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Surface・Sheet Metal・Knowledgeware 実務ガイド

CATIA · GSD · Sheet Metal · Knowledgeware

概要

複雑な曲面と板金、そして規則ベースの自動化は Part Design だけでは解決できない領域である。

本ページでは Generative Shape Design(GSD)、FreeStyle・ICEM Shape Design(Class A)、Sheet Metal(GSM・ASL)、Weld/Structure Design、そして Knowledgeware(Parameter・Formula・Rule・Check・Design Table)を1つの流れにまとめる。

Part Design の基本は 02 ページ、Assembly は 03 ページを参照。

1. Generative Shape Design(GSD)

1.1 概要とコンテナ

GSD は Surface + Wireframe 中心の自由形状モデリングワークベンチ。自動車外板、家電外装、有機形状に必須であり、Part Design と同じ .CATPart 内で Body と共存する。

Tree のコンテナは 2 種類。

  • Geometrical Set — Curve/Surface コンテナ(順序なし)
  • Ordered Geometrical Set — 順序を保存(Part Design と同じく順次)

ヒント: ほとんどの実務ではOrdered Geometrical Set が好まれる。Feature 順序の追跡が明確であり、Design Table 連携がスムーズ。

1.2 Wireframe 基本

Point(座標/On Curve/On Plane/On Surface/Extremum/Between)、Line(Point-Point/Point-Direction/Angle/Tangent/Normal/Bisecting)、Plane、Projection/Intersection、Circle/Corner、Connect Curve(G0/G1/G2)、Spline、Helix、Spiral、Spine、Isoparametric Curve、Boundary、Polyline。

ヒント: サーフェス品質はベースとなる Wireframe 品質で決まる。Spline の制御点数は必要最小限に抑え、Tangent 条件を明示的に付与すれば、その後の Sweep/Loft の Class 品質が大幅に向上する。

1.3 Surface 生成

  • Extrude / Revolute / Sphere / Cylinder / Offset
  • Sweep — Explicit(プロファイル+ガイド)、Line、Circle、Conic の 4 種類
  • Multi-Sections Surface(Loft) — Section + Guide + Spine
  • Blend — 2 つのカーブ/サーフェスを Continuity 制御で接続(G0~G3)
  • Fill — 閉境界を面で充填
  • Adaptive Sweep — 位置ごとにプロファイルを変える高度な Sweep
  • Bump / Shape Morphing / Wrap Surface — 変形

1.4 Operations

  • Join — 結合。Merge Distance、Check Connexity、Check Manifold
  • Heal — 小ギャップを強制充填(精度損失に注意)
  • Disassemble — Multi-cell → Single Cell に分解
  • Split / Trim — Split は一方のみ、Trim は両方カット
  • Extract / Extrapolate / Fillet / Shape Fillet
  • Translate / Rotate / Symmetry / Scaling / Affinity / Axis To Axis

ヒント: Trim は 2 つの Surface が互いにカットし合う。片方の Surface だけをカットしたい場合は Split を使う。用途が異なるので、不用意に Trim を選ぶと意図せず参照サーフェスが編集される。

1.5 Continuity(G0~G3)

レベル意味品質
G0Point 連続、単に接しているだけ角がある
G1Tangent 連続、接線方向が一致角なし
G2Curvature 連続、曲率が一致反射の歪みなし
G3曲率変化率まで連続Class A 最上級品質

Class A は通常 G2 以上、高反射面では G3 が要求される。

1.6 Analysis ツール

  • Connect Checker — Gap/Tangency/Curvature 連続性検査
  • Feature Draft Analysis — 抜き勾配(離型性)
  • Surface Curvature Analysis — ガウス/主曲率カラーマップ
  • Porcupine Curvature Analysis — 曲線曲率「ハリネズミ」表示
  • Distance Analysis — 2 サーフェス間距離のカラーマップ
  • Environment Mapping(Highlight) — 照明反射シミュレーション

ヒント: Environment Mapping で仮想蛍光灯の縞が滑らかに流れるかが、自動車外板の Class A 品質の中核検証法である。

1.7 GSD 実務ヒント

  • Reference Element(Point/Line/Plane/Axis System)を先に構築し、Curve → Surface の順に展開する
  • Multi-Sections/Sweep では Spine の品質が結果品質を左右する
  • CV(Control Vertex)の数を最小化すれば Class 品質が上がる
  • 薄く均一な厚みなら Shell、不均一厚は Thick Surface
  • ギャップは Join(Merge Distance)で処理、Heal は最終手段

