リバースエンジニアリング大全

物理的なオブジェクトのデジタルレプリカを作成する方法は色々あります。その中でもキャプチャデバイスとして最も普及している3Dスキャナには、様々な形状のものがあります。

Structured light scanners project a light pattern across the object and use two cameras to capture how the object deforms the light. The resulting images are stitched together into a 3D representation.

Commonly used in handheld and non-invasive medical applications, some well-known entry-level models include the Shining3D Einstar, Creality CR-Scan Lizard, and Structure Sensor Pro. Advertised precision levels need to be taken with a grain of salt though; the average deviation is roughly 1% for these types of devices.

More advanced scanning solutions include the Peel3D, Calibry, and Artec Eva handheld scanners. These have higher accuracy, inbuilt processing software, and real-time feedback to guide the scanning process, plus different modes including stick-on marker-based scanning. That is great for flat objects up to several meters in size. The increase in quality, however, typically comes with an exponential increase in price.

Laser triangulation scanners shoot millions of laser dots per second onto the target object, which typically needs to be enhanced with markers. For opaque parts with fine details such as filigree meshes, convex surfaces, and lattice structures, this category of 3D scanners is the best pick.

Popular products like the Matter and Form 3D scanner, Creaform HandyScan, Zeiss T-Scan Hawk, and FARO Freestyle can scan entire vehicles. For complex scanning projects, professionals will often use a hybrid method using both a portable CMM system and a stationary non-contact scanning arm.

For beginner enthusiasts who can accept compensating the imperfections of their scans with their superstar reverse-engineering CAD abilities, there are some low-budget alternatives.

Depth-sensing infrared cameras and LiDAR sensors provide less accurate mesh models, but may still be satisfactory for simple scans in some cases and can be found on the latest models of the Apple iPhone and iPad.

Photogrammetry is based on regular photography where the reverse engineer has to shoot a sequence of images from various angles around the object. The process then relies on computation-intensive software such as Meshroom, RealityCapture, Regard3D, Trnio, RecFusion, or Zephyr, to stitch the images into a 3D reconstruction.

Despite the perk that some apps are available for free, it takes a bit more skill and patience to derive workable models from photogrammetry, regardless of the application.

3Dスキャンからどの程度簡単にCADに落とし込めるかは、使用するソフトウェアの種類、そしてソフトウェア同士の互換性の度合いによって異なります。一連の作業をよりシンプルに行うためには、スキャンしたRAWデータを高品質で元のデザイン通りに再構築するところまでを一貫して行えるソフトウェアを選ぶことが近道です。

リバースエンジニアリングに最適なソフトウェアツールは、.ply、.asc、.ptx、.pcg（Autodesk）、.e57、.xyz、.fls（Faro）、.pcd、.las、.objなどのさまざまなファイル形式で点群データ（ポイントクラウド）の読み込みが可能です。さらに、メッシュオブジェクトの自動生成や自動修復機能、メッシュに合わせてNURBSサーフェスを再構築するスマートツールなどが利用できます。これにより、3Dスキャンが登場する前のように、キャリパで細部を徹底的に測定して手作業で再構築する必要がなくなります。

バーチャルデザインスタジオの中には、CNC、3Dプリント、鋳造での試作品製作に適したファイルを直接準備できるものもあります。2つの部品を組み合わせる場合にはコンマ1ミリの違いが大きく影響するため、リバースエンジニアリングでは最初から最後まで一貫して精度が重要になります。

高精度での製作を実現するためには、以下の機能が利用可能なリバースエンジニアリングツールが必要です。

• 干渉チェック：部品がアセンブリ内でスムーズに動作し、外部部品がぴったりフィットするようにするための機能です。

• 肉厚分析：成形性と軽量設計を最適化する機能です。

• 抜き勾分析：適切な抜き勾配を設定し、アンダーカットを防ぎ、パーティングラインを検証する機能です。

• 表面分析：ゼブラストライプや曲率制御により、消費者製品や自動車用途で求められる大型かつ複雑な形状の部品製作にも対応できるようにする機能です。

• 寸法検査：質量、体積、バウンディングボックスなどを用いた検査機能です。

ここからは、リバースエンジニアリングに最適なソフトウェアをいくつかご紹介します。

Mesh2Surfaceはエンドツーエンドのソフトウェアで、製品開発者がRhinocerosやSolidWorksでのリバースエンジニアリング用に点群を直接メッシュに変換できます。

