用 AI 設計電路板3D外殼 | KiCad × FreeCAD × Claude Code
2026 年 11 月｜實作筆記｜KiCad × FreeCAD × Claude Code
這篇記錄我為一塊 USB-C LED 電路板設計外殼的過程。板子約 20 × 17 mm，外殼用 3D 列印製作，上下蓋靠卡扣組合，電路板夾在中間，不需要螺絲。外殼由 Claude Code CLI 撰寫參數化建模腳本，再用 FreeCAD 的命令列工具 freecadcmd 在背景執行產生，過程中不需要打開 FreeCAD 視窗。
・外殼用 FreeCAD 的 Part 模組依參數產生，改一個數字重跑就能更新。
・干涉檢查結果：上蓋、下蓋與電路板之間的干涉體積都是 0 mm³，上下蓋彼此也沒有干涉。
・USB 插頭的通道沒有被擋到，但目前還沒有列印實體，卡扣鬆緊需要實際試裝確認。
一、需要哪些工具
| 類別 | 工具 | 用途 |
|---|---|---|
| 電路設計軟體 | KiCad（免費開源） | 匯出電路板 STEP 模型 |
| CAD 軟體 | FreeCAD 1.1.3（免費開源） | 用命令列工具 freecadcmd 執行建模腳本，輸出 STEP／STL 檔 |
| AI 代理 | Claude Code CLI | 在終端機執行，負責撰寫與修改建模腳本、執行 freecadcmd、讀取檢查報告 |
| 橋接工具（選用） | FreeCAD MCP | 讓 Claude Code 直接操作開著的 FreeCAD 視窗；這次的外殼沒有用到 |
二、準備工作
1. 從 KiCad 匯出電路板 STEP 檔
在 KiCad 的 PCB 編輯器，選擇「檔案 → 匯出 → STEP」，勾選包含元件模型，存成 .step 檔。這個檔案包含板子外形、元件高度與接頭位置，外殼的尺寸都以它為準。也可以用命令列匯出：
kicad-cli pcb export step -o mech\USBC_LED.step USBC_LED.kicad_pcb
2. 確認 freecadcmd 可以執行
FreeCAD 安裝後，bin 資料夾裡會有 freecadcmd.exe，它是不開視窗的 FreeCAD，可以直接執行 Python 腳本。如果 FreeCAD 的 bin 資料夾沒有加進 PATH（例如用免安裝版），執行時要寫 freecadcmd.exe 的完整路徑。
freecadcmd 的幾個小陷阱：命令列參數傳不進腳本，參數要改用環境變數傳；腳本檔名不要和 Python 標準函式庫撞名（例如 inspect.py），否則會靜默不執行、也不報錯；print 的輸出常常看不到，結果最好寫進檔案再讀。
3.（選用）安裝 FreeCAD MCP
MCP（Model Context Protocol，模型上下文協定）是讓 AI 呼叫外部工具的標準。如果之後想讓 AI 直接在 FreeCAD 視窗裡建模、查看物件，可以裝 FreeCAD MCP。它分成兩部分，兩邊都要有：
- FreeCAD 外掛：把外掛原始碼的
addon/FreeCADMCP資料夾複製到 FreeCAD 的 Mod 資料夾（Windows 是%APPDATA%\FreeCAD\Mod\），重新啟動 FreeCAD，從工作台清單選擇「MCP Addon」，再按工具列上的「Start RPC Server」。 - Claude 端的 MCP 伺服器：在終端機執行
claude mcp add freecad -- uvx freecad-mcp。Windows 上如果連不上，改用claude mcp add freecad -- cmd /c uvx freecad-mcp。
用 claude mcp list 確認狀態為已連線。預設只對目前的資料夾生效，想在所有專案都能用，加上 --scope user。注意：顯示已連線只代表 MCP 伺服器啟動了，FreeCAD 必須開著並按過「Start RPC Server」，AI 才真的操作得到。
三、用 Claude Code CLI 產生外殼
我在 Claude Code CLI 中說明需求（板子 STEP 在哪、要 3D 列印、上下蓋卡扣、USB-C 要能插、LED 要透光），AI 讀取電路板 STEP 確認尺寸與元件位置後，寫出建模腳本 USBC_LED_case_freecad.py，再用 freecadcmd 執行。腳本只使用 FreeCAD 的 Part 模組，尺寸參數集中在腳本開頭的參數區。電路板 STEP 路徑與輸出資料夾由環境變數指定：
set PCB_STEP=...\mech\USBC_LED.step set OUT_DIR=...\mech\freecad <FreeCAD 安裝資料夾>\bin\freecadcmd.exe USBC_LED_case_freecad.py
