CAD(Computer Aided Design)
CADとは、Computer Aided Designの略で、図面を描く設計支援ソフト（製図ソフト）で建築や機械分野で使われる。製品の形状やその他の属性データからなるモデルをコンピュータ内部に作成し、解析・処理して設計工程を支援する技術のことを意味し、単純な製図支援ツールとしてではなく、開発・設計から解析、製造、販売にいたるまでのプロセス全体を管理できるよう発展し、製造に欠かせないツールとなっている。特に近年では急速に3D CADが広まっており、立体でモデルを作ることができる。建築では小さな倉庫から大きなビルまで、機械では、1μの微細な部品からジェット機まで、すべてCADよって図面が作成されている。
CADの概要
製造業や建設業、エレクトロニクス産業など、多岐にわたる設計現場を支えているCADは、Computer Aided Designの略称である。従来は手描きの製図が中心であったため、複雑な図面作成には多大な労力と時間を要したが、CADの登場によってデジタルツールを活用した正確かつ迅速な設計が可能となった。現在では2Dから3Dへと移行が進み、建築設計、機械設計、電子回路設計など領域ごとの専門ソフトウェアが数多く存在する。視覚的なモデリングだけでなく、シミュレーションや解析機能と組み合わせることで、製品の品質向上や開発期間の短縮につながるなど、その役割は単なる設計支援の枠を超えつつある。
誕生と背景
1960年代から1970年代にかけて、大型コンピュータを利用したグラフィックシステムの研究が進んだことがCADの歴史の始まりである。航空宇宙や自動車など、高度な設計を必要とする分野が先陣を切り、コンピュータによる図面作成技術を積極的に導入していった。当時はハードウェアの性能やグラフィックス処理の制約も大きく、システムの構築には莫大なコストがかかったが、高精度で複雑な設計を効率よく行えるメリットは非常に大きかった。こうした需要の高まりを背景に、汎用的なCADソフトウェアが次第に普及し始めた。
2Dと3Dの違い
初期のCADは2Dが主流で、従来の紙図面に相当する線や文字、寸法などをデジタル化する目的で活用された。直線や曲線を正確に描き、修正も素早く行えるため、作図効率が格段に向上する利点があった。一方、3DCADは立体モデルを構築できる点で革新的である。形状を3次元で確認できるため、干渉チェックや重量解析など、実際の製造に近いシミュレーションを行いやすくなる。また、3Dモデルから2D図面への自動生成も可能であり、重複作業の削減やミスの防止につながるというメリットがある。
主要な機能
CADソフトウェアには設計支援に必要な多様な機能が盛り込まれている。線分や曲面、ソリッドモデルといった幾何要素の作成に加え、寸法記入や注釈の配置など図面作成を効率化するツールが存在する。さらに、モジュールやプラグインを追加することで熱解析や振動解析といったCAE（Computer Aided Engineering）的な機能まで搭載可能となっている。最近ではクラウドベースのCADプラットフォームが普及し、チームメンバー同士でリアルタイムに設計データを共有しながら同時編集を行うケースも増えてきた。
業種別の活用例
自動車業界ではエンジン部品や車体フレームなどの3Dモデルを作成し、流体解析や強度解析と組み合わせて車両全体の安全性や空力特性を検証する。建築業界ではBIM（Building Information Modeling）と呼ばれる3DCADの概念が浸透し、建物の構造や設備を統合的に管理しながら設計を進められるようになった。また、電子回路設計では回路図の作成から基板レイアウトまでを一括管理できるECADソフトウェアが利用される。いずれの業界もデジタルデータの一貫性を維持することで、コスト削減や設計品質の向上を実現している。
2D CADの種類
2D CADは、手書きで図面を書いていたものを、PCで描くようにしたソフトである。x・yの座標を用い、図面作成の効率化と図面の均一性を主な目的としてい。手書きに比べて迅速に製図作業を行えるようになり管理もしやすくなった。PCの普及とともに急速に広まった。
主な2D CAD
- AutoCAD
