Artec 3D社製スキャニングを利用した航空機の予備機製作のための『ほぼ不可能に近い』リバースエンジニアリングの実施

著 Paul Hanaphy

3Dスキャナ

Artec Leo

課題：必要に応じて実用的な予備機の製作に利用できるデジタル複製版を作成するため、平坦なテクスチャ、及び有機的なサーフェスを持つ年代物の航空機を十分な精度でデジタル化すること。

ソリューション：Artec Leo、及びArtec Studio

結果：航空機の光沢があり、かつフィーチャの無いグラスファイバー製の操縦室を完全にキャプチャし、その独特の実験的なデザインを仮想形式で保存した、驚くほど詳細な3Dモデル。

なぜ、Artec 3Dなのか：サドラーバンパイアの入り組んだ部分的に不明瞭なジオメトリのキャプチャは、業界初のワイヤレス式Artec Leo抜きでは不可能に近い。Artec Studioソフトウェアの高機能の編集ツールを後に利用することにより、そのような複雑なサーフェスの仕上げも数クリックするだけで完了し、リバースエンジニアリングに即時に利用できる高度に詳細なメッシュの生成が可能となる。

サドラーバンパイア軽量航空機のテストパイロット。画像はウィキメディア・コモンズより

自身の飛行機で空へ舞い上がり、世界の新たな地域へ思いのままに飛行することを夢見たことはおありだろうか。そのような解放された自由の実現への想いは航空業全体に革新をもたらし、この空想を現実とするための試みで業界は満ち溢れている。

一九六四年にリアジェット23が飛行を開始して以来、自家用ジェット機を普及させ、更なる贅沢な空の旅を対象としたものから実用性に重きを置いたものまでを扱いながら、その設計は急速に進歩を遂げた。

このような航空機の中で更に独創的な部類に入る一機が、一九八〇年代に登場した。それが、サドラーバンパイアである。他機とは違い、この航空機は折り畳み式の翼を持ち、ポッド&ブーム形態の設計を施されていた。同機は今日までレクリエーションで飛行するパイロットの間で継続的に人気があり、そのデザインは異なる航空機の開発に何度も使用された。ある時には、マシンガンを装備した『ピラニア』版が発表されたこともあった。

しかし、その実験的な特性により、この航空機のデザインはCADの形では決して保存できず、その予備機を調達するのは困難となっていた。供給問題の浮上する中、一人のパイロットが一歩先へ踏み出し、このことをArtec 3D社製のスキャニングでサドラーバンパイア全体をデジタル化することにより実現しようとしていた。

憧れの的の航空機のデジタル化

数十年前にサドラーバンパイア初号機が発売されて以来、このパイロットはこの航空機の希少性を時と共により強く意識するようになった。そこで、同機に何らかの破損が生じた際、もしくは製造企業が改良を加えたいと考えた際のためにデジタル的な設計の『基となるもの』を作成することが最善策である、と考えた。

この航空機の翼の構造はその頂部を特徴とし、デジタル化は極めて簡単となるが、白色の燃料タンクのような操縦室はリベットが無い構造でテクスチャも有せず、光を反射するグラスファイバー製である。フォトグラメトリによるキャプチャは選択肢の一つであったが、完成したモデルにはかなりの度合いのクリーンアップが必要となったであろう。

パイロットが3DMakerWorld社に支援を求めて連絡を取ると、Artec社の長期にわたる米国のパートナーである同社は別の方法を提案した。それは、Artec Leoを採用することだった。Artec Space Spiderによってもリバースエンジニアリングに必要な精度で同機をキャプチャすることはできたが、Leoの毎秒三千五百ポイントのスキャン性能、内蔵ディスプレイ、そしてケーブルの必要のない多用途性の方がこの業務により適していた。

Artec Leoを利用し、サドラーバンパイアの燃料タンクのような操縦室のデジタル化を行う3DMakerWorld社のチャド・ミーズ（Chad Mees）

「操縦室は長い梁を通した状態でエンジンスタンドの上に設置されており、繊細な作りになっていたため、作業はその周りを動き回って行う必要があった」と、3DmakerWorld社エンジニアのチャド・ミーズ（Chad Mees）は話す。「Artec Leoは逆さにして窪み部分に挿入し、その内部のフィーチャをキャプチャすることも簡単であった。内蔵されたスクリーンを利用して自分の作業をチェックし、何かにぶつからないよう確認することもできた」

