使用 SOLIDWORKS设计蜂窝键盘腕托并进行 3D打印

了解如何使用 SOLIDWORKS 设计并 3D 打印一款蜂窝结构键盘腕托。这个项目源于一个简单想法：何不自己设计一款键盘腕托？我想要一款专为我的工作站打造的腕托，尺寸可控、符合人体工学外形、重量轻巧，并且可以直接 3D 打印投入实际使用。键盘与桌面之间存在高度差，长时间撰写博客、编辑内容时，手腕会产生不适感。于是我没有选购现成产品，而是决定自行设计。

本项目使用SOLIDWORKS 爱好者版完成 CAD 设计，采用拓竹3D打印机制作零件；主体结构使用 PLA 材料，手腕接触区域使用 TPU 材料。

同时我也希望尝试实现人体工学曲面外形与蜂窝结构。

下面开始设计工作。

为什么选择蜂窝结构？

选用蜂窝图案不仅出于外观考量，也是为了让腕托轻量化，减少材料消耗。柔性 TPU 材料搭配该网格结构，还可以让手腕接触区域更加舒适、透气。

本项目综合运用多项 SOLIDWORKS 命令，包括【分割】、【扫描曲面】、【填充阵列】、【直纹曲面】以及【变形】。

不过在创建蜂窝结构之前，首先需要确定基础尺寸。

人体工学外形设计

第一步我先测量了我的键盘，键盘大致尺寸如下：

‑ 厚度：20 毫米

‑ 含按键总高度：30 毫米

‑ 宽度：390 毫米

根据调研，腕托支撑区域宽度应在 50‑60 毫米左右。

第一版设计我将腕托支撑宽度定为 60 毫米；同时腕托最大高度设置为 20 毫米，避免超过键盘高度。

此时我并不追求一步到位做出最终成品，而是希望先完成初代版本，打印出来感受实际使用效果。

这是我工作流中很重要的一环：CAD 模型在屏幕上看起来没问题，但实际上手使用时体验未必理想。

图 1：键盘与蜂窝腕托整体效果图

1. 初代原型

制作初代原型时，我缩减了整体宽度，实现快速试打。打印测试后发现两处问题：第一，手腕支撑区域面积不足；第二，腕托高度需要加高。于是回到 SOLIDWORKS 爱好者版中修改设计。

2. 优化腕托支撑外形

修改后的版本，我做出更加明显的人体工学轮廓。

图 2：人体工学腕托支撑外形

观察最终外形：与桌面接触的底面为平面，为腕托提供稳定基座。

靠近键盘一侧表面较高，而后向下平缓过渡。我希望高度变化尽量平缓，不要出现突变台阶。外边缘全部做圆角处理，外形更加顺滑舒适。

上方手腕支撑区域有一块加宽凸起，手腕就放置在此处。该凸起区域向两端逐步向下倾斜。

这样既增大接触面积，也让凸起支撑区到桌面之间过渡更加平滑。在设计平面区域的下方还有一处矩形特征，在模型中以虚线表示，该特征作为后续添加脚垫的参考。

3. 截面检查

我还使用截面视图检查各个零部件的装配配合状态。

从截面视图 1 可以看到零部件之间的结合位置。该连接处我采用 0.075 毫米过盈配合间隙。目标是无需螺丝、胶水，就可以将零件固定在一起。当然具体配合数值取决于打印机与打印参数，该数值仅为我原型使用，并非通用推荐值。

面向 3D 打印机的腕托设计

模型收尾前，还有一项重要硬件限制需要考量。

我的拓竹打印机成型尺寸为 256 毫米 × 256 毫米，而键盘宽度约 390 毫米。这意味着我不能直接打印一整个 390 毫米宽的腕托。因此决定将腕托设计为多零件拼装结构，并且不使用螺丝和胶水。

