3Dプリントファイル形式完全ガイド：OBJ、STL、AMF、3MF

テキスト、音楽、画像、3Dモデルなど、あらゆるファイルは数百万ビットで構成されます。これらのビットが持つデータとエンコード方式が、ファイルの性質と形式を決定します。CAD ファイルの形式によって、モデルの幾何形状、材質、テクスチャ、サイズ、色などのデータを含めるかどうかが決まります。

ファイル形式と 3Dプリント

3Dプリンタは層ごとにパーツを造形します。モデルを 3Dプリント用ファイル形式で作成・保存した後、スライシングソフトウェアに送り、ソリッドモデルを多数の薄い水平層に分割する「スライス」処理を行います。スライシングソフトは各層をスキャンし、3Dプリンタがオブジェクトを造形するための移動指示である G コードを生成します。その後、G コードファイルがプリンタに送られます。一部のプリンタには専用スライサーが付属し、3Dプリント用ファイル形式のまま直接送信できます。

CAD ファイルに含まれる情報は造形成功の鍵です。ファイル形式がファイルの持つ情報を決定し、その情報から必要な機械コードが生成されるためです。幾何形状、テクスチャ、色、材質など、プロセスに必要な特定情報は、通常の 3D CAD ファイル形式では必ずしも含まれておらず、3Dプリント専用にエンコードされていません。そのため、3Dプリント専用のファイル形式が必要となります。これらは「3Dプリントファイル形式」と呼ばれます。

また、スライシングソフトは STEP、IPT、SLDPRT などの通常の 3D ファイル形式では動作しません。これらはまず 3Dプリントファイル形式に変換する必要があります。

現在、複数の 3Dプリントファイル形式が使用されていますが、最も普及しているのは STL、OBJ、AMF、3MF です。なぜこれらが普及しているのか？ これらの形式が何であり、何が優れており、互いに、および他の 3Dプリントファイル形式とどう異なるかを以下に説明します。

STL

STL（Standard Tessellation Language）ファイル形式は、3Dプリントファイル形式のパイオニアです。3Dプリントの発明者であるチャック・ハルによって 1987 年に考案されました。30 年以上経った今でも、STL は最も広く使用され、3Dプリントにおける標準ファイル形式と見なされています。これほど長く存在しているため、STL はほとんどの 3D CAD ソフトウェアおよび 3Dプリント関連のソフトウェア・ハードウェアと互換性があります。

STL の重要な特徴の一つは、幾何形状をタイリング（テッセレーション）で保存することです。テッセレーションとは、隙間や重なりなく幾何学図形で表面を覆う（タイリングする）プロセスです。STL ファイルでは、3Dモデルの幾何形状が、モデル表面を覆う多数の三角形によってエンコードされます。

曲面の場合、任意に小さな三角形を大量に使用して表面を覆う必要があります。しかし、モデルで使用する三角形の数が多いほど、ファイルサイズは大きくなります。

STL 3Dプリントファイル形式のもう一つの特徴は、幾何データのみを格納することです。色、テクスチャ、材質など、モデルに関連するその他のデータは含まれません。プリンタが単色・単一材料でしか造形できなかった時代には問題になりませんでした。シンプルな試作であれば今でも問題ないかもしれません。しかし、マルチカラー・マルチマテリアル造形の進歩や、完全に機能する実用オブジェクトの製造に 3Dプリントが用いられるようになった今、STL 形式は時代遅れになりつつあります。

メリット

• 世界中のほぼすべての 3Dプリント関連ハードウェア・ソフトウェアと互換性がある
• 3Dプリントで最も広く使用・共有されているファイル形式。数百万の STL モデルがオンラインで簡単にダウンロード可能

デメリット

• 幾何データのみ格納可能。色、テクスチャ、材質データは含まれない
• ディテールレベルに制限がある。例：曲面は近似される
• ファイル精度を高めるとファイルサイズが大きくなる
• テッセレーションに穴や重なり三角形が生じやすく、エラーが発生しやすい。STL 修復ツールで検出・修正可能だが、時間がかかる
• スケールと単位が指定されない

