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Surface、Sheet Metal、Knowledgeware 實務指南

CATIA · GSD · Sheet Metal · Knowledgeware

概述

複雜曲面與鈑金，以及以規則為基礎的自動化，是單靠 Part Design 無法解決的領域。

本頁面將 Generative Shape Design（GSD）、FreeStyle、ICEM Shape Design（Class A）、Sheet Metal（GSM、ASL）、Weld/Structure Design，以及 Knowledgeware（Parameter、Formula、Rule、Check、Design Table）以一個流程連貫起來。

Part Design 基本請見 02 頁，Assembly 請見 03 頁。

1. Generative Shape Design（GSD）

1.1 概要與容器

GSD 是以 Surface + Wireframe 為中心的自由造型 workbench。對汽車外板、家電外觀、有機形狀必備，且在與 Part Design 同一 .CATPart 中與 Body 共存。

Tree 中有兩種容器。

  • Geometrical Set — Curve/Surface 容器（無順序）
  • Ordered Geometrical Set — 保留順序（與 Part Design 相同依序）

提示： 實務大多偏好 Ordered Geometrical Set。Feature 順序追蹤明確，且 Design Table 連動順暢。

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。

提示： 表面品質取決於底層 Wireframe 品質。將 Spline 的控制點數減至必要量，並明確賦予 Tangent 條件，後續 Sweep/Loft 的 Class 品質會大幅提升。

1.3 Surface 生成

  • Extrude / Revolute / Sphere / Cylinder / Offset
  • Sweep — Explicit（輪廓+引導）、Line、Circle、Conic 四種
  • Multi-Sections Surface（Loft） — Section + Guide + Spine
  • Blend — 以 Continuity 控制連接兩條曲線/曲面（G0~G3）
  • Fill — 以面填滿閉合邊界
  • Adaptive Sweep — 每個位置改變輪廓的進階 Sweep
  • Bump / Shape Morphing / Wrap Surface — 變形

1.4 Operations

  • Join — 結合。Merge Distance、Check Connexity、Check Manifold
  • Heal — 強制填補小縫隙（注意精度損失）
  • Disassemble — Multi-cell → Single Cell 分解
  • Split / Trim — Split 只切一側，Trim 兩側都切
  • Extract / Extrapolate / Fillet / Shape Fillet
  • Translate / Rotate / Symmetry / Scaling / Affinity / Axis To Axis

提示： Trim 是兩個 Surface 互切。若只想切一個 Surface 就用 Split。用途不同，若不經意選用 Trim 會意外編輯到參考曲面。

1.5 Continuity（G0~G3）

級別意義品質
G0Point 連續，單純相接有邊
G1Tangent 連續，切線方向一致無邊
G2Curvature 連續，曲率一致無反射扭曲
G3曲率變化率也連續Class A 最高品質

Class A 通常要求 G2 以上，高反射面要求 G3。

1.6 Analysis 工具

  • Connect Checker — Gap/Tangency/Curvature 連續檢查
  • Feature Draft Analysis — 拔模角（脫模性）
  • Surface Curvature Analysis — 高斯/主曲率色圖
  • Porcupine Curvature Analysis — 曲線曲率「豪豬」
  • Distance Analysis — 兩曲面間距離色圖
  • Environment Mapping（Highlight） — 照明反射模擬

提示： 於 Environment Mapping 中觀察虛擬日光燈條紋是否流暢地流動，是汽車外板 Class A 品質的核心驗證法。

1.7 GSD 實務提示

  • 先構築 Reference Element（Point/Line/Plane/Axis System）再依 Curve → Surface 順序展開
  • Multi-Sections/Sweep 中 Spine 的品質左右結果品質
  • 最小化 CV（Control Vertex）數量才能提升 Class 品質
  • 薄且均勻的厚度用 Shell，不規則厚度用 Thick Surface
  • 縫隙以 Join（Merge Distance）處理，Heal 為最後手段

2. FreeStyle、ICEM Shape Design（Class A）

2.1 FreeStyle Shaper

NURBS + Subdivision 混合 workbench。用於初期概念、原型。

  • 3D Curve / Planar Curve
  • Styling Sweep / Match Curve
  • Net Surface（格狀 Curve 生成面）
  • Styling Fillet / Blend
  • Global Deformation
  • 直接操作 Control Points

