3D打印高職創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目的教學實踐研究

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教育中應用廣泛?；?D打印的高職創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目以服務行業(yè)產(chǎn)業(yè)和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展為立足點，對3D打印技術(shù)發(fā)展與應用的趨勢進行分析研判，提出采用FDM技術(shù)的3D打印方案作為訓練項目的關(guān)鍵技術(shù)。通過組建項目團隊，校企協(xié)同、師生共建，將訓練項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;訓練項目

[中圖分類號] ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2019）26-0060-02

美國《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)客運動的風潮。隨著3D打印機、激光雕刻機等數(shù)字化工具的廣泛應用以及Arduino等開源硬件的普及，創(chuàng)客運動滲透到包括教育在內(nèi)的社會各領(lǐng)域，衍生出創(chuàng)客教育和STEM教育等兩種教育模式[1]。國內(nèi)教育界敏銳地把握了國際創(chuàng)新教育的最新趨勢，不僅實現(xiàn)了從大學教育到學前教育的全覆蓋，更將其與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育聯(lián)系起來，形成“專創(chuàng)融合”的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育模式。然而，常見的3D打印技術(shù)有五種之多，教學型和生產(chǎn)性3D打印機品牌種類繁多，且與之配套的教學資源良莠不齊，部分高校尤其高職院校在技術(shù)選型和設(shè)備采購等方面存在一定誤區(qū)，缺乏科學的教學設(shè)計，影響創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育實施效果。本研究分析了3D打印技術(shù)應用發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，圍繞高職創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育目標任務，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)訓練項目的現(xiàn)實問題與路徑選擇。

一、3D打印發(fā)展現(xiàn)狀及應用趨勢

（一）3D打印技術(shù)的起源

3D打印源自20世紀80年代美國發(fā)明的快速成型技術(shù)，并在東京大學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)研制出全球首臺快速成型設(shè)備。1995年，麻省理工學院兩名學生發(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）、分層實體制造（LOM）和熔融擠出成型（FDM）等技術(shù)。

（二）3D打印技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及應用

1.3D打印技術(shù)在歐美的發(fā)展現(xiàn)狀

“框架計劃”作為歐盟最重要的科研資助計劃，早在立項之初，就將3D打印列為重點關(guān)注技術(shù)。截至2013年，歐盟在多個“框架計劃”中共設(shè)立88個與3D打印相關(guān)的科研項目，總投入達2.25億歐元。德國于2010年制定的《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》，包含了工業(yè)4.0在內(nèi)的十個戰(zhàn)略子項目。據(jù)德國政府公布的數(shù)據(jù)顯示，聯(lián)邦政府2013年在3D打印的科研投入已超過2000萬歐元。依托科研院所和高校，德國圍繞3D打印涵蓋的各技術(shù)環(huán)節(jié)開展科技攻關(guān)，并形成龐大的技術(shù)應用人才儲備體系。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，實施全美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計劃（NNMI）。2013年奧巴馬總統(tǒng)在國情咨文中再次強調(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個制造業(yè)創(chuàng)新研究所。通過一系列扶持政策的激勵措施，美國不僅在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)域應用開發(fā)取得重大突破。目前，美國是全球最大的3D打印機生產(chǎn)國和消費國，其打印材料、專用軟件、打印裝備和應用服務等產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟。

2.國內(nèi)3D打印技術(shù)的研究進展

國內(nèi)3D打印研發(fā)與應用創(chuàng)新主要依托科有關(guān)研院所和高校。1994年，華中科技大學快速制造中心研制出國內(nèi)第一臺3D打印機。清華大學在分層疊紙式打印技術(shù)（LOM）方面的研究取得了巨大突破，其中清華大學教育部先進成形制造重點實驗室研制出國內(nèi)首臺電子束快速成型機，并聯(lián)合西北有色金屬研究院進行二次開發(fā)，打印出復雜形狀的鈦合金葉輪。北京航空航天大學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主承力結(jié)構(gòu)件。華南理工大學采用擇區(qū)激光溶化技術(shù)（SLM），與廣東信雅達三維科技有限公司合作開發(fā)DiMetal系列金屬打印機，在關(guān)鍵性能方面已處于國際領(lǐng)先水平。此外，上海交大、南京航空航天大學、沈飛601所、沈陽自動化研究所、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)應用等領(lǐng)域也取得了較豐碩的科技成果[2]。

3.國內(nèi)外3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展應用的對比分析

在3D打印應用領(lǐng)域，德國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，其應用方向是大型機械裝備和飛機關(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。美國基于商業(yè)推廣和軍工產(chǎn)業(yè)的需要，重點發(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3D打印機采用的技術(shù)方案，具有代表性的3D systems和Stratasys兩家公司占據(jù)了全球3D打印機絕大部分市場份額。SLS技術(shù)多應用于航空航天關(guān)鍵零部件和武器裝備快速制造領(lǐng)域。國內(nèi)3D打印技術(shù)在少數(shù)軍工領(lǐng)域的研發(fā)與應用水平已達世界頂尖水平，但成果轉(zhuǎn)化率偏低，難以形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。在商用領(lǐng)域，國內(nèi)3D打印與美德兩國差距較大，產(chǎn)業(yè)發(fā)展遠未成熟，如武漢濱湖機電公司、湖南華曙高科公司、沈陽新松公司、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3D打印研發(fā)與應用方面與國際先進水平存在很大的差距[3]。

