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→‎CAD、CAM、CAE、PDMとは?: CAD、CAM、CAE、PDMという言葉を聞いたことがありますか?これらは、コンピュータ支援設計・製造・解析の頭文字をとった用語で、それぞれどのような意味を持つのか紹介します。また、製品データ管理のためのPDMについても触れていきます。 これらの概念を理解することで、テクノロジーが設計と製造のプロセスにどのような革命をもたらしているのかを知ることができます。
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== CADとかCAM、CAE、PDMは? ==
CAD、CAM、CAE、PDMという言葉を聞いたことがありますか?これらは、コンピュータ支援設計・製造・解析の頭文字をとった用語で、それぞれどのような意味を持つのか紹介します。また、製品データ管理のためのPDMについても触れていきます。
製図をする際、現代の製造業では、コンピュータ上で図面を書くのが一般的になっている。
 
これらの概念を理解することで、テクノロジーが設計と製造のプロセスにどのような革命をもたらしているのかを知ることができます。
このようなシステムのことを、CAD(キャド)という。 Computer Aided Design の略である。
 
CAD(Computer-Aided Design)は、機械設計に不可欠なツールの一つであり、物理モデルを作成し、修正し、最適化することができます。CADは、パーソナルコンピュータの普及により一般の設計者にも利用されるようになり、2Dまたは3Dの設計に使用できます。最近のCADソフトウェアでは、AIや機械学習を使用して、設計プロセスを自動化する機能が追加されています。
要するに、製造業では製図ソフトのことを「キャド」(CAD)と呼んでいる。
 
CAM(Computer-Aided Manufacturing)は、CADで設計された部品や製品の情報を元に、NCプログラムを作成し、機械加工や3Dプリンターなどの製造装置に入力し、自動的に製造するための指示を与えます。CAMシステムは、切削加工や穴あけ、曲げ、刻印、溶接などのさまざまな製造プロセスをサポートし、材料の最適配置や切削工具の最適選択などの最適化機能も備えています。CAMを使用することにより、生産性が向上し、製品の品質が向上しますが、高度な技術が必要であるため、NCプログラミングの知識やCAD / CAMソフトウェアの操作方法、材料や切削条件、工具選択などの知識が必要です。
:なお、似た用語で「CAM」(キャム)があるが、これは工作機械をパソコンなどと連動させるシステムのことである。CAMとCADは別物である。
::検定教科書では、シミュエーターとしてCAMを紹介しているが(教科書冒頭の口絵などに記載)、しかしシミュレーションだけでなく実際にNC工作機械にプログラム命令を送って加工させる事も可能である。
:また、「CAE」(通称「キャエ」)は、応力解析ソフトのことである。CAEとCADは別物である。
 
CAE(Computer-Aided Engineering)は、コンピュータを使用して機械設計の解析や評価を行う技術であり、材料の強度や応力、振動などを解析し、設計の正確性を確保することができます。CAEシステムは、CADやCAMと組み合わせて使用することで、機械設計の全体像を俯瞰し、製品の設計から製造、テストまでのプロセスを一元管理することができます。
{{コラム|「応力解析」とは|
 
PDM(Product Data Management)は、製品データを管理するためのソフトウェアで、CADと統合され、製品設計に必要なデータを一元管理し、必要なときに正確かつ迅速にアクセスできるようにします。また、設計変更の管理、製品文書の管理、製品仕様の管理、製造工程の管理など、設計・開発プロセス全体をサポートするための機能を提供します。
「応力解析」とは、要するに強度計算のこと。大学レベルの複雑な応力理論の方程式の数値近似解なども求められたりするので、応力解析などと呼んでいる。数学用語で、微分積分や微分方程式などの理論、およびそれを発展させた理論のことを「解析」(かいせき、英: analysis)と呼んでいる。
 
{{コラム|設計・製図のコンピュータ支援の歴史|2=設計・製図のコンピュータ支援の歴史は、1960年代に始まりました。最初にCAD(Computer-Aided Design)システムが開発され、コンピュータを使用して設計や製図の作業を効率化することが可能になりました。
最初のCADシステムは、主に航空機や自動車産業などの大規模なプロジェクトで使用されていました。これらのシステムは、2Dの図面を作成することができましたが、3Dの設計は困難でした。
 
1980年代に入ると、コンピュータの性能が向上し、3D設計の作業が可能になりました。また、CADソフトウェアの利用も広がり、より多くの業界で使用されるようになりました。
科学的な根拠は無いが、ニュアンス的に「強度計算」というと、工業高校で習うような初等的な計算である意味合いが強く感じられやすいのだろう。
 
1990年代には、より高度なCADソフトウェアが開発され、設計者はより複雑なモデルを作成することができるようになりました。また、CADソフトウェアは、建築や土木工学などの分野でも広く使用されるようになりました。
そのため、下記に記述するような「有限要素法」などの高度な解析手法は、「応力解析」という用語で区別しているのだろう。
 
