玩转 KiCad 3D模型的使用

“本文将带您学习如何将 3D 模型与封装关联、文件嵌入，讲解 3D 查看器中的光线追踪，以及如何使用 CLI 生成 PCBA 的 3D 模型。”

在日常的 PCB 设计中，我们大部分时间都在与 2D 的焊盘、走线和丝印打交道。但一个完整的产品，终究是要走向物理世界的。元器件的高度、接插件的朝向、与外壳的配合，这些都是 2D 视图难以表达的。

幸运的是，KiCad 提供了强大的 3D 可视化功能。它不仅能让你的设计成果图瞬间变得“高大上”，更是一个极其强大的工程工具，能帮你：

• 直观检查布局：清晰地看到元器件的实际物理尺寸和相对位置。

• 规避结构风险：在设计早期就发现高个子电容是否会碰到外壳，接插件是否会与其他元件打架。

• 优化可制造性：检查连接器、开关等器件的朝向是否便于用户操作和产线组装。

• 与机械工程师高效协作：导出完整的 3D 电路板模型（STEP格式），直接用于产品结构设计。

话不多说，我们直接进入实战环节。

3D 模型去哪儿找？

在开始之前，我们得先有“模型”这个原材料。获取模型的主要途径有：

1. KiCad 官方库：KiCad 自带了庞大的 3D 模型库，涵盖了绝大多数标准封装的元器件，这也是我们的首选。

   https://gitlab.com/kicad/libraries/kicad-packages3D

2. 元器件厂商官网：Molex, TE Connectivity, Wurth Elektronik 等知名厂商，通常会为其接插件、电感等关键元器件提供精确的 STEP 3D 模型，这是最可靠的来源。

3. 元器件数据服务商：SnapEDA, Ultra Librarian, SamacSys 等网站在提供原理图符号和封装的同时，也常常会附带 3D 模型。

   SnapEDA：https://www.snapeda.com/UltraLibrarian：https://www.ultralibrarian.com/SamcSys：https://www.samacsys.com/

4. 通用 3D 模型网站：FreeCAD，GrabCAD, 3D CONTENTCENTRAL 等社区也汇集了大量工程师分享的模型。

   FreeCAD Electronics Lilbrary：https://github.com/FreeCAD/FreeCAD-library/tree/master/Electronics%20PartsGrabCAD：https://grabcad.com/library3D ContentCentral：https://www.3dcontentcentral.com/Traceparts：https://www.traceparts.com/

   

小贴士：优先选择.STEP格式。它包含了精确的机械数据，是与 MCAD协同工作的行业标准。.WRL格式则文件较小，带有色彩信息，适合快速预览。

更多关于元器件库的内容，可以参考：玩转 KiCad 元器件库！

将 3D 关联到封装

下面，我们以一个常见的 USB Type-C 连接器为例，演示如何将下载好的 3D 模型关联到它的封装上。

第一步：打开封装属性并添加模型

1. 在 KiCad 的 PCB 编辑器或封装编辑器中，选中你想要添加模型的元器件封装。

2. 按下快捷键E，打开“封装属性 (Footprint Properties)”对话框。

3. 在弹出的窗口中，切换到“3D 模型 (3D Models)”标签页。

4. 点击左下角的文件夹图标 ，导航并选择你已经准备好的 3D 模型文件（例如USB_C_Receptable_Amp.step）。

第二步：调整模型姿态（最关键的一步！）

添加模型后，你几乎肯定会发现右侧预览窗口中的模型和封装是错位的。别担心，这是正常现象。我们需要通过下面的参数对其进行精确调整。

• 比例：用于修正模型尺寸。如果你的模型单位（如英寸）和 KiCad（毫米）不匹配，可以在这里进行缩放。绝大多数情况，保持 X, Y, Z 均为1即可。

• 旋转 ：这是最重要的部分。通过调整绕 X, Y, Z 轴的旋转角度，让模型的引脚、定位柱和封装的焊盘、通孔精确匹配。

• 偏移：用来平移模型。通过修改 X, Y, Z 的值，将模型在空间中移动，使其与封装的中心对齐。Z 轴偏移尤其常用，用于将模型的底部精确地“放”在 PCB 板面上。

操作技巧：调整时，不必追求一次到位。可以先调整 Z 轴旋转，让模型朝向正确；然后调整 X/Y 偏移，让中心对齐；接着调整 X/Y 轴旋转，修正倾角；最后微调 Z 轴偏移，让它与板子完美贴合。每修改一个参数，预览窗口都会实时更新，非常直观。

第三步：全局 3D 预览

当你对预览窗口中的对齐效果满意后，点击“确定”保存设置。现在，回到 PCB 编辑器主界面，是时候见证奇迹了！

按下快捷键Alt + 3(或者通过菜单栏 “查看” -> “3D 查看器”)。

KiCad 会立刻为你渲染出整个电路板的 3D 视图。你可以按住鼠标左键拖动来旋转视角，滚动滚轮来缩放，按住中键来平移。现在，那个 USB-C 连接器已经完美地“焊接”在你的虚拟电路板上了！

将 3D 模型嵌入 PCB 或 封装库中

注意！在 K9 之前的版本中，STEP 模型和 PCB 封装是完全独立的两个文件，只能通过封装中的路径进行关联。当分享、传递 PCB 时，必须将 3D 模型一起带上，否则将无法正常显示。

KiCad 9 支持了文件嵌入，可以将 3D 模型嵌入到 PCB 或封装中，虽然使用嵌入文件会导致文件支持变大很多，但优点是只需复制 PCB 就可以保证完整的 3D 展示。

更详细的嵌入3D操作可以参考：文件嵌入详解（一）：在 PCB 封装库中嵌入 3D 模型

光线追踪 (Ray Tracing) 与高级渲染设置

KiCad 的 3D 查看器不仅仅能显示模型，它还内置了强大的渲染引擎，特别是对光线追踪的支持，能让你的 PCB 渲染图达到照片级的效果。

在 3D 查看器中，点击菜单栏的“设置” -> “偏好设置”-> “3D查看器”，你会看到一系列高级设置。

启用光线追踪后，KiCad 会启用基于物理的光线追踪渲染，模拟光线在场景中的反射、折射，从而产生更真实的光影和材质效果。

大家可以对比下启用 Ray Tracing 前后的效果。可以尝试调整参数、切换角度进行查看。

使用命令行（CLI）自动化导出

在 PCB 中点击“文件” -> “导出”，可以导出包括 STEP、GLB、BREP、XAO、PLY、STL 在内的各种 3D 格式。

但对于需要频繁导出、或希望集成到自动化脚本（如持续集成CI/CD）的场景，手动操作就显得效率低下了。KiCad 7.0 及以上版本提供了强大的命令行接口（CLI）。你只需打开终端或命令提示符，就可以用一行命令完成 STEP 文件的导出。

kicad-cli pcbexportstep [选项] <输入文件.kicad_pcb>

假设你的项目文件是MyProject.kicad_pcb，你想把它导出为MyProject.step，命令如下：

kicad-cli pcbexportstep --output"MyProject.step""MyProject.kicad_pcb"

执行后，一个包含所有 3D 模型的 STEP 文件就会被创建在当前目录下。这对于批量处理多个项目或在服务器上自动生成交付文件非常方便。

结束语

为 PCB 设计添加 3D 模型，不仅仅是为了美观，更是一种严谨、高效的工程方法。它能在设计的最初阶段，就赋予你洞察物理世界的能力，帮你规避昂贵的返工风险。

现在就动手，在你下一个 KiCad 项目中实践起来，让你的设计“立”起来吧！