3Dスキャンは、物体の形状を三次元データとして取得する技術です。設計図がない部品の復元にも使われており、製造業では試作開発や品質検査など、幅広い場面で活用が進んでいます。かつては大掛かりな設備が必要な技術というイメージが強くありましたが、近年は精度の向上とコストの低下によって、導入のハードルも下がってきました。中小規模の工場でも、試作品の設計見直しや検査工程の効率化を目的に、3Dスキャンを取り入れる動きが広がっています。
本記事では、3Dスキャンの基礎知識や種類、製造業での活用法を解説します。
3Dスキャンとは
3Dスキャンは、現物の形状をデータとして取得する技術です。まずは、基本的な仕組みと注目される背景を見ていきましょう。
基本的な概要
3Dスキャンとは、物体の形状を三次元データとして取得する技術です。取得したデータは点群と呼ばれ、座標を持つ点の集合として保存されます。三次元の座標データとして取得するこの技術によって、現物から正確な形状情報を得られます。設計図がない場合でも、形状を把握できるのが大きな強みです。図面と現物に差異がある場合の確認にも、この技術は活用できます。手作業による採寸と比べ、細かい凹凸まで漏れなく記録できる点も特徴です。
点群データの役割
点群データは、物体表面にある多数の点の集合体です。1つ1つの点が、空間上の座標情報を持っています。ソフトウェアで再構築することで、最終的に3Dモデルとして形状を再現します。点群データから3Dモデルへ再構築するこの工程が、3Dスキャンの中心的な処理です。点の密度が高いほど、細部まで再現しやすくなります。ただし密度が高くなるほどデータ量も増えるため、用途に応じたバランスの見極めが必要です。
注目される背景
製造業では、既存部品の解析に3Dスキャンが使われています。設計図がない製品の復元にも、活用が広がっています。検査工程での寸法確認にも利用されており、非接触でも正確なデータを取得できる特性が評価されています。この非接触で正確なデータを取得できる特性が、幅広い分野での活用を後押ししています。建築や医療など、製造業以外への応用も進んでいます。人手による採寸に比べて作業時間を短縮できる点も、導入が進む理由のひとつです。
3Dスキャンの仕組み
3Dスキャンは、複数の工程を経てデータを完成させます。ここでは、データ取得から仕上げまでの流れを整理します。
形状データの取得方法
物体の形状は、光を照射し、反射した光をセンサーで捉えることで測定します。レーザーを使う方法や、格子状の光を投影する方法など、いくつかの方式があります。光を照射し反射光を捉える方法によって、物体表面の位置情報を記録します。方式によって、得意とする対象物も異なります。光沢のある表面は光が乱反射しやすいため、専用のスプレーを使って測定する場合もあります。黒色など光を吸収しやすい素材も、同様の対策が必要になることがあります。
点群から3Dモデルへの変換
取得した点群データは、ソフトウェア上で処理され、面や曲面として再構築されます。この処理を経て、コンピュータ上で扱える3Dモデルが完成します。点群データを面として再構築するこの処理が、3Dモデル作成の中心的な工程です。再構築の精度が、最終的なモデルの品質を決めます。複数の角度から取得したデータを、位置合わせしながら1つのモデルへ統合する作業も含まれます。
ノイズ除去などの後処理
スキャン直後の点群データには、反射や背景による不要なデータが含まれることがあります。ノイズの除去や、点の再配置、欠損部分の補完といった後処理を経て、精度の高いモデルに仕上げます。この、ノイズ除去や欠損部分の補完という後処理が、モデルの精度を高めます。データ量が大きい場合は、軽量化のための簡略化を行うこともあります。用途に求められる精度まで、段階的に仕上げていく作業です。
工程を順に整理すると、次のようになります。
- データ取得：光を照射し反射光をセンサーで記録する
- 点群処理：取得した点群データを面として再構築する
- 後処理：ノイズ除去や欠損部分の補完で精度を高める
これらの工程を経ることで、現物に近い3Dモデルを作成できます。
3Dスキャナーの種類
3Dスキャナーには、いくつかの種類があります。用途に応じた選び方も、あわせて確認しましょう。
接触式・非接触式
