確かな情報です! 3D デザイン、3D プリント、ジュエリーインダストリー 4.0

3D プリント技術が成熟し発展するにつれて、人気の 3D プリント技術はさまざまな業界や分野に応用され、現在この技術はジュエリー業界で使用されており、3D プリントはジュエリー業界に破壊的な変化をもたらしています。 3D プリントの助けを借りて、パーソナライズされたカスタマイズを実現し、ジュエリーの外観を向上させることができます。今日、Antarctic Bear は、3D プリントの関連知識についてさらに学び、ジュエリーやその他の業界における 3D プリントの応用を理解するためにあなたを案内します。

1. 3Dの基本概念
3D は 3 次元とも呼ばれ、この 2 つの単語は単純に思えるかもしれませんが、実際には非常に多くのことを含んでいます。今日はコンピューター上で実行される 3D について説明します。 3D は、1 つまたは複数のオブジェクトの形状、色、姿勢、動きを記述するために使用されるテクノロジーです。人間が視覚を持ち、空間感覚を抱くことができる三次元視覚です。

私たちは主に視覚を通じて世界を認識します。視覚は人間の最も発達した感覚器官です。私たちは情報過多の社会に生きているため、毎日何百何千ものメッセージにさらされています。このような状況では、人々の視覚や注意力は商品化されています。視覚技術の品質は人々の注意力に直接影響し、ビジネスの場合は顧客体験に直接影響します。ですから、この問題は非常に重要です!

3D技術の発展はジュエリー業界に革命的な変化をもたらし、長期にわたって安定的に存在し続け、インターネット、仮想現実、ビッグデータ、人工知能と密接に融合していきます。
3D には多くのコンテンツが含まれるため、まずは 3D ソフトウェアから始めましょう。 3D ソフトウェアは、3D モデルや画像レンダリングなどの 3D コンテンツを作成するために使用されるツールです。よく 3D モデリング (またはジュエリー業界では電子描画) と呼ばれるものは、3D ソフトウェアを使用して行われます。

3D ソフトウェアにはさまざまな種類があり、主にモデリング、レンダリング、アニメーション、物理シミュレーション、産業用 CAD (CAM を含む)、3D 解析ツール (力学、流体力学、熱力学、機械信頼性解析など) が含まれます。業界の観点から見ると、映画・テレビ、ゲーム、建築、都市計画、製造などです。

このように、3D ツールとそれによって作成されるコンテンツは非常に多く、それらはほぼ万能であり、3D データは将来の情報社会の中核となる資産であることがわかります。さらに、3D は仮想現実、拡張現実、複合現実の技術的基盤です。これらのハイエンドアプリケーションは 3D なしでは実現できません。

2. 3Dモデリング

3D ソフトウェアでは、3D 空間座標 (X 軸、Y 軸、Z 軸) を使用してオブジェクトの形状と位置を記述します。物体にはさまざまな形があります。どんなに複雑な 3 次元形状でも、点、線、面、立体を使って表現できます。各 3D 形状の表面上の任意の点には、3 次元空間内の対応する座標値があり、後続の 3D 印刷および CNC 処理のための生データが提供されます。デジタル処理に関しては後ほど触れますが…

次の図は、Rhino ソフトウェアの点、線、面、ソリッドの凡例を示しています。

次の図は、4 つの単純な 3D ソリッドモデルを示しています。ソリッドモデル (閉じたソリッド) は、多数の小さな平面または小さな曲面で構成されていることがわかります。

下の図を見てみましょう。曲面は実際にはさらに小さな平面で構成されています。

下の 2 つの図からわかるように、複雑な形状はすべて点、線、面に分解できます。調整と変形により、単純なジオメトリを複雑な形状に構築できます。

下の図では、任意の四角形または三角形の面を 2 つの三角形の面に分解できます。

下: オブジェクトの面の数が多いほど、モデルは滑らかになりますが、レンダリング効率は低下します。逆もまた同様です。下の図を見てみましょう。同じ形状ですが、500,000 個の三角形から 100 個の三角形の視覚効果まで徐々に簡略化されています。面の数が少ないほど、表面の滑らかさは低下しますが、レンダリング速度は速くなります。

