メッシュソリッド化の方法｜閉じたメッシュの要件と変換後の編集の限界

STLなどのメッシュをCADで開くと、形は画面に出るのに、寸法を変えることも面を選んで編集することもできません。この状態を解消する操作が「ソリッド化」と呼ばれています。

同じ言葉で呼ばれていても、到達点は2つに分かれます。三角形の面を残したまま中身のある立体として成立させる場合と、面を推定して作り直し、寸法で編集できるCADの形状にする場合です。どちらを目指すかで、手順も、変換後にできることも変わります。

この記事では、着手前に確認する項目、3通りの変換方法、CADが変わっても共通する工程、変換しても戻らないものを順に説明します。画面の操作手順は各社の公式ヘルプへ譲り、ここでは工程と各社のコマンド名の対応を示します。

執筆: bestat 編集部

メッシュのソリッド化とは

メッシュのソリッド化は、三角形の面（ファセット）を並べて表面だけを表したデータを、CADが中身のある立体として扱えるボディへ変換する操作です。表面の形しか持たないデータをサーフェス、内側と外側が決まった立体をソリッドと呼び分けており、ソリッド化は後者へ移す操作にあたります。

SOLIDWORKSのヘルプは、メッシュファイルの変換先を3つのタイプのボディとして整理しています。グラフィック メッシュ ボディとメッシュ BREP ボディ

このうち「ソリッドになった」と言えるのはメッシュBREPボディと標準BREPボディで、この2つは別物です。メッシュBREPボディは体積を持ち、ブーリアン演算や干渉チェックに使えます。標準BREPボディまで進めるには、三角形の集まりから平面や円筒を推定し、面を作り直す工程が要ります。

読み込んでも編集できないのはなぜか

メッシュの面には、寸法として読み取れる情報が入っていないためです。三角形の頂点座標は分かっても、その集まりが円筒であることや、その半径がいくつなのかという記述は、メッシュに含まれていません。

SOLIDWORKSはセグメント化の解説で、この状態を立方体の例で説明しています。他のCADで作った立方体をSTLへ書き出してインポートすると12個のファセットになり、メッシュBREPボディへ変換しても立方体全体がひとつの面になります。6つの面・12のエッジ・8つの頂点へ戻すには、ファセットを面と見なすものにグループ化する必要がある、としています。

フィレットや面取りは面やエッジを参照して形を作ります。参照できる面が1つしかない状態では、変換が済んでいてもこれらの機能を使えません。

着手前に確認すること

変換の成否は、着手前のメッシュの状態でほぼ決まります。隙間が無いか、面の数が扱える範囲か、単位が合っているかを先に見ておくと、変換に失敗してから原因を探す手間を減らせます。

隙間があるとソリッドにならない

閉じていないメッシュは、変換してもソリッドになりません。Autodesk Fusionのヘルプはメッシュ ボディをソリッド ボディに変換するで、この分岐をそのまま書いています。

メッシュ ボディに隙間がない場合は、ソリッド ボディに変換されます。メッシュ ボディに隙間がある場合は、サーフェス ボディに変換されます。

同じ挙動を別のベンダーも記述しています。BricsCADのSOLIDIFYコマンドは、メッシュをサーフェスへ変換したうえで、可能な場合にサーフェスをステッチ（隣り合う面のふちを縫い合わせる処理）し、ソリッドへの変換を試みます。結果には「3Dソリッド」のほかに「サーフェス」「ステッチされていません」「サーフェスを作成できませんでした」といった状態が表示されます。

隙間は、下流の工程でも同じように問題になります。3Dプリント出力サービスのSOLIZEは、受け付けられないデータの例として、ソリッドになっていないデータ、複数のシェルが重なったデータ、面の法線方向が揃っていないデータを挙げています。シェルは閉じた面のひとまとまり、法線は面の表裏を示す向きのことです。

面の数が多いと変換後に扱いにくくなる

面の数は、変換の速さと、変換後のボディの重さの両方に効きます。後述するファセット方式では、メッシュの面がそのまま新しいボディの面になるため、三角形の数がボディの面数として残ります。

