激光切割技術給創客教育帶來什么

陳染

在創客教育中，有很多材料加工工具能夠幫助學生實現創意。從最“低科技”的材料和工具，如紙板和美工刀，到具備一定操作技巧的機床，再到3D打印技術，先進加工工具的應用是推動創客教育深入發展的強大動力。只有掌握了多種加工工具，學生才能靈活駕馭各種材料，提髙工作效率，更好地發揮其潛能。

在各種加工工具中，小型激光切割機以其快速便捷、成本低廉的特點，受到很多創客教育者的歡迎。創客運動之父克里斯·安德森將激光切割機與3D打印機、數控機床、3D掃描儀等桌面制造設備合稱為創客運動的4個桌面制造工廠，足以看出激光切割機的重要之處。為什么激光切割機能夠從工廠走入很多學校的創客空間？我們先來簡要地認識一下它的發展歷史和工作原理，有助于我們更好地進行創客教育。

在創客運動中，很多創客工具看上去像是新技術、新名詞，但實際上已經在工業領域經歷過多年的實踐和積累，激光切割技術也是如此。激光切割技術誕生于1965年，由美國西部電氣公司研制。隨后英國人彼得·霍爾德羅夫特（Peter Houldcroft）于1967年發明了二氧化碳激光切割機，成功完成了1毫米厚鋼板的切割試驗。隨后40年中，激光切割技術逐漸進步成熟，切割材料范圍從單一的金屬到不同厚度、不同范圍的材料，切割的精度和窄度逐漸提髙，二氧化碳激光器的功率也在逐步提髙。其中，20世紀70年代初激光切割機的機床技術有了重要進展，第一臺兩軸激光切割機誕生，可以通過掃描原始文件進行切割，為數字化制造奠定了基礎。目前大多數創客空間所用的小型激光切割機就是從這個時期的機器演變來的。

激光切割機的基本原理是利用高功率密度的激光束照射被切割材料，材料受到輻射后快速升溫，使材料受熱熔化或汽化，也有的激光切割通過氧氣與材料發生化學反應進行切割，這3種不同的切割方式分別稱為激光熔化切割、激光汽化切割和激光火焰切割。也有的激光利用脆性材料（如玻璃）對裂紋非常敏感的特點進行裂紋切割。在晶圓切片加工上，還會使用一種叫隱形激光切割的工藝進行切割。而創客空間常見的小型激光切割機使用的切割方式為溶化切割、汽化切割和火焰切割。

激光切割機的主要組成部分有激光發生器、機床主機和冷卻裝置。常見的二氧化碳激光切割機以二氧化碳氣體為能源，在發生器中產生波長為9.4?10.6微米的紅外激光，直徑僅為3/4英寸，無法用肉眼觀察。激光發生器產生的激光通過外光路的幾個反射鏡聚集到切割頭，再通過透鏡將光束聚焦在材料上，對材料進行切割。通過計算機程序，使用者可以利用切割線的顏色不同調整激光的功率，進而能夠實現完全切透材料或者燒蝕表面，形成浮雕效果。

機床主機是激光切割機的另一個重要組成部分。伺服電機能將機床主機精確地控制切割頭在x和y兩個軸上進行自由移動。當你將文件導入激光切割機時，計算機程序能夠自行計算切割路徑，科學合理地安排切割順序，避免產生切割尚未完成而材料已經掉落的現象。

冷卻裝置也是保證激光切割機能夠正常工作的重要部分。盡管二氧化碳激光效率非常髙，能源轉化率達到了20%，但大多數能量都轉化為熱能，水冷機組可以帶走多余能量，保證激光切割機正常工作。此外，在切割頭附近有一個噴嘴，可以噴射出高速度氣流，帶走切割時產生的火花和金屬蒸氣，減少蒸氣對光能的吸收及對透鏡的破壞，噴出的氣流還可以進一步提升切割速度和切口質量。

除了以上3個部分外，激光切割機還有排風系統、排渣系統、穩壓系統、操作臺等，它們同樣也是保證機器正常運轉及操作人員安全的重要組成部分，這里不多贅述。

我們已經認識了激光切割機的發展歷史、工作原理和組成部分。隨著電腦輔助設計（CAD）技術成熟及激光切割機的小型化，激光切割機成為了刨客教育中不可或缺的一個重要工具。對于學生而言，激光切割機提供了一個可以智慧設計、高效制造的機會。對于學校和教師來說，激光切割機費用較低、入門簡單，堪稱建立創客空間的入門級工具，為創客教育賦予更多可能。

