劉曉 宋鵬

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?3D打印是數(shù)字化制造的重要方式，在創(chuàng)客教育和STEM教育中應(yīng)用廣泛?；?D打印的高職創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目以服務(wù)行業(yè)產(chǎn)業(yè)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展為立足點(diǎn)，對(duì)3D打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的趨勢(shì)進(jìn)行分析研判，提出采用FDM技術(shù)的3D打印方案作為訓(xùn)練項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)組建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，校企協(xié)同、師生共建，將訓(xùn)練項(xiàng)目打造成基于高精度FDM技術(shù)的 3D打印生態(tài)系統(tǒng)。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?3D打印;FDM技術(shù);創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育;訓(xùn)練項(xiàng)目

[中圖分類號(hào)] ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2019）26-0060-02

美國(guó)《Make》雜志創(chuàng)始人Dougherty在2006年舉辦首屆創(chuàng)客嘉年華“Maker Fair”，掀起全球創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)的風(fēng)潮。隨著3D打印機(jī)、激光雕刻機(jī)等數(shù)字化工具的廣泛應(yīng)用以及Arduino等開(kāi)源硬件的普及，創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)滲透到包括教育在內(nèi)的社會(huì)各領(lǐng)域，衍生出創(chuàng)客教育和STEM教育等兩種教育模式[1]。國(guó)內(nèi)教育界敏銳地把握了國(guó)際創(chuàng)新教育的最新趨勢(shì)，不僅實(shí)現(xiàn)了從大學(xué)教育到學(xué)前教育的全覆蓋，更將其與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育聯(lián)系起來(lái)，形成“專創(chuàng)融合”的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育模式。然而，常見(jiàn)的3D打印技術(shù)有五種之多，教學(xué)型和生產(chǎn)性3D打印機(jī)品牌種類繁多，且與之配套的教學(xué)資源良莠不齊，部分高校尤其高職院校在技術(shù)選型和設(shè)備采購(gòu)等方面存在一定誤區(qū)，缺乏科學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)，影響創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育實(shí)施效果。本研究分析了3D打印技術(shù)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，圍繞高職創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育目標(biāo)任務(wù)，研究基于高精度FDM的3D打印技術(shù)創(chuàng)建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題與路徑選擇。

一、3D打印發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用趨勢(shì)

（一）3D打印技術(shù)的起源

3D打印源自20世紀(jì)80年代美國(guó)發(fā)明的快速成型技術(shù)，并在東京大學(xué)中川威雄教授和名古屋市工業(yè)研究所小玉秀男的研究基礎(chǔ)上逐漸完善了理論雛形。1988年，美國(guó)發(fā)明家赫爾成立3D systems公司，采用立體光刻專利技術(shù)研制出全球首臺(tái)快速成型設(shè)備。1995年，麻省理工學(xué)院兩名學(xué)生發(fā)表了研究便捷快速成型技術(shù)的畢業(yè)論文，首次提出“3D打印技術(shù)”的概念。此后，快速成型技術(shù)被統(tǒng)稱為3D打印技術(shù)。按照工藝分類，3D打印技術(shù)主要包含選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）、擇區(qū)激光溶化技（SLM）、光固化成型技術(shù)（SLA）、分層實(shí)體制造（LOM）和熔融擠出成型（FDM）等技術(shù)。

（二）3D打印技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

1.3D打印技術(shù)在歐美的發(fā)展現(xiàn)狀

“框架計(jì)劃”作為歐盟最重要的科研資助計(jì)劃，早在立項(xiàng)之初，就將3D打印列為重點(diǎn)關(guān)注技術(shù)。截至2013年，歐盟在多個(gè)“框架計(jì)劃”中共設(shè)立88個(gè)與3D打印相關(guān)的科研項(xiàng)目，總投入達(dá)2.25億歐元。德國(guó)于2010年制定的《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》，包含了工業(yè)4.0在內(nèi)的十個(gè)戰(zhàn)略子項(xiàng)目。據(jù)德國(guó)政府公布的數(shù)據(jù)顯示，聯(lián)邦政府2013年在3D打印的科研投入已超過(guò)2000萬(wàn)歐元。依托科研院所和高校，德國(guó)圍繞3D打印涵蓋的各技術(shù)環(huán)節(jié)開(kāi)展科技攻關(guān)，并形成龐大的技術(shù)應(yīng)用人才儲(chǔ)備體系。2012年3月，奧巴馬總統(tǒng)決定投資10億美元建設(shè)15家制造業(yè)創(chuàng)新研究所，實(shí)施全美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（NNMI）。2013年奧巴馬總統(tǒng)在國(guó)情咨文中再次強(qiáng)調(diào)了3D打印技術(shù)的重要性，宣布繼續(xù)投資2億美元新建3個(gè)制造業(yè)創(chuàng)新研究所。通過(guò)一系列扶持政策的激勵(lì)措施，美國(guó)不僅在3D打印的基礎(chǔ)研究保持世界領(lǐng)先地位，還在醫(yī)療、航天和軍工等領(lǐng)域應(yīng)用開(kāi)發(fā)取得重大突破。目前，美國(guó)是全球最大的3D打印機(jī)生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，其打印材料、專用軟件、打印裝備和應(yīng)用服務(wù)等產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟。

