STLでは、表面形状を小さな三角形の各頂点と面法線ベクトルで記述する。部品製造などの場合にはそれだけの情報では足りないので、AMFや3MFと呼ばれるフォーマットが開発されている。これらでは色や材料、テクスチャが記述可能だが、煩雑な中間処理を行うことが前提だ。どちらもポリゴンによる表現をベースとしており、材料の接合強度などは記述できず、複雑な内部構造の記述は前提としていない。

　これに対しFAVは、図2に示すように、積み木細工のように大きさの違うボクセルを組み合わせることができ、どんなに複雑な内部構造でも、誰にでも分かりやすい方法で設計できる。またボクセルごとに色、材料、接合強度などが記述できるため、対応するプリンタがあればそのままデータを送るだけで出力できることになる。出力までの中間工程・後工程がいらず、モデルの再利用、ボクセルの編集などが簡単に行え、記述できる属性情報が多いため、プリント時間短縮や、データ処理などの工数削減が期待できる。

図2　FAV＝ボクセルによる3次元形状の表現　
・各ボクセルに、色情報、材料情報を保持できる
・近傍のボクセルとの接合強度なども保持できる（3Dプリンタによる造形物の異方性反映、将来の実現可能性）／資料提供：富士ゼロックス

FAVを利用するメリットは？

　このような特長から、FAVは単に外形が分かればよいCGや意匠デザインのプロトタイピングだけではなく、エンジニアリング用途へのさらなる活用が期待できる。各種の属性が記述できることにより、例えば次のような利点がある。

• 色　
  複雑な内部構造にさまざまな色を付け、その外部構造を透明／半透明の材料で構成すればデザイン性の高いアクセサリーやパーツを作ることができる。医療用の臓器模型などに応用すると作成が容易になるほか、コンピュータ上での手術シミュレーションなどにも応用が利く
• 材料　
  1つの製品の各部で軟らかい部分と硬い部分を一度に設計できる。例えば安価なプラスチックを表面に使い、内部では高価で硬い金属材料で構造強度を確保したり、内部は丈夫な材料にしながら人体に触れる部分だけはゴム材料などの軟らかいものを使ったりと、用途とコストの両面で最適な材料の使い分けができる
• 接合強度　
  隣り合うボクセル同士に、お互いの接合の強さを記述できるので、力を加えた場合にどのように各部に力が伝わるのか、造形方向を考慮に入れて計算可能になり、外から力が加わった場合に変形や破損しやすい部分がシミュレーションによってより詳細に特定できることになる。接合強度が強い方向に造形方向を変えたり、弱い部分に強度の高い材料や接合強度の高い材料を組み込んだりすることで、製品の強度を適切に設計できる

製品設計の工数・コスト削減

　エンジニアリング用途での利点をもう少し詳しく説明しよう。図3には、チェスの駒の3Dモデルを作成し、それに力を加えた場合に壊れにくいように設計を変更するプロセスでの応用イメージを示す。

図3　製品の強度を考慮して材料の使い分けを設計するイメージ例／資料提供：富士ゼロックス

　最初に作成したモデルは、比較的強度の低い安価な材料で設計したもの。しかしシミュレーションによると、上から応力をかけるような場面では部分的に強いストレスがかかることが分かった。そこでその部分のボクセルを取り除き、別途、同じデータで材料のパラメータを強度が高くて高額な材料のものに変えただけのモデルを作成、先ほどのモデルのボクセルを取り除いた部分にはめ込む。すると全体として丈夫な製品設計が出来上がる。実際にはこれを繰り返しながら最適な設計値を求めることになるが、従来行われてきたシミュレーションや実出力物のテストの結果を、最初の3Dモデリングソフトに戻して再設計することを繰り返す手法に比べて、だいぶラクになることが分かるだろう。また製品強度を担保するために必要な高価な材料を最小限にすることも同時にできる。

　図3ではモノの表面のボクセルしか見えていないが、内部も同じようにボクセルが充填（じゅうてん）されていて、同時に材料の変更ができている。図4には、さらに強度を上げるために、内部に支柱を組み込むシミュレーションの例を示す。ソフト上で柱を高強度の材料のボクセルで作成し、先ほどのモデルの内部にはめ込むだけだ。図の右端の断面図のように、ボクセルを簡単に置き換えることができるわけだ。

図4　内部に支柱を組み込むシミュレーションの例／資料提供：富士ゼロックス

　このようにCADなどのモデリングソフトに設計を戻さなくてもボクセルのパラメータ編集や加工、置き換えができるところは大きな強みだ。またポリゴンベースのモデリングの場合、たとえ構造の変更がなくても、ポリゴンの重なりや抜けなどのエラーがメッシュ作成時に分かることが多い。メッシュデータをそのまま編集するのは困難なので、一度モデリングソフトに戻してエラー部分を修正しなければならない。ポリゴンベースではないFAVの場合はエラー修復の必要がなく、ここでも工数短縮が可能になる（図5）。

図5　モデリングから3Dプリンタへの出力までのプロセスの違い／資料提供：富士ゼロックス

FAVの課題と今後

　さてFAVのメリットは分かったが、これをどうやって出力するのかが問題だ。現在のところFAVが記述する情報を全部うまく反映できるような3Dプリンタはない。ハイエンドの3Dプリンタでは上述したAMFや3MFに対応した製品があり、色や材料などに関する中間処理を省略することもできているが、それでも全ては対応し切れない。実は、FAVは3Dプリンタありきの仕様ではなく、3Dデータ利用の「自由度を担保する」ことを最優先に作成されている。製造・医療・教育など、3Dプリンタを利用した応用分野での実用を想定した際に、最低限必要な自由度に絞ったフォーマットではなく、グラフィックスやシミュレーション、CAD／CAM／CAEといったさまざまな情報を組み込んだ技術への対応の自由度も視野に入れたフォーマットとしている。FAVはあくまでデータフォーマットの仕様であり、それをどう使うかはアプリケーション側に託されている。

　もちろん3Dプリンタは最有力の適用領域だ。ボクセルの位置とサイズと色の情報だけを利用するくらいなら、スライスデータを作成して既存の3Dプリンタでも出力することはそう難しくはなさそうに見える。2017年くらいには登場しそうな普及価格帯のジェットノズル方式の3Dプリンタとも相性が良さそうだ。

　ただし、データ量が大きくなりがちなのが課題の1つ。しかし富士ゼロックスの専門家によると、ビットマップ画像が圧縮技術の発展で軽量化が進んだのと同様に、バイナリ形式のFAVも高圧縮が可能なのではないかということだ。

　また標準化も大きな課題だ。現在のところ、ISO（国際標準化機構）TC261でAMFが採用されているが、この次期バージョンではボクセルの概念を取り入れる検討が行われており、FAVが参考にされるかもしれない。また日本ではTRAFAMが次世代型産業用3Dプリンタおよび超精密3次元造形システムの開発を推進しており、これとの関係も今後注目される。オープン仕様であるところから、対応ソフトとハードの開発が進めば、一気にデファクト標準となる可能性もあり、今後が見逃せない。

併せて読みたいお薦めホワイトペーパー：

• CADやCAE、3Dプリンタなどの3Dデータツール、どう使っていますか？
• 3Dプリンタの未来と課題
• 3Dプリンタを単なる“製造方式の置き換え”という存在にしないためには
• 専門家が解説！「3Dプリンティング技術に関するハイプサイクル」