コンピュータ支援設計

コンピュータ支援設計（CAD）は、コンピュータ（またはCADは、コンピュータで作成された設計図や図面を、ワークステーションなどのコンピュータで作成、修正、分析、最適化するためのソフトウェアです。^[1]^{: 3}このソフトウェアは、設計者の生産性の向上、設計の品質の向上、文書化によるコミュニケーションの改善、製造用のデータベースの作成に使用されます。^[1]^{: 4} CADソフトウェアで作成された設計は、特許に使用することで製品や発明を保護するのに役立ちます機械加工のための電子ファイルの形式であることが多いですコンピュータ支援製図（CAD）やコンピュータ支援設計製図（CADDという用語も使用されます。^[2]

電子システムの設計におけるその使用は、電子設計自動化（EDA）として知られています。機械設計では、機械設計自動化（MDA ）として知られており、これにはコンピュータソフトウェアを使用して技術図面を作成するプロセスが含まれます。^[3]

機械設計用の CAD ソフトウェアは、従来の製図のオブジェクトを描画するためにベクターベースのグラフィックスを使用するか、または設計したオブジェクトの全体的な外観を示すラスターグラフィックスを生成することもあります。ただし、関係するのは単なる形状だけではありません。技術図面やエンジニアリング図面を手動で製図する場合と同様に、CAD の出力は、アプリケーション固有の規則に従って、材料、プロセス、寸法、許容差などの情報を伝える必要があります。

CADは2次元（2D）空間での曲線や図形の設計、または3次元（3D）空間での曲線、面、立体の設計に使用されます。 ^[4]^[5]^{: 71, 106}

CADは、自動車、造船、航空宇宙産業、工業デザインや建築デザイン（ビルディングインフォメーションモデリング）、義肢など、多くの分野で広く使用されている重要な工業技術です。CADは、映画、広告、技術マニュアルの特殊効果用のコンピュータアニメーション（DCCデジタルコンテンツ作成と呼ばれることが多い）の制作にも広く使用されています。現代のコンピュータの普及と高性能により、香水瓶やシャンプーディスペンサーでさえ、1960年代のエンジニアには考えられなかった手法で設計されています。その経済的重要性から、CADは計算幾何学、コンピュータグラフィックス（ハードウェアとソフトウェアの両方）、離散微分幾何学の研究の大きな原動力となっています。^[6]

特に物体形状の幾何学モデルの設計は、コンピュータ支援幾何学設計（CAGD）と呼ばれることもあります。^[7]

概要

コンピュータ支援設計は、エンジニアや設計者が使用する多くのツールの 1 つであり、ユーザーの職業やソフトウェアの種類に応じてさまざまな方法で使用されます。

CAD は、製品ライフサイクル管理(PLM) プロセス内のデジタル製品開発 (DPD) アクティビティ全体の一部であり、次のような統合モジュールまたはスタンドアロン製品である他のツールと一緒に使用されます。

コンピュータ支援エンジニアリング(CAE) と有限要素解析(FEA、FEM)
コンピュータ数値制御（CNC）マシンへの指示を含むコンピュータ支援製造（CAM）
フォトリアリスティックなレンダリングとモーションシミュレーション
製品データ管理(PDM)を使用したドキュメント管理とリビジョン管理

CADは、環境影響報告書の作成に必要となる写真シミュレーションを正確に作成するためにも使用されます。写真シミュレーションでは、計画中の建物のコンピュータ支援設計を既存の環境の写真に重ねて、提案された施設の建設が許可される場所がどのようなものになるかを表します。また、視界を遮る可能性のある廊下や影の調査も、CADを使用して頻繁に分析されます。^[8]

種類

CADにはいくつかの異なるタイプがあり^[9] 、それぞれの使用方法や仮想コンポーネントの設計方法について異なる考え方をオペレータに要求します。事実上すべてのCADツールは、モデルの幾何学的要素または非幾何学的要素を定義するために使用される制約概念に依存しています。

2DCAD 図面

低価格の 2D スケッチシステムのメーカーは数多くあり、その中には無料のオープンソースプログラムも数多くあります。これらのシステムでは、手描きの製図とは異なり、必要に応じて最終ドラフトでスケールや図面シート上の配置を簡単に調整できる描画プロセス手法が提供されます。

3DCAD ...