その後、3D設計者が複雑な形状に合わせてメッシュ上の参照平面と点を抽出します。Mesh2Surfaceでは、3Dスケッチ、断面図、アウトラインを作成するためのスマートなツールが利用でき、偏差分析、カスタム精度設定つきの自動サーフェス作成機能、最適にフィットするサーフェスの自由描画機能などが揃っています。

Artecは、ハードウェアのリバースエンジニアリングに最適な有力候補の1つです。使いやすさを重視し、スキャンからCAD変換までを最速で行えることを売りにしています。デバイスの動きをリアルタイムでフィードバックし、複数のスキャンを重ね合わせることでさらに豊富なデータ統合が可能なため、1台の車をおよそ15分というスピードでデジタル化できます。

ArtecではCADのすべての機能が提供されているわけではありませんが、プリミティブ形状のフィッティング、高度なテクスチャおよび形状追跡アルゴリズム、有機的な形状をソリッドモデルに変えるAuto Surface（自動サーフェス）ツールにより、正確なモデルの作成が可能です。

Artec Studioには、モデリングプロセスのかなりの部分を自動化するAutopilot Mode（オートパイロットモード）もあります。

Autodesk Fusion 360は、リバースエンジニアリングソフトウェアとして人気の高いツールの1つです。Fusion 360はクラウドベースのCADシステムで、軽量メッシュしか扱えず、業界をリードするツールと比較すると幾何演算のスイートが限られているため、中間的なソリューションと言えます。

Fusionでは、Meshワークスペースでの輪郭取得など、さまざまな方法でメッシュからソリッドモデルを作成できます。また、様々なワークベンチで応力シミュレーションやトポロジー最適化のための分析ツールが数多く揃っています。Meshmixerと統合したことで、メッシュ修復ツールも信頼性が向上しています。

Geomagicは、3DスキャンをフィーチャーベースのCADモデルに変換するトップクラスのソリューションです。メッシュのさまざまなセクションを基にアウトラインをトレースすることで、正確に再構築します。ブラシで特定のエリアを選択することで、再構築プロセスのさまざまなステップでエリアを追加・除外することができます。パワフルなAutosurface機能搭載で、エンジニアの手作業も削減できます。

さらに、SolidWorksと似た親しみやすいユーザーインターフェースも特徴です。「Live Transfer（ライブ転送）」ツールにより、設計者は履歴ツリーをNX、Creo、Inventor、Pro/Engineer、SolidWorksなどの専用CADモデリング環境にエクスポートすることも可能です。

リバースエンジニアリングを可能な限りSolidWorks内で完結させたい設計者やエンジニアにとって、Xtract3Dは必須プラグインです。Xtract3Dでは、メッシュや点群データを直接インポート可能でありながら、全体としてはシンプルなジオメトリを得意とするため、より高度なリバースエンジニアリングパッケージに代わる軽量のツールと言えます。

軽量といっても、使用できるツールは優れたものばかりで、強力なスライス、スケッチフィット、スナップツールが使用できます。これにより、デザイナーは3Dスキャンデータの2D断面上をトレースし、パラメトリックモデルを簡単に作成することができます。

SpaceClaimは、高度なリバースエンジニアリング機能を備えた革新的なCADソフトウェアです。形状を厳密に定義しなければならない履歴ツリーベースのパラメトリックモデリングよりも、自由度とスピードを重視するダイレクトモデリング愛好家に好まれるソリューションです。

SpaceClaimは、フィーチャー認識、 Skin Surface（スキンサーフェス）機能、プッシュ/プル操作などのスマート機能により、リバースエンジニアリングのワークフローの合理化という点で他と一線を画す存在となっています。再構築プロセスでは、ソフトウェアが自動的に必要なモデリング操作を検出し、高精度モデルの作成に向けて最適なリモデリング方法を推奨事項として提示します。

さらに、SpaceClaimではCFDや機械シミュレーションなどのためにモデルを他のAnsysモジュールと簡単にリンクすることができます。

Tebisは、自動車設計に特化したリバースエンジニアリング環境を提供します。BMW Design Groupとの共同開発により、クレイモデルのCAD化を容易に行えます。これにより、設計者は手作業での設計プロセスを十分に行ってから3Dに移行することができます。