Fusionにはメッシュを修正するツールとして「削減」があり、複雑さを最小限に抑えるためにメッシュボディ上の面の数を減らす、と説明されています。面を減らすと形も丸められるため、寸法を確認したい箇所がある場合は、減らす前に測っておきます。

単位はメッシュ側で決まらないことがある

読み込んだ形が10倍や25.4倍でずれる場合、原因は単位の解釈にあります。Fusionのメッシュを挿入では、センチメートル・ミリメートル・メートル・インチ・フィートから単位タイプを選び、「元のファイルの1単位は1センチメートルです」のように、ファイル側の1が何にあたるかを指定します。

つまり、ファイルの数値が何ミリを指すかは、読み込む側の指定で決まります。元データの寸法が1箇所でも分かっているなら、読み込み後にその部分を測って照合すると取り違えに気づけます。形式ごとの扱いは3Dデータの主要ファイル形式で整理しています。

メッシュをソリッドにする3つの方法

変換方法は3通りあり、手間と、変換後にできることが違います。Fusionはこの違いを変換方式として明示しており、ファセット・角柱状・有機的の3つを選べます。メッシュ ボディをソリッド ボディに変換する

ファセットをそのまま置き換える

三角形の1面を、そのままボディの1面に置き換える方法です。Fusionのファセット方式は「メッシュ ボディ上の個々の面を、新しいソリッド ボディまたはサーフェス ボディ上の個々の面に変換します」と説明されています。RhinoのMeshToNURBコマンドも同じ考え方で、ポリゴンメッシュの各ポリゴンをNURBSサーフェスで複製します。

手間は少ない一方、得られるのは三角形の面を持ったボディです。体積は計算でき、他のボディとの足し引きにも使えますが、面を選んで寸法を変える操作には向きません。Fusionのヘルプも、メッシュボディ上の個々の面ごとに1つの面を生成したい場合にファセット方式を使う、と案内しています。

面をグループにまとめてから変換する

平らな部分や円筒の部分ごとに三角形をまとめ、まとまりを1つの面として変換する方法です。Fusionの角柱状方式は「角柱状フィーチャの面のグループを、新しいソリッド ボディまたはサーフェス ボディ上の単一面に結合します」とされています。SOLIDWORKSのセグメント化も同じ役割で、ファセットを鋭角コーナー・平坦面・円筒面で囲まれた面へグループ化します。

平面と穴でできた機械部品のように、面の種類がはっきりしている形状で効きます。Fusionは、ソリッドまたはサーフェスのモデリングツールで作られたジオメトリを変換する場合に角柱状方式を使う、としています。グループ化を通しておくと、変換後にフィレットや面取りが参照できる面とエッジが残ります。

曲面を推定して作り直す

三角形の並びから元の曲面を推定し、面を新しく定義し直す方法です。Fusionの有機的方式はこれにあたり、スキャンデータや有機的なモデリングツールから作られたジオメトリを変換する場合に使うとされています。解像度は「精度を基準」（低・中・高・正確）か「面の数を基準」で指定し、精度を上げるほど処理は遅くなります。

手間は3つのうち最も大きく、形によっては曲面を手作業で割り当てることになります。この工程は、現物や測定データから設計形状を復元する作業そのものです。図面化や公差の付与まで進める場合は、リバースエンジニアリングの手順も合わせて確認してください。

変換の手順

工程はCADが変わってもほぼ同じで、違うのは呼び名です。読み込み、修復、面のグループ化、変換、確認の順に進めます。

読み込みと単位の確認

メッシュを読み込み、単位を指定します。読み込んだ直後に、元データで分かっている寸法を1箇所測り、値が合っているかを確かめます。ここでずれていると、以降の工程をやり直すことになります。

穴・法線・重複した面を直す

閉じていない箇所と、向きの揃っていない面を先に直します。Fusionのメッシュの修正ツールでは、次のように役割が分かれています。

• 消去と塗り潰し — 面を除去して置き換え、穴を塗り潰して領域を修復する

• 法線を反転 — 選択した面の法線の向きを反転する

• 再メッシュ — 面を細かくするか、粗くする

• 削減 — 面の数を減らし、複雑さを抑える

メッシュの準備ツールにある「修復」は、メッシュボディを修復して、その後のデザインおよび製造操作の準備をするツールとされています。修復を一度かけたあとで、残った穴を手作業で塗り潰す進め方になります。