3Dワイヤーフレームは、2D 製図を3 次元空間に拡張したものです。各線は手動で図面に挿入する必要があります。最終製品には質量特性が関連付けられておらず、穴などのフィーチャを直接追加することはできません。オペレーターは 2D システムと同様の方法でこれらに取り組みますが、多くの 3D システムではワイヤーフレームモデルを使用して最終的なエンジニアリング図面ビューを作成できます。

3D の「ダム」ソリッドは、現実世界のオブジェクトの操作に似た方法で作成されます。基本的な 3 次元の幾何学的形状 (角柱、円柱、球、長方形など) には、現実世界のオブジェクトを組み立てたり切断したりするのと同じように、ソリッドボリュームが追加または減算されます。モデルから 2 次元の投影ビューを簡単に生成できます。基本的な 3D ソリッドには通常、コンポーネントの動きを簡単に許可したり、動きの制限を設定したり、コンポーネント間の干渉を特定したりするためのツールは含まれていません。

3Dソリッドモデリングにはいくつかの種類があります

パラメトリックモデリングでは、オペレーターは「設計意図」と呼ばれるものを使用することができます。オブジェクトとフィーチャは変更可能な状態で作成されます。将来の変更は、元のパーツの作成方法を変更することで行うことができます。フィーチャをパーツの中心から配置することを意図していた場合、オペレーターはモデルの中心から配置する必要があります。フィーチャは、パーツで既に使用可能な任意のジオメトリオブジェクトを使用して配置できますが、このランダムな配置は設計意図に反します。オペレーターがパーツを機能通りに設計する場合、パラメトリックモデラーは、ジオメトリと機能の関係を維持しながらパーツに変更を加えることができます。
ダイレクトモデリングまたは明示的モデリングでは、履歴ツリーなしでジオメトリを編集できます。ダイレクトモデリングでは、スケッチを使用してジオメトリを作成すると、スケッチが新しいジオメトリに組み込まれ、デザイナーは元のスケッチを必要とせずに、後でジオメトリを変更するだけで済みます。パラメトリックモデリングと同様に、ダイレクトモデリングでは、選択したジオメトリ間の関係 (接線、同心度など) を含めることができます。
アセンブリモデリングは、以前の単一部品モデリングの結果を、複数の部品を含む最終製品に組み込むプロセスです。アセンブリは、特定のCADソフトウェアベンダーに応じて階層化することができ、非常に複雑なモデルを実現できます（たとえば、建築工学ではコンピュータ支援建築設計ソフトウェアを使用します）^[10]^：539

フリーフォームCAD

最上位の CAD システムでは、より有機的で、美的で、人間工学的な機能を設計に組み込むことができます。フリーフォームサーフェスモデリングはソリッドと組み合わせられることが多く、これによりデザイナーは人間の形状や視覚的要件に適合し、機械と連動する製品を作成できます。

テクノロジー

もともと、CAD システム用のソフトウェアはFortran、ALGOLなどのコンピュータ言語を使用して開発されていましたが、オブジェクト指向プログラミング手法の進歩により、状況は大きく変わりました。一般的な最新のパラメトリックフィーチャベースモデラーとフリーフォームサーフェスシステムは、独自のAPIを備えたいくつかの主要なCモジュールを中心に構築されています。CAD システムは、グラフィカルユーザーインターフェイス(GUI) とNURBSジオメトリまたは境界表現(B-rep) データとの、ジオメトリモデリングカーネルを介したやり取りから構築されていると見ることができます。ジオメトリ制約エンジンを使用して、スケッチ内のワイヤーフレームジオメトリやアセンブリ内のコンポーネントなどのジオメトリ間の関連関係を管理することもできます。

これらの連想関係の予期せぬ機能により、デジタルプロトタイピングと呼ばれる新しい形式のプロトタイピングが生まれました。これは、設計に製造時間を要する物理的なプロトタイプとは対照的です。とはいえ、産業用 CT スキャンマシンを使用して物理的なプロトタイプをスキャンした後、コンピューターで CAD モデルを生成できます。ビジネスの性質に応じて、特定のニーズに応じて、最初にデジタルプロトタイプまたは物理的なプロトタイプを選択できます。