提示： FreeStyle 的品質通常被視為「Class B」水準。不是用於最終外板交付，而是用於研究、概念。

2.2 ICEM Shape Design / ICEM Surf

Class A 專用。為汽車 OEM（BMW/Audi/Mercedes/Hyundai-Kia 工作室）的標準。

  • Direct Modeling（NURBS CV 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 是 CATIA 內部整合 workbench，ICEM Surf 是獨立應用程式。

實務流程通常是設計工作室以 ICEM Surf 設計 → 工程方匯入 CATIA → 在 GSD 上增加工程用面的結構。

2.3 STRAK / Class A 作業流程

  1. 匯入設計工作室的 Reference Surface
  2. Primary Surface — 大塊外板。4 邊補丁，Degree 5~7
  3. Tension Surface — 主面之間連接，G2 連續
  4. Fillet / Blend — 可變 R 或 Conic
  5. Quality Analysis — 以 Zebra/Highlight 驗證 G2 以上
  6. Data Exchange — 以 STEP AP214 或原生格式傳送至工程方

注意： Class A 是「幾何精度 + 美學品質」的雙重標準。面接起來不代表就是 Class A，反射條紋必須流暢流動。

3. Sheet Metal Design

3.1 Generative Sheet Metal Design（GSM）

用於一般產業（電子機櫃、機械外殼）。

Sheet Metal Parameters 初始設定是所有展開計算的前提。

  • Thickness — 板材厚度
  • Bend Radius — 基本折彎 R
  • K Factor — 中性線位置（0~0.5）

K Factor（DIN）近似式：K = 0.65 + log₁₀(R/T) × 0.5 — R 為內徑折彎半徑，T 為厚度。

注意： K Factor 若與現場製程不同，展開長度會偏移導致板材裁切錯誤。設計確定前務必與製程負責人協調。

3.2 Wall / Flange / Stamp

  • Wall — 以 Sketch 或 Edge 為基礎的基本板。以 Wall on Edge 新增正交壁
  • Flange — Spine（邊）+ Radius + Length + Angle。最常使用的折彎
  • Hem — 180° 折邊收尾
  • Tear Drop — 淚滴形捲收
  • User Flange — 任意輪廓凸緣
  • Bend / Conical Bend / Bend from Flat
  • Stamping Features — Surface Stamp, Bead, Curve Stamp, Flanged Cutout, Louver, Bridge, Circular Stamp, Dowel, Half Pierce

提示： Stamp 可連結 Design Table 僅透過選取 Row 就能叫出 DIN/ISO 標準尺寸。註冊至 Tools → Stamp Catalog 也可供團隊共享。

3.3 Folding / Unfolding

  • Unfold All / Fold — 全部展開/重新折疊
  • Unfold — 僅特定 Bend
  • View from Unfold / From Folded — 於圖面自動生成展開圖

注意： 若有 Stamp 或 User Flange，Unfold 可能發生錯誤。失敗時可勾選 Tools → Options → Sheet Metal → Ignore Stamps in unfolding 繞過。

3.4 Aerospace Sheet Metal Design（ASL）

航空特化。支援 Hydroforming、Break Form 製程。

特化特徵：Web（主板材）、Flange（Curved/Double Curved/Planar）、Flange Cutout/Hole/Slot、Joggle（階梯式折彎）、Stiffening Bead/Rib、Hem/Tear Drop、Corner Relief。

提示： ASL 與 GSM 不同，支援曲面鈑金（Double Curved Flange），機身外板等曲率鈑金必備。

3.5 Sheet Metal 實務提示

  • 將 Thickness/Radius 設為 Parameter，板材變更時會一次反映
  • 公差基本 ±0.1mm，精密零件 ±0.05mm
  • 以 Annotation 註明 Grain Direction（紋理方向）
  • 圖面的 View 類型中選取 Unfolded View 會自動生成展開圖

4. Weld Design、Structure Design

4.1 Structure Design

以樑、柱為基礎的結構物建模。

  • Section Catalog — H 型鋼、I 型鋼、Angle、Channel、Tube、Pipe 等標準斷面
  • Place Beam — 兩 Point/Axis 間的樑
  • Place Plate — 連接鋼板
  • End Cut — 將樑端對齊相對樑切斷
  • Trim — 樑修剪

