第12章：实战案例：机械结构与 3D 打印零件

1. 实战目标

本章以一个“带盖电子小盒”为案例，综合使用参数、模块、布尔、孔位、螺丝柱、圆角板和命令行导出。案例不追求复杂外观，而强调工程结构的可复用写法。

2. 需求定义

假设需求：

• 外壳外尺寸可配置。
• 底壳开口向上，有固定壁厚。
• 四角有 M3 螺丝柱。
• 盖板有对应通孔。
• 侧面有一个线缆孔。
• 可分别导出底壳、盖板和装配预览。
• 尺寸默认按 FDM 打印，单位毫米。

3. 参数区

$fn = 48;

part = "assembly"; // "base", "lid", "assembly"
box_size = [90, 55, 28];
wall = 2.4;
lid_thickness = 3;
corner_r = 5;
screw_d = 3.2;
screw_post_d = 9;
clearance = 0.3;

参数应集中在文件顶部，让用户不用阅读全部几何也能修改规格。

4. 圆角矩形工具

module rounded_rect_2d(size = [40, 20], r = 4) {
    hull() {
        for (x = [-size[0]/2+r, size[0]/2-r])
            for (y = [-size[1]/2+r, size[1]/2-r])
                translate([x,y]) circle(r = r);
    }
}

module rounded_box_solid(size = [60,40,20], r = 4) {
    linear_extrude(height = size[2], center = true)
        rounded_rect_2d([size[0], size[1]], r);
}

这里使用二维 hull 后拉伸，性能比三维圆角更可控。

5. 螺丝柱孔位

function screw_positions(size, inset) = [
    [-size[0]/2+inset, -size[1]/2+inset],
    [ size[0]/2-inset, -size[1]/2+inset],
    [ size[0]/2-inset,  size[1]/2-inset],
    [-size[0]/2+inset,  size[1]/2-inset]
];

把孔位写成函数可以让底壳和盖板共用，避免孔位不一致。

6. 底壳主体

module base_shell() {
    difference() {
        rounded_box_solid(box_size, corner_r);
        translate([0,0,wall])
            rounded_box_solid([box_size[0]-2*wall, box_size[1]-2*wall, box_size[2]], max(corner_r-wall, 1));
        translate([0, -box_size[1]/2, 3]) rotate([90,0,0])
            cylinder(h = wall + 1, d = 10, center = true);
    }
}

开腔时内部切除体向上偏移，保留底板厚度。线缆孔作为侧面圆柱切除。

7. 螺丝柱

module screw_posts() {
    post_h = box_size[2] - wall - lid_thickness;
    for (p = screw_positions(box_size, 10))
        translate([p[0], p[1], -box_size[2]/2 + wall + post_h/2])
            difference() {
                cylinder(h = post_h, d = screw_post_d, center = true);
                cylinder(h = post_h + 1, d = screw_d, center = true);
            }
}

螺丝柱要考虑打印方向和强度。孔径是否需要攻丝、热熔铜螺母或自攻螺丝，应根据工艺调整。

8. 底壳总成

module base() {
    union() {
        base_shell();
        screw_posts();
    }
}

实际项目还可以加入加强筋、卡扣、定位台阶和倒角。

9. 盖板

module lid() {
    difference() {
        translate([0,0,box_size[2]/2 + lid_thickness/2 + clearance])
            rounded_box_solid([box_size[0], box_size[1], lid_thickness], corner_r);
        for (p = screw_positions(box_size, 10))
            translate([p[0], p[1], box_size[2]/2 + lid_thickness/2 + clearance])
                cylinder(h = lid_thickness + 1, d = screw_d, center = true);
    }
}

盖板与底壳之间使用 clearance 留出装配间隙。若要隐藏螺丝头，可加入沉孔或沉头。

10. 装配与导出

module assembly() {
    color("lightgray") base();
    color("skyblue", 0.6) lid();
}

if (part == "base") base();
else if (part == "lid") lid();
else assembly();

命令行：

openscad -D 'part="base"' -o base.stl box.scad
openscad -D 'part="lid"' -o lid.stl box.scad
openscad -D 'part="assembly"' -o assembly.png --imgsize=1200,800 box.scad

11. 打印前检查

• 壁厚是否是喷嘴宽度的合理倍数？
• 螺丝柱是否太细或太高？
• 孔径是否包含打印收缩补偿？
• 线缆孔是否需要倒角或圆角？
• 盖板是否有足够间隙？
• 是否需要避免大面积悬垂？
• 底面是否平整放置在打印平台？

12. 扩展练习

1. 为盒体添加 USB-C 开口。
2. 增加热熔铜螺母孔。
3. 盖板增加沉头螺丝孔。
4. 添加内部 PCB 固定柱。
5. 用 text 添加型号和方向标识。
6. 创建 small、medium、large 三种规格。
7. 增加 quality 参数控制导出精度。