3D打印技術在幼兒玩教具設計開發中的應用

連 靜

河南省安陽幼兒師范高等專科學校 河南安陽 455000

3D打印技術在幼兒玩教具設計開發中的應用

連 靜

河南省安陽幼兒師范高等專科學校 河南安陽 455000

3D打印技術能迅速將設計創意轉變為實物，玩教具是幼兒園教學，幼兒活動必不可少的載體，3D打印技術打印玩教具，滿足了兒童的個性化需求，也使設計創意變成現實。3D打印技術在玩教具的設計開發環節的應用將為玩教具制造帶來一個新的契機。

3D打印技術；玩教具設計開發

3D打印技術能迅速將設計創意轉變為實物，引領了制造流程的變革，正逐漸改變世界。3D打印的應用未來將變得平臺化、智能化、系統化，3D打印與機器人、物聯網、大數據、云計算等領域的結合也將更加密切，此外，3D打印技術也將成為萬千創客發揮創意、小型團隊驗證設計可行性、推動萬眾創新的重要助力。3D打印工已經廣泛應用于工業制造業、建筑設計、文物保護、教育、航天科技、軍事、生物醫療、食品產業及其他需要創新設計的行業。3D打印技術在幼兒玩教具設計開發中的應用已初見倪端，亦有大刀闊斧進軍玩教具生產市場的苗頭。

傳統工藝下，一件玩教具從概念到設計，再到量產和銷售，可能需要幾個月甚至更久的周期。而運用3D打印技術，這個過程有可能縮短到幾周甚至更短。若僅僅呈現出成品，也許就是幾個小時的時間。玩教具生產制造中，利用3D打印技術可直接從計算機圖形數據中打印出任何形狀的零件或者整體，直接避免了傳統制造的多個步驟，從而極大地縮短產品的研制周期，提高效率和降低成本，讓玩教具制造煥然一新。就單說玩具制造行業，據統計，美國進口玩具的三分之一、歐盟進口玩具的2/3均為中國制造，中國堪稱是玩具制造大國。如今3D數字化是制造行業的大背景，3D打印技術的加入，尤其在玩教具的設計開發環節的應用將是一個新的契機，將為我國玩具及玩教具制造帶來新的機遇。

1 傳統玩教具的設計開發

1.1 傳統玩教具特點

玩是兒童的天性。玩教具制作常常被作為一種寓教于樂的方式。幼兒在游戲和生活中使用的玩具、教具，它們是兒童的親密伙伴，兒童在玩玩具的過程中認識世界，培養幼兒的創造力、動手能力、自主探究的發展的能力。對于兒童來說，玩具也是教具，教具有時亦是玩具。玩教具是幼兒園教學，幼兒活動必不可少的載體，是幼兒成長發展的主要媒介。

1.2 傳統玩教具的制作

這里談到的更多是幼兒園自制玩教具。幼兒園自制玩具是與商品玩具相對的一種玩具，顧名思義，是自己制作、非工業化生產、不用于商業流通的玩具，一般由成人為幼兒制作或與幼兒共同制作。它是一種教學或輔助教學的用品，教師可根據教育需要和幼兒發展需要，對各種材料進行分類、加工、改造、組合，重新進行玩具教育因素設計。

1.3 傳統玩教具的功能

現代工業制度下成品或商品玩教具設計較為完善，外形美觀，更能吸引兒童進行參與。玩教具的精美化、智能化、批量化，使幼兒與玩教具的關系更為強調視覺刺激和感官享受。好的玩教具的設計能使幼兒在操作的過程中，輕松愉悅的表達感情，樹立自信心，既能滿足幼兒園上課需要，減輕教師自制玩教具的壓力，又能投放到區域活動中，彌補玩教具的不足，供幼兒自主操作。