產生的輸出包括 FreeCAD 原始檔（.FCStd）、上下蓋與組合件的 STEP、列印用的 STL、預覽圖，以及 build_report.txt 檢查報告。之後如果要改尺寸，只要在 Claude Code CLI 中告訴 AI 要改哪一個參數，AI 會修改腳本、重新執行並讀回檢查報告，不需要手動重畫。
外殼的主要參數如下：
| 項目 | 數值 | 說明 |
|---|---|---|
| 外形尺寸 | 24.60 × 21.50 × 9.41 mm | 長寬由板子尺寸加間隙與壁厚算出；高度由最高元件（USB-C，4.86 mm）決定 |
| 側壁、底板、頂板 | 2 mm、1.5 mm、1.5 mm | 列印強度與尺寸的平衡 |
| 板子與內壁間隙 | 0.3 mm（USB 側 0.2 mm） | USB 側間隙較小，讓插頭插得更深 |
| 板下空間 | 1 mm | 容納焊點與元件腳 |
| 分模面 | Z = 5.00 mm | 上下蓋的分界位置 |
| 卡扣舌片 | 一整圈，高 1.5 mm、厚 1.0 mm，配合間隙 FIT = 0.15 mm | 下蓋舌片插進上蓋的槽，負責定位 |
| 卡扣凸點 | 左右各一條，長 8 mm、半徑 0.35 mm | 卡進上蓋半徑 0.45 mm 的凹槽，負責扣住 |
外殼的主要結構如下：
- 下蓋：有一圈 0.6～0.9 mm 寬的框，只托住板子邊緣，板子底下留 1 mm 給焊點。
- 上蓋：四個角各有一根 1.5 × 1.5 mm 的柱子往下壓住板子，這四個角都沒有元件。
- USB-C 開孔：穿孔 9.6 × 3.8 mm，外側另外挖 12.6 × 6.6 mm、1.2 mm 深的凹槽，讓插頭外殼靠近。
- LED 透光：D1 正上方有一根導光管（外徑 2.6 mm、孔徑 1.6 mm），頂面開孔讓光透出來。
- 卡扣：下蓋的一圈舌片插進上蓋的槽定位；舌片左右兩側外面各有一條半圓凸點，卡進上蓋的凹槽。凸點比槽壁多出 0.35 − 0.15 = 0.2 mm，蓋上時要稍微撐開才扣得進去，這 0.2 mm 就是卡扣的卡合量。
上蓋、電路板、下蓋的爆炸圖
四、干涉與通道檢查
腳本產生外殼後，會用 FreeCAD 做以下檢查，結果寫入 build_report.txt：
| 檢查項目 | 結果 |
|---|---|
| 下蓋 與 電路板 干涉 | 0.0000 mm³ |
| 上蓋 與 電路板 干涉 | 0.0000 mm³ |
| 上蓋 與 下蓋 干涉 | 0.0000 mm³ |
| USB 插頭通道被擋體積 | 0.0000 mm³ |
| 插頭外模到接頭前緣的距離 | 1.00 mm |
檢查結果顯示模型沒有碰撞，USB 插頭的通道也沒有被擋到。板子的 Z 範圍是 2.50 至 4.01 mm，內頂在 7.91 mm。這些數字只代表模型的幾何沒有問題，不能取代實際試裝。
五、列印前的注意事項
- 上蓋要翻面列印，腳本輸出的 STL 已經把上蓋翻成頂面朝下。
- 卡扣鬆緊和印表機精度有關，主要由凸點半徑和 FIT 一起決定（卡合量 = 凸點半徑 − FIT）。太緊時，先把凸點半徑從 0.35 mm 縮到 0.3 mm，或把 FIT 小幅加到 0.2 mm；太鬆時把凸點半徑加大。不要一次把 FIT 加到 0.25 mm 以上，卡合量只剩 0.1 mm，很可能扣不住。
- USB 插頭深度：如果插頭外殼比較厚，1.0 mm 的距離可能讓插頭插不到底。可以加大 USB 凹槽的深度，但開孔旁邊的牆會變薄。
- 尺寸不合時，在 Claude Code CLI 中告訴 AI 要調整的參數，重新產生即可。
六、目前進度與下一步
目前外殼模型已經由 FreeCAD 產生，並通過干涉與 USB 通道檢查，輸出檔也都已經完成。接下來的步驟是：
- 在 FreeCAD 中開啟 .FCStd 檔，從各個角度檢查細節。
- 列印一套實體，把電路板裝進去試裝，確認卡扣鬆緊與 USB 插頭深度。
- 如果之後修改了電路板，從 KiCad 重新匯出 STEP，再重跑腳本，外殼與檢查報告會一起更新。
七、心得
- 參數化是關鍵。把尺寸寫成參數，改一個數字就能重新產生外殼，比手動調整快得多。
- 不開視窗也能做 CAD。freecadcmd 讓 AI 可以像跑一般程式一樣產生模型、做干涉檢查，結果寫成文字報告，AI 自己就能讀回來判斷，不需要人盯著畫面。
- 模型檢查不能取代試裝。干涉體積為 0 只代表模型沒有碰撞，卡扣鬆緊與插頭是否順暢，還是要實際列印才知道。
使用工具：KiCad、FreeCAD 1.1.3（freecadcmd）、Claude Code CLI。選用：FreeCAD MCP（neka-nat/freecad-mcp）。本文為個人實作紀錄，外殼尚未經過實際列印驗證。
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