したがって、形状の精度とレンダリング速度の両方を考慮しながら、プロジェクトのニーズに応じて適切な数の幾何学的面を使用する必要があります。

3. 3Dレンダリング
3D レンダリングは、3D モデルのリアルなプレゼンテーションを実現するプロセスです。モデリングを行う際、ほとんどの場合、プレーンモデル (ホワイトモデルとも呼ばれます) を使用してプレゼンテーションを行うため、実際のマテリアルがないため、最終的なプレゼンテーション効果を感じることができません。以下のように表示されます。

レンダリングする前に、3D モデルとシーンを構築する必要があります。写真家に相当します。まずはシーンを構築し、小道具を配置し、照明を設定し、キャラクターの姿勢や動きを調整する必要があります。これらがすべて完了して初めて撮影を開始できます（撮影はレンダリングに相当します）。コンピュータでは、レンダリングはレンダラーによって行われます。 3D シーンでは、さまざまな最終効果をレンダリングできるように、仮想カメラを設定し、フレーミング空間を取得し、3 次元オブジェクトにマテリアルを割り当て、照明とモーションの設定を実行する必要があります。

下の写真には、オブジェクト、カメラ、背景の床、バックライト、反射板があります。これは 3D レンダリングの一般的な設定です。

レンダリングパラメータを設定したら、レンダリングを開始します。この図は最終的なレンダリング結果です。

レンダラーには多くの種類があり、その 1 つは非リアルタイムで、Vray、MentalRay、Keyshot、Arion、Luxrender、Arnorld、Redshift、Maxwell などです。もう 1 つのカテゴリは、Unity、Unreal Engine 4 などのリアルタイムレンダラーです。ハードウェアサポートの観点から、GPU レンダラー、CPU レンダラー、CPU + GPU ハイブリッドレンダラーに分かれています。ジュエリー業界で最もよく使用されるレンダラーは KeyShot です。このレンダラーは CPU レンダリングを使用し、非常に高速です。準リアルタイムレンダラーであり、数秒から数分以内に優れた高品質の画像をレンダリングできます。さらに、Vray も非常に優れた旧式のレンダラーです。私たちの業界では、Vray レンダラーが組み込まれた Gemvision の Matrix 3D ジュエリーデザインソフトウェアを多くの人が使用しています。インターネット上には Vray でレンダリングされたジュエリーの事例も多数ありますので、ぜひご覧ください。

リアルタイムレンダラーは将来のトレンドです。3 次元シーンの変化に応じて画像を即座に表示できます。これは非常に重要であり、仮想現実と拡張現実の基本的な要件でもあります。 VR と AR は 3D コンテンツとシーンを表示するため、ヘッドセットとセンサーによって行われたすべてのアクションは 3D でリアルタイムにレンダリングされ、フレームレートは少なくとも 30 フレーム/秒に達する必要があります。つまり、レンダラーは 1 秒間に 30 本の連続動画をレンダリングし、VR ディスプレイに表示する必要があります。

Vray レンダリングされたイヤリング:

リングと宝石の Keyshot レンダリング:

リングの Keyshot レンダリング:

「レンダリング」という言葉は台湾では「計算」と呼ばれています。この名前はとても鮮明です。コンピュータコードをグラフィックスに変換し、画面に表示して視覚情報にすることを意味します。コンピューターでは、文字、Web ページ、ソフトウェアインターフェイス、グラフィックス、画像など、画面に表示されるものはすべてレンダリングする必要があります。 3D レンダリングは最終的な製品の形を指すのではなく、中間プロセスのプレゼンテーションもレンダリングと呼ばれます。例を挙げてみましょう:

次の図は、JewelCAD でモデリングする際のリアルタイムレンダリング効果です。これは、モデラーがスタイルをリアルタイムでプレビューできるようにするためです。これは、最終的な効果を表示するためではなく、いつでもスタイルを理解するためのシンプルなレンダリング方法です。

