構想設計における3Dデータ活用の考え方と求められるシステム要件＜機械設計3DCAD活用本＞

WhitePaper 『構想設計における 3D データ活用の考え方と求められるシステム要件』 製造業における 3D データ活用の現状と課題 昨今、製造業ではDXやニューノーマルといった潮流の中、3D データ活用への関心が高まっている。特 に機械装置の設計領域において、設計品質の向上や手戻りの削減を目的とした 3D データ活用の取り 組みが拡大している。また、取引先から 3D データの提出を求められるケースも増加しており、それに伴い 3DCAD を導入する企業も増えている。 しかしながら、多くの企業が構想段階の設計検討は紙図面や 2DCAD で行っており、干渉確認や解 析などの検証を目的として詳細設計完了後に 3D 化を行う運用に留まっている。この運用形態では、単 純に 3D モデルを作成する分だけ設計工数が増加してしまい、プレゼン資料や納品データ作成のための 限定的な活用にとどまり、3DCAD本来の効果を十分に発揮することができない。 構想段階での 3D活用が困難な理由 現場設計者へのヒアリングによれば、構想段階から 3D 設計を進めたいものの、実現が難しいとの声が 多い。機械装置設計は工程の進行に伴い情報が徐々に確定する特性があり、設計初期には曖昧な部 分と確定部分が混在する。この曖昧さを 3DCAD 上で適切に表現することができず、実務に即していな いと判断されるようだ。 また、実績のある部品やユニットの流用も頻繁に行われるが、配置位置が決まらなければ配置できず、 仕様に合わせて編集しようとするとその都度エラーが発生する。このように、構想段階で必要となる試行 錯誤を 3DCAD上で行うことが困難であるため、多くの設計者が 3D設計を断念している。 図 1 構想段階で 3D活用が困難な場面 構想段階での活用を阻害する技術的要因 以上の問題は、なぜ発生するのだろうか。一般的に3DCADは、部品単位で設計を行い、それらを組 み上げてアセンブリを構築するボトムアップ型の設計手法が主流である。そのため、部品形状が確定しな ければアセンブリを構築することができない。しかし、機械装置は部品点数も多く、すべての部品形状を事 前に決定することは現実的ではない。 また、部品を作成・編集する際には履歴（作成手順）や拘束条件（形状の繋がり関係）を考慮し なければならず、や条件を曖昧な検討が行えない。さらに、後からの編集も履歴や拘束条件の整合性維 1

WhitePaper 持を考慮しなければならず、多大な手間を要する。これらの制約が、機械装置設計における「徐々に確 定させる」手法と相反し、構想段階からの 3D活用を阻害していると考えられる。 図 2 構想段階で発生するシステム上の制約 機械装置設計で求められる 3DCAD とは 機械装置設計を進めるうえでは、設計者の頭の中にある構想をそのまま 3DCAD 上に具現化できる ことが求められる。具体的には以下の機能が必要である。 ＜求められるシステム要件＞ ・ 3D空間上で全体レイアウトを平面的に構想できる ・ 未確定の部分も簡易的な 3D形状で表現できる ・ 過去の設計資産を容易に流用でき、流用後も自由に編集できる ・ 設計の工程に合わせてユニット構成を柔軟に決定・変更できる これらの要件を満たすことで、構想段階における設計者の試行錯誤を支援し、3D データを有効活用 することが可能となる。次項からは、機械装置開発における３つの場面での活用を具体的に記述する。 図 3 2D と 3D を併用した構想設計のイメージ 2

WhitePaper １．構想段階のレイアウト検討 構想段階では、機械装置の全体像を把握しつつ、駆動部等の重要なポイントを作りこんでいく必要が ある。そのため、2D スケッチと簡易 3D モデルの併用が効果的である。 平面的な検討には 2D を用い、空間的な検討には 3D を用いることで、全体と部分の両面から試行 錯誤を行うことができる。構想段階では精密なモデルは不要であり、簡易形状であっても 3D 空間上で 配置位置を検討できる環境が望ましい。さらに、2D スケッチをそのまま活用して 3D 化することができれ ば、設計者の構想を即座に可視化し、新たなアイデア創出にもつながる。 図 4 2D と 3D が混在したレイアウト検討 ２．既存図面の流用と編集 機械装置設計においては、実績のある部品やユニットを流用する場面が多く存在する。そのため、過去 の設計資産を容易に活用できることも、3DCAD の要件として重要である。 例えば、過去に作成したモデルを検索・比較し、仕様にあったユニットはどちらなのかを試しに配置して確 認する。また、3D モデルが無い場合 2D 図面から必要なユニットや部品をすぐに 3D 化して活用するな ど、必要な時に必要なデータを流用することができれば、蓄積された資産を最大限に有効活用することが できる。 流用時には形状のみならず、材質・動作情報・製造情報といった属性情報も流用することで、再設定 の手間をなくし、設計効率を更に高めることが可能である。加えて、各種部品メーカーの WEB サイトから ダウンロードしたモデルデータや取引先からの別 CAD で作成されたデータも変換してすぐに活用することが できれば、さらに検討速度は向上する。 機械装置や設備は一品一様であることが多いため、ワーク形状や仕様に合わせ、流用するユニットに も設計変更が必要となる。そのため、流用後の編集に制約がなく、容易に設計変更を反映できることも 求められる。 3

WhitePaper 図 5 あらゆるデータを自由に流用 ３．構成検討と階層編集 機械装置設計では形状に合わせて、構成も徐々に確定させていくのが一般的である。設計前から構 成を決めておくのは難しく、組み立てや分担設計に必要な単位に合わせ、徐々に構成が決まっていく。 したがって求められる CAD 要件として、階層化しないベタな状態で検討を進め、必要なタイミングで分 解・ツリー化する等、柔軟に構成を検討できる仕様が望まれる。さらに、設計変更時にはその構造を容易 に再編集できることも不可欠であり、設計工程に合わせた構成変更の自由度が設計効率と品質の両立 を支える要件となる。 図 6 設計工程に合わせた構成変更 3D データへ設計情報を蓄積し、ものづくり全体で使い倒す 構想段階から 3D 設計を行うメリットは、設計工数の削減だけではない。様々な設計情報を 3D モデ ルに蓄積し活用することで、ものづくり全体の品質向上に貢献する。具体例としては以下のとおりである。 4

WhitePaper ＜3D データの”活用”によるメリット＞ ・ 構想DR（デザインレビュー）時の形状情報活用による認識齟齬の防止 ・ 材質・穴情報等の活用による製図・部品リスト作成の効率化 ・ 動作情報と制御データの連携による実機レスデバッグの実現 ・ 現場における視覚的な構造理解支援と、図面読解負担の軽減 このように、3D データの活用は設計から製造、保守に至るまで、ものづくりの各工程における工数削減 と品質向上を実現し、製造業全体の競争力強化につながるものである。 図 7 3D データ活用の場面とメリット まとめ 本資料では、『構想設計における 3D データ活用の考え方と求められるシステム要件』と題し、構想段 階での 3D データ活用を実現するために必要なシステム要件について解説した。まとめると、以下のような 設計環境が必要であると紹介した。 ＜構想段階で求められる 3DCAD のシステム要件＞ ・ 構想段階での曖昧な情報を 2D と 3D併用して表現できる ・ 流用データの柔軟な活用と変更のしやすさ ・ 設計工程に合わせた構成変更の柔軟性 ・ 蓄積した情報を製造現場などの他部門へと流通できる 本資料が、機械装置設計に携わる方の情報収集にご活用いただければ幸いである。 5