DIY立体拼图制作教程：用3D打印打造27块魔方益智玩具

之前我做过一个叫"立体主义"的项目，当时做了一个由多个互锁模块组成的立方体拼图，最终能组成一个6×6×6厘米的独立站立方块。

这次我想尝试一种不同的互锁机制，让每个小方块都能单独使用，而不是像之前那样用组合好的大块拼接，同时依然能拼成一个独立站立的立方体。

这次的拼图是一个3×3×3厘米的立方体，总共由27个独立的小方块组成。每个小方块通过集成的凸起和凹槽与其他方块连接。这些凹槽和凸起在各个面的不同方向排列，可以让拼出的元素呈现出随机性。

目标就是把这些随机的小方块重新拼在一起，形成一个完整的3×3×3立方体。

这些方块依然会采用3D打印的方式制作。

3D打印机

耗材（颜色根据个人喜好选择），建议使用PLA+或PETG

砂纸

针锉

4.8毫米钻头

熟悉你的工具并遵循推荐的操作流程，记得佩戴适当的防护装备。

这个拼图是用BlocksCAD设计的。

这27个小方块可以分为6类：

1：底部/顶部角块，连接3个相邻方块，共8个

2：中间层角块，连接4个相邻方块，共4个

3：底部/顶部边块，连接4个相邻方块，共8个

4：中间层边块，连接5个相邻方块，共4个

5：底部/顶部中心块，连接5个相邻方块，共2个

6：中间层中心块，连接6个相邻方块，共1个

所有小方块之间都通过各面上的凸起和凹槽相互连接。

所有小方块尺寸都是20×20×20毫米，唯一的区别在于凸起和凹槽的数量以及它们所在的位置。

最后这些方块的代码会被写进一个模块中，这样只需要调整参数就能轻松地把凸起和凹槽放到指定位置。

不过在这之前，我会先详细说明整个设计过程。

首先，用Cube命令创建一个20×20×20毫米的立方体，并通过Translate命令把它放置在网格中心（坐标x=0, y=0, z=0）。

凸起要插进其他方块上的凹槽里。

但要是凸起和凹槽的尺寸完全一样，凸起就插不进去，所以凸起半径会比凹槽小0.075毫米。

凸起是一个圆柱体（半径4.925毫米，高2.25毫米），上面还有一个半球形头部（半径4.925毫米），整体高度为7.275毫米，安装到方块表面后总高度是这个数值。