自制玩教具由于材料的形狀、用途的不固定和玩教具玩法的不受限制，啟發性較大，聯想和探索余地較寬，容易引起幼兒的好奇心和探索行為。自制玩教具是為了彌補成品玩具的不足而設計的，自制玩教具構思要新穎，外形要獨特，能激發幼兒的想象和創造。而最重要的就是選材，有充分的想象力和創造力把生活中的“廢舊垃圾”變成人見人愛的玩教具。如自然類材料樹葉、石頭，樹枝、等紙制品；印刷類材料，教師可以在生活中收集紙盒、禮品包裝盒、紙箱等紙類制品的可塑性強，操作方便，還可以隨意添畫，充滿趣味性；塑料類材料如廢棄的飲料瓶等。幼兒園自制玩教具具有低碳、環保，有針對性的輔助教學等特點，豐富的可操作的物質材料，讓孩子們在自制的過程中發展自己的各方面能力讓幼兒在充分的活動中得以滿足，獲得知識、技能的提高。

2 3D打印技術在幼兒玩教具設計開發中的應用

2.1 3D打印技術改變傳統玩教具制作的模式

玩教具制作等傳統的模具制造領域，往往模具生產時間長，成本高。將3D打印技術與傳統的模具制造技術相結合，可以大大縮短模具制造的開發周期，還能及時發現產品設計的錯誤，避免更改后續工序所造成的大量損失，顯著提高了新產品投產的一次成功率，降低了新產品研發成本。見圖1。

圖1 3D打印玩具模型

2.2 3D打印技術在幼兒玩教具設計中的應用

2.2.1 將兒童畫變成玩具，讓兒童自行打印玩具

3D打印技術打印玩教具，滿足了兒童的個性化需求，也使設計創意變成現實。一名叫Moyupid的設計師，用3D 打印技術，將孩子的畫制作成了現成的玩具，不僅創意十足，還讓孩子擁有了獨一無二的玩具。家長或幼師可以通過3D打印機，將一整版的零部件打印出來，然后進行組裝，和孩子一起親手制作玩具，這個過程簡單卻有趣。不論是星球大戰還是變形金剛、奧特曼一系列男孩子愛玩的玩具，還是對于女孩喜歡的芭比娃娃。例如在打印出芭比娃娃外形之后，可以運用3D打印筆，直接在服裝區域制作服裝，若孩子在制作過程中有失誤或者喜歡不斷設計不同服裝造型，也可以撕掉剛才的弄壞的部分，不會影響的到整體的效果，這需要魔術貼帶進行輔助。見圖2，見圖3。

圖2 用3D打印技術將兒童畫變成玩具

全民創造的DIY，“創客運動”的工業化，就可以把創意高效能地變為現實。對個人生活而言，老師可以帶著幼兒，父母可以帶著自己的孩子改進制作小型飛艇、遙控飛機，也可以讓孩子們下載或修改開源的軟件，然后在3D打印機上打出“過家家”的整套玩具。3D打印憑借這樣的數字生產工具和Arduino這樣的實體計算平臺，人們可以在自家桌面上制造精密復雜的產品原始模型，3D打印則有利于個性化和定制化，數字制造時代的我們可以在大規模生產與定制之間做出選擇，卻不用支付昂貴的手工制作費用。

圖3 用3D打印筆制作芭比娃娃服裝

2016年2月24日的紐約玩具展中，玩具制造商美泰公司宣布它將發售一款價格實惠的3D打印機，讓兒童自行在家設計并打印玩具。3D打印機和一款APP相連接。兒童可以在iPad、手機、電腦上設計玩具，然后再進行打印并組裝部分。這款APP可以讓兒童自定義現有的角色模板，在進行一些練習之后，他們就可以從零開始塑造自己的角色了。設計完成之后，你可以選擇使用他們的3D打印機或其它3D打印機進行打印。在打印過程中，Thing Maker會將新玩具打印成不同部分，彼此之間通過球窩接頭進行連接。這一過程會花費幾分鐘至數小時，具體取決于其復雜程度，而兒童可以通過一扇透明門觀察到這一切的發生。Thing Maker推動了想象游戲的邊界，給家庭帶去無數種方式進行玩具自定義，讓他們的想象力得以馳騁。這種能自己設計并將設計的內容直接打印出成品的過程將會不斷釋放兒童的創造力。每一次技術的更新都會改變我們的生活。見圖4。