接触式スキャナーは、プローブを物体表面に直接触れさせて、座標を記録する方式です。物理的に触れながら測定する、古くからある方式でもあります。非接触式スキャナーは、光や音波を利用し、物体に触れずにデータを取得します。プローブで直接触れる方式と非接触の方式があり、対象物の性質によって使い分けます。柔らかい素材や壊れやすい対象物には、非接触式が適しています。接触式は、周囲の環境の影響を受けにくい反面、測定に時間がかかりやすい傾向があります。
光学式の特徴
光学式スキャナーは、レーザーや構造光を使って、物体表面の形状を記録する方式です。レーザースキャナーは広範囲を高速に測定でき、構造光スキャナーは細部の形状を捉えるのに向いています。この、広範囲を高速に測定できる特性を持つ方式もあれば、細部の再現性に優れた方式もあります。屋外の大型構造物にはレーザー方式が使われることが多く、製品設計や品質検査には構造光方式が選ばれやすい傾向です。写真を複数枚撮影して3Dモデルを作るフォトグラメトリーという手法も、近年注目されています。
用途に応じた選び方
検査用途では、精度や繰り返し精度が重視されます。リバースエンジニアリング用途では、形状を欠落なく捉えられる機種が求められます。デジタルアーカイブ用途では、色やテクスチャの再現性も重視されるポイントです。用途ごとに重視すべき性能を見極めることが、機種選定の出発点になります。対象物のサイズや、屋内外どちらで使用するかも、あらかじめ確認しておく必要があります。
選定にあたって整理しておきたい視点は、以下のとおりです。
- 精度：検査用途では誤差の小ささが重視される
- 解像度：細かい形状ほど高解像度な機種が必要になる
- 対象物のサイズ：大きな物体か小さな物体かで適した機種が異なる
用途と対象物を明確にすることで、適した機種を絞り込めます。
製造業での活用法
3Dスキャンは、製造業のさまざまな工程で活用されています。ここでは、代表的な3つの活用場面を紹介します。
試作・金型開発
試作品や金型の開発では、3Dスキャンで取得した形状データを、設計の見直しに活用できます。現物の形状をもとにCADデータへ変換することで、修正や改良もしやすくなります。現物の形状をCADデータへ変換するこの流れが、試作開発の効率化を後押ししています。手作業で仕上げた試作品を、後からデジタルデータ化して量産設計に反映する使い方も見られます。設計変更の履歴を記録として残す用途にも応用できます。
リバースエンジニアリング
設計図が残っていない部品でも、3Dスキャンを用いることで、形状データを取得し、再設計や複製の検討に活用できます。既存製品の解析を通じて、改良の余地を洗い出すことにも応用できます。設計図がない部品の形状データ化が、リバースエンジニアリングの起点となります。廃番となった部品の補修用データを、現物から作成する場合にも役立ちます。長期間使われてきた設備の部品調達にも、応用の幅が広がっています。
品質検査・デジタルツイン
品質検査では、3DスキャンしたデータをCADの設計データと比較し、寸法の誤差を確認します。製造設備や工場全体をスキャンし、デジタル上に再現するデジタルツインへの活用も進んでいます。この、設計データとの比較による誤差確認が、品質保証の場面で活用されています。設備の経年変化を記録し、更新や保守の判断材料とする使い方も広がっています。現場に足を運ばなくても、状況を把握できることも評価されています。
活用場面を整理すると、代表的なものは次のとおりです。
- 試作開発：現物の形状をCADデータに変換し設計を見直す
- リバースエンジニアリング：設計図がない部品の再設計に活用する
- 品質検査：設計データとの比較で寸法の誤差を確認する
これらの場面を通じて、3Dスキャンはものづくりの精度向上を支えています。
まとめ
3Dスキャンは、物体の形状を三次元データとして取得し、点群処理や後処理を経て3Dモデルへと変換する技術です。試作開発やリバースエンジニアリング、品質検査など、製造業のさまざまな場面で活用が広がっています。用途や対象物に合った方式を選ぶため、まずは導入目的を明確に整理することが重要です。
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