为什么选择FreeCAD做外壳设计
FreeCAD作为一款免费开源的参数化3D建模软件，在硬件产品外壳设计领域拥有独特优势。相比 Blender 的网格建模，FreeCAD基于特征（Feature-Based）的实体建模方式更接近 SolidWorks 和 Fusion 360 的工作逻辑，生成的模型天然就是水密性实体，非常适合3D打印输出。FreeCAD 1.x版本在用户体验和性能上有了显著提升，尤其是重新设计的草图工作台和更稳定的拓扑命名（Topological Naming）处理，让外壳设计的效率大幅提高。
草图绘制与约束管理
外壳底面草图的设计要点
进入FreeCAD的Sketcher工作台后，首先需要绘制外壳的底面轮廓。对于电子产品外壳，建议先在外形轮廓中预留出壁厚空间。使用"矩形（Rectangle）"工具绘制外轮廓，然后通过"偏移（Offset）"几何工具生成内壁轮廓。尺寸约束方面，使用"水平距离约束"和"垂直距离约束"固定长宽尺寸，用"相等约束"确保壁厚一致性。关键技巧是先用"几何约束"（水平、垂直、共线、对称）固定形状关系，再用"尺寸约束"标记具体数值，这样草图的自由度控制在最佳状态。
约束冲突的排查与解决
在外壳设计中，约束冲突是最常见的错误。当FreeCAD提示"约束冲突"时，首先检查是否有冗余的尺寸约束——例如同时约束了线段长度和两个端点的水平距离，这两个约束会互相矛盾。解决方法是在约束面板中逐个排查并删除多余的约束。另一个常见陷阱是"过约束（Over-Constrained）"——当草图变为全约束（黑色线条）后，添加任何额外约束都会导致冲突。此时应当先检查哪些约束是可以简化的，优先使用几何约束而不是尺寸约束，因为几何约束不会产生数值冲突。
参数化建模的核心操作
Pad与Pocket的基本用法
完成草图后，切换到Part Design工作台使用"Pad（拉伸）"将2D草图拉伸为3D实体。拉伸高度通过参数控制——建议在Spreadsheet工作台中创建一个参数表格，将外壳高度、壁厚、圆角半径等关键尺寸参数化。例如在Spreadsheet中创建"Shell_Height"单元格，然后在Pad的高度设置中引用"Spreadsheet.Shell_Height"。这样后续修改只需要更新表格数值，整个模型会自动重建。Pocket（切除）功能则用于在外壳上挖孔——比如USB接口孔、按钮孔等。使用Pocket时，建议先在草图中绘制"参考几何"，将孔位的相对位置与原点的距离关系固定下来。
倒角、圆角与薄壁特征
为了获得更好的手感和打印质量，外壳的边缘需要添加圆角。在Part Design工作台中使用"Fillet（圆角）"功能，选择需要圆润的边缘并设定半径值。建议将圆角半径也参数化为"Fillet_Radius"，统一管理。对于需要精确配合的部位（如上下盖卡扣处），使用"Chamfer（倒角）"功能创建引导斜边。FreeCAD 1.x的倒角支持"不等长倒角"——分别为两条边设置不同的偏移量，这在上盖下沉阶梯式设计中非常实用。
卡扣与定位结构设计
弹性卡扣的参数化设计
外壳的上下盖通常需要卡扣结构固定。在FreeCAD中使用"LinearPattern（线性阵列）"功能可以快速创建对称分布的多个卡扣。卡扣的草图设计要注意几个关键参数：卡扣臂长（通常8-12mm）、卡扣厚度（壁厚的50-60%）、卡扣斜面角度（30-45度）。将所有这些参数录入Spreadsheet，就可以通过修改数值来适配不同的外壳尺寸。建议卡扣根部添加R1-R2的圆角过渡，避免应力集中导致断裂。
定位柱与螺丝柱设计
对于需要螺丝固定的外壳，定位柱（Boss）的设计至关重要。使用"Revolution（旋转）"功能围绕中心轴线旋转草图生成圆柱体，然后使用"Subtractive Pipe（减材管道）"在圆柱中心打孔。螺丝柱的外径建议为螺丝外径的2倍，内径与螺丝的芯径匹配。例如M2螺丝，外径设计为4mm，内径1.6mm。螺丝柱根部同样需要加强筋（Rib）支撑——在侧面绘制三角形轮廓，使用"Pad"拉伸并与螺丝柱合并。
导出3D打印文件
完成外壳设计后，通过"Part"工作台中的"导出（Export）"功能将模型输出为STL格式。导出参数设置中，STL的细分公差（Tessellation Tolerance）建议设置为0.01-0.05mm，角度公差（Angular Tolerance）设为1-5度。过高的公差值虽然减小了文件体积，但会导致曲面出现肉眼可见的棱面，影响打印质量。如果使用光固化打印，建议在切片软件中将STL的细分值再减半，以获得更平滑的曲面效果。