二、3D打印高職創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目的探索實踐

高職教育以服務區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展為辦學定位，對標當?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展實際，以培養(yǎng)技術(shù)技能型人才為根本任務。在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的時代背景下，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)費支持，以高精度FDM技術(shù)的3D打印創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目為載體，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）項目的總體設(shè)計與規(guī)劃

由于桌面級3D打印機憑借操作環(huán)境要求低、性價比高，市場占有率，且采用FDM作為3D打印的技術(shù)方案具有技術(shù)相對成熟、打印設(shè)備及耗材價格較低，所以國內(nèi)外業(yè)界對此類3D打印機都以FDM作為首選技術(shù)方案。訓練項目選用普通的桌面級3D打印機為設(shè)備原型，通過調(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”對現(xiàn)有設(shè)備進行改造，實現(xiàn)打印效果從桌面級到工業(yè)級的躍升。項目的總體設(shè)計分五個步驟：組建團隊、市場調(diào)研、升級改造設(shè)備、商業(yè)模式研究和商業(yè)實戰(zhàn)。訓練項目以現(xiàn)代服務業(yè)行業(yè)標準為標桿，將高精度3D打印服務作為打印細分市場切入點，形成集3D掃描服務、產(chǎn)品建模和設(shè)計、高精度3D打印以及工業(yè)級桌面3D打印機制備銷售等功能于一體的3D打印O2O平臺，構(gòu)建基于高精度FDM技術(shù)的3D打印生態(tài)系統(tǒng)。

（二）項目的團隊與核心技術(shù)

項目的團隊成員分指導教師和學生兩類，指導教師由學校專業(yè)教師和企業(yè)導師組成。校內(nèi)教師負責指導學生完成技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)備改造，企業(yè)導師負責指導學生完成市場調(diào)研、搭建商業(yè)模式和模擬企業(yè)運營。在遴選學生時，要充分考慮學生專業(yè)基礎(chǔ)，既要考慮學生是否具有加工制造專業(yè)的知識儲備，還要考查學生是否掌握一定的創(chuàng)業(yè)入門知識。在實踐中，參與本研究項目的學生團隊主要骨干均為工業(yè)設(shè)計類或加工制造類職業(yè)技能競賽獲獎學生，還包括在各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽獲獎的學生，具備較好的專業(yè)基礎(chǔ)，思維活躍，富有活力。訓練項目的核心技術(shù)是基于FDM技術(shù)的高精度3D打印技術(shù)，利用該技術(shù)對現(xiàn)有打印設(shè)備改造，可實現(xiàn)工業(yè)級3D打印精度，改造后設(shè)備價格僅相當于同級別設(shè)備價格的30%。學生在指導老師指導下采用不同的改造方案，滿足不同應用場景的需求。通過指導學生開展創(chuàng)新訓練，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，進一步提升核心技術(shù)的商業(yè)價值。

（三）商業(yè)模式構(gòu)建與項目落地

訓練項目的難點是商業(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)理念貫穿項目全過程，還需要運用有關(guān)創(chuàng)業(yè)理論指導實戰(zhàn)。因此，克服高職大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“重創(chuàng)新、輕創(chuàng)業(yè)”的通病，需要借助校外導師的力量，整合校內(nèi)創(chuàng)業(yè)基礎(chǔ)性要素，精心打造有助于項目落地的商業(yè)模式。本項目的商業(yè)模式依托3D打印O2O平臺，致力解決當前制約打印行業(yè)發(fā)展的建模設(shè)計費貴、逆向工程施工困難和增值服務少等難題，提供差異化、個性化的3D打印整體解決方案。利用學校對大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的扶持政策，借助創(chuàng)業(yè)實訓基地，實現(xiàn)項目落地運營。本訓練項目的價值主張是圍繞3D打印個性化實現(xiàn)的價值核心，以精準服務為運營原則，指導學生在理解3D打印專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，通過對原型機的改造實踐，運用商業(yè)模式搭建真實創(chuàng)業(yè)項目，充分體驗商業(yè)運作全過程。

三、項目實踐經(jīng)驗總結(jié)與反思

高職創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的難點在于教育效果量化和項目落地運營，應回歸以人為本的教育宗旨，實現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型技術(shù)技能人才的培養(yǎng)目標。本研究基于3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展痛點，通過項目訓練提升高職學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，在項目訓練過程中實現(xiàn)“專創(chuàng)融合”，探索有效開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的可行路徑。本項目以3D打印設(shè)備的優(yōu)化改進為項目訓練主題，通過構(gòu)建高精度FDM技術(shù)的 3D打印生態(tài)系統(tǒng)，提供技術(shù)知識覆蓋面大、設(shè)備改造方案選擇性強、商業(yè)模式多元的可拓展性創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練平臺，在開展3D打印技術(shù)技能訓練過程中，通過試運營3D打印服務創(chuàng)業(yè)項目，全方位訓練大學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)業(yè)能力[4]。

參考文獻：

[1]Admin.Historty[EB/OL].https：//www.oreilly.com/about/history.html，2018-10-05.

[2]陳雪.國內(nèi)部分地區(qū)發(fā)展3D打印的先進經(jīng)驗及對廣東的啟示[J].廣東科技，2014（15）：53-56.

[3]潘慧.廣東省發(fā)展3D打印的現(xiàn)狀與對策建議[J].機械設(shè)計與制造工程，2015（3）：1-4.

[4]王占仁.中國高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的學科化特性與發(fā)展取向研究[J].教育研究，2016（3）：56-63.

編輯 陳鮮艷