JewelCAD でのシェードレンダリング:

Rhino でレンダリング:

Keyshot 準リアルタイムレンダリング:

Arion 高度なレンダリング + ポストプロダクションの特殊効果

4. 3Dソフトウェアの分類

ビジュアル 3D ソフトウェア (映画、テレビ、ゲーム業界など) では、3ds Max、MAYA、XSI、Cinema 4D、Houdini、Blender などのソフトウェアを使用して 3D シーンやアニメーションを作成することがよくあります。
Zbrush での 3D モデリングデザイン:

MAYA の 3D アニメーションデザイン:

Cinema 4D のマットペインティング:

Realflow 流体シミュレーション特殊効果制作:

CAD はコンピュータ支援設計の略称です。電子回路設計 CAD、光学設計 CAD、衣料品生地設計 CAD など、さまざまな業界で多くの CAD が使用されています。ここでは工業デザイン CAD についてのみ説明します。

工業デザインでは3D CADソフトウェアを使用します。例えば、機械製造の構造設計ではPro E、Solidworks、UGなどを使用することが多く、外観デザインではAliasやRhinoを使用することが多いです。構造設計とは、部品が多く、組み立てや動作の関係が複雑な設計プロジェクト（自動車のエンジン、ギアボックス、クラッチなどの機械製品など）を指します。一方、外観設計は主に形状や外観の設計に重点を置いています。

私がこの業界に入ったとき、電子パターンメーカーにパターンを作るのにどんなソフトウェアを使ったのか尋ねました。彼らは皆、CAD だと答えました。そこで私は、CAD とは何なのかと尋ねました。 CADだと言ってました！ CAD とは何ですか?後で知ったのですが、彼らは単に CAD と呼ばれる Jewel CAD を使用していました。当時、ジュエリー業界では JewelCAD が唯一の 3D 設計ツールだったため、他にはほとんど存在しませんでした。

だからこの名前は理解できます。 CAD はコンピュータ支援設計の略称で、一般的には工業デザイン用の 3D ツールを指します。 Pro E、Solidworks、UG、Alias 、Rhino はすべて CAD ソフトウェアです。JewelCAD はソフトウェアの名前にすぎず、CAD ファミリーのメンバーです。

下：中国のジュエリー業界で広く使用されている3Dモデリングツール「Jewel CAD」：

次の図は機械構造設計CADソフトウェアです。

では、これらのソフトウェアの違いは何でしょうか?大きな違いがあり、コンテンツも豊富です。最もわかりやすい違いについてのみお話しします。純粋に視覚的な 3D 設計ソフトウェアの最終的な目標は、視覚的なプレゼンテーションを満たすことです。制作は必要なく、モデルのサイズにも厳密な要件はありません。視覚的に見栄えがよく、正しい比率であることだけが必要です。

たとえば、アニメ映画で女の子がはめている指輪の場合、目に見える部分だけをモデル化すればよく、サブアセンブリーに使用される位置決めピン、ノッチ、ネガ、底部などの目に見えない部分はモデル化すべきではありません。たとえモデル化しても、映画のシーンでは見えず、3D モデルの複雑さと面の数が増えてしまいます (後のレンダリングの速度に影響します)。

CAD ソフトウェアで作成された 3D コンテンツは通常、最終製品の加工に使用されるため、サイズ、構造、精度、職人技に対して厳しい要件が課せられます。簡単に言えば、ビジュアル 3D ソフトウェアによって生成されるコンテンツはプレゼンテーションと表示用であり、精度が視覚要件を満たしていれば (視覚的に正確であれば) 十分です。工業用CADソフトウェアで作成されるコンテンツは、加工精度、加工代、内部構造、工程データなどが求められる生産・製造用です。これが最も重要な違いです。

これは、ビジュアル 3D ソフトウェアで設計された 3D モデルは工業生産には使用できないことを意味しますか?全くない！ Visual 3D ソフトウェアは、工業グレードの精度を出力する能力を十分に備えていますが、それを実行するのは得意ではありません。 3ds max 上で CAD プラグインを開発していただければ問題ありませんし、産業用 CAD が得意とする設計プロセスも実現可能です。