面をグループにまとめる

三角形を、平面や円筒などのまとまりへ分けます。Fusionの「面のグループを生成」は、面の間の法線角度を使ってそれぞれの面グループの境界を決め、メッシュボディ上に面のグループを自動的に生成します。角の立った部分が境界になるため、なだらかにつながる面は同じグループにまとまります。

自動生成の結果は、そのまま使えるとは限りません。角度だけで境界が決まるため、別々に扱いたい部分が1つにまとまることも、1つの平面が分かれることもあります。ずれた箇所は「面のグループを結合」「面のグループを作成」で手直しします。

Fusionのヘルプも、修復・面のグループを生成・面のグループを結合・ダイレクト編集を使って、メッシュボディ上の形状にできるだけ近い面のグループを作ると、ソリッドへの変換で最適な結果が得られる、としています。この工程を飛ばすと、変換後のボディがひとつの面になり、面やエッジを参照する機能を使えません。

ソリッドへ変換する

変換は1つのコマンドで終わるとは限りません。FreeCADではPart ShapeFromMeshでメッシュからシェイプを作り、Part MakeSolidでソリッドへ変換します。BricsCADの「SOLIDIFY」も、内部でサーフェスへの変換、ステッチ、ソリッドへの変換という順に処理を進めます。

FreeCADのShapeFromMeshには縫合（Sew shape）の許容差があります。公式ドキュメントは、このオプションは通常必要なく、ウォータータイトでなくエッジの間に小さな隙間があるメッシュのためのものだと説明しています。ウォータータイトは、水が漏れない状態、つまり隙間なく閉じたメッシュを指す言い方です。

対象はあくまで小さな隙間で、大きく欠けた面を作り直す機能ではありません。欠けが大きい場合は、メッシュの段階で穴を塗り潰してから変換へ進みます。

変換できたかを確認する

変換後に見るのは、体積が出るか、寸法が元と合うか、面を選べるかの3点です。

• 質量特性や体積の計算が通るか。通らなければサーフェスのままの可能性がある

• 元データで分かっている寸法と、変換後の測定値が一致するか

• 面をクリックしたとき、三角形1枚ではなく平面や円筒の単位で選べるか

ソリッド化しても戻らないもの

変換で得られるのは形だけです。設計履歴、寸法拘束、公差、正確な曲面の定義は、もともとメッシュに記録されていないため、変換しても復元されません。これらが必要なら、変換の続きとして作り直すことになります。

SOLIDWORKSのヘルプは、メッシュBREPボディの面について次のように書いています。グラフィック メッシュ ボディとメッシュ BREP ボディ

これらの面は、標準 SOLIDWORKS BREP ボディの面に似ていますが、メッシュ面に幾何学的な記述がありません。

同じページは、グラフィックボディで円に見えるものが実際には大量の三角形であり、そのエッジは円の円周を近似するだけで数学的カーブを作らない、とも説明しています。Rhinoの公式ドキュメントも、メッシュモデルは簡単にはNURBSモデルに変換できず、オブジェクトを定義する情報が全く異なるためだとメッシュオブジェクトの解説で述べています。

ソリッドにならないときの確認

サーフェスとして変換される、処理が失敗する、形が崩れる、面を選べないといった症状は、原因も直し方も違います。まず症状を特定し、対応する工程まで戻ります。

「サーフェスとして変換された」という結果は、メッシュのどこかが開いていることを示しています。開いている箇所を表示させて塗り潰し、隙間が無くなれば、同じ操作でソリッドとして変換されます。

用途からソリッド化の要否を決める

3Dプリント、体積や質量の算出、干渉チェックであれば、三角形の面を残したままのボディで足りることが多いです。寸法を変える設計変更や加工用の形状にするなら、面を推定して作り直す工程まで進みます。

SOLIDWORKSはメッシュ BREP ボディをサポートするフィーチャーのリストを公開し、クリアランス検出、干渉認識、質量特性、フィレット、面取りなどを対応する機能として挙げています。質量特性には「ファセットは、質量特性を変更することがあります」という注記が付いており、三角形で近似した形から計算した値になることを示しています。