设计思路很简单：把卡扣连接结构直接集成在几何体当中。打印完成后，两个打印部件可以直接拼装到一起。

将腕托分割为两个零件

腕托宽度超出打印机成型范围，我使用 SOLIDWORKS 的【分割】命令，把模型切分为两个零件。

之后设计公‑母卡扣结构，使两个分段可以滑入并互相锁止，无需螺钉、螺栓或者胶水。

蜂窝键盘腕托装配效果图

TPU 腕托支撑面设计

接下来设计直接接触手腕的表面。

我不希望该区域全部使用刚性 PLA，因此单独创建一个 TPU 零件。对比 PLA，TPU 具备柔性，更适合作为本设计的手腕接触面。但使用两种不同材料也带来新的 CAD 设计难题。

需要保证 TPU 零件可以装入 PLA 主体壳体，并且正常使用过程中不会松脱。

创建 TPU 安装槽

在 PLA 主体零件上制作滑槽，TPU 零件可以滑入到位。TPU 零件设计有互补几何，能够嵌入该滑槽。

从细节 2 的截面可以看到该连接结构。TPU 零件与 PLA 滑槽之间采用 0.10 毫米配合间隙。如果希望 TPU 零件后续更容易拆卸更换，可以根据实际打印效果，将间隙加大至 0.15‑0.20 毫米。

TPU 零件支持可拆卸的优势在于：材料磨损后可以单独替换。但此时又出现一个问题：如何让六边形蜂窝图案跟随曲面外形？

这时就要用到【变形】命令。

什么是变形命令？

SOLIDWORKS 中的【变形】命令，可以通过控制几何体位移、重塑，修改已有模型几何。

无需手动重建几何体，借助不同参考方式，使用变形功能即可改造现有模型。SOLIDWORKS 提供三种主要变形方式：

‑ 点

‑ 曲线到曲线

‑ 曲面推进

本腕托项目我选用 “曲线到曲线”。在介绍我的用法前，先简单了解另外两种模式。

点变形

点模式通过控制选定点位的移动实现模型变形。可以推挤或拉动模型局部区域，产生局部形变，无需重建整个零件。

为便于理解变形命令效果，可以看选择【最大刚度】并确认命令之后生成的结果。

图 3：SOLIDWORKS 变形命令的不同形状选项

初看 “点” 与 “曲面推进” 得到的效果有点像钣金里的【冲压】特征，但两者实际行为并不相同。变形命令既可以用于曲面实体，也可以用于实体实体，并且不强制要求模型保持恒定壁厚。

