内容为最近一年的个人硬件产品的结构设计的对比分析,作为 DIY 爱好者,必然会有不足之处,欢迎指正。
假设你想自己制作一个桥梁模型送给朋友,手工制作一个当然很好,使用木头、或者捏一个土坯然后烧制、又或者直接使用车床加工。但是这需要一定的技艺,以及各种器具。
但是除了手工制作之外,你依然有很多种方式可以选择:
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乐高搭建,你只需要知道乐高拼搭基础,设计出图纸后导出并购买零件(正版与非正版价格差距极大)。
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3D 打印,3D 打印有多种不同的原理,材料可选类型也比较多,设计出模型之后切片打印即可。
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激光切割,使用激光切割机切割亚克力板或者木板,之后拼搭。
简短对比 :
技术 | 乐高 | 3D 打印(FDM) | 激光切割 |
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特点 | 模块化设计,易于组装和拆解 | 可以打印出复杂的三维结构 | 可以精确地切割出复杂的二维结构 |
结构强度 | 玩具级 | 工具级 | 工具级 |
设计难度 | 小时级 | 小时级 | 小时级 |
调试难度 | 儿童 | 中等 | 高 |
设备价格 | 无 | 千元级 | 千元级 |
材料价格 | 十元级 | 十元级 | 百元级 |
制作速度 | 小时级 | 小时级 | 分钟级 |
气味 | 无 | 有(根据材料不同,可能有塑料熔化的气味) | 有(切割过程可能产生烧焦的气味) |
噪音 | 无 | 有(打印过程可能会产生噪音) | 有(切割过程可能会产生噪音) |
优点总结 | 1. 适合所有年龄层,易于上手 2. 可重复使用,具有高度的灵活性 3. 无需特殊工具或设备 | 1. 可以制作出复杂的三维结构 2. 可以打印出定制的零件,适合个性化设计 | 1. 可以精确地切割出复杂的二维结构 2. 结构稳固,适合制作承受重负的结构 |
缺点总结 | 1. 结构可能不够稳固,不适合制作大型或承受重负的结构 2. 设计和功能可能受到乐高模块种类和数量的限制 | 1. 打印速度较慢,大型结构可能需要很长时间 2. 需要一定的设计和操作技能,学习曲线较陡峭 | 1. 设备价格高昂,运行和维护成本也较高 2. 需要一定的设计和操作技能,学习曲线较陡峭 |
乐高类
优点
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设计快速、简单,易于拆卸,非常适合快速验证创新想法。
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乐高模型可以随时调整,拆解后的部件可再次使用,避免了材料的直接损耗。相比之下,3D 打印和激光切割等技术一旦出现错误,调整难度较大,材料利用率相对较低。
缺点
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乐高结构的强度有限,不适合承受较大的力,因此更适合轻量级的应用。
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乐高零件种类有限,对复杂结构的设计造成一定限制。
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乐高零件的精度也有限,主要的结构单位和半个单位,这意味着你的模型尺寸需要是 0.5 个单位长度的倍数。
学习心得
搜索一些搭建图纸,可以帮助你更好地理解乐高的设计原理和技巧。不用管书籍的语言是德语还 是英语。
软件
乐高结构设计软件:https://studiohelp.bricklink.com/hc/en-us
优点:软件可以导出零件名称,一键跳转采购。
总结
乐高设计快,但是采购之后自己拼搭比较耗时,遇到问题时可以先思考我之前有没有见过类似的图纸,没有见过而且比较复杂的话,一般选择 3D 打印。
3D 打印
3D 打印是个人制造的一种重要方式,它可以将数字模型转化为实体物体。一张 A4 纸的大小大约是 210mm×297mm,可以在此基础上选购合适的成型尺寸。
3D 打印分为多种技术,常见的有 FDM(熔融沉积成型)、SLA(光固化成型)、SLS(激光烧结成型)等。其中 FDM 是最常见的 3D 打印技术,也是我使用的技术。
3D 打印目前主要有:
- 定制手办方向
需要深入的学习建模软件
学习调色与上色
目前桌面级打印机难以直接获得彩色精美手办。大多是光固化再上色或彩色 FDM 打印后打磨。
设备需要常维护:使用洗涤器清洗底板、挪动后重新调平。便宜的设备往往打印慢的同时需要调试:层纹错位、堵头、首层不平、拉丝翘边、悬空下垂等问题。
- 工业设计
简单的学习建模软件
深入学习螺丝螺母磁铁钢针等材料的嵌入
嵌入螺丝与螺母
