3Dスキャンと3Dプリントをリバースエンジニアリングに活用する方法

リバースエンジニアリングは、物理的な部品からデジタルデザインを作成できる強力な手法です。3Dスキャンや3Dプリントなどの技術とともにプロトタイピング工程に組み込むことで、設計プロセスを大幅に効率化できます。

3Dスキャナーは、複雑な形状のオブジェクトも高速に測定可能なため、実物を見ながら作業する場合と比べて設計ワークフローが飛躍的にスピードアップします。物理的な形状をデータとして取得・修正できるので、既存の製品にぴったりフィットする3Dプリントパーツをデザインすることが可能です。例えば、3Dプリント製の治具などの場合はドリルやのこぎりの位置決めを繰り返し行う手間がなくなり、接着剤で部品を正確に組み立てることができます。また、ブラスト処理や塗装、エッチングで使う繰り返し利用可能なマスキングも簡単に製作できます。

この記事では、デジタルゲージのアフターマーケット品を例に、リバースエンジニアリングのプロセスをステップごとに解説します。CADソフトウェアから3Dスキャナー、光造形3Dプリンタまで、リバースエンジニアリングで必要なツールの使い方のヒントも交えながら、3Dプリント用に部品をスキャンする方法を解説します。

3Dスキャンのワークフローと技術の詳細な解説については、Formlabsの技術資料をダウンロードしてご確認ください。

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工業品質の3Dプリンタに適した3Dスキャナーをお探しの場合は、3Dプリンタと3Dスキャナーの最適な選び方に関する詳細なガイドもご確認ください。

メッシュとソリッド：物理からデジタルへ

物理的なオブジェクトをデジタル化する際、多くの人が直面する最大の課題の一つは、メッシュとソリッドという2種類の3Dモデルの間に互換性がないことです。

3Dスキャナーから出力されるのは「メッシュ」であり、構造的な「ソリッド」モデルではない。メッシュを編集可能な状態にするためにはリバースエンジニアリングが必要。

3Dスキャナーが出力するのはメッシュであり、3Dプリンタが一般的に理解できる形式（STL）です。メッシュは、多数の三角形を辺でつないで形状の表面を表現したもので、形状を定義する三角形の位置以外にオブジェクトに関する情報は含まれていません。

一方、エンジニアが作業するモ形式はソリッドモデルと呼ばれ、オブジェクトがどのように設計されているのかがわかる情報を保持します。この情報は論理的ステップの「スタック」としてモデルにエンコードされており、ソリッドCADでは1つの寸法を変更すると他の部分もその変更を反映する形で更新されます。

メッシュは対象オブジェクトの構造情報を持たないため、編集可能な範囲が限られています。実際、SolidWorksやOnshapeなどのCADソフトウェアでは、メッシュを直接修正することはできません。そのため、スキャンした部品の設計を大幅に変更する場合、メッシュをソリッドCAD図面に変換する必要があります。これがリバースエンジニアリングのプロセスです。

3Dプリント用にオブジェクトをスキャンする方法：リバースエンジニアリングのワークフロー

リバースエンジニアリングは、古い設計データを参照または組み込んで新しい部品を開発したいが、元のCADデータが手に入らないというような場合に重宝します。

例えば、既存部品が破損したため交換部品の製作が必要になったり、既存オブジェクトの複雑な表面を3Dプリント製の治具に組み入れたい場合などに実現が可能になり、大量生産品や手作りの品を修正したい場合に便利です。

ここでは、Volkswagen Golfのエアベントに取り付けるデジタルゲージのアフターマーケット品の組立治具を製作するプロセスを例に、リバースエンジニアリングの基本的な手順をご紹介します。

スキャン対象オブジェクトの準備

スキャン精度を向上させるため、対象オブジェクトに一時的にマットパウダーをスプレーします。わずかな光沢でもスキャン品質が低下する傾向があるため、反射面や透明な表面はマットコーティングなしではスキャンできません。