2000年代に入ると、インターネットの普及により、CADソフトウェアはオンラインで利用可能になりました。また、クラウドベースのCADソフトウェアも登場し、より柔軟な作業環境を提供するようになりました。
 
現在では、CADソフトウェアは、多くの業界で不可欠なツールとなっており、デジタル技術の進歩により、より高度な設計・製図が可能になっています。
 
;「有限要素法」という用語
高校では習わない用語だが、物理計算の数値解析の手法で「有限要素法」という、応力計算や流体計算などの連続体計算で役立つ解析方法がある。(※ 検定教科書でCAEで「要素」うんぬん記述があるのだが、教科書の著者が「有限要素法」を念頭にしていると思われる。)
 
一般的なプロ用のCAEを使えば、有限要素法による計算も可能である。
 
もし有限要素法について調べたければ、一般的な大学レベルの材料力学や流体力学の本に書いてある。だが、そんなのを知らなくても、「有限要素法」も結局は微分方程式を差分近似で計算するという基本的な手法であり、第二次大戦後によく知られている伝統的な数値解析の方法の一種にすぎない。ただし、高校でならう常微分'''ではなくて'''、大学でならう偏微分(へんびぶん)ではあるが。しかもベクトルの微分方程式。
 
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さて、製図ソフトであるCADには、
:製図法にのっとった2次元的な図を描く 2次元CAD と、
いっぽう、
:3D-CGのように立体的に設計できる3次元CAD
とがある。
 
 
 
3次元キャドだと、部品の干渉チェックが自動的に出来たりなどとシミュレーションの機能もそなわっており、高性能ではある。(※ 検定教科書で言ってるキャドの干渉チェックうんぬんは、実際は3次元キャド限定の機能。)
 
 
:※ このように3次元キャドは高性能ではあるが、しかし価格がかなり高い。
:相場では、2次元キャドが数十万円で買えるのに、3次元キャドは数百万円ごえが普通である。(ただし2005年ごろの相場なので、現代では細かな値段は変わってる可能性もある。)ともかく、3次元キャドは高い。
 
:あと、3次元キャドは、まだ規格があまり整理されていない。学校(工業高校や工業系の大学)で習う図面の規格も、主に2次元用のものである。
 
 
さて、3次元キャドでは、物体データを立体として内部処理する必要がある。そういう立体モデル方式(「ソリッドモデル」という)で内部処理していない方式だと、重量を求めたりなどの物理計算ができない。
 
工業用でない(ゲーム業界やアニメ業界などの用途の)3D-CGソフトなどだと、立体モデルではなく面モデルで処理しているものもある。
 
 
面モデル方式(「サーフェスモデル」という)は、中身が空洞であるが、ひきかえに長所として処理速度が速いので、ゲーム用途やアニメ産業用途などではサーフェスモデルにも利点はある。しかし工業用途としては、サーフェスモデルは、やや不便である。
 
 
なお、針金で線をつないだように表す方式は「ワイヤーフレーム」方式という。描画速度だけなら、ワイヤーモデルなた情報量が少ないので、ワイヤーモデルも描画が素早い。
 
 
こういった3Dデータの内部処理のしかたのモデル方式の種類のことを、幾何モデル(きかモデル、geometric model)という。
つまり、幾何モデルには、つぎの3種類がある。
:ワイヤーフレームモデル、
:サーフェスモデル、
:ソリッドモデル、
の3種が幾何モデルである。
 
 
3次元キャドは高性能だが、実際には3次元キャドだけで設計するのではなく、設計上の注釈や設計意図などを書き加えるために二次元キャドを併用することもある。(※ 検定教科書がそう言っている。)
 
 
:※ 取引先の中小零細企業が、高価な3次元キャドを保有して無い場合もあるので、製作図は2次元キャドで書くのが一般的。
※ 検定教科書でも、理由は述べてないが、製作図は2次元キャドで書くのが一般的だと検定教科書で言っている。
 
3次元キャドは、干渉チェックの機能もあるので、部品が多いなどの複雑な製品の、組立て図などで用いられる場合がある。(※ 検定教科書もそう言っている。)
 
 
要するに、
:2次元キャドは製作図に向いている。
:3次元キャドは組立て図に向いている。
 
 
なお、組立て工程のことを英語で「アセンブリー(assembly)」という。
 
:※ パソコンのアセンブリ言語とは無関係なので、混同しないように。
 
 
さて、世間のビジネス評論では紙を使わない仕事が褒められているが、いまのところキャドソフトには、プリンタやプロッタなどの印刷出力装置への出力機能がついている。
 
 
2次元キャドで書き上げた図面は、ハードディスク(社内サーバーのハードディスク)などに保存した上で、印刷出力して紙でも保管するのが一般的である。(※ 検定教科書でも、印刷について、若干、ふれている。2次元キャドに限定していないが、製造業の慣習として、通常、2次元キャドによって作成した図面データの保管方法である。)
 
== ※ ↓ここから範囲外 ==