首先，激光切割機可以讓學生更加靈活地駕馭各種材料。在沒有激光切割機的情況下，學生只能依靠純手工的方式進行創客設計，所能用到的材料十分有限。在制作一個創意產品的外觀時，學生可以用美工刀加工紙板，卻不能用同樣的方法駕馭木板，即使學會了鋸的使用，也只能對木板進行簡單加工，進行深度加工需要花費非常多的學習時間。而激光切割機能夠加工木板、亞克力板、塑料甚至金屬，賦予學生更多選擇的可能。激光切割機還能完成手工制作中難以完成的一些加工方法，例如在材料上進行雕刻，這種精細操作需要經驗較深的木工才能做到，而你只需要在激光切割機的程序中修改線的顏色，改變功率，就可以進行激光雕刻，精度比手工的還要高。有了激光切割機，學生不再局限于少數幾種易加工的材料，而要考慮各種材料的特性，作出最合適的選擇。

其次，激光切割機為學生帶來時間和設計的便捷性。如果沒有激光切割機，學生通過手工完成創客項目的制作，即使是切割一些簡單圖形，也需要花上很長的工作時間。如果需要同時制作多個相同元件或復雜零部件，這個步驟會變得十分枯燥，而且很容易做出不合格產品。而激光切割機只需要幾分鐘就可以完成手工幾個小時的工作，效率提升數十倍，并且很多時候質量比手工做的要好得多。此外，因為經驗不足，學生在設計上難以避免地會有一些細節上的錯誤，導致整個創客作品無法完成。在缺乏髙效的制作工具的時候，這將極大打擊創客的信心。而在激光切割機面前，這些都不是問題，學生只需要在電腦上進行修改，再用激光切割機生產出來就行了，就跟打印一樣簡單。

它可以幫助學生節省更多時間思考設計本身的問題，提高創客作品的設計質量。

第三，激光切割技術可以很好地與其他刨客技術結合起來。

學生可以用激光切割木板，結合開源硬件制作出獨一無二的機器人。還可以結合激光切割機和3D打印機的優勢，用不同的機器生產不同的部件，提高工作效率。

這些優點使得激光切割機成為學校創客空間必備的數字制作入門工具。對于教育來說，我們也很看重激光切割技術給學生的思維方式帶來怎樣的轉變。

使用激光切割機，學生必須掌握電腦輔助設計（CAD）的基本方法。用激光切割技術做好一個創客作品，需要學生對創造的物體有一個準確的認識。在沒有電腦輔助制圖的時候，學生對于作品最終效果可能會停留在想象，或者用文字和示意圖進行表達。電腦輔助制圖要求學生必須能夠向計算機表達你要做的東西的尺寸和細節，這要求學生在設計之初就必須對要做的東西有清晰的認識，必要時還需要設計三維模型，以幫助設計出正確的CAD圖紙。此外，CAD制圖還方便學生在前人的設計基礎上進行迭代，讓創客項目更好、更持續地進行下去。

激光切割機還能夠幫助學生更好地建立工程思維，讓學生像工程師一樣思考。所謂工程思維，就是進行工程活動或工程研究過程中所形成的思維方式。工程思維表現在一些具體的使用場景中，例如，在激光切割機的使用中，學生需要對材料的性質和使用進行研究，才能做出合適的產品。又如，學生使用激光切割機進行切割之后需要到其他地方進行材料加工，那么如何合理地將制作材料運走就是一個工程問題了，這就需要用到工程思維中的流程創新。通過激光切割技術，每一個學生都能從創客課程中感受設計的嚴謹，收獲設計的快樂。

參考資料

[1][美]克里斯.安德森·蕭瀟譯·創客：新工業革命·中信出版社，2012

[2] Hilton P A. The early days of laser cutting. 2007

[3] How Does Laser Cutting Work， http：//www.esabna.com/

[4]付世平，趙紅亮，劉廣軍.二氧化碳激光切割機.儀表技術與傳感器，1991（3）

[5]王奇偉.小學STEM課程中工程思維的培養和教學設計研究.上海師范大學碩士論文，2016endprint