基于3D打印的客制化機械鍵盤設計與實現

許璽風 毛凌志

摘 要：本文首先介紹客制化鍵盤外殼的3D打印技術，通過模型設計到3D打印成品進行闡述如何利用3D打印技術制作鍵盤外殼，接著通過按鍵開關、芯片、電路板，三個機械鍵盤重要硬件組成部分，逐一講解客制化按鍵功能的實現原理以及實現步驟，最后探究客制化按鍵功能在客制化鍵盤市場中的重要作用，為機械鍵盤客制化領域提供新的思路。

關鍵詞：機械鍵盤;客制化;3D打印

1.背景

隨著電競行業在國內興起以及社會生活水平的提高，曾經被時代淘汰的機械鍵盤逐漸重新走入人們的視野，耐久性和手感成為了它的代名詞。無論是電競玩家還是鍵盤高使用率的群體都會選擇機械鍵盤，作用日常使用的工具。制作工藝逐漸成熟，消費者也開始對產品有了不同的需求，不在滿足原有的功能，還要求產品的個性化功能以及外觀。

在電腦辦公普及的時代下，不同行業逐漸呈現了不同的功能需求，生產環境下也需要更多的快捷鍵用于輔助日常工作。相比較于批量生產的機械鍵盤，客制化鍵盤更能滿足消費者的個性化功能需求。客制化鍵盤在外觀上采用3D打印技術提供不同材質、不同外觀供消費者選擇，3D打印技術還可以幫助減少成本、縮短供應周期。與此同時，客制化鍵盤在鍵數、軸體上有更多的選擇來滿足不同消費者不同的需求。

2.3D打印底座的實現

在各種制造技術（數控車床、模型成型）中，需要配齊各類專業設備以及需要各路專業技術人員操作，無論是設備還是人員方面成本極高，且無法快速滿足消費者的不同外觀需求。而3D打印技術的上手成本低、無限創意、個性化、無限復雜等特性，使得我們可以快速滿足消費者的，想比較于前數控車床、模型成型等技術大大減少了成本、縮短了供應周期，且外殼形狀靈活多變，可以適應不同鍵數底座以及消費者個性化的底座樣式。

2.1. ?設計工具

建模工具上，我們采用了當前主流建模軟件犀牛（Rhino），該軟件市面上文檔豐富、上手快，同時可以導出3D打印機可識別的模型文件類型。

根據給定的鍵數繪制底座的草圖，根據草圖在犀牛（Rhino）上進行建模導出STL格式，在調試3D打印機之后，通過熱熔塑料的方式進行打印，大約4個小時的打印時間，模型打印完成。

2.1-鍵盤殼上模型 1

2.2.存在的問題解決方法

2.2.1.打印機精度問題

珍妮打印機生產的模型表面粗糙，分析原因，一方面是因為打印方式決定了模型的潔面粗糙程度，另一方面該型號打印精度為1mm ，該精度一定程度上會造成表面的顆粒感，模型的分層。通過相關資料查閱和思考我們得到以下兩種方法，一是更新換代采用更先進的光固化打印機，光固化打印相對熱溶型打印機有更高的潔面和精度，二是避免過多的細節，外殼表面采用平面而非弧面，采用更符合當前打印機特性的方式去建模。第一種方案實施起來需要更專業的人員操作和更多的資金支持去采購，因而現階段采用第二種，實際上外殼潔面程度不影響鍵盤本身，在模型沒有過于的細節情況下，完全可以滿足我們現階段的需求。

a）創新點

采用更加個性化的形式去定制外殼，消費者可以根據個人喜好在基礎底座上添加額外細節和功能，如在底座上添加一個手托或者一個支架增加高度，這些客制化內容都將被支持。

3.電路版及芯片的設計與制作

在鍵盤中電路板和芯片作為硬件向cpu發送指令的重要組件，為了實現客制化鍵盤電路板設計也需要切合消費者的不同需求（鍵數、布局），我們通過EasyEDA進行繪制制作電路板。

使用EasyEDA進行電路設計的好處是無需安裝電路設計軟件，且是免費 ，同時能直接出樣，官網商城包含常規元器件的電路設計及產品定價，能幫助開發者縮短整個鏈路過程。

按照接口原理鍵盤進行分類，可以分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。非編碼鍵盤主要通過軟件編程進行實現按鍵的功能和識別，而編碼鍵盤則是通過硬件來實現按鍵的識別。兩種形式的鍵盤均可以滿足客制化的需求，同時兩種類型對開發人員均具有非常強的挑戰性，最終我們采用了非編碼鍵盤，因為非編碼鍵盤更依靠軟件，可以更快更迅速的滿足不同的需求。

鍵盤主要由按鍵開關、芯片、電路板三個方面組成。首先按鍵開關是鍵盤手感來源的重中之重，因此我們采購Cherry軸體作為我們的鍵盤按鍵開關。因為Cherry軸體的制作工藝和按鍵手感一直在全球市場飽受青睞，不同的軸體可以給用戶帶來不同的使用體驗。由于本鍵盤沒有采用鋼板加固，本次采用5腳軸體幫助我們加固軸體和電路板的連接防止在日常使用過程中軸體脫落帶來不好的使用體驗。

其次在芯片方面，我們選取arduino pro micro，該芯片可以滿足不同客戶的不同需求以及非編碼鍵盤設計的需求，于此同時上手難度低，動手能力強的客戶可以對鍵位進行二次開發更改，滿足客戶購買后想要自主修改的需求。

電路板（PCB）則是承載軸體和芯片通訊的載體，將軸體引腳同芯片引腳連接、接地等，都在電路版上完成。在電路板（PCB）開發方面，我們選用立創EDA進行開發繪制電路圖。這款開發工具可以在線瀏覽器，同時文檔可以快速上手進行設計，最后設計完成后可以直接聯系廠家生產樣板。電路板（PCB）實際由一組規則排序的軸體組成，一個軸體實際上就是一個開關元件。機械觸點式的按鍵開關的主要功能是把機械上的通斷轉換為電氣上的邏輯關系（1和0），同時芯片應用系統判斷引腳高低電平向系統輸入數據或控制信息。

4、商業模式的設計

基于C2B按需定制，避免庫存積壓，有利于項目的輕啟動，通過小程序、朋友圈、抖音、B站評測進行分享裂變傳播，有訂單后再生產，符合精益原則。

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作者簡介：

許璽風，（1999.2——） 漢族，男，浙江經貿職業技術學院2017屆軟件技術173班學生

毛凌志，（1984.6——） 信息系統項目管理師，軟件工程碩士，研究方向：商務數據分析、創新創業，漢族，男，助講，浙江經貿職業技術學院

本文受學校2019年度大學生創新項目校級課題資助《基于3D打印的客制化機械鍵盤（技能創新-學生科技）》，項目編號008022146