“デジタル魚拓”を生きたデータに、3Dスキャン後に待つCAD化の壁：リバースエンジニアリングの今を考える【後編】（1/2 ページ）

3Dスキャナーの普及によって、現物を容易にデータ化できる時代になった。しかし、産業用途で本当に使えるリバースエンジニアリングを実現するには、単に形状をスキャンするだけでなく、得られたデータを設計／製造で活用できるCADデータへと変換するプロセスが欠かせない。本特集では前後編の2回にわたり、リバースエンジニアリングの基礎から実務までを解説する。後編となる今回は、スキャンデータがそのままでは使いにくい理由と、設計意図を踏まえたCAD化の考え方を取り上げる。

[落合孝明／モールドテック，MONOist]

　【前編】では、リバースエンジニアリングの入り口となる「3Dスキャナーの特性と選び方、測定のポイント」について解説しました。最新の高性能なスキャナーを使えば、それだけで良いデータが勝手に取れるわけではありません。前回の内容を通じて、“最適な機材と手法”を見極めることの大切さが伝わっていればうれしいです。

　適切に機材と手法を見極め、きれいにスキャンできたとしても、それで完結ではありません。次の壁が待ち受けています。スキャンデータに対しては、次のような声が多く聞かれます。

きれいなスキャンデータが手に入ってCADへ取り込むことはできても、寸法変更やフィーチャー編集ができないし、図面化も難しい！

　これは、スキャンデータとCADデータの違いから生じる問題です。【後編】となる今回は、3Dスキャンしたデータがそのままでは使えない理由と、それを“生きたCADデータ”へと昇華させるデータ処理の手法、そしてリバースエンジニアリングにおける“設計者の思想の読み解き方”について深掘りします。

1．3Dスキャンしたデータが「そのまま使えない」のはなぜか

　3Dスキャナーから出力されるデータは、多くの場合「ポリゴンデータ（STLなど）」や「点群データ」です。画面上では非常にリアルで、今すぐ加工や設計に使えそうに見えます。

　しかし、いざ普段使っている3D CADへ取り込んでみると、次のような問題に直面します。

「面」や「軸」として認識されない

　画面に見えているのは細かな三角形（ポリゴン）の集まりに過ぎません。CAD上で「この円の中心軸を選んで寸法を測る」「この平面をベースにスケッチを描く」といった、通常のCADで行うフィーチャーベースの操作は、そのままではほとんど行えないのです。

データ容量が大き過ぎる

　形状を忠実に再現しようとするほどポリゴン数は数百万〜数千万に膨れ上がり、CAD全体の動作が著しく重くなります。参考までに、図1に示した部品のスキャンデータの容量は250MBでした。

図1　スキャンデータのイメージ［クリックで拡大］

「傷」や「変形」もそのまま取り込んでしまう

　現物の製品は、経年劣化で歪んでいたり、摩耗していたりします。スキャナーは良くも悪くも“ありのまま”を写すため、設計意図通りの理想形状ではなく、製造誤差や使用による摩耗／変形を含んだ実物形状が取得されます。

　つまり、スキャンデータはあくまで形状を写し取った“デジタル魚拓”であり、設計意図や寸法拘束、フィーチャー履歴を持つCADデータとは性質が異なるといえます。

2．リバースエンジニアリングで扱う「3つのデータ形式」

　ここで、リバースエンジニアリングのプロセスを理解するために、扱うデータの種類を整理しておきましょう。データは大きく分けて、以下の3つのステップで進化します。

図2　リバースエンジニアリングで扱う「3つのデータ形式」について［クリックで拡大］

（1）点群（ポイントクラウド）／ポリゴン（メッシュ）

　スキャナーが捉えたXYZの座標値の集まりが点群であり、その点同士をつないだ三角形の集合体がポリゴンです。形状の再現性は高いですが、前述の通り“形状のコピー”にすぎず、CAD上での寸法変更やフィーチャー編集には適していません。

（2）サーフェイス（曲面データ）

　ポリゴンの上をなぞるように「面（パッチ）」を貼り付けたデータです。厚みのない“皮”のような状態で、自由な曲面を表現するのに適しています。

　一方、面だけの状態では閉じた体積を持たないため、質量計算やソリッドを前提とした一部のCAD機能には制約があります。

（3）ソリッド（3次元ソリッドデータ）

　中身が完全に詰まった“塊”としてのデータです。現在の製造業の3D CADで標準的に使われている形式であり、体積や重量の計算、CAEによる強度解析、図面化、加工用CAMデータへの展開など、多くの後工程に活用しやすくなります。

3．点群／ポリゴンを「CADデータ」へ変換する理由

　リバースエンジニアリングの肝は、スキャンした点群データやポリゴンデータから、いかにして高品質な「サーフェイス」や「ソリッド」データを作り出すか、つまりCAD化にあります。

　ここで重要になるのが、「形状追従型のCAD化」と「設計意図を反映したCAD化」の違いです。

図3　ポリゴン、自由曲面、CAD面について［クリックで拡大］

自由曲面（オートサーフェイス）の限界

　自由曲面（オートサーフェイス）とは、専用ソフトを使い、ポリゴン形状に沿って自動的に多数のNURBSパッチを生成する手法です。有機的なデザインや、クレイモデルの形状をそのまま再現する用途には向いています。

　しかし、そのまま自動変換に頼ると、「本来は真っすぐな平面」だった場所も、現物のわずかなうねりやスキャン時のノイズを拾って「微妙に歪んだ自由曲面」になってしまいます。これでは、後から「ここの寸法を2mm変更したい」と思っても、基準となる平面や直線がないため、修正が非常に困難です。

　要するに、寸法で制御する必要があるCADデータとしては使い勝手が悪いのです。

設計意図をくみ取った「しっかりとしたCAD面」の構築

　本当に現場で役立つリバースエンジニアリングとは、スキャンデータをガイドとして参照しながら、「この部品は本来どういう形状であるべきか」をひも解き、CAD上で形状を再構築していく作業です。

測定値は直径49.82mmだが、設計意図としてはΦ50mmのキリの良い数字で作られているはずだ。

この2つの面は、組み立ての基準になるから設計意図に基づいて直角（90度）に補正しよう。

　このように、現物の「エラー（歪みや摩耗）」を排除し、幾何学的に正しいしっかりとしたCAD面に直すことで、初めて図面化や金型設計に耐え得る“生きたデータ”へと生まれ変わります。