スキャン精度を上げるため、対象オブジェクトに一時的な艶消しパウダーを吹き付ける。

2. オブジェクトの3Dスキャン

高精度の3Dスキャナーを使用して、部品の重要な部分をキャプチャします。±100μm以上の精度を持つ卓上型の構造化光法またはレーザー式スキャナーが最適です。

お使いの用途に適した3Dスキャナーの選び方については、Formlabsの3Dスキャンに関する技術資料をご覧ください。

注：オブジェクトに深いくぼみがある場合、向きを変えて何度かスキャンする必要があるかもしれません。

3. メッシュのリファイン

一部のスキャナーは出力するメッシュファイルのサイズが非常に大きく、後の工程で処理が遅くなる可能性があります。

スキャナーソフトウェアでスキャンデータの小さな隙間を修復し、簡素化してCADでのデータ処理を容易にします。重要なディテールは残しながら、モデルをできるだけシンプルにしましょう。

ヒント：さらに微調整が必要な場合、Meshmixerはスキャンしたメッシュの最適化に便利なツールです。

4. メッシュをCADにインポート

リバースエンジニアリングツールを搭載したCADソフトウェアにメッシュを取り込みます。Geomagic for SolidWorksは、複雑で有機的な形状の再サーフェシングに最適なツールです。

もっと単純で平面の多い部品をリバースエンジニアリングする場合は、より手頃で軽量なXtract3Dが良い代替ツールとなるでしょう。

このステップでは、スキャンしたメッシュを移動・回転させ、既存のデザインコンポーネントと整列させます。

ヒント：スキャンデータを回転・位置合わせして正投影図の方向に向けると、描画が容易になります。

5. 重要な面を抽出

編集可能なソリッドモデルを作成するために、スキャンの形状を抽出する必要があります。この方法には、半自動サーフェシング、自動サーフェシング、そして手動再描画の3つがあります。

半自動サーフェシング
複雑な曲面を手動で描くのは難しいため、半自動サーフェシングを使用します。これは、スキャンで検出された領域にフィットするサーフェスを生成する機能です。サーフェス検出機能の感度を変えることで、他とは異なるサーフェスを検出できます。

ヒント：Geomagic for SolidWorksは、スキャンのサーフェスを検出して3Dカーブにフィットさせます。「ブラシ」ツールを使うと、各領域のスキャン部分を手動で追加または削除できます。

すべてのサーフェスを検出するためには、感度設定を変えてこのプロセスを数回繰り返す必要があるかもしれません。検出したサーフェスをトリムして結合し、編集可能なソリッドを作成します。

後でできる限り多くの編集を行いたい場合やシャープなエッジの精度が重要になる場合は、半自動サーフェシングを使用して曲線形状を再現します。

再表面加工した結果（トリミング後）。

自動サーフェシング

自動サーフェシングは、あらゆる水密スキャンからソリッドモデルを生成します。自動サーフェシングで生成されたボディに対して、標準的なCADツールで加算や減算を行うことはできますが、ボディ上で基本的なフィーチャーを動かすのは難しくなります。

エッジの配置を細かく制御する必要がない場合もあります。例えば人体の一部をスキャンして人間工学的なカスタム製品を作成する場合や、手作りのオブジェクトを精密かつ繰り返し修正するための治具を作成したい場合、自動サーフェシングはモデリング時間を節約するのに最適です。

注：自動サーフェシングと半自動サーフェシングの結果を比較すると、特にシャープなエッジ周辺で精度が低下することがあります。

手動での再描画

特にボス、穴、ポケットなどの単純なフィーチャーは、スキャンモデルを参照しながら再描画するのが最も速く、正確です。リバースエンジニアリングソフトウェアでは、スキャンデータの平面サーフェスに沿ってスケッチ平面を作成したり、スキャンメッシュから断面を抽出して元のオブジェクトの形状に合わせることができます。

6. 新しいオブジェクトを統合

スキャンデータをソリッドに変換したら、別のソリッドボディから減算して元の部品をしっかり保持する治具を作成します。

新しいゲージコンポーネントのデザインも、半自動サーフェシングで抽出されたカーブを使用してスキャンデータの寸法を参照しています。

7. 新しいデザインを3Dプリント

FormlabsのSLA光造形3Dプリンタで治具をプリントすると、エンジニアリンググレードの3Dスキャナーの出力を活かした高い精度が実現できます。強度と精度が重要な場合には、FormlabsのRigid 4000レジンをご使用ください。

これで、3Dプリント製の治具を使って新しいゲージを純正のエアベントに取り付ける準備ができました。

Rigid 4000レジンで3Dプリントした組立治具。