圖4 3D打印花園裝飾組合玩具

2.2.2 幼兒教師根據兒童特點有目的的進行玩教具設計開發

幼兒園教育教學活動中，通過教學設計，巧妙的利用玩教具進行科學、藝術、語言、社會、健康教育。 玩教具要構思新穎，有利于幼兒想象與創造的；符合科學性，并且要符合幼兒身心發展的特點與水平。能激發幼兒的興趣，利于幼兒操作與探索，讓幼兒在操作中發現解決問題，通過教具使用更為直觀和有效的完成教學目標。自制的玩教具通過設計、制作加工，再完成建模，并打印出來。當然，自制玩教具的材料與3D打印出來的材料肯定不一樣，具體制作打印要看我們的目的是用于開發產品還是僅僅為了展示效果。見圖5。

圖5 西安市幼兒園3D打印作品

玩教具設計開發最好能成立一個團隊。首先根據需求設計制作自制玩教具，或者直接繪制圖紙，也可以直接在電腦上制作。接著可以通過多維拍攝掃描將制作的玩教具數字信息傳輸到電腦上，建模成功后，經過修改確定，用3D打印機打印出來成品。若需要多種材料，在目前3D打印機技術基礎之上，可以豐富其材料。也可以根據需求，將設計好的模型模板用傳統的方式制作出來。見圖6。

圖6 3D數字模型

3 對3D打印在玩教具設計與開發應用中的保護

3D打印技術不僅是一次重大技術革命，更是對傳統制造業的一次顛覆。數字化、智能化的3D打印技術的快速演進，正在顛覆人們的想象。當傳統制造業流水線上的產品都可以方便快捷地通過3D打印技術被復制時，應盡快建立3D打印知識產權保護體系，正確引導高新技術產業發展，確保各方合法利益不受侵害。

在技術上，Secured3D保護3D打印設計。Secured3D允許任何人在打印機上，完全按照設計者意圖打印設計文件。它還允許設計師對設計文件進行收費處理，發展自己的3D iTunes Store銷售對象。Secured3D還提供了遠程控制盒（黑盒），取代U盤，SD卡，確切的指定打印機控制精確打印。如果你是一個3D設計師，您只需上傳您的3D設計文件到Secured3D云，并且發送給任何人用于一次性打印，保護了3D打印設計文件。

4 3D打印玩教具的弊端與改進方法

4.1 3D打印材料、色彩單一

自制玩教具的材料較為豐富多樣化，而目前供3D打印機使用的材料非常有限，無外乎石膏、無機粉料、光敏樹脂、塑料等。雖然新聞常有報道說有以玉米粉末、硅膠或者是樹脂等新材料。但塑料類耗材因為其價格便宜、塑形性好等等優勢仍然是市場的主流。

絕大多數的3D打印機只能打印一種或性質接近的幾種材料。出現混合材料或多種材料的打印機也是未來的趨勢。目前所謂具有繽紛色彩打印功能的單噴頭多彩打印機，是需要中斷打印，更換打印材料，無法實現程控。材料的單一對玩教具的質感、視覺沖擊力都會減弱，有時恐怕難以吸引兒童注意力。但如果僅僅作為設計開發環節，為后期成品提供樣品與設計成稿，確實有很大的作用。另外由于兒童會觸摸到這些玩教具，其制作材料一定要符合安全標準和衛生要求。

