積層造形におけるCAD効率の最大化

積層造形（アディティブマニュファクチャリング）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などのコンピュータ支援設計（CAD）スイートで行われ、物理的な生産フェーズ、つまり3Dプリントは、CADファイル（例：SLDPRT）をSTLにエクスポートすることで、3D XMLビューアを備えた3Dプリンタで読み取れるようにすることで促進されます。

しかし、積層造形プロセスの両フェーズには、いくつかの主要なステップがあります。

エンジニアリングチームと製造業者の双方にとって、生産性は設計ツールの有効性、すなわちCADスイートの品質や、異なるCADスイートを使用する関係者と相互運用できる能力に依存します。例えば、ファイル修復やSTLなどの特定のファイル形式を使用する際の技術的問題への対処に費やされる時間は、市場投入までの時間に加算されます。

この記事では、積層造形ライフサイクルにおけるこれらの要因を検討し、アプリケーション開発者と3Dプリンタメーカーがいかに自社製品をソリューションとして位置づけられるかを明らかにします。

CADとは

積層造形であれ削り出し造形（サブトラクティブマニュファクチャリング）であれ、ほぼすべての製品の設計プロセスはCADで始まります。SolidWorksは市場にある多くの人気CADスイートの一つであり、個々のパーツの集合体として、またはシステム全体として製品を設計し、製造に先立ってその設計属性をテストおよび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、ステレオリソグラフィー3DプリンタがCADファイルを読み取れるようにするため、1987年に発表されました。IGESと同様に、STLは現在、3Dプリント業界で広く使用されており、特に、より広範な製品開発プロジェクトの一環として、異なるCADスイートを使用するチームが容易に相互運用できる手段として機能しています。

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エンジニアリングワークフローの理解

設計

エンジニアリングと製品開発のワークフローはCADスイートで始まります。今日、CADユーザーは、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、多数の詳細を組み込むためのさまざまなツールを活用できます。

実際、SolidWorksには、シートメタル、金型、溶接構造、サーフェシングをコア設計作業に組み込むための専門ツールも用意されています。つまり、CAD設計ファイルは、意図した実世界の製品を完全な忠実度で効果的に反映できるのです。

SolidWorksはまた、エンジニアが設計作業にさまざまなアプローチで取り組めるようにしています。例えば、製造しやすさを考慮して設計するエンジニアは、個々のパーツをSLDPRTファイルとして設計・保存・取得し、それらを1つのSLDASMファイルに結合できます（SLDPRTとSLDASMファイルの違いについてはこちらの記事を参照）。

解析

意図した実世界の設計（美観、サーフェスジオメトリ、メカニズム、色、材料など）でCADファイルを設計できることは、設計チームが設計の実現可能性をバーチャルにテストおよび検証する（すなわち物理的なプロトタイピングの前段階で）道を開きます。

解析の品質（シミュレーションと可視化を含む）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ます）。しかし、シミュレーションにより、設計者はコア設計フェーズで設計上の問題を特定および修正することで、プロトタイピングの必要性と物理的テストコストを削減できます。

例えば、SolidWorksの解析ツールは、有限要素法（FEA）を使用し、標準ティアでは静的線形、時間ベースの動き、高サイクル疲労シミュレーションが含まれます。上位ティアでは、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および非線形動的テストを実施できます。

準備

現在のCADスイートでは、物理的なプロトタイピングとテストの段階は、時間と財政リソースの消費の面からは短くなっているはずです。しかし、設計者は一般的に、元のCADファイルをSTLにエクスポートして、3Dプリンタが元の設計ファイルを適切に解釈できるようにする必要があります。

STLへの変換にはメリットと制約があります。一方で、CADで作成された元の設計ファイルを3Dプリントで製造できるようになります。しかし、STLは元の設計の色、テクスチャ、その他の設計要素（メタデータを含む）を読み取りません。

さらに、STLファイルに加えた変更は、CADの元の設計ファイルに自動的に反映されるわけではありません。むしろ、プロセスは一方通行であり、CADに変更を加えて初めてSTLファイルに反映されます。これにより、プロトタイピングプロセスに非効率の層が追加されます（これが、CADで行われるシミュレーションと可視化作業をさらに重要なものにしています）。

最後に、STLファイルでの改良は慎重に行う必要があります。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ことはできますが、STLファイルのサイズが劇的に膨らみ、3Dプリンタで読み取れないほど大きくなるリスクがあります。

プリント

今日、STLの広範な採用と技術的成熟度により、3Dプリントには不可欠なものとなっています。

STLに取って代わるため、3MFコンソーシアム（Spatialの親会社であるDassault Systèmesが創設メンバー）は、積層造形業界に3MFの採用を働きかけています。

新しい形式はASCIIでXMLを使用し、3DプリンタがCAD設計ファイルをフルフィデリティで読み取れるようにします。つまり、元の設計者が意図した色、テクスチャ、その他の設計要素を含めて読み取れます。また、新たな3Dプリント技術に対応できる拡張性と適応性を備えることも意図されています。

しかし、3MFは長期的な要因です。現時点では、STLが依然として積層造形業界で使用されている主要なファイル形式です。3Dプリント分野の人々向けにアプリケーションとハードウェアを開発する人々は、STL処理に対応する必要があります。

なぜ3D InterOpを活用するのか

STLが3Dプリントにおける設計と生産のフェーズを橋渡しする必須要素であることを考えると、エンドユーザーがファイル修復（CADからSTLへ）に費やす時間を最小限に抑えられることが重要です。これはSolidWorksだけでなく、他のCADスイートからの場合も同様です。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、相互運用性は不可欠です。

Spatial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できるようにします。3Dプリンタであれ、さまざまなCADファイル形式を表示するアプリケーションであれ、3D InterOpを使用すれば、積層造形業界のベースライン要件を迅速に製品に搭載できます。

これらの機能は必要ですが、自社で追加しようとすると、市場投入までの時間とコストが増大するだけです。今すぐSpatialにお問い合わせいただき、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の加速に集中させてください。