5. ジュエリーモデリングに適したソフトウェアとツールをいくつか紹介します

Rhino は、土木産業の外観設計のためのプラットフォームレベルのソフトウェアです。オープン性と拡張性に優れた典型的な Nrubs サーフェスモデリングソフトウェアです。多数の民間製造業が、独自の特殊ツールを構築するためのプラットフォームとして Rhino を使用しています。ジュエリー業界には、Matrix、Rhinogold、Pavetool などのジュエリーデザインプラグインがあります。

同時に、Keyshot、Vray、T-Spline、Grasshopper など、ジュエリーのデザインプロセスに直接役立つ補助プラグインも多数あります。たとえば、Grasshopper はノードプログラミングに基づくパラメトリックモデリングツールです。さまざまな機能を組み合わせて、ポイント、ライン、サーフェス、ソリッドを制御します。さまざまな変数を入力すると、さまざまなランダムな形状を表現できるため、非常に強力です。以下のように表示されます。

次の図は、Rhino Grasshopper を使用したモデリングインターフェイスの例です。

Pixologic社が開発したZbrushは、映画やゲームの3Dキャラクターデザインに最初に使われたスカルプティングモデリングツールです。強力なディテール描写力を持ち、近年ではジュエリーデザインにも使われ始めています。詳細はBaiduで検索してください。

Pixologic Zbrush のインターフェース:

Zbrushで作成されたコンテンツ

まとめると、一般的なモデリング方法は次のとおりです。

（１）多角形モデリング
（２）サブディビジョンサーフェスモデリング
（３）サーフェスモデリング
（４）彫刻モデリング
（５）ビジュアルプログラミングに基づくパラメトリックモデリング
（６）手描きによる高速モデリング
（７）３Ｄスキャンに基づく逆再構成モデリング

次の図は手描きに基づいた簡単なモデリングを示しています。これは手描きのスキルを持つ 3D デザイナーに適しています。

人工知能は最終的に 3D 設計にとって重要なツールになるでしょう。

パラメータ化されたモデリングアプローチは、将来の人工知能の埋め込みの基盤を築きます。つまり、人工知能は 3D モデリングの分野に応用されます。モデリング操作のすべてのステップは、人工知能システムによって記録され、模倣されます。人工知能システムは、モデリングの技術的な習慣を深く学習し、モデリングのアイデアを理解し、モデリングの意図を判断し、それによってモデラーが創造性から 3D モデルへの変換をより迅速に完了できるように支援します。これは本当にすごいですね。

6. 3Dスキャンとリバースデザイン<br /> デジタル制作に使える形状を作るために、ジュエリーモデリングには3Dソフトウェアを使用します。ソフトウェアを使用してオリジナルのモデルを作成するこのプロセスは、フォワードデザイン (最初に 3D データ、次に物理オブジェクト) と呼ばれます。もう 1 つの方法は、3D スキャナーを使用して物理オブジェクトの形状データを取得し、その 3D モデルを取得することです。この方法はリバースデザイン (最初に物理オブジェクト、次に 3D データ) と呼ばれます。リバースデザインとは、技術的な手段によって既存の物理的オブジェクトに基づいて 3D 形状を再構築することです。この 3D モデリング方法により、大量の物理的なスペアパーツを保有する企業では、高速かつ低コストの 3D データベースを実現できます。

Daye DS130 ジュエリースキャナーは、ラスター写真を使用してリングの 3D 構造を反転します。

DS130 3Dスキャナーは、Daye 3D Co., Ltd.が独自に開発し、量産しているプロ仕様のジュエリー3Dスキャナーです。主にジュエリー分野の3Dデータ再構築に使用されます。 3Dデータ再構築の精度は10ミクロン未満で、国際先進レベルに達しており、高速、高精度、自動スキャンを実現し、ユーザーが使用中に心配、労力、時間を節約できることを保証します。