2. FreeStyle・ICEM Shape Design(Class A)

2.1 FreeStyle Shaper

NURBS + Subdivision ハイブリッドのワークベンチ。初期コンセプト・プロトタイプ用途。

  • 3D Curve / Planar Curve
  • Styling Sweep / Match Curve
  • Net Surface(格子カーブから面)
  • Styling Fillet / Blend
  • Global Deformation
  • Control Points の直接操作

ヒント: FreeStyle の品質は通常「Class B」レベルと見なされる。最終外板納品用ではなく、スタディ・コンセプトに使用する。

2.2 ICEM Shape Design / ICEM Surf

Class A 専用。自動車 OEM(BMW/Audi/Mercedes/Hyundai-Kia のスタジオ)で標準。

  • Direct Modeling(NURBS CV の直接操作)
  • Feature-based Hybrid(Boolean、G3 Fillet)
  • Zebra/Highlight/Porcupine/Reflection 品質分析
  • G0~G3 Surface Matching
  • Constrained Deformation

ICM は CATIA 内部の統合ワークベンチ、ICEM Surf は独立実行アプリである。

実務的には、デザインスタジオが ICEM Surf で設計 → エンジニアリングが CATIA に Import → GSD でエンジニアリングを追加する構造が一般的。

2.3 STRAK / Class A 作業フロー

  1. デザインスタジオの Reference Surface 取り込み
  2. Primary Surface — 大きな外板。4辺パッチ、Degree 5~7
  3. Tension Surface — 主面間をつなぐ、G2 連続
  4. Fillet / Blend — 可変 R または Conic
  5. Quality Analysis — Zebra/Highlight で G2 以上を検証
  6. Data Exchange — STEP AP214 またはネイティブでエンジニアリング側に受け渡し

注意: Class A は「ジオメトリ精度 + 美的品質」の二重基準。面が繋がっているだけでは Class A ではなく、反射の縞が滑らかに流れる必要がある。

3. Sheet Metal Design

3.1 Generative Sheet Metal Design(GSM)

一般産業(電子キャビネット、機械カバー)で使用。

Sheet Metal Parameters の初期設定がすべての展開計算の前提。

  • Thickness — 板厚
  • Bend Radius — 基本曲げ R
  • K Factor — 中立線位置(0~0.5)

K Factor(DIN)近似式: K = 0.65 + log₁₀(R/T) × 0.5 — R は内側曲げ半径、T は板厚。

注意: K Factor が現場工程と異なると展開長が狂い、板材の切り出しがずれる。設計確定前に工程担当者と必ずすり合わせる。

3.2 Wall / Flange / Stamp

  • Wall — Sketch または Edge ベースの基本板。Wall on Edge で直交壁を追加
  • Flange — Spine(エッジ)+ Radius + Length + Angle。最もよく使われる曲げ
  • Hem — 180°折り畳み仕上げ
  • Tear Drop — 涙滴形巻き込み
  • User Flange — 任意プロファイルのフランジ
  • Bend / Conical Bend / Bend from Flat
  • Stamping Features — Surface Stamp、Bead、Curve Stamp、Flanged Cutout、Louver、Bridge、Circular Stamp、Dowel、Half Pierce

ヒント: Stamp は Design Table と連動させて DIN/ISO 標準寸法を Row 選択だけで呼び出せる。Tools → Stamp Catalog 登録でチーム共有も可能。

3.3 Folding / Unfolding

  • Unfold All / Fold — 全体展開/再折り畳み
  • Unfold — 特定の Bend のみ
  • View from Unfold / From Folded — 図面から展開図を自動生成

注意: Stamp や User Flange があると Unfold でエラーが出ることがある。失敗時は Tools → Options → Sheet Metal → Ignore Stamps in unfolding チェックで回避する。

3.4 Aerospace Sheet Metal Design(ASL)

航空特化。Hydroforming・Break Form 工程に対応。

特化フィーチャー: Web(主板材)、Flange(Curved/Double Curved/Planar)、Flange Cutout/Hole/Slot、Joggle(階段型曲げ)、Stiffening Bead/Rib、Hem/Tear Drop、Corner Relief。

ヒント: ASL は GSM と異なり曲面板金(Double Curved Flange)に対応しており、機体外板のような曲率板金に必須である。

3.5 Sheet Metal 実務ヒント

  • Thickness/Radius を Parameter として抽出しておくと、板材変更が一括反映される
  • 公差は既定 ±0.1mm、精密部品は ±0.05mm
  • Grain Direction(目方向)を Annotation で明記
  • 図面の View 種類で Unfolded View を選択すれば展開図が自動生成される

4. Weld Design・Structure Design

4.1 Structure Design

ビーム/柱ベースの構造物モデリング。

  • Section Catalog — H ビーム、I ビーム、Angle、Channel、Tube、Pipe など標準断面
  • Place Beam — 2 Point/Axis 間のビーム
  • Place Plate — 接続プレート
  • End Cut — ビーム端を相手ビームに合わせて切断
  • Trim — ビームトリム