这个凸起位于方块表面的正中央，所以坐标是x=10, y=10, z=20。

有了凸起之后，我们还要能够把它移动到方块的任意一面。

这就需要用到Translate和Rotate这两个命令的组合。

把Rotate放在Translate里面，就可以实现原地旋转。

如果要把凸起放到右侧面上：

需要先绕Y轴旋转90度，然后执行Translate命令，x=20（移到右侧），z=10（移到右侧面的中间），y保持不变。

如果要把凸起放到左侧面上：

需要先绕Y轴旋转270度，然后执行Translate命令，x=0（移到左侧），z=10（移到左侧面的中间），y保持不变。

如果要把凸起放到前侧面上：

需要先绕X轴旋转270度，然后执行Translate命令，y=20（移到前面），z=10（移到前面的中间），x保持不变。

如果要把凸起放到后侧面上：

需要先绕X轴旋转90度，然后执行Translate命令，y=0（移到后面），z=10（移到后面的中间），x保持不变。

凹槽是用来插其他方块上的凸起的。

凹槽也是一个圆柱体（半径5毫米，高2.5毫米），上面有一个半球形凹陷（半径5毫米），总深度为7.5毫米。

其实凹槽就是把凸起模型绕Y轴旋转180度后再从立方体中减去，这个减法操作是通过Difference命令完成的。

简单来说就是：立方体减去凸起 = 有凹槽的立方体。

凹槽的位置也在方块表面的正中央，所以坐标也是x=10, y=10, z=20。

把Rotate命令放在Translate里面，可以实现原地旋转。

比如再对已经绕Y轴旋转了180度的模型继续绕Y轴旋转90度，那总共就是270度。当然你也可以直接用一次Rotate命令设置成270度。

不过分两次旋转的好处是可以沿用之前设定的参数值，方便统一。

如果要把凹槽放到右侧面上：

需要先绕Y轴旋转90度，然后执行Translate命令，x=20（移到右侧），z=10（移到右侧面的中间），y保持不变。

如果要把凹槽放到左侧面上：

需要先绕Y轴旋转270度，然后执行Translate命令，x=0（移到左侧），z=10（移到左侧面的中间），y保持不变。

如果要把凹槽放到前侧面上：

需要先绕X轴旋转270度，然后执行Translate命令，y=20（移到前面），z=10（移到前面的中间），x保持不变。

如果要把凹槽放到后侧面上：

需要先绕X轴旋转90度，然后执行Translate命令，y=0（移到后面），z=10（移到后面的中间），x保持不变。

我们可以把凹槽和凸起的代码放进一个模块里，通过修改参数来控制它们的位置。

在这个例子里，模块函数被用来定义这些参数。

X、Y和Z参数决定方块在网格中的位置。

Xor、Yor和Zor参数决定凹槽或凸起的旋转角度。

Xoffset、Yoffset和Zoffset参数决定凹槽或凸起在方块上的具体位置。

比如要在顶部放一个凹槽，就需要设置Xoffset=10，Yoffset=10，Zoffset=20。

可以用一个叫Pegs的模块来管理凸起位置，另一个叫Holes的模块来管理凹槽位置。

有了这两个模块，就可以轻松构建全部27个方块，完成最终的拼图。

最终的拼图用PLA材料打印，当然也可以用其他材料。

根据我的经验，哑光效果的PLA+和PETG更适合这种结构复杂的拼图。

颜色可以根据个人喜好选择，单色、双色甚至多色都可以。

你可以打印多个不同颜色的完整拼图，然后混着用；或者用多喷嘴打印机一次性完成多色拼图；甚至还可以给外表面涂上不同颜色。

除了让拼图更漂亮，颜色还能调节难度。比如每层用不同颜色，你就能快速区分方块，专注于解决某一层的问题，减少未知因素，从而降低整体难度。

默认尺寸是60×60×60毫米，当然也可以按需缩放。

如果按默认尺寸打印，这个拼图刚好可以放在220×220毫米的打印平台上，周围还留有约20毫米的空间。

我在项目里打印的是50%比例的版本，也就是30×30×30毫米，体积更小，但也更难操作。

层高：0.15毫米

底面附着方式：裙边，因为接触面积足够稳固，而且边缘更整洁。

填充率：100%，确保凸起足够结实。

STL文件（cube5_opt.stl）包含了完整的27个方块，布局经过优化，尽可能减少侧面凸起数量，避免打印时受重力影响变形。加支撑虽然可行，但会增加后期处理工作量，性价比不高。

尽量让平整无特征的面朝下，这样拼好后的表面会更光滑，减少打磨需求。

注意：cube5_opt.stl才是用来打印拼图的文件。

打印完以后可能需要做一些后期处理，特别是清理凸起上的毛刺，尤其是那些在侧面的凸起。

可以用锉刀或砂纸进行打磨。

凹槽可以用4.8毫米钻头清理干净。

这也是微调的好机会，确保所有零件都能顺利组装。

装的时候别硬塞，特别是顶部面打印出来的凸起，容易因为剪切力而损坏。这个问题在光泽感强的耗材上尤其明显。

既然花了时间打印出来，那就试试看能不能自己解开吧！

目的就是把这27个方块拼成一个完整的立方体。

建议先别急着看答案，自己试着解一遍。

当然啦，如果实在想不出来，我也准备了解法参考。

图片文件可以下载打印出来备用。

还有一个cube_solution(viewing only).stl文件，可以用各种3D查看软件打开，比如Cura、3D Builder/Viewer或者FreeCad，让你从各个角度看清楚拼图结构。

注意：cube_solution(viewing only).stl不是用来打印的，它只是展示了三层结构的27个方块。

谢谢你看到这里，希望你觉得这个项目有意思，也欢迎你动手做一做属于自己的拼图。