基于3D打印的客制化机械键盘设计与实现

许玺风 毛凌志

摘 要：本文首先介绍客制化键盘外壳的3D打印技术，通过模型设计到3D打印成品进行阐述如何利用3D打印技术制作键盘外壳，接着通过按键开关、芯片、电路板，三个机械键盘重要硬件组成部分，逐一讲解客制化按键功能的实现原理以及实现步骤，最后探究客制化按键功能在客制化键盘市场中的重要作用，为机械键盘客制化领域提供新的思路。

关键词：机械键盘;客制化;3D打印

1.背景

随着电竞行业在国内兴起以及社会生活水平的提高，曾经被时代淘汰的机械键盘逐渐重新走入人们的视野，耐久性和手感成为了它的代名词。无论是电竞玩家还是键盘高使用率的群体都会选择机械键盘，作用日常使用的工具。制作工艺逐渐成熟，消费者也开始对产品有了不同的需求，不在满足原有的功能，还要求产品的个性化功能以及外观。

在电脑办公普及的时代下，不同行业逐渐呈现了不同的功能需求，生产环境下也需要更多的快捷键用于辅助日常工作。相比较于批量生产的机械键盘，客制化键盘更能满足消费者的个性化功能需求。客制化键盘在外观上采用3D打印技术提供不同材质、不同外观供消费者选择，3D打印技术还可以帮助减少成本、缩短供应周期。与此同时，客制化键盘在键数、轴体上有更多的选择来满足不同消费者不同的需求。

2.3D打印底座的实现

在各种制造技术（数控车床、模型成型）中，需要配齐各类专业设备以及需要各路专业技术人员操作，无论是设备还是人员方面成本极高，且无法快速满足消费者的不同外观需求。而3D打印技术的上手成本低、无限创意、个性化、无限复杂等特性，使得我们可以快速满足消费者的，想比较于前数控车床、模型成型等技术大大减少了成本、缩短了供应周期，且外壳形状灵活多变，可以适应不同键数底座以及消费者个性化的底座样式。

2.1.  设计工具

建模工具上，我们采用了当前主流建模软件犀牛（Rhino），该软件市面上文档丰富、上手快，同时可以导出3D打印机可识别的模型文件类型。

根据给定的键数绘制底座的草图，根据草图在犀牛（Rhino）上进行建模导出STL格式，在调试3D打印机之后，通过热熔塑料的方式进行打印，大约4个小时的打印时间，模型打印完成。

2.1-键盘壳上模型 1

2.2.存在的问题解决方法

2.2.1.打印机精度问题

珍妮打印机生产的模型表面粗糙，分析原因，一方面是因为打印方式决定了模型的洁面粗糙程度，另一方面该型号打印精度为1mm ，该精度一定程度上会造成表面的颗粒感，模型的分层。通过相关资料查阅和思考我们得到以下两种方法，一是更新换代采用更先进的光固化打印机，光固化打印相对热溶型打印机有更高的洁面和精度，二是避免过多的细节，外壳表面采用平面而非弧面，采用更符合当前打印机特性的方式去建模。第一种方案实施起来需要更专业的人员操作和更多的资金支持去采购，因而现阶段采用第二种，实际上外壳洁面程度不影响键盘本身，在模型没有过于的细节情况下，完全可以满足我们现阶段的需求。

a）创新点

采用更加个性化的形式去定制外壳，消费者可以根据个人喜好在基础底座上添加额外细节和功能，如在底座上添加一个手托或者一个支架增加高度，这些客制化内容都将被支持。

3.电路版及芯片的设计与制作

在键盘中电路板和芯片作为硬件向cpu发送指令的重要组件，为了实现客制化键盘电路板设计也需要切合消费者的不同需求（键数、布局），我们通过EasyEDA进行绘制制作电路板。

使用EasyEDA进行电路设计的好处是无需安装电路设计软件，且是免费 ，同时能直接出样，官网商城包含常规元器件的电路设计及产品定价，能帮助开发者缩短整个链路过程。

按照接口原理键盘进行分类，可以分为编码键盘和非编码键盘。非编码键盘主要通过软件编程进行实现按键的功能和识别，而编码键盘则是通过硬件来实现按键的识别。两种形式的键盘均可以满足客制化的需求，同时两种类型对开发人员均具有非常强的挑战性，最终我们采用了非编码键盘，因为非编码键盘更依靠软件，可以更快更迅速的满足不同的需求。

键盘主要由按键开关、芯片、电路板三个方面组成。首先按键开关是键盘手感来源的重中之重，因此我们采购Cherry轴体作为我们的键盘按键开关。因为Cherry轴体的制作工艺和按键手感一直在全球市场饱受青睐，不同的轴体可以给用户带来不同的使用体验。由于本键盘没有采用钢板加固，本次采用5脚轴体帮助我们加固轴体和电路板的连接防止在日常使用过程中轴体脱落带来不好的使用体验。

其次在芯片方面，我们选取arduino pro micro，该芯片可以满足不同客户的不同需求以及非编码键盘设计的需求，于此同时上手难度低，动手能力强的客户可以对键位进行二次开发更改，满足客户购买后想要自主修改的需求。

电路板（PCB）则是承载轴体和芯片通讯的载体，将轴体引脚同芯片引脚连接、接地等，都在电路版上完成。在电路板（PCB）开发方面，我们选用立创EDA进行开发绘制电路图。这款开发工具可以在线浏览器，同时文档可以快速上手进行设计，最后设计完成后可以直接聯系厂家生产样板。电路板（PCB）实际由一组规则排序的轴体组成，一个轴体实际上就是一个开关元件。机械触点式的按键开关的主要功能是把机械上的通断转换为电气上的逻辑关系（1和0），同时芯片应用系统判断引脚高低电平向系统输入数据或控制信息。

4、商业模式的设计

基于C2B按需定制，避免库存积压，有利于项目的轻启动，通过小程序、朋友圈、抖音、B站评测进行分享裂变传播，有订单后再生产，符合精益原则。

参考文献：

[1]张雯.基于3D打印技术在玩具产品设计中的开发运用——评《3D打印技术与产品设计》[J].塑料工业，2019，47（11）：159.

[2]俞晗熠.基于Arduino的键盘输入指法练习器[J].科技视界，2019（15）：25-26.

[3]马晓伟，刘佳，李静，梁芳，张天柱.3D打印技术现状及发展趋势[J].新材料产业，2019（10）：51-54.

[4]朱春华，胡军委，邓淼磊.基于STM32的激光投射虚拟键盘设计[J].无线互联科技，2019，16（02）：29-32+46.

[5]吴宇轩，杨增宝.基于Arduino的棋钟设计与仿真[J].电子世界，2017（08）：106-107.

作者简介：

许玺风，（1999.2——） 汉族，男，浙江经贸职业技术学院2017届软件技术173班学生

毛凌志，（1984.6——） 信息系统项目管理师，软件工程硕士，研究方向：商务数据分析、创新创业，汉族，男，助讲，浙江经贸职业技术学院

本文受学校2019年度大学生创新项目校级课题资助《基于3D打印的客制化机械键盘（技能创新-学生科技）》，项目编号008022146