仔细观察上图放大镜高亮区域，可以看到表面生成类似褶皱的有机形变。变形命令并非生成冲压特征，而是拉伸、重塑原有几何体，得到目标变形效果。

图 4：高亮区域展示变形命令如何拉伸并重塑原有几何体

曲面推进变形

曲面推进模式，使用另外一个实体作为变形工具，对曲面或者实体执行变形。无需逐个控制点，只需定义**变形区域**，再使用选定工具实体向目标几何体推入或者向外拉开。

图 5：曲面推进‑变形区域，矩形与球体示例

曲面推进模式既可以选用软件预定义几何形状，也可以通过【选择实体】选项调用自定义几何体。适合需要在现有模型上做出特定造型或压印特征的场景。

下面示例，使用四个圆柱实体作为工具几何，在一块薄板上生成凹陷造型。

图 6A：用作成型工具的圆柱实体

步骤 1：

准备一块厚度 0.20 毫米的方形薄板以及四个圆柱实体。目标是利用圆柱造型在薄板上压出凹陷。

步骤 2：

在曲面推进变形命令中，选择薄板上与圆柱相垂直的边线作为推进方向，也可以选择曲面。

【变形区域】字段选中薄板实体；再使用【选择实体】选项选中四个圆柱实体。

圆柱实体上会出现坐标系操纵杆。沿 Y 方向向上移动 22 毫米。该数值控制薄板最终变形高度，该数值也可以直接在变形命令的【工具实体位置】字段内修改。

步骤 3：

确认变形命令后，可以看到圆柱对薄板产生的成型效果；薄板并不会完全包裹住圆柱实体。

可以通过修改【变形偏差】参数控制该效果。

变形偏差参数不能设置为 0；如果输入 0，SOLIDWORKS 会弹出警告，提示可接受的最小偏差值，用户再根据想要的效果进行设定。

将偏差设置到最小值时，薄板变形形态会尽可能贴近圆柱工具实体外形。

图 6B：变形偏差

步骤 4：

确认命令之后，可以清晰看到圆柱在薄板上生成的变形凹陷。该示例展示曲面推进可以借用已有几何体重塑另一个实体，而无需手动修改受影响区域。

曲线到曲线

曲线到曲线模式，通过将一组曲线映射至另一组曲线实现几何体变形。重塑模型，让选定边线或曲线跟随目标曲线的形状与位置。适合把图案映射到曲面上，而不用手动重新建模。

视频中演示了蜂窝腕托零件完整建模步骤，本文只说明关键要点，不罗列全部细节。

如前所述，手腕接触零件采用 TPU 材质，上面设计蜂窝结构，既可以避免使用时积汗，提升透气性，外观效果也更好。

如图所示，我放置一块平板，使其与腕托零件相切，在这块平板上制作蜂窝图案，使用【填充阵列】命令。

图 7：为蜂窝图案准备参考曲面

使用填充阵列制作蜂窝

填充阵列命令内可以选择预定义几何形状，选择多边形，边数设置为 6。

注意：填充阵列无法在零厚度曲面上使用，因此该步骤必须使用实体。

后续变形命令环节，会在平板上生成一个零厚度偏移曲面，用于处理曲面造型。

图 8：应用六边形多边形填充阵列

使用变形的曲线到曲线

在曲线到曲线变形设置中，选择待变形平板的边线，再选取腕托实体上对应的目标曲线。

希望变形向两侧均匀扩散，勾选【均匀】选项。

处理左侧部分时，点击图片中变形曲线区域的**“+”**按钮，再选中左侧对应的边线与目标曲线。

注意：新增选择项之后，【均匀】与【刚度】设置会重置，需要重新勾选配置。

图 9：添加第二组曲线‑曲线选择

确认命令后，平面蜂窝实体将跟随腕托的曲面外形。这样可以先在简单平面上完成蜂窝图案，再适配到曲面对象。

准备 TPU 实体

设置厚度之前，需要设计结构，让蜂窝 TPU 实体可以嵌入腕托壳体的滑槽，并且不会脱出。

因此以腕托主体为参考，使用【扫描曲面】与【直纹曲面】命令制作伸入滑槽的连接结构。

再对曲面执行拉伸，生成 3 毫米厚度的实体，完成零件设计。

图 10：蜂窝键盘腕托 3D 模型

检查最终几何体

变形完成后，检查腕托外形、蜂窝图案、TPU‑PLA 结合位置。确认蜂窝贴合预期曲率，TPU 嵌件可以顺滑滑入滑槽并可靠定位。

至此，模型已经可以用于 3D 打印。

模型 3D 打印前准备

最终模型拆分为三个可打印零件：两件 PLA 主体分段，一件 TPU 手腕支撑件。

我的丈夫 Ridvan Polat 协助完成 3D 打印与参数调试，凭借经验对 PLA、TPU 打印参数做精细调整。

打印装配完成后，这款蜂窝键盘腕托即可投入使用。

图 11：3D 打印完成的蜂窝键盘腕托成品

打印模型

如果你也想打印这款腕托，我已经把模型上传至 MakerWorld。你可以下载文件，在自己的 3D 打印机上尝试制作。

总结

这个项目把日常生活中的小困扰转化为一套完整的 CAD 与 3D 打印实践。借助 SOLIDWORKS for Makers版，我完成腕托的设计、测试与迭代。综合使用 PLA、TPU 多种材料，搭配多项 SOLIDWORKS 命令，做出现在我在工作站实际使用的成品。