Reverserのソフトウェアパッケージでは、メッシュデータを分析し、設計者がワイヤーフレームを使って個々のサーフェスを作成します。こうして作成されたサーフェスを分析し、業界標準で最高級の品質になるまでスムージングします。

手動制御パラメータが豊富なだけでなく、サーフェスの自動演算や細部にわたる正確な制御が可能なため、特別深い知識がなくても操作できます。サーフェス関連付け技術により、メッシュと生成済みサーフェスが常にリンクされた状態になり、接線方向に向かって均一な遷移とサーフェスのスムーズな進行をサポートします。

Creoは、1,000を超えるパーツで構成されるアセンブリ製作に適したパラメトリックモデリングパッケージです。消費者製品だけでなくモビリティ分野でも人気が高まっており、Aston Martin、John Deere、Volkswagen、Toyota、Amazonといった業界の大手企業が採用しています。

工業エンジニアにとっては、高度なサーフェシング、3Dプリント用のスライサー、GD&T、金型設計、シミュレーション機能があるAdvanced Plusパッケージへ投資するとメリットがあるでしょう。

PTCはまた、Pro/Engineerと、プロフェッショナル版であるCreoの両方でReverse Engineering Extension（リバースエンジニアリング拡張機能）をリリースしました。点群データをインポートしファセットメッシュを作成後、Restyle機能でクリーニングとモデリングフィーチャーの自動抽出が可能です。その後、Creoでは強力な合成および分析ツールにより高精度の曲率連続モデルを作成できます。

CreaformのVXElementsスイートは、スキャンからCAD作成が可能なモジュールを提供します。最も注目すべきはVXModelソフトウェアで、生のメッシュデータを高品質なソリッドモデルに変換する仮想アシスタントとして機能します。

このソフトウェアの特徴は、自動および手動サーフェシングツール、メッシュクリーニング機能、スナップアライン機能、ブーリアン結合操作、境界線と断面の抽出と編集機能です。また、VXModelには3Dプリント用のエクスポート機能があり、リバースエンジニアリングモデルを直接Inventor、SolidWorks、SolidEdgeに転送し、そこからさらに加工することができます。

リバースエンジニアリングしたパーツを3Dプリントすることで、デザイナーは製作の成功を左右するすべてのフィーチャーやパラメータをより深く理解することができます。さらに、設計改良のサイクルも迅速に繰り返し、実製品用部品も3Dプリントで製作が可能です。

SLA方式3Dプリンタは、UVレーザーによる光重合という化学反応で液体レジンを硬化させることで造形します。SLA光造形方式でプリントした造形品は、レジンを使う3Dプリント技術の中で解像度や精度、ディテールの再現性、表面品質の滑らかさが最も高い仕上がりになります。また、SLA光造形は使用できる材料が最多であることも特徴です。

SLA光造形方式は、型、原型、機能部品など、公差要件が厳しく、滑らかな表面品質が求められる繊細なディテールを持った試作品製作に最適です。SLA光造形は、エンジニアリングからプロダクトデザイン、製造、歯科、ジュエリー、モデル製作、教育分野に至るまで、様々な分野で幅広く採用されています。

FormlabsのForm 3+のようなデスクトップサイズのSLA光造形3Dプリンタは、手頃な価格帯でありながらほとんどのリバースエンジニアリングプロジェクトに対応できるパワフルさを備えています。一方、Form 3Lのような大容量光造形3Dプリンタであれば大規模なプロジェクトにも対応できます。

SLS（粉末焼結積層造形）方式は、高強度な機能部品が製作できることから、さまざまな業界のエンジニアやメーカーから信頼され、工業用途で最も普及しているアディティブマニュファクチャリング技術です。

SLS 3Dプリンタは、高出力レーザーでポリマー粒子を焼結することで造形します。プリント中は未焼結パウダーが造形品を支えるため、専用のサポート材が不要で、内部構造やアンダーカット、薄壁や凹面等、複雑な形状の造形に最適です。SLS方式で3Dプリントした部品は、射出成形品に匹敵するほどの高い強度など、非常に優れた機械的特性を備えています。

Formlabs FuseシリーズなどのSLS 3Dプリンタは、造形単価の安さ、高い生産性、定評のある材料により、機能試作の製作方法として広く支持されています。また、限定生産や量産前のテスト生産を行う際に、射出生成に代わるコスト効率の高い方法になります。