現在、CADシステムはすべての主要なプラットフォーム（Windows、Linux、UNIX、Mac OS X）に存在し、いくつかのパッケージは複数のプラットフォームをサポートしています。^[11]

現在、ほとんどの CAD ソフトウェアには特別なハードウェアは必要ありません。ただし、一部の CAD システムではグラフィックや計算を多用するタスクを実行できるため、最新のグラフィックカード、高速 (場合によっては複数の) CPU、および大容量のRAMが推奨される場合があります。

ヒューマンマシンインターフェースは、一般的にはコンピュータのマウスを介して行われますが、ペンとデジタルグラフィックタブレットを介して行うこともできます。画面上のモデルの表示を操作するために、Spacemouse/SpaceBallを使用することもあります。一部のシステムでは、3Dモデルを表示するための立体メガネもサポートされています。以前は大規模な設備や専門的なアプリケーションに限定されていたテクノロジーが、幅広いユーザーグループに利用可能になりました。これには、CAVEやHMD、モーションセンサーテクノロジーなどのインタラクティブデバイスが含まれます。

ソフトウェア

1960年代半ばのIBM製図システムに始まり、コンピュータ支援設計システムは、電子製図で手作業による製図を再現する以上の機能を提供するようになり、企業がCADに切り替えるコストメリットが明らかになりました。このソフトウェアは、部品表の自動生成、集積回路の自動レイアウト、干渉チェックなど、今日ではコンピュータシステムで当然のこととなっている多くのタスクを自動化しました。最終的に、CADは設計者に工学計算を行う機能を提供しました。^[5]この移行期間中、計算はまだ手作業か、コンピュータプログラムを実行できる個人によって行われていました。CADはエンジニアリング業界における革命的な変化であり、それまで別々だった製図者、設計者、エンジニアの役割が統合され始めました。CADは、コンピュータが業界に及ぼし始めた広範な影響の一例です。現在のコンピュータ支援設計ソフトウェアパッケージは、2Dベクターベースの製図システムから3Dソリッドおよびサーフェスモデラーまで多岐にわたります。現代のCADパッケージでは、3次元での回転も頻繁に行われるため、設計されたオブジェクトを任意の角度から、内側から外側を見ることさえも可能にしています。^[5]一部のCADソフトウェアは、動的な数学的モデリングが可能です。^[5]

CAD技術は、工具や機械の設計、また、小規模な住宅（住宅）から大規模な商業・工業施設（病院や工場）まで、あらゆるタイプの建物の製図や設計に使用されています。^[12]

CAD は主に 3D モデルの詳細設計や物理コンポーネントの 2D 図面に使用されますが、製品の概念設計やレイアウトから、アセンブリの強度および動的解析、コンポーネントの製造方法の定義まで、エンジニアリングプロセス全体で使用されます。また、ジュエリー、家具、家電などのオブジェクトの設計にも使用できます。さらに、多くの CAD アプリケーションでは高度なレンダリング機能やアニメーション機能が提供されており、エンジニアは製品設計をより視覚化できます。4D BIMは、プロジェクト管理のために時間やスケジュール関連の情報を組み込んだ仮想建設エンジニアリングシミュレーションの一種です。

CAD は、製品開発コストの削減や設計サイクルの大幅な短縮などの利点があり、コンピュータ支援技術の範囲内で特に重要な技術となっています。CAD を使用すると、設計者は画面上でレイアウトや作業の開発を行い、それを印刷して将来の編集のために保存できるため、図面作成にかかる時間を節約できます。

ライセンス管理ソフトウェア

2000年代には、CADシステムソフトウェアベンダーの中には、CADシステムを利用できるユーザー数や頻度を制御する専用のライセンスマネージャソフトウェアを同梱したディストリビューションを出荷したところもあった。^[5]^{: 166}このソフトウェアは、ローカルマシン（ローカルストレージデバイスからロード）またはローカルネットワークファイルサーバー上で実行することができ、後者の場合は通常、特定のIPアドレスに関連付けられていた。^[5]^{: 166}

