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ソリッドモデリングとは?3Dモデルの基礎知識と表現方法

2019年09月02日(月) 更新

3DCADで設計を行う際に重要なポイントとなるソリッドモデリング。製品や金型の設計を効率良く行うためには、その特徴や表現方法について把握する必要があります。ただ、3DCADにおけるモデルには、サーフェスモデルやワイヤーフレームモデルなどさまざまな種類があるため、特性を理解しづらいと感じる人も多いのではないでしょうか。ここでは、ソリッドモデルの特徴をその他の3Dモデルと合わせてご紹介します。

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ソリッドモデリングとは

3Dモデルとモデリング

3Dモデルとは、3DCADを用いて作成された立体的なモデルデータをいいます。実物があるわけではなく、仮想空間に作成されたデータは、実物と同様に3Dモデルの部品同士を組み合わせてシミュレーションが可能です。また、3DCADを用いて立体的な3Dの形状を作ることをモデリングといいます。

ソリッドモデリングの意味

3Dモデルを構築するためのオブジェクトには、サーフェスモデルやワイヤーフレームモデル、メッシュモデルなどいくつかベースがあります。その中で、3DCADにおいて主に使用されている方法がソリッドモデルです。これらのモデルは設計する製品や部品のデザイン、また制作段階によって使い分けられます。また、3DCADでソリッドモデルを作ることを、ソリッドモデリングといいます。

現在、主流のソリッドモデルにはどのような特徴があるのでしょうか。サーフェスモデルとワイヤーフレームモデルと比較しながらご紹介します。

ソリッドモデル・サーフェスモデル・ワイヤーフレームモデルの特徴

ここでは、3つのタイプのモデリング方法について説明します。

ソリッドモデルの特徴

ソリッドモデルが他よりも優れているポイントは、内部に情報を持った3次元構造ということです。例えば、サーフェスモデルで立体的な直方体を製図したとします。その場合、表面的にはしっかり箱に見えても、実際には空洞です。一方、ソリッドモデルではその箱に体積を持たせられます。つまり、よりリアルな実物を3次元上に再現できるということです。

頂点、線、面で構成されるソリッドモデルは曲面が多い形状には適さず、円柱や立方体など単純な形状の作成に向いています。

・メリット

ソリッドモデルとして作成したモデルは内部情報を持っているため、体積の計算や重心の位置を特定できます。材料費の計算には体積が必要であったり、車体の振動には重心が大きく関係したりと、質量を持っていることは3DCADにおいて大きなメリットです。また、モデリングした部品の干渉も可能です。さらに、3Dモデルを切断したり繋げたりと実物同様に扱えるため、よりリアルに検証を行えます。

2Dで設計していたころは、試作品を作った段階で不備に気づいていましたが、3D上で検証できるため、最終的に製作コストを抑えることにもつながるのです。

・デメリット

ソリッドモデルはデータ量が大きいため、パソコン上での処理に時間がかかってしまいます。そのため、ゲームや動画分野で使われるケースは少ないです。また、ソリッドモデルは3次元における表示に関しては優れていますが、複雑な形状を設計することは向いていません。

サーフェスモデルの特徴

サーフェスモデルは面の集合体によって形成される3Dモデルです。あくまで面情報が集まっているだけですので、モデルは内部情報を持ちません。例えば、サーフェスモデルで立方体を作成した場合、6つの面がつながっているだけで、中身は空っぽの箱です。ただ、サーフェスモデルで作成したものは、厚みを付加したり、複数のサーフェスモデルを組み合わせたりすることで、ソリッドモデルに変換することが可能です。

例えば、面の境界をつなぎ合わせ、隙間のない物体を作ります。その状態では空っぽの設計ですが、完全に閉じた空間部をソリッドにデータ変換できるため、ソリッドモデルを定義するための手段としても用いられます。また、ソリッドとサーフェスの中間であるシートソリッドと表現もあります。

・主なメリット

サーフェスモデルでは複雑な形状をしたモデルの設計や編集が可能です。自動車のボディーのような自由局面の作成も問題ありません。また、3DCADのソフトにもよりますが、作成したモデルをソリッドモデルにする変換機能を持っています。つまり、複雑な形状であってもソリッドモデルとして作成できるということです。

・主なデメリット

サーフェスモデルは、面にのみによって構成されているため、内部情報を持ちません。そのため、体積の計算はできません。また、部品同士の干渉のチェックも行えないため、サーフェスモデルだけを使用して何かを作成することも基本的にありません。実務上では、機器に使われる部品の作成過程で用いることが一般的です。

複雑な形状でも作成できるサーフェスモデルで部品を作り、モデルができたらソリッドモデルに変換し、干渉や検証を行います。このように、モデル間を行き来することで機器や製品を作っていきます。また、サーフェスモデルのボディーは、足したり引いたりする計算はできませんが、シートソリッドであれば可能です。その際は、法線の向きが重要になります。

ワイヤーフレームモデルの特徴

ワイヤーフレームモデルでは頂点と線のみで立体形状を表現します。例えば、このモデルで立方体を作成する場合、頂点を結ぶ線だけがある状態です。そのため、内部情報を持たず質量や体積の計算はできません。ただ、構成する要素が少ない分、データ量も少なく、表示速度が他のモデルよりも早いです。

3DCADにおいて、ワイヤーフレームモデルは製作過程で利用されます。設計する際、初めから面を作るのではなく、中心の軸となる線から書きます。その線をワイヤーフレームモデルで作成するのです。そして、パイプのような軸ができたら肉付けする形で製作を進めます。

ソリッドモデリングにおすすめのシステム

製品名:SOLIDWORKS

主な特徴:SOLIDWORKSの特徴は複雑な形状を簡単な操作で作成できる点です。図面の知識がそれほどない初心者でも操作は可能です。提供されているソリッドモデリングのCADとしては代表格ともいえ、ミッドレンジクラスの3DCADでは4割以上のシェアとなっています。また、ユーザーの声にも耳を傾け、今でも改良が進められています。

作成例:まず、スケッチ機能で作図し、そのスケッチに対して押し出しすることで、フィーチャに基づきソリッドを作成できます。また、ソリッドを作成する際、複数のスケッチを使うことも可能です。

モデルごとの特徴を押さえて3DCADを行おう

3DCADで用いられるソリッドモデルは体積を持つため、3次元上で部品の干渉や検証が行うことができ、結果的にスムーズに製作を行えます。しかし、複雑な形状を製作することには向いておらず、データ容量も大きいです。複雑な形状を製作する際は、サーフェスモデルなど別のモデルで作ってからソリッドモデルに変換することが対応しましょう。このように、モデルによって特徴や利点は異なるため、目的に応じて使いこなすことで、3DCADでの製図を効果的に行えます。

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