3D打印有定位在高端設計愛好者的3D打印機，同時也有定位低齡化的3D打印筆。相對于3D打印的精細建模，3D筆更多是隨性地進行繪畫類創作，更具有創意和藝術啟發性，許多家長也會將3D筆作為一種啟發兒童智力的玩具和教具買回去。市面上普遍的3D筆都是熱熔原理的，存在燙傷的危險。對小孩子的身體和環境都有損害。淘寶眾籌有一款名為“啟跑線”3D筆，這款筆突破性研發了“光固化技術”作為上述兩個問題的解決方案。大大降低了3D筆的危險，安全性大大提升。越來越多的迭代和新材料被應用在3D打印上，其價格也越來越親民。相信在不遠的將來會有更多更成熟的3D類產品問世，3D技術會悄悄走進我們每一個人的家庭。見圖7。

圖7

4.2 傳統3D打印機打印速度慢

傳統3D打印機打印速度慢，一個10公分立方體的物體，打印時間大約20個小時左右。現代3D打印機技術不斷更新，例如比傳統3D打印快100倍的CLIP液態3D打印技術已經出現。而目前3D打印技術在制造業的應用大多在產品設計與開發環節，對于大批量的生產，還是采用的傳統模具化的生產方式。

4.3 3D打印精度有待加強

普通3D打印機精度不夠，打印不了精度要求很高的物體，生產出來的模具邊緣處毛糙，需要用工具打磨。而兒童玩教具的生產，對產品的表面的光澤度、觸摸感都需要有很高的要求。一點容易劃傷皮膚的粗糙都不能有，這是為了兒童在使用玩教具中的安全性所考慮。同時，生產出來的玩教具，視覺看起來有光澤，觸摸起來手感舒適，兒童更愿意接觸這些玩教具。

4.4 3D打印玩教具剝奪了幼兒教學玩的過程

傳統的自制玩教具是一種工具，也是一種手段，玩教具為幼兒提供各種動手操作的機會，是教學玩的一個過程，而3D打印剝奪 了這個教學玩的過程，更多的是呈現一種結果。

工業制品的玩教具的精美化、智能化、批量化，即決定了幼兒與玩教具的關系更為強調視覺刺激和感官享受。同時，也導致了玩教具失去了應具備的動手、動腦、交流等功能。簡單的玩具可以有多種用途，留有很大的想象余地，兒童不易感到厭倦。而結構性強的玩具則有功能的局限，留給學前兒童想象的余地較小，而自制玩教具為學前兒童創造了自己能夠掌握的想象世界。 3D技術打印出來的玩教具呈現出精美化的形象，但是缺少了自制玩教具多種材料組合，少了生動也少了開發兒童想象力的空間。但是使簡單易損壞的自制玩教具能夠長久保存下來，同時為玩教具后期的開發，提供了模板。

5 結語

3D打印技術是一種能夠改變我們生活方式的一種技術，3D打印技術還有更大的發展空間。隨著創客教育的風潮越來越火，作為其中的關鍵創意開發環節，3D創意設計課逐步進入到各大、中、小學。學生很積極的完成3D作品，并且涌現了不少優質的圖紙，如生活用品、玩具禮品以及教具等。3D打印技術越來越多的進入到教育領域。希望在不久的將來，3D打印技術能在幼兒玩教具設計開發領域出現新的生機，為孩子們的愿望插上羽翼。

參考資料

[1]李茜.基于感覺統合原理的嬰幼兒觸覺訓練玩教具設計[J].藝術科技，2013(3)：161.

[2]郭力平.徐小妮.3D打印技術與兒童玩具制造[J].幼兒教育·教育科學，2015(7)：3-5.

[3]陸曉益.幼兒園自制玩教具的開發和運用[J].科技展望，2015(5)：189.

[4]中國3D打印網 .3D打印仍然是“塑料玩具”？真是逃不過[EB/OL]（2016-12-13）.http：//www.3ddayin.net/news/ shendujiedu/27017.html， .

[5]中國3D打印網 .3D創意設計在中小學的教學趨勢調查簡報 [EB/OL]（2017-03-31）. http：//www.3ddayin.net/news/ shendujiedu/29341.html， .

[6]中國3D打印網 .淺析3D打印為什么對教育行業如此重要 [EB/OL]（2017-03-28）. http：//www.3ddayin.net/news/ shendujiedu/29226_2.html.

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