アディティブ・マニュファクチュアリング・プロセスにおけるCADの活用法

アディティブ・マニュファクチャリング（積層造形）の主なフェーズは、設計と製造プロセスです。実際には、設計作業はSolidWorksなどのCAD（コンピュータ支援設計）スイートで行い、物理的な製造段階、すなわち3Dプリントは、CADファイル（SLDPRTなど）を3D XMLビューアを備えた3Dプリンタで読めるフォーマットであるSTLにエクスポートすることで容易になります。

しかし、積層造形プロセスには、どちらの段階にもいくつかの大きなステップがあります。

エンジニアリングチームやメーカーにとって、生産性は設計ツールの有効性に左右されます。それは、CADスイートの品質や、異なるCADスイートを使用している相手との相互運用性などです。例えば、ファイルヒーリングにかかる時間や、特定のファイルフォーマット（STLなど）を使用する際の技術的な問題を回避するための時間は、市場投入までの時間に加算されます。

この記事では、積層造形のライフサイクルにおけるこれらの要因を検証し、アプリケーション開発者や3Dプリンタメーカーが自社製品をどのようにソリューションとして位置づけられるかを紹介します。

CADとは?

アディティブ・マニュファクチャリング、あるいは切削加工のようなサブトラクティブ・マニュファクチャリングのいずれにおいても、ほとんどの製品の設計プロセスはCADから始まります。SolidWorksは、市場で人気のある数多くのCADスイートの中の1つで、個々の部品の集合体であれ、システム全体であれ、製品を設計し、製造前にその設計属性をテストして検証するために使用されます。

STLとは?

STL（STereoLithographyまたはStandard Tessellation Languageの略）は、1987年に光造形方式の3DプリンタがCADファイルを読み込めるようにするために開発されました。IGESと同様に、STLも3Dプリント業界で広く使われており、特に製品開発プロジェクトの一環として、異なるCADスイートを持つチーム間で容易に相互運用できるようにする手段として使われています。

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Understanding the Engineering Workflow

設計

エンジニアリングと製品開発のワークフローは、CADスイートから始まります。現在、CADユーザーは、さまざまなツールを活用して、3Dでオブジェクトを設計するだけでなく、色、テクスチャ、その他の設計要素などの多数の詳細を組み込むことができます。

実際、SolidWorksでは、板金、金型、溶接、サーフェシングなどをコアな設計作業に組み込むための専門ツールも提供しています。言い換えれば、CADの設計ファイルは、意図した実世界の製品を完全な忠実さで効果的に反映させることができます。

また、SolidWorksは、エンジニアがさまざまな方法で設計作業に取り組めるようにします。例えば、製造性を考慮して設計するエンジニアは、個々の部品をSLDPRTファイルとして設計、保存、検索し、それらのSLDPRTファイルを1つのSLDASMファイルにまとめることができます（SLDPRTファイルとSLDASMファイルの違いについては、こちらの記事を参照してください）。

解析

美観、サーフェスジオメトリ、力学、色、素材など、意図した実世界のデザインをCADファイルで設計できるようになったことで、設計チームはデザインの実現性をバーチャルに（つまり物理的な試作の前に）テストし、検証することができるようになりました。

もちろん、シミュレーションやビジュアライゼーションを含む解析の質は、CADスイートが提供する機能に依存します（SolidWorksにはこれらの機能が含まれています）。しかし、シミュレーションによって、設計者はコアデザインの段階で設計上の問題を特定し、修正することで、試作品の作成や物理的なテストのコストを削減することができます。

例えば、有限要素法（FEA）を採用しているSolidWorksの解析ツールでは、標準レベルで静的な線形、時間ベースの動き、高サイクル疲労のシミュレーションを行うことができます。さらに上位の階層では、エンジニアは設計の耐久性、トポロジー、固有振動数を決定し、さまざまな非線形静的試験や非線形動的試験を行うことができます。

準備

現在のCADスイートの利用により、物理的なプロトタイピングとテストの段階は、時間とコストの消費が少なくなるはずです。しかし、3Dプリンターがオリジナルのデザインファイルを適切に解釈するためには、設計者は通常、オリジナルのCADファイルをSTLにエクスポートする必要があります。.

STLへの変換には、利点と制約があります。一方で、CADで作成されたオリジナルのデザインファイルを3Dプリントで製造できることは確かです。ただし、STLは、元のデザインの色、テクスチャ、およびその他のデザイン要素（メタデータを含む）を読み取りません。

さらに、STLファイルに加えられた変更は、自動的にCADの元の設計ファイルに反映されるわけではなく、STLファイルを反映させるためには、CADに変更を加えなければならないという一面もあります。これでは、プロトタイピングのプロセスが非効率になってしまいます（その分、CADで行うシミュレーションやビジュアライゼーションの作業が重要になります）。

最後に、STLファイルを使った微細化は慎重に行わなければなりません。STLファイルをASCIIでエンコードし、三角形の数を増やして粗さを減らす作業をすることもできますが、STLファイルのサイズが大幅に膨らみ、3Dプリンタが読めないほどの大きさになってしまう危険性があります。

プリンティング

現在、STLは広く普及しており、技術的にも成熟しているため、3Dプリントには必要不可欠なものとなっています。

STLに取って代わるために、3MFコンソーシアム（スペイシャルの親会社であるダッソー・システムズDassault Systèmesが設立メンバー）は、付加製造業が3MFを採用することを目指しています。

この新しいフォーマットは、ASCIIをXMLに変換したもので、3DプリンターがCADデザインファイルを、設計者が意図した色やテクスチャーなどのデザイン要素を忠実に再現して読み取ることができます。また、拡張性があり、新しい3Dプリント技術にも対応できるようになっています。

しかし、3MFは長期的な要素を含んでいます。現在、積層造形業界では、STLがまだ主流のファイルフォーマットとして使用されています。3Dプリンティング分野のアプリケーションやハードウェアを開発する人は、STLの取り扱いに対応する必要があります。

3D interopを活用する理由

STLは、3Dプリントの設計と製造の橋渡しに不可欠な要素であり、エンドユーザーは、SolidWorksや他のCADスイートからのファイルヒーリング（CADからSTLへの変換）にかかる時間を最小限に抑えることが重要です。実際、すべてのエンジニアリングワークフローがSolidWorksを使用しているわけではないため、相互運用性が不可欠です。

スペイシャルの3D InterOpソフトウェア開発キット（SDK）は、アプリケーション開発者が積層造形企業向けの製品に相互運用性を統合するためのものです。3D InterOpは、3Dプリンタであれ、異なるCADファイル・フォーマットを閲覧するためのアプリケーションであれ、積層造形業界の基本的な要件を備えた製品を迅速に提供することができます。

これらの機能を必要としている場合、ご自分で追加することは可能ですが、それは単に市場投入までの時間とコストを増加させるだけです。スペイシャルにお問い合わせいただければ、これらのコモディティ機能を迅速に統合し、限られたビジネス・リソースを差別化と市場投入までの時間短縮に集中させることができます。