OBJ

WaveFront Technologies が開発した OBJ ファイル形式は、元々グラフィックデザインで中立的な交換ファイル形式として使用されていました。マルチカラー・マルチマテリアル造形の発展に伴い、3Dプリント業界でも採用されるようになりました。

人気では STL に次ぐ第二位ですが、STL が幾何データのみを格納するのに対し、OBJ は幾何データ、色、テクスチャ、材質データを格納できます。色データは別ファイルの MTL（Material Template）に格納されます。カラー造形を行うには、OBJ ファイルと対応する MTL ファイルをセットで共有する必要があります。

OBJ 3Dプリントファイル形式のもう一つの特徴は、モデルの幾何形状のエンコード方式を選択できることです。三角形だけでなく、ポリゴンや四角形など様々な形状でテッセレーションを作成でき、フリーフォーム曲線・曲面などより高度で精密な手法も使用可能です。これにより、OBJ ファイルは STL より遥かに高精度でモデルを格納できます。

メリット

• データを高精度に格納
• 幾何、色、テクスチャ、材質データを格納

デメリット

• STL ほど普及しておらず、互換性に制限がある
• 大量の複雑なデータを含むため、共有や編集に時間がかかる
• 色とテクスチャデータが別ファイルに分離されている

AMF

AMF（Additive Manufacturing File）3Dプリントファイル形式は、STL のアップデート版と見なされています。2013 年、ASTM（米国材料試験協会）によって積層造形専用に開発され、STL ファイルの制限を克服することを目的としています。

STL と同様に三角形テッセレーションで幾何データを格納しますが、AMF の三角形は曲がることができ、正確なデータ表現が可能です。これにより、曲面を正確に表現するために必要な三角形の数が減り、ファイルサイズが大幅に小さくなります。

また、AMF ファイルは色、テクスチャ、材質、複製、方向、ラティスデータ、メタデータも格納でき、STL より技術的に大きく優れています。

メリット

• モデルに関するあらゆるデータとメタデータを格納可能
• スケールを様々な単位で指定可能
• エラーの可能性が非常に低い
• ファイルサイズが小さい

デメリット

• サポートが限定的
• 採用が遅れている

3MF

AMF ファイル形式の欠点と採用の遅れを分析した後、Autodesk、3D Systems、Stratasys、HP、Microsoft など 3Dプリント業界の大手企業が集まり、「3MF コンソーシアム」を結成しました。この団体が開発した 3MF 3Dプリントファイル形式は、AMF と非常に似ていますが、はるかに広く受け入れられています。

3MF コンソーシアムの業界への影響力と広範な顧客基盤、および 3MF ファイル形式の機能性が、その普及を支えています。

3MF は AMF のすべての技術的特性を備えています。曲面三角形テッセレーションで幾何形状をエンコードし、色、テクスチャ、材質、方向データも格納でき、高精度です。

データはバイナリではなく人間が読める XML 形式で格納されるため、開発と修正が容易です。

3MF ファイルはほぼエラーフリーで、「造形即可能」と見なされ、3Dプリント現場で高く評価されています。

メリット

• 比較的普及しており、数十社と互換性がある
• 幾何データを高精度に格納
• モデルに関するすべてのデータを格納
• すべてのデータ、メタデータ、プロパティを単一アーカイブに格納

デメリット

• 将来的にプロプライエタリ（独自仕様）になる可能性がある

結論

シンプルな幾何形状と単色試作には STL 形式を推奨します。シンプルなパーツをカラーで造形するなら OBJ が適しています。ただし、テクスチャと色データが別ファイルになるため、OBJ ファイルの共有は手間がかかります。3MF と AMF は技術的に最も優れており、モデルのあらゆる情報を格納できます。複雑なマルチパート・マルチカラー・マルチマテリアルオブジェクトに最適です。また、すべてのデータとメタデータがコンパクトな圧縮ファイルにまとめられているため、ファイル共有が容易です。必要なサポートソフトウェアと互換性があれば AMF を、そうでなければより普及しており互換性が高い 3MF を選ぶのが安全です。

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