じられた領域に、中身の詰まった体積情報を持った立体がソリッドです。立体の内外を区別する情報を持つため、断面図、物体同士の干渉、体積、質量などを求めることができます。
3D CAD「ZW3D」のソリッド（シェープ）機能のメニュー例
コンピュータ上での立体表現の変遷としては、1970年代の初期にワイヤフレームで表現されるようになり、その後、1980年代にサーフェスでの表現が登場しました。そして、1990年代にソリッドで表現可能な3D CADが普及し始め、今では3つ全ての表現ができる3D CADが主流となっています。また、最近では、立体を三角面などのパッチの集合体で表現するポリゴン（メッシュ）を扱える3D CADも増えてきています。
通常、3D CADでメカ設計を始めた際は、主に「ソリッドモデリング」を行い、機械部品を設計するかと思います。しかし、直線ではなく曲線があるデザイン形状を作ろうとした場合、ソリッドモデリングでは限界があり、サーフェスモデリングを行う必要があります。
| ソリッド | サーフェス | |
| 概要 | 中身が詰まったモデル | 面の集合体 |
| 用途 | 角柱や平らな物の形状作成に 向いている | 面を１つずつ構築したい際に 向いている |
| メリット | 体積・質量計算が可能 干渉チェックが可能 | ソリッドでは不可能な曲面作成が可能で部分的な面の作成・修正が可能 |
| デメリット | 部分的に面の作成・修正が苦手 | 体積・質量が計算できない |
主要な3Dモデリング手法
パラメトリックモデリング
形状を数値や拘束条件によって定義し、その作成過程を履歴として記録する手法です。これにより、後からパラメーター（数値）を変更することで、関連する3Dモデルの形状を連動させて修正することができます。3Dモデルに「設計意図」を残すことができ、設計ルールを崩さずに変更を行うことができます。
3D CAD「ZW3D」パラメトリックモデリングでの作業履歴の例
パラメトリックモデリングは、設計変更への柔軟さやバリエーション展開のしやすさがパラメトリックの大きな強みですが、パラメーター設定や作成手順、履歴を上手く作成できないとエラーが起きてしまうことがあるため、設計者にとってデータが扱いづらくなるケースもあります。
ダイレクトモデリング
形状そのものを直接編集する手法です。フィーチャーの履歴や拘束条件を参照せず、面や稜線を選んで押し出したり移動させたり、直感的に操作できるのが特徴です。履歴のないモデルでも、必要な部分を直接変更できるため、外部から受け取ったSTEPやIGESといった中間ファイルを修正する場面では大きな力を発揮します。ただし、寸法の関連付けや設計意図が保持されにくいため、大規模な設計変更には不向きであり、同じ部品を規格展開するような作業には適していません。
3D CAD「ZW3D」ダイレクト編集（DE）機能のメニューと使用している画面例
パラメトリックモデリングは「設計意図を保持しながら変更に強いモデルを作る」ことを得意とし、量産品や規格化された製品設計に適しています。一方、ダイレクトモデリングは「直感的に素早く形状を変える」ことを得意とし、外部データの修正やコンセプト検討の場面で有効です。
| パラメトリック | ダイレクト |
 |
 |
| モデルを作成した際に定義したパラメータを変更して形状を再定義する。 | 修正したい箇所を直接、移動・回転などの操作で変更する。 |
| 履歴の作成は難しいが、うまく作成すれば修正が早い。 | 修正はとりあえず簡単だが、修正箇所が多い場合には、修正に時間がかかる。 |
設計現場ではこの2つの手法を状況に応じて使い分け、両者を組み合わせたハイブリッドな運用が進んでおり、設計者は自らの目的に応じて最適な手法を選択することが求められています。
設計から製造まで統合型3Dプラットフォーム「ZW3D」
ZW3Dは、今回ご紹介した３つのモデリング機能と２つの手法の両方を使用することができます。
ZW3Dの大きな特徴は、ソリッドとサーフェスをシームレスに統合した「ハイブリッドモデリング」を標準で備えている点にあります。ソリッドで基本形状を構築しながら、必要に応じてサーフェスで自由曲面を滑らかに仕上げることができるため、機能性とデザイン性を両立した製品設計に力を発揮します。
ZW3Dのサーフェス機能を使用して面を作成している画面例
さらに、パラメトリックモデリングとダイレクトモデリングの両立も大きな魅力です。設計段階では寸法や拘束条件を与えて3Dモデルに設計意図を入れ、設計変更に強いパラメトリック手法を活用できます。一方で、外部から受け取った中間ファイルの修正やコンセプト検討といった場面では、履歴にとらわれず直感的に形状を編集できるダイレクトモデリングが有効です。ZW3Dでは両方の機能を利用できるため、設計の初期から最終段階までスムーズに対応できます。
ZW3Dのダイレクト編集（DE）機能を使用している画面例
加えて、ZW3DはCADとCAMが統合されている点も特筆すべき強みです。設計した3Dモデルをそのまま加工データに展開でき、金型設計やNCプログラムの生成まで一貫して行えます。この統合環境により、設計から製造へのデータの橋渡しがシンプルになり、従来、生じやすかった手戻りを減らすことができます。
ZW3DのCAMの操作画面例
総じてZW3Dは、ソリッド・サーフェス・パラメトリック・ダイレクトといった多様なモデリング手法を柔軟に使い分けられる点で、現場の幅広い要求に応えるツールといえます。設計の自由度と実用性を兼ね備え、さらに製造工程までシームレスにつなげることができるZW3Dは、まさに「オールインワンのものづくりプラットフォーム」としてオススメです。
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筆者プロフィール（小原照記 おばらてるき）
いわてデジタルエンジニア育成センターのセンター長、3次元設計能力検定協会の理事長も務める。3D CADを中心とした講習会を小学生から大人まで幅広い世代の人に行い、3Dデータを活用できる人材を増やす活動や企業へ技術的なサポート支援もしている。WEBブログやSNS、YouTubeを「テルえもん」という名前で情報発信中。