2.國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)的研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)3D打印研發(fā)與應(yīng)用創(chuàng)新主要依托科有關(guān)研院所和高校。1994年，華中科技大學(xué)快速制造中心研制出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)3D打印機(jī)。清華大學(xué)在分層疊紙式打印技術(shù)（LOM）方面的研究取得了巨大突破，其中清華大學(xué)教育部先進(jìn)成形制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)電子束快速成型機(jī)，并聯(lián)合西北有色金屬研究院進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，打印出復(fù)雜形狀的鈦合金葉輪。北京航空航天大學(xué)利用激光堆積成型技術(shù)打印出了世界上最大的鈦合金飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)件。華南理工大學(xué)采用擇區(qū)激光溶化技術(shù)（SLM），與廣東信雅達(dá)三維科技有限公司合作開(kāi)發(fā)DiMetal系列金屬打印機(jī)，在關(guān)鍵性能方面已處于國(guó)際領(lǐng)先水平。此外，上海交大、南京航空航天大學(xué)、沈飛601所、沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、中科院廣州電子技術(shù)研究所等單位在3D打印材料、裝備制造和技術(shù)研發(fā)應(yīng)用等領(lǐng)域也取得了較豐碩的科技成果[2]。

3.國(guó)內(nèi)外3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)用的對(duì)比分析

在3D打印應(yīng)用領(lǐng)域，德國(guó)掌握的直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)（DMLS）處于世界領(lǐng)先水平，其應(yīng)用方向是大型機(jī)械裝備和飛機(jī)關(guān)鍵零部件制造領(lǐng)域，具有代表性的世界知名企業(yè)如EOS公司、SLM Solutions公司、Voxeljet公司等。美國(guó)基于商業(yè)推廣和軍工產(chǎn)業(yè)的需要，重點(diǎn)發(fā)展了熔融擠出成型（FDM）技術(shù)和擇區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）。FDM技術(shù)是大多數(shù)桌面級(jí)3D打印機(jī)采用的技術(shù)方案，具有代表性的3D systems和Stratasys兩家公司占據(jù)了全球3D打印機(jī)絕大部分市場(chǎng)份額。SLS技術(shù)多應(yīng)用于航空航天關(guān)鍵零部件和武器裝備快速制造領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)在少數(shù)軍工領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用水平已達(dá)世界頂尖水平，但成果轉(zhuǎn)化率偏低，難以形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。在商用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)3D打印與美德兩國(guó)差距較大，產(chǎn)業(yè)發(fā)展遠(yuǎn)未成熟，如武漢濱湖機(jī)電公司、湖南華曙高科公司、沈陽(yáng)新松公司、中科院廣州電子技術(shù)研究所、廣州中望龍騰軟件公司等國(guó)內(nèi)3D打印企業(yè)還處于企業(yè)發(fā)展初期，其核心技術(shù)主要基于FDM技術(shù)，在SLS和SLM等工業(yè)級(jí)3D打印研發(fā)與應(yīng)用方面與國(guó)際先進(jìn)水平存在很大的差距[3]。

二、3D打印高職創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目的探索實(shí)踐

高職教育以服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展為辦學(xué)定位，對(duì)標(biāo)當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際，以培養(yǎng)技術(shù)技能型人才為根本任務(wù)。在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”的時(shí)代背景下，如何培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)精神的技術(shù)技能型人才已成為高職教育改革的熱點(diǎn)課題。本研究依托廣州市高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課題經(jīng)費(fèi)支持，以高精度FDM技術(shù)的3D打印創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目為載體，探索構(gòu)建“校企共育、專創(chuàng)融合”的高職創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育模式。

（一）項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)與規(guī)劃

由于桌面級(jí)3D打印機(jī)憑借操作環(huán)境要求低、性價(jià)比高，市場(chǎng)占有率，且采用FDM作為3D打印的技術(shù)方案具有技術(shù)相對(duì)成熟、打印設(shè)備及耗材價(jià)格較低，所以國(guó)內(nèi)外業(yè)界對(duì)此類3D打印機(jī)都以FDM作為首選技術(shù)方案。訓(xùn)練項(xiàng)目選用普通的桌面級(jí)3D打印機(jī)為設(shè)備原型，通過(guò)調(diào)整打印設(shè)備參數(shù)和優(yōu)化設(shè)備硬件等方面的“微創(chuàng)新”對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)打印效果從桌面級(jí)到工業(yè)級(jí)的躍升。項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)分五個(gè)步驟：組建團(tuán)隊(duì)、市場(chǎng)調(diào)研、升級(jí)改造設(shè)備、商業(yè)模式研究和商業(yè)實(shí)戰(zhàn)。訓(xùn)練項(xiàng)目以現(xiàn)代服務(wù)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)桿，將高精度3D打印服務(wù)作為打印細(xì)分市場(chǎng)切入點(diǎn)，形成集3D掃描服務(wù)、產(chǎn)品建模和設(shè)計(jì)、高精度3D打印以及工業(yè)級(jí)桌面3D打印機(jī)制備銷售等功能于一體的3D打印O2O平臺(tái)，構(gòu)建基于高精度FDM技術(shù)的3D打印生態(tài)系統(tǒng)。

