CNC 基础与 3D 打印

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A. CNC 的魔力（The Magic of CNC）

CNC 让电脑控制机器自动加工零件

什么是 CNC？

CNC = Computer Numerical Control（计算机数控）。简单来说，就是用电脑控制机器自动加工零件。你在 Onshape 里设计好零件，然后让机器按照设计精确地制造出来。

常见 CNC 工具

• 3D 打印机 — 逐层堆积材料制造零件（本章重点）
• 激光切割机 — 用激光切割平面材料（第十四章）
• CNC 铣床/路由器 — 用旋转刀具切削材料（第十五章）

这些工具让机器人队伍能制造精确的自定义零件——商店买不到的形状、特殊的安装支架、或者完美匹配你设计的结构件。

B. 什么是 3D 打印？（What is 3D Printing）

3D 打印通过逐层堆积材料制造零件

3D 打印原理

3D 打印（也叫增材制造）通过逐层堆积材料（通常是塑料丝，如 PLA 或 PETG）来制造零件。打印机的喷嘴加热塑料丝使其融化，然后按照设计路径一层一层地铺上去。

为什么机器人队伍用 3D 打印？

• 快速原型 — 几小时内就能把设计变成实物，快速测试想法
• 自定义零件 — 制造市场上买不到的专用零件
• 复杂形状 — 可以制造传统加工方法难以实现的形状

常见用途

• 电机座和传感器支架
• 齿轮箱壳体
• 抓取器部件
• 线缆管理夹具

原型制作案例

很多顶级机器人队伍使用 3D 打印进行快速原型制作：

• Spectrum #3847 的 Prototyping Blocks — 用标准化的 3D 打印积木块快速搭建原型
• HYPE #5254 的 HYPE Blocks — 类似概念的模块化原型系统
• Quick Build Clamping Blocks — 快速夹紧固定用的打印块
• Protopipe — 用 3D 打印连接器搭配管材的原型制作方法

C. 3D 打印设计要点（Designing for 3D Printing）

设计时需要考虑打印方向、支撑和壁厚

打印流程

从 CAD 模型到实物零件的完整流程：

1. CAD 模型 — 在 Onshape 中设计零件
2. 导出 STL — 把模型转换成 3D 打印格式
3. 切片软件 — 用 Cura/PrusaSlicer 等软件把模型"切"成一层一层
4. G-code — 切片软件生成控制打印机运动的指令代码
5. 打印 — 打印机按照 G-code 逐层打印

强度设计

3D 打印零件有一个重要特点：打印方向影响零件强度。层与层之间的结合是最弱的环节。

关键特征

• 悬挑角度 — 与竖直方向的夹角小于 45° 时，不需要支撑结构
• 圆孔 — 竖着打印的圆孔更圆、更精确
• 壁厚 — 至少 2mm，太薄的壁容易断裂

支撑和填充

• 支撑越少越好 — 支撑结构会增加打印时间和材料消耗，去除后还会留下粗糙表面
• 填充率 — 20-50% 通常够用。100% 填充浪费时间和材料，而且零件会更重

D. 从 Onshape 导出 STL

右键零件 → Export → 选择 STL 格式

导出步骤

1. 在零件列表中右键点击要导出的零件
2. 选择 Export
3. 格式选择 STL
4. 设置：选择 Binary STL（文件更小）和 Fine 分辨率（更精细）
5. 点击导出，保存文件

多零件导出

如果需要打印多个零件，可以逐个导出，也可以选中多个零件一起导出。建议逐个导出，这样在切片软件中可以分别调整打印参数。

导入切片软件

导出的 STL 文件需要导入切片软件（如 Cura 或 PrusaSlicer）来生成打印指令。常见切片设置：

• 层高 — 0.2mm 通用 / 0.12mm 精细（层高越小越精细，但打印时间越长）
• 填充率 — 根据零件用途选择 20-50%
• 支撑 — 有悬挑部分时需要开启
• 速度 — 越慢质量越好，但时间越长

E. 3D 打印故障排除

常见 3D 打印问题和解决方法

象脚（Elephant's Foot）

底部膨大，像大象的脚。原因是首层温度过高或打印床离喷嘴太近。

• 降低首层温度
• 增加 Z-offset（喷嘴离打印床远一点）

拉丝（Stringing）

零件之间出现细丝。原因是喷嘴移动时有材料溢出。

• 启用回抽（Retraction）功能
• 适当降低打印温度

不粘底板

零件在打印过程中脱离底板。

• 调平打印床
• 使用胶水棒或 PEI 打印板增加附着力

变形/融化

零件变形或细节融化。

• 降低打印温度
• 增加冷却风扇速度