Artec社製3Dスキャニングを採用したことによるもう一つの利点は、担当班が今回実現できたその高度な正確さであり、トラッキング用ターゲットやマーカーも必要としない点であった。このことにより、デジタル化に当たりサドラーバンパイアを損傷する恐れは無くなり、ワークフローは効率化され、数秒の間に必要なすべてのデータのキャプチャが完了した。

Artec Studioにおけるスキャン・トゥ・CAD

高度なリバースエンジニアリングにおいては、企業はGeomagic for SOLIDWORKSで提供されるような追加のツールに投資することが多いが、今回の場合はArtec Studioで十二分であることが分かった。

特に3Dスキャニング、並びにデータ処理用ソフトウェアであるArtec Studio のデフィーチャブラシは不自然な部分の削除に非常に役立った、とミーズは話す。このような作業は通常であれば操縦室の有機的な形状のせいで困難となるが、このツールであればパーツのサーフェスもぴったりと合わせることができた。

サドラーバンパイアの曲線状の操縦室の3Dメッシュ。画像は3DMakerWorld社のご厚意により掲載

「小規模の不自然な箇所がいくつかあったが、Artec Studioのスムージングツールで除去することができた」と、ミーズは語る。「スキャンデータが上手く繋がらない箇所でも、このソフトウェアでサーフェスを簡単に繋げることができた。ノイズの除去も非常に単純化された」

「我々のノイズ処理の作業も、異なる種類のノイズが含まれていたものの、Artec Studio上で全て完了した。その他のメッシュ編集作業は生じなかった」

作業を顧みて、ミーズはArtec Studioのサーフェス厚変更ツールを利用したならば、工程は更に簡素化されただろうと考えている。当バンパイア機は狭い領域のジオメトリを多く含み、その両面のキャプチャは困難を極めたが、この問題は特定の箇所に厚みを加えることで克服できたはずだ。

しかし、その機能抜きでも、完成したメッシュはエクスポートされた上で、リバースエンジニアリングに必要な度合いの細かいディテールを有し、全体をテクスチャ処理された3Dモデルへとその姿を変えた。

サドラーバンパイア機より抽出された独立吸気口の3Dメッシュ。画像は、3DMakerWorld社のご厚意で掲載

分析、及びアップグレードへの良い機会

今後の進展の中で、Leoは航空機の3Dスキャニングにおいて、特に非破壊試験（non-destructive testing, NDT）、及び数値流体力学（computational fluid dynamics, CFD）の分野で更なる可能性を秘めていると考えられている。

バンパイアのような航空機の完璧なモデルを手作業で製作したとしても、「正確に製作されているかどうかは外観からは分からない」とミーズは語る。これに対し、Artec社による3Dスキャニングであれば、曲線形状の機体をキャプチャした上で結果として得られるデータをCFDシミュレーションへ入力することができ、このシミュレーションにより航空機の性能への悪気流の影響を分析することが可能となる、とミーズは話す。

前述のバンパイア機の持ち主はCFD分析を行うつもりは当面の間はないとしているが、今では性能の向上や予備機の製作に取り掛かろうとした場合の拠りどころとなる設計ファイルが手元にある。

「その幅広い視野と操作性により、このようなことの実現はArtec Leoにとってはお手のものである」と、3DMakerWorld社の3Dスキャニングコンサルタントであるケビン・スタッキー（Kevin Stucky）は話す。「閉鎖的な空間内に入ったり、我々の段取りにノートパソコンを引っ張り込んだりすることはかなり面倒であっただろう。スキャニングは騒音も生じさせず、Leoの驚くべき柔軟性も見事なものだった」

「（今回のように）正確な寸法を得ることは、Artec Leoによる3Dスキャニングを使用しなければ、ほぼ不可能といえるだろう」