暂停埋入螺母,预留 0.2mm 的间隙,然后再埋入螺母,可以避免打印头碰到螺母。
暂停层设置方法:切片后点右边的 z 轴预览条,右键可以选择:添加暂 停打印
嵌入磁铁
普通磁铁与 N52 磁铁价格相差较大,但依旧推荐使用 N52 磁铁。因为普通磁铁在打印件中,磁吸力会有所衰减,而 N52 磁铁衰减后依然有不错的吸力。如果因为吸力不够导致打印件整体作废得不偿失。
设计孔位时磁铁最好下沉,齐平与突出都会让磁铁被撞碎。下沉太多会导致吸力下降。也侧水平设置槽位,让磁铁便于更换。
留出旷量给胶水(慢干胶与UHU胶水会腐蚀结构件,推荐快干胶502)、或者使用过盈、或者暂停+封顶(选择强磁,否则吸力下降严重)
不同尺寸、磁力的磁铁阵列排布时,距离过近会互相影响。常见的有:6mm直径 2mm 的N55磁铁、10mm直径的磁铁
分辨磁铁NS极可以使用一个3d打印件,一头标注N,一头标注S,放置磁铁后,吸起来哪个就放进去。
嵌入钢针
钢针是最为常见的材料,可以选择的尺寸最多,将钢针以不同角度垂直嵌入 3D 打印件中可以提高打印件的强度。
想要将钢针水平嵌入到 3D 打印件中同时避免磕碰打印头、保持与打印件接触紧密,可以通过将打印一个辅助件完成:长方体的内切圆柱(剪切掉内切圆柱)
,然后将钢针嵌入到辅助件中,再通过暂停层将辅助件嵌入到打印件中。
另外也可以利用钢针制作合页等结构,比纯3D打印更耐用。
在 3D 打印过程中,材料的选择对打印效果和性能有重要影响。下面是部分常见材料及其价格与特点。
不同品牌价格不同,仅供参考,以下是一些材料的前缀与后缀的简要解释:
- CR ,表示更多色彩
- CF ,表示碳纤维复合
- Matte ,表示哑光质感
- Silk ,表示丝绸质感
- Hyper/Fast ,表示高速打印
材料 | 全称 | 特点及应用说明 | 价格 |
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ABS | 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物 | 强度高、耐热性好、易加工,适用于一般性的 3D 打印项目。 | 59 元/KG |
PETG | 改性聚对苯二甲酸乙二醇酯 | 耐热、透明度高、耐化学性强,适用于透明或耐热性能的打印项目。 | 59 元/KG |
PLA | 聚乳酸 | 生物降解、环保、易于打印、无毒,适用于一般性的 3D 打印项目。 | 69 元/KG |
PA | 聚酰胺/尼龙 (Nylon) | 机械性能更强,耐热,用于制作普通机械强度要求的打印项目。 | 79 元/KG |
TPU | 热塑性聚氨酯 | 弹性好、耐磨性强,常用于制作柔软的零件或弹性组件。 | 98 元/KG |
PET-CF | 碳纤维增强聚对苯二甲酸乙二 醇酯 | 更高的强度和刚性,适用于要求更高机械性能的打印项目。 | 108 元/KG |
PLA-CF | 碳纤维增强聚乳酸 | 更高的强度和刚性,适用于要求更高机械性能的打印项目。 | 129 元/KG |
ASA | 聚酰胺酸酯 | 工程塑料,耐热性和机械性能优异,适用于高强度和耐热性的打印项目。 | 169 元/KG |
PC | 聚碳酸酯 | 抗冲击性和透明度优异,常用于制作耐用的零件或透明的构件。 | 219 元/KG |
PA-CF | 碳纤维增强聚酰胺/尼龙碳纤维 | 更高的强度和耐热性,适用于要求更高机械性能的打印项目。 | 249 元/KG |
建模软件
建模软件是 3D 打印的基础,可选的非常多,譬如Fusion 360
、Blender
。
模型可以从 0 开始建,也在别人的基础上修改,由于家用3D打印机尺寸较小,工具物品难以一体成型,因此模块化设计思维较为重要。
成品模型库:
优点
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只需要一个晚上就可以验证你的复杂创意。
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提升空间大,可以选择一体成型,或者碳纤维材料,也可以使用暂停打印嵌入螺丝、螺母、磁石、金属棒等来创作一些强度极高的混合材质的工具。
缺点
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连接处的强度不够需要使用人工介入使用特殊手段提升。
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打印时间长而且偶尔成品有瑕疵。
学习心得
3D 打印的知识相对来说比较碎片化,需要持续学习与实战验证。可以关注一些 3D 打印博主、逛逛 3D 打印社区,可以学习到很多建模、切片、机器的调试、嵌入等技巧。
软件
从 0 开始 3D 打印需要用到 3D 建模软件与切片软件
建模软件就是构建出你要打印的物品的模型的软件。
切片软件则是把这个模型切割为一层一层,控制 3D 打印机的喷嘴运动路径等参数的软件。目前我的 3D 打印机只认切片后的文件。
这里建模软件推荐找个教程,教程上用什么跟着学也用什么。
切片软件一般厂家有提供。