3D スキャナーを使用して点群データを取得し、ソフトウェア計算後に 3D パーツを再構築します。

このように、フォワード設計とリバース設計は補完的な設計モデリング手法であることがわかります。ジュエリー業界では、将来的にはフォワードデザインが主流になるでしょう。なぜなら、業界全体が、生産前にデザインを行い、パーソナライズされたデザインとカスタマイズへと進化していくからです。顧客が注文する前に物理的な製品を生産する必要はありません。すべての設計計画は 3D データの形式でクラウドサーバーに保存されます。これは、資産をあまり必要としない最新の生産方法であり、ジュエリーインダストリー 4.0 の中心的な目標でもあります。

7. 3DプリントとCNC加工

3D プリントは高度な製造技術です。従来の減算型製造とは異なり、材料を積み重ねてモデリングを完成させる加法型製造技術です。私たちがよく話題にする旋盤、フライス盤、プレーナーなどの従来の加工設備はすべて減算型製造です。通常、切削加工は特定の仕様のプロファイルに対して行われます。手作業で加工しても、CNC 加工しても、大きな無駄が発生します。切削廃棄物をリサイクルしたとしても、理想的な生産技術とは言えません。 3D プリント技術がこの問題を解決します。

3Dプリンターの仕組みについて簡単に説明しましょう。これは、先ほど説明した 3D モデルと切り離せないものです。前述したように、各 3D 形状の表面上の任意の点には、3 次元空間内の対応する座標値があります。 3D プリンターは、3D ファイルを読み取ることで、造形セクションの境界上の各点の空間座標を取得し、この座標情報を 3D プリンターのモーションコントロールシステムに転送します。高精度モーターがワークベンチを駆動してリードスクリューまたはスライドレール上を移動し、3D ノズルまたはレーザーを対応する空間座標に配置して、スプレーまたは焼結操作を実行します。原理は複雑ではありませんが、実際の研究開発ではまだまだ多くのコア技術があり、精度や速度比について言えば、解決すべき問題が数多くあります。

従来の3Dワックススプレーに加え、金属を直接印刷できる貴金属3Dプリンターも登場しています。現在のボトルネックは主に材料科学の方向にあります。材料特性、強度、コストに加えて、精度や速度などのいくつかの問題も解決されつつあります。今後3〜5年で、3Dプリント技術は間違いなく急速な成長段階に入ると私は信じています。

3D 金属プリント (積層造形):

積層造形技術は確かに進歩していますが、切削造形技術がなくなることは当分ないでしょう。この 2 つを組み合わせると大きな利点が生まれます。たとえば、3D 金属プリンターを使用して大まかなブランクをすばやく印刷し、その後 CNC を使用して高精度の加工を行うと、表面精度と速度が向上し、加工コストが削減され、原材料が節約されます。このような複合CNC加工装置を開発している企業もあります。

CNC加工（減算型製造）：

3Dデジタル処理は、ジュエリー業界4.0を実現するための重要な技術の1つです。この技術がなければ、CADソフトウェアで作成された3Dモデルは生成できません。つまり、このCADソフトウェアはビジュアル3Dソフトウェアに相当し、見た目は良いものの実用的ではありません。したがって、3D 設計ソフトウェア、3D プリンター、CNC 機器が組み合わさって、ジュエリー生産チェーンの基本的なツールを構成します。クリエイティブデザインのサプライチェーン、素材のサプライチェーン、小売ターミナルを組み合わせることで、ジュエリー業界の未来のエコシステムが形成され、ジュエリー業界4.0の目標が達成されます。

人類は道具の改良を決してやめませんでした。道具には2つの機能があります。1つは人間の能力を拡張すること、もう1つは人間の効率を向上させることです。ジュエリー業界の情報化は、実は産業ツールの革命です。インターネット、3D、VR、ビッグデータ、人工知能、先進的な製造技術の台頭は、必然的にジュエリー業界に大きな影響を与えるでしょう。

出典: Daye 3D 寄稿

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