（二）項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)與核心技術(shù)

項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)成員分指導(dǎo)教師和學(xué)生兩類，指導(dǎo)教師由學(xué)校專業(yè)教師和企業(yè)導(dǎo)師組成。校內(nèi)教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)學(xué)生完成技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)備改造，企業(yè)導(dǎo)師負(fù)責(zé)指導(dǎo)學(xué)生完成市場(chǎng)調(diào)研、搭建商業(yè)模式和模擬企業(yè)運(yùn)營(yíng)。在遴選學(xué)生時(shí)，要充分考慮學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)，既要考慮學(xué)生是否具有加工制造專業(yè)的知識(shí)儲(chǔ)備，還要考查學(xué)生是否掌握一定的創(chuàng)業(yè)入門知識(shí)。在實(shí)踐中，參與本研究項(xiàng)目的學(xué)生團(tuán)隊(duì)主要骨干均為工業(yè)設(shè)計(jì)類或加工制造類職業(yè)技能競(jìng)賽獲獎(jiǎng)學(xué)生，還包括在各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽獲獎(jiǎng)的學(xué)生，具備較好的專業(yè)基礎(chǔ)，思維活躍，富有活力。訓(xùn)練項(xiàng)目的核心技術(shù)是基于FDM技術(shù)的高精度3D打印技術(shù)，利用該技術(shù)對(duì)現(xiàn)有打印設(shè)備改造，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)3D打印精度，改造后設(shè)備價(jià)格僅相當(dāng)于同級(jí)別設(shè)備價(jià)格的30%。學(xué)生在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下采用不同的改造方案，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展創(chuàng)新訓(xùn)練，培養(yǎng)創(chuàng)新思維方式，師生共同取得的科技成果要提交專利申請(qǐng)，進(jìn)一步提升核心技術(shù)的商業(yè)價(jià)值。

（三）商業(yè)模式構(gòu)建與項(xiàng)目落地

訓(xùn)練項(xiàng)目的難點(diǎn)是商業(yè)模式的構(gòu)建，體現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的效果和質(zhì)量。成功構(gòu)建商業(yè)模式不僅需要“專創(chuàng)融合”的人才培養(yǎng)理念貫穿項(xiàng)目全過(guò)程，還需要運(yùn)用有關(guān)創(chuàng)業(yè)理論指導(dǎo)實(shí)戰(zhàn)。因此，克服高職大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“重創(chuàng)新、輕創(chuàng)業(yè)”的通病，需要借助校外導(dǎo)師的力量，整合校內(nèi)創(chuàng)業(yè)基礎(chǔ)性要素，精心打造有助于項(xiàng)目落地的商業(yè)模式。本項(xiàng)目的商業(yè)模式依托3D打印O2O平臺(tái)，致力解決當(dāng)前制約打印行業(yè)發(fā)展的建模設(shè)計(jì)費(fèi)貴、逆向工程施工困難和增值服務(wù)少等難題，提供差異化、個(gè)性化的3D打印整體解決方案。利用學(xué)校對(duì)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的扶持政策，借助創(chuàng)業(yè)實(shí)訓(xùn)基地，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目落地運(yùn)營(yíng)。本訓(xùn)練項(xiàng)目的價(jià)值主張是圍繞3D打印個(gè)性化實(shí)現(xiàn)的價(jià)值核心，以精準(zhǔn)服務(wù)為運(yùn)營(yíng)原則，指導(dǎo)學(xué)生在理解3D打印專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)原型機(jī)的改造實(shí)踐，運(yùn)用商業(yè)模式搭建真實(shí)創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，充分體驗(yàn)商業(yè)運(yùn)作全過(guò)程。

三、項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與反思

高職創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的難點(diǎn)在于教育效果量化和項(xiàng)目落地運(yùn)營(yíng)，應(yīng)回歸以人為本的教育宗旨，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型技術(shù)技能人才的培養(yǎng)目標(biāo)。本研究基于3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展痛點(diǎn)，通過(guò)項(xiàng)目訓(xùn)練提升高職學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，在項(xiàng)目訓(xùn)練過(guò)程中實(shí)現(xiàn)“專創(chuàng)融合”，探索有效開(kāi)展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的可行路徑。本項(xiàng)目以3D打印設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)為項(xiàng)目訓(xùn)練主題，通過(guò)構(gòu)建高精度FDM技術(shù)的 3D打印生態(tài)系統(tǒng)，提供技術(shù)知識(shí)覆蓋面大、設(shè)備改造方案選擇性強(qiáng)、商業(yè)模式多元的可拓展性創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練平臺(tái)，在開(kāi)展3D打印技術(shù)技能訓(xùn)練過(guò)程中，通過(guò)試運(yùn)營(yíng)3D打印服務(wù)創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，全方位訓(xùn)練大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)業(yè)能力[4]。

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編輯 陳鮮艷