ソフトウェアパッケージのリスト

CAD ソフトウェアを使用すると、エンジニアや建築家は、パーソナルコンピュータシステム上の統合されたグラフィカルユーザーインターフェイス(GUI)内でエンジニアリングプロジェクトを設計、検査、管理できます。ほとんどのアプリケーションは、境界表現(B-Rep)によるソリッドモデリングと NURBSジオメトリをサポートしており、さまざまな形式で公開できます。^[^{引用が必要}^]

市場統計によると、Autodesk、Dassault Systems、Siemens PLM Software、PTCの商用ソフトウェアがCAD業界を支配しています。 ^[13]^[14]以下は、使用統計別にグループ化された主要なCADアプリケーションのリストです。^[15]

商用ソフトウェア

オープンソースソフトウェア

フリーウェア

BricsCAD シェイプ
ティフィンCAD
Tinkercad ( Autodesk 123Dの後継)

CAD カーネル

ACIS ( Dassault Systèmesが所有するSpatial Corp )
C3D Labs によるC3D ツールキット
CASCADEオープンソースを開く
Parasolid ( Siemens Digital Industries Software )による
ShapeManager ( Autodesk )より

参照

3Dコンピュータグラフィックス – 幾何学的データの3次元表現を使用するグラフィックス
3Dプリンティング – 3次元オブジェクトを作成するために使用される付加的なプロセス
積層造形ファイル形式 – 3D 印刷などの積層造形プロセス用のオブジェクトを記述するためのオープン標準
アルゴリズミックアート – アートジャンル
CAD 標準 – コンピュータ支援設計図面の外観に関するガイドライン
CAD ライブラリ- 3D モデルまたはパーツのクラウドベースのリポジトリ
粗い空間（数値解析） – 数値問題の簡略化された表現
3Dコンピュータグラフィックスソフトウェアの比較
CAD、CAM、CAE ファイルビューアの比較
コンピュータ支援設計ソフトウェアの比較
EDAソフトウェア（電子設計自動化）の比較
コンピュータ支援工業デザイン – コンピュータ支援設計のサブセット
デジタル建築 – デジタル技術を活用した建築
デジタルツイン – 生物または無生物の物理的実体のデジタルレプリカ
電子設計自動化 – 電子システムを設計するためのソフトウェア
エンジニアリング最適化 – 最適化のテクニック
有限要素法 – 物理的または工学的問題を解くための数値的手法
フリーフォームセレクト - 版画とデザイン技法
ISO 128 – 技術図面上のオブジェクトのグラフィカル表現に関する国際規格
ISO 10303 – ISO規格（STEP）
コンピュータ支援エンジニアリングソフトウェアの一覧
モデルベースの定義 – コンピュータ支援設計モデルの注釈付け
分子設計ソフトウェア – 分子レベルのエンジニアリング、モデリング、分析のための CAD ソフトウェア
オープンソースハードウェア – オープンデザイン運動のハードウェア
ラピッドプロトタイピング – 物理的なオブジェクトを素早く構築するための一連の技術
レスポンシブコンピュータ支援設計 – コンピュータ支援設計へのアプローチ
空間マッピング – 設計最適化手法
代替モデル – エンジニアリングモデル
システム統合 – コンポーネントサブシステムを1つのシステムに統合する
仮想プロトタイピング – コンピュータシミュレーションによるプロトタイプ開発
バーチャルリアリティ – コンピューターシミュレーションによる体験

参考文献

^ ab Narayan, K. Lalit (2008). コンピュータ支援設計と製造。ニューデリー: Prentice Hall of India。ISBN 978-8120333420。
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外部リンク

MIT 1982 CAD ラボ
Wikiversity のコンピュータ支援設計に関する学習教材
Wikiversity のコンピュータ支援幾何学設計に関する学習教材

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[14] ファン・クーテン、ミシェル (2011-08-23)。「グローバルソフトウェアトップ 100 – 2011 年版」。ソフトウェアトップ100。

[bm-15] 機械系CADソフトウェア一覧 Archived 2020-07-28 at the Wayback Machine , BeyondMech