- Jw_cad（無料）
- DraftSight（無料）
- Solid Edge（無料）
3D CAD
3D CADは、x・y・z座標を用いて、三次元形状（立体モデル）が表現できる製図ソフトである。三次元データで作成されたデータに、様々な属性（重量・体積・重心）を持たせることができ、CAE解析と呼ばれるシュミレーションを行うことで応力による変形などを見ることができる。。2D CADに比べてモデリングが視覚的に立体なのでわかりやすく、設計だけでなく組立や営業ツールとして利用されている。寸法や公差などが把握できず結局は2Dの図面を描く場合が多い。PCの進歩に伴い容易に再現、流用、変形、加工ができるようになり急速に発展した。高価なソフトであるが、近年では機能が制限された安価なソフトも流通している。
主な3D CADの種類
- SOLIDWORKS
- Fusion 360
- Solid Edge
- CATIA
- NX
- Creo
- Inventor
- Rhinoceros
主要な機能
CADソフトウェアには設計支援に必要な多様な機能が盛り込まれている。線分や曲面、ソリッドモデルといった幾何要素の作成に加え、寸法記入や注釈の配置など図面作成を効率化するツールが存在する。さらに、モジュールやプラグインを追加することで熱解析や振動解析といったCAE（Computer Aided Engineering）的な機能まで搭載可能となっている。最近ではクラウドベースのCADプラットフォームが普及し、チームメンバー同士でリアルタイムに設計データを共有しながら同時編集を行うケースも増えてきた。
業種別の活用例
自動車業界ではエンジン部品や車体フレームなどの3Dモデルを作成し、流体解析や強度解析と組み合わせて車両全体の安全性や空力特性を検証する。建築業界ではBIM（Building Information Modeling）と呼ばれる3DCADの概念が浸透し、建物の構造や設備を統合的に管理しながら設計を進められるようになった。また、電子回路設計では回路図の作成から基板レイアウトまでを一括管理できるECADソフトウェアが利用される。いずれの業界もデジタルデータの一貫性を維持することで、コスト削減や設計品質の向上を実現している。
CAM
CAMは3D CADデータに基づいて加工する自動加工機である。ドラフトもいらずにドリルやリーマで加工していくものが多い。3Dデータさえあれば自動で物ができるため、加工者の習熟レベルも問わず人件費もかからないため非常に有益である。
3D プリンタ
3Dプリンタは3D CADデータに基づいて、樹脂で形を作っていく。CAMがドリルに比べて3Dプリンタは熱で溶かした樹脂を固めて積層で作っていくため、本来ドリル加工ではできないような形状も容易に製作することができる。大型の部品に対応した業務用から家庭用の安価なものまで流通しており簡単に手に入ることができる。樹脂以外でも金属やセラミックスなどの3D CADもある。
発展を促す技術
ハードウェアの進化とともに、CADの機能は著しく高度化している。高性能CPUやGPUが搭載された環境では、大規模アセンブリを扱う3Dモデルの描画やアニメーション表示もストレスなく行える。また、VR（Virtual Reality）やAR（Augmented Reality）といった技術を組み合わせた設計手法が登場しており、設計者が仮想空間の中で実寸サイズの製品を確認し、試作段階のフィードバックを迅速に得ることも可能になった。さらに、AIを活用した自動設計や最適化ソリューションの研究が盛んに行われており、CADは今後も連鎖的な技術革新を促す中核として機能するだろう。
課題と将来への適用
機能が増すほど操作が複雑になり、習熟に時間を要する問題や、ソフトウェアごとに扱えるファイル形式が異なり、互換性を確保しづらいといった課題も存在する。また、大規模モデルの保存やバージョン管理には大容量ストレージと高性能ネットワークが必要となり、セキュリティ面での対策も不可欠である。こうした制約にもかかわらず、データ連携やシミュレーション技術がさらに進化すれば、設計から製造、保守管理に至るまでの全工程でCADの価値がいっそう高まると考えられている。