提示： Structure Design 的 Beam 不是單純 Extrude，而是具有斷面、長度、連接部資訊的 Beam Feature。日後可用於自動擷取 Steel BOM。

4.2 Weld Design

  • Fillet Weld（填角）/ Square、V、Bevel、U、J Butt（對接）
  • Spot Weld（點銲） — 汽車 BIW 中每輛車數千個
  • Plug / Seam / Slot Weld
  • Weld Feature — 3D 熔著金屬實體表現
  • Automatic Edge Trimming — 依焊接類型自動整理邊

提示： 以 Weld Design 賦予的焊接符號會自動作為 Annotation 出現在 Drafting。比手動註解品質管理更容易。

4.3 汽車 Spot Weld

汽車 BIW 每一車體 3,000~5,000 個點銲。結合 Weld Design + Macro 一次性生成圖樣，並以 Knowledgeware Rule 沿邊自動配置點銲是實務標準（請參照 06 頁 Macro）。

5. Knowledgeware

5.1 Parameter

路徑：Tools → Formula 或 f(x) 圖示。

支援型別：Real、Integer、String、Boolean、Length、Angle、Mass、Volume、Time、Temperature、Force、Pressure、List、Point/Line/Plane/Body/Part 等。

提示： 不要依賴 Feature 名稱，明確建立有意義的 Parameter 可使 Design Table、Rule 連動更容易。命名規範範例：Param_Length、Cfg_BoltDiameter、Ref_WallThickness。

5.2 Formula（公式）

Parameter 之間的關係式。

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

函數庫：sin()、cos()、log()、sqrt()、min()、max()、if()、isin() 等。

提示： 以 if (Length > 100mm, 10mm, 5mm) 的格式做條件尺寸。不附加單位會出現單位不一致錯誤。

5.3 Rule（規則）

在 Knowledge Advisor workbench 執行條件式動作。

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

5.4 Check（檢查）

違反條件時警告。用於自動驗證。

Check: TransitionRatio = Transition / Depth
TransitionRatio >= 4
Message: "建議傾斜比 4 以上（確保安全係數）"

可選擇黃色警告（Warning）與紅色阻擋（Silent/Block）模式。

5.5 Design Table

以 Excel/TXT 為基礎的 Configuration 管理。

  1. Tools → Formula → Design Table 圖示
  2. Create a design table with current parameter values
  3. 選擇 Parameter → 生成 .xls 檔
  4. 於 Excel 追加 Row → Configuration 擴充
  5. 於 CATIA 選擇 Row → 以該尺寸更新

Use Case: 將 M4/M6/M8/M10/M12 螺栓系列在同一 .CATPart 中僅以選擇 Row 切換。與 Catalog 結合即可拖放直接放入組立。

5.6 Power Copy 與 UDF

  • Power Copy — 可重用的 Feature 群組。將輸入要素於其他 Part 中 Instantiate
  • UDF（User-Defined Feature） — 類似 Power Copy 但內部封裝（非公開）
  • Document Template — 將 Part/Product 範本化

Use Case: 將公司標準的「肋補強」樣式做成 Power Copy 並派發給團隊。其他 Part 中指定 2 條邊 + 1 個尺寸就能生成相同肋。

實務檢查清單

  • GSD 是否優先使用 Ordered Geometrical Set
  • 是否最小化 Spline 控制點以確保 Class 品質
  • Sweep/Loft 是否定義了適當的 Spine
  • 是否定期以 Connect Checker 確認 G1/G2 連續
  • Class A 作業是否進行 Zebra/Highlight 品質驗證
  • 是否在初期確定 Sheet Metal Parameter（Thickness, Bend R, K Factor）
  • K Factor 是否與現場製程負責人達成共識
  • 含 Stamp 的鈑金是否事先確認 Unfold 可能性
  • 是否以 Weld Design 構築 Annotation 自動傳播
  • Parameter 命名規範是否在團隊層級訂定
  • 是否以 Design Table + Catalog 管理標準零件系列
  • 重複樣式是否以 Power Copy/UDF 範本化
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