如何設計與3D列印卡扣式外殼

無論是產品設計師或工程師，客製化外殼設計是常見需求，無論是簡單的收納盒，還是驗證射出成型前的功能性3D列印原型。

透過CAD建模與桌上型專業 3D 列印機，只需五個步驟即可製作具卡扣結構的功能性3D列印原型。

光固化成型技術（SLA）3D列印介紹

想要找到一台3D列印機來高解析度呈現您的3D模型嗎？
下載我們的白皮書，了解SLA列印技術的運作方式，以及為何它是製作細節精緻模型最受歡迎的3D列印方式。

步驟 1：準備你的客製化外殼設計

▲步驟 1：測量您的電子元件（左圖）。從基本的框架開始你的3D模型設計（右圖）。

在這個專案中，我們將為Pine 64（單板電腦）設計一個外殼（在Pinshape下載.STL檔案以便繼續進行操作）。
本教程使用Solidworks，因為它在產品設計和工程領域中非常流行，但你也可以選擇其他類似的3D設計軟體。

首先，使用數位卡尺或尺子來測量電子元件。
我們通常從精確地反向工程 PCB板開始，測量板的尺寸、安裝孔位置，以及需要通過外殼接入的端口或插頭。
雖然你可以先測量整體的最大外形尺寸，但了解主要功能的具體位置非常重要，這樣設計時才能妥善安排。
在Solidworks中，將這些測量值以基本方塊的形式在單一物件檔案中呈現。

步驟 2：底部外殼
在Solidworks中，外殼最佳設計方式是作為組件來處理，將每一半外殼當作單獨物件建模。
從外殼底部開始，首要決策是確定印刷電路板 (PCB) 邊緣與外殼之間的公差。這取決於你選擇的3D列印技術。
立體光固化 (SLA) 和選擇性雷射燒結 (SLS) 列印機精度高，可將公差縮小至0.5毫米，風險較小。

若使用桌面型熔融沉積成型 (FDM) 列印機，設計可能會變形，建議公差設為1.5至2毫米，確保即使牆面變形，PCB仍能適配。

欲了解FDM與SLA列印機的比較，請參考我們的詳細指南，了解它們在列印質量、材料、應用、速度及成本等方面的差異。

▲在電子元件的周圍與外殼之間添加空間（左側）。在你的 3D 模型中建立底部外殼的牆壁（右側）。

我們的下一步是開始切割端口的開口。一個常見的錯誤是只切去剛好足夠的材料來暴露端口連接，無論是 USB 還是 HDMI，而沒有考慮到許多連接器周圍的電纜可能相當笨重，並且需要深入到外殼內以連接到端口（特別是當端口從 PCB 邊緣內縮，遠離外殼時）。
因此，對於端口的開口，最好留得寬裕一些。四周多留 2 毫米是一個不錯的起始點。

▲為底部外殼添加擠出切割和開口，以適應端口。

如上圖所示，我們加入了擠出切割，這些切割一直延伸到上方，還有一個微型 SD 卡的開口。
某些切割延伸到頂部的原因是，主板上的端口超出 PCB 的邊緣，因此為了適配 PCB，我們需要留出空間讓它們滑入。
部分開口會由我們的上部外殼部分封閉，但你也可以選擇製作一個較大的底部外殼，以便整個 PCB 和端口都能放進去。
只要注意你需要將連接電纜推得更深進入外殼內。

步驟3：頂部外殼

▲一般而言，上部外殼的形狀應與底部外殼相符。

現在你已經完成了底部物件，上部部分就變得容易多了。上面的圖片顯示了在兩個物件半部之間圍繞周邊的分隔線效果。
上部物件也進行了相同的切割處理，以適應一些較高的端口，並增加了材料以封閉底部物件留出的部分空隙。
我們還增加了一個可選的凹陷中間區域。

優化功能性3D列印組件的設計

設計時考慮適當的公差和配合，可以減少後處理時間和組裝難度，同時降低迭代的材料成本。
下載我們的白皮書，深入了解3D列印中公差與配合的概念，以及如何設計功能性3D列印組件。

步驟 4：設計卡扣連接器

▲透過基本的內部懸臂卡扣，你可以增加與卡扣接合的塑膠量，以獲得更牢固的鎖定效果。

對於卡榫配件有很多設計，但我們選擇了基本的內部懸臂卡榫接頭。
上面的圖片顯示了卡榫設計的主要細節，這些細節在外殼的兩側（雄性和雌性部分）完全相同。
根據可用空間的不同，你可以延長插入卡榫腔的突起部分，以增強鎖定的牢固度。
在我們的卡榫組裝中，突起長度僅為1.2毫米，但如果增長到2毫米或以上，則會更加安全。
在這個特定設計中，PCB上的插針佔用了很多空間，因此鎖定設計為剛好夾緊，同時提供足夠的力量來保持外殼的穩定。
懸臂接頭的長度為20毫米，這進一步增強了其強度。

▲這個剖面爆炸圖顯示了每一側的扣合細節。

上方的圖示展示了外殼的剖面爆炸圖，並顯示了PCB上針腳的位置（以黑色表示），這些針腳限制了彈簧接頭的大小。
作為替代方案，你可以將扣合腔的細節切割到外側，讓扣合接頭能夠更長。

▲凸耳是小型的突出部件，用於在相對的外殼內滑動，以固定兩個半部件。

在設計中添加凸耳，以防止兩個半部件滑動。凸耳是小型的突出部件，插入對應的外殼中。
由於我們在對面兩側創建了兩個扣合接頭，因此你可能只需要在兩個空白側面添加這些凸耳。
在這個較大的外殼中，我們將它們放在每個角落。材料僅突出3毫米，但這已足以防止3D列印互鎖部件的位移。

▲這個基本的扣合外殼可以適用於幾乎任何小型電子元件。

步驟5：為外殼添加最終細節

雖然這樣的設計已經足夠滿足你的需求，但再加上一些小功能，會讓你的3D列印外殼更加生動。
這個設計中，我們為Pine 64的名稱和SD卡位置進行了字形雕刻。
此外，我們還加入了Pine 64的標誌，除了作為視覺效果，還可以提供通風，因為這些主板在運作時可能會發熱。
而且，這些細節有助於減少3D列印所需的材料用量。
最後在扣合的地方增加幾個握持細節，可以幫助指引你按壓的區域，方便打開物件。

▲最終設計包含獨特的特徵，並搭配卡扣式外殼，已準備好進行3D列印。

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