下へ行くほど工数が増えます。全体を作り直さず、変更する部分だけを面のグループ化やスケッチで作り、残りはファセットのまま使う進め方もとれます。3Dデータの整備をどこから進めるかは、CADとAIによる設計業務の自動化でも扱っています。

よくある質問

Blenderの「ソリッド化」と同じ操作ですか

別の操作です。Blenderのソリッド化モディファイアーは、任意のメッシュの表面を取得し、それに深さ、厚さを追加する機能です。厚みの無い面に壁の厚さを付ける操作であり、この記事で扱っているCADのメッシュからソリッドボディへの変換とは目的が違います。3Dプリント用に薄い面へ厚みを持たせたい場合は、Blenderのこの機能が該当します。

無料のソフトでもソリッド化できますか

できます。FreeCADには「Part ShapeFromMesh」と「Part MakeSolid」があり、メッシュからシェイプを作ってソリッドへ変換できます。公式ドキュメントは、メッシュオブジェクトはFreeCADでの編集機能が限られると述べ、シェイプへ変換すればより多くのブーリアンや修正のコマンドを使えるようになる、としています。ただし、これはファセットをそのまま置き換える方向の変換です。面を推定して作り直すところまで求めると、無料のソフトでも有料のCADでも手作業が増えます。

ソリッド化したデータはSTEPで渡せますか

ソリッドとして成立していれば、CADの書き出し機能でSTEPなどの形式へ渡せます。ただし、ファセットのまま変換したボディは三角形の数だけ面が残るため、受け取った側で開くのに時間がかかることがあります。渡す前に面の数を確認し、必要なら面のグループ化まで進めてから書き出します。形式ごとの違いは3Dデータの主要ファイル形式を参照してください。

3Dスキャンした点群から直接ソリッドにできますか

点群は座標を持つ点の集まりで、面を持ちません。そのため、点群からメッシュを作り、そのメッシュをソリッドへ変換する順を通ります。点群からメッシュを作る工程は点群のメッシュ化で説明しています。

まとめ

メッシュのソリッド化は、到達点を決めてから着手すると迷いが減ります。三角形の面を残したままのソリッドで足りるのか、面を推定して作り直したCADソリッドが要るのかは、変換後にする作業から決まります。

着手前に見るのは、隙間、面の数、単位の3点です。閉じていないメッシュはソリッドにならず、サーフェスとして変換されます。単位は読み込む側の指定で決まるため、既知の寸法での照合を最初に済ませます。

変換しても、設計履歴、寸法拘束、公差、正確な曲面の定義は戻りません。円筒の半径を扱いたい、寸法を変えたいという要求があるなら、面のグループ化や曲面の再構築まで工程を伸ばす必要があります。

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bestat株式会社は、東京大学 松尾研究室発の産業用3Dデータに特化したAIスタートアップです。製造業・インフラ・土木の現場で、画像・動画・点群・360度動画などから3Dデータを生成・処理・活用する「3D.Core」シリーズを開発・提供しています。

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参考文献

• Autodesk Fusion ヘルプ — メッシュ ボディをソリッド ボディに変換する

• Autodesk Fusion ヘルプ — メッシュを挿入

• Autodesk Fusion ヘルプ — メッシュの準備

• Autodesk Fusion ヘルプ — メッシュの修正

• SOLIDWORKS ヘルプ 2023 — グラフィック メッシュ ボディとメッシュ BREP ボディ

• SOLIDWORKS ヘルプ 2023 — メッシュ BREP ボディのセグメント化

• SOLIDWORKS ヘルプ 2023 — メッシュ BREP ボディをサポートするフィーチャーのリスト

• Rhinoceros ヘルプ — メッシュオブジェクト

• Rhinoceros 8 ヘルプ — MeshToNURB

• FreeCAD Documentation — Part ShapeFromMesh

• FreeCAD Documentation — Part MakeSolid

• BricsCAD ヘルプ — SOLIDIFYコマンド

• SOLIZE オンライン3Dプリント出力サービス — 3Dデータの形式とエラーについて

• Blender 5.2 LTS マニュアル — Solidify(ソリッド化)モディファイアー