ヒント: Structure Design の Beam は単純な Extrude ではなく、断面・長さ・接続部情報を持つ Beam Feature である。後工程で Steel BOM の自動抽出に活用される。

4.2 Weld Design

  • Fillet Weld(すみ肉)/ Square・V・Bevel・U・J Butt(突合せ)
  • Spot Weld(スポット溶接) — 自動車 BIW では1 車両あたり数千個
  • Plug / Seam / Slot Weld
  • Weld Feature — 3D 溶着金属のソリッド表現
  • Automatic Edge Trimming — 溶接タイプに応じてエッジを自動整理

ヒント: Weld Design で付与した溶接記号はDrafting の Annotation に自動で上がる。手動注記よりも品質管理が容易。

4.3 自動車 Spot Weld

自動車 BIW 1 車体あたり 3,000~5,000 点のスポット溶接。Weld Design + Macro を組み合わせてパターンを一括生成し、Knowledgeware Rule でエッジに沿って自動でスポットを配置するのが実務標準(06 ページの Macro 参照)。

5. Knowledgeware

5.1 Parameter

パス: Tools → Formula または f(x) アイコン。

対応タイプ: Real、Integer、String、Boolean、Length、Angle、Mass、Volume、Time、Temperature、Force、Pressure、List、Point/Line/Plane/Body/Part など。

ヒント: Feature 名に依存せず、意味のある Parameter を明示的に作ると Design Table・Rule との連携が容易になる。命名規約の例: Param_Length、Cfg_BoltDiameter、Ref_WallThickness。

5.2 Formula(数式)

Parameter 間の関係式。

PadLength = PartBody\Pad.1\FirstLimit\Length
          + PartBody\Pad.1\SecondLimit\Length
TotalVolume = Pi * Radius**2 * Height

関数ライブラリ: sin(), cos(), log(), sqrt(), min(), max(), if(), isin() など。

ヒント: if (Length > 100mm, 10mm, 5mm) 形式で条件付き寸法。単位を付けないと単位不一致エラーが出る。

5.3 Rule(ルール)

Knowledge Advisor ワークベンチで条件付きアクションを実行する。

if (Wall_Thickness < 2mm)
{
    Message("Warning: thickness too low")
    Bolt_Diameter = 6mm
}
else
{
    Bolt_Diameter = 10mm
}

5.4 Check(チェック)

条件違反時に警告。自動検証に使う。

Check: TransitionRatio = Transition / Depth
TransitionRatio >= 4
Message: "勾配比 4 以上を推奨(安全係数の確保)"

黄警告(Warning)と赤ブロック(Silent/Block)モードを選択できる。

5.5 Design Table

Excel/TXT ベースの Configuration 管理。

  1. Tools → Formula → Design Table アイコン
  2. Create a design table with current parameter values
  3. Parameter を選択 → .xls ファイル生成
  4. Excel で Row を追加 → Configuration 拡張
  5. CATIA で Row を選択 → 該当寸法に更新

Use Case: M4/M6/M8/M10/M12 ボルトシリーズを1つの .CATPart で、Row 選択だけで切替。Catalog と組み合わせれば Drag & Drop でそのままアセンブリに挿入可能。

5.6 Power Copy と UDF

  • Power Copy — 再利用 Feature グループ。入力要素を別の Part で Instantiate
  • UDF(User-Defined Feature) — Power Copy と類似だが内部がカプセル化(非公開)
  • Document Template — Part/Product のテンプレート化

Use Case: 社内標準の「リブ補強」パターンを Power Copy にしてチームに配布。別の Part でエッジ 2 本 + 寸法 1 つを指定するだけで同一リブを生成。

実務チェックリスト

  • GSD では Ordered Geometrical Set を優先使用しているか
  • Spline の制御点を最小化して Class 品質を確保したか
  • Sweep/Loft に適切な Spine を定義したか
  • Connect Checker で G1/G2 連続を定期的に確認したか
  • Class A 作業で Zebra/Highlight 品質検証を行ったか
  • Sheet Metal Parameter(Thickness、Bend R、K Factor)を初期に確定したか
  • K Factor を現場工程担当者と合意したか
  • Stamp を含む板金の Unfold 可否を事前確認したか
  • Weld Design で Annotation 自動伝搬を構築したか
  • Parameter 命名規約をチームレベルで定めたか
  • Design Table + Catalog で標準部品シリーズを管理しているか
  • 反復パターンは Power Copy/UDF でテンプレート化したか
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