3D打印高職創新創業訓練項目的教學實踐研究

劉曉 宋鵬

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?3D打印是數字化制造的重要方式，在創客教育和STEM教育中應用廣泛。基于3D打印的高職創新創業訓練項目以服務行業產業和區域經濟發展為立足點，對3D打印技術發展與應用的趨勢進行分析研判，提出采用FDM技術的3D打印方案作為訓練項目的關鍵技術。通過組建項目團隊，校企協同、師生共建，將訓練項目打造成基于高精度FDM技術的 3D打印生態系統。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?3D打印;FDM技術;創新創業教育;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》雜志創始人Dougherty在2006年舉辦首屆創客嘉年華“Maker Fair”，掀起全球創客運動的風潮。隨著3D打印機、激光雕刻機等數字化工具的廣泛應用以及Arduino等開源硬件的普及，創客運動滲透到包括教育在內的社會各領域，衍生出創客教育和STEM教育等兩種教育模式[1]。國內教育界敏銳地把握了國際創新教育的最新趨勢，不僅實現了從大學教育到學前教育的全覆蓋，更將其與創新創業教育聯系起來，形成“專創融合”的創新創業教育模式。然而，常見的3D打印技術有五種之多，教學型和生產性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選型和設備采購等方面存在一定誤區，缺乏科學的教學設計，影響創新創業教育實施效果。本研究分析了3D打印技術應用發展現狀與趨勢，圍繞高職創新創業教育目標任務，研究基于高精度FDM的3D打印技術創建創新創業訓練項目的現實問題與路徑選擇。

一、3D打印發展現狀及應用趨勢

（一）3D打印技術的起源

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

（二）3D打印技術國內外發展現狀及應用

1.3D打印技術在歐美的發展現狀

“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打印列為重點關注技術。截至2013年，歐盟在多個“框架計劃”中共設立88個與3D打印相關的科研項目，總投入達2.25億歐元。德國于2010年制定的《高技術戰略2020》，包含了工業4.0在內的十個戰略子項目。據德國政府公布的數據顯示，聯邦政府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打印涵蓋的各技術環節開展科技攻關，并形成龐大的技術應用人才儲備體系。2012年3月，奧巴馬總統決定投資10億美元建設15家制造業創新研究所，實施全美制造業創新網絡計劃（NNMI）。2013年奧巴馬總統在國情咨文中再次強調了3D打印技術的重要性，宣布繼續投資2億美元新建3個制造業創新研究所。通過一系列扶持政策的激勵措施，美國不僅在3D打印的基礎研究保持世界領先地位，還在醫療、航天和軍工等領域應用開發取得重大突破。目前，美國是全球最大的3D打印機生產國和消費國，其打印材料、專用軟件、打印裝備和應用服務等產業鏈日趨成熟。

2.國內3D打印技術的研究進展

國內3D打印研發與應用創新主要依托科有關研院所和高校。1994年，華中科技大學快速制造中心研制出國內第一臺3D打印機。清華大學在分層疊紙式打印技術（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首臺電子束快速成型機，并聯合西北有色金屬研究院進行二次開發，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打印出了世界上最大的鈦合金飛機主承力結構件。華南理工大學采用擇區激光溶化技術（SLM），與廣東信雅達三維科技有限公司合作開發DiMetal系列金屬打印機，在關鍵性能方面已處于國際領先水平。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研究所等單位在3D打印材料、裝備制造和技術研發應用等領域也取得了較豐碩的科技成果[2]。

3.國內外3D打印產業發展應用的對比分析

在3D打印應用領域，德國掌握的直接金屬激光燒結技術（DMLS）處于世界領先水平，其應用方向是大型機械裝備和飛機關鍵零部件制造領域，具有代表性的世界知名企業如EOS公司、SLM Solutions公司、Voxeljet公司等。美國基于商業推廣和軍工產業的需要，重點發展了熔融擠出成型（FDM）技術和擇區激光燒結技術（SLS）。FDM技術是大多數桌面級3D打印機采用的技術方案，具有代表性的3D systems和Stratasys兩家公司占據了全球3D打印機絕大部分市場份額。SLS技術多應用于航空航天關鍵零部件和武器裝備快速制造領域。國內3D打印技術在少數軍工領域的研發與應用水平已達世界頂尖水平，但成果轉化率偏低，難以形成產業優勢。在商用領域，國內3D打印與美德兩國差距較大，產業發展遠未成熟，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研究所、廣州中望龍騰軟件公司等國內3D打印企業還處于企業發展初期，其核心技術主要基于FDM技術，在SLS和SLM等工業級3D打印研發與應用方面與國際先進水平存在很大的差距[3]。

二、3D打印高職創新創業訓練項目的探索實踐

高職教育以服務區域經濟發展為辦學定位，對標當地產業發展實際，以培養技術技能型人才為根本任務。在“大眾創業、萬眾創新”的時代背景下，如何培養具有創新能力和創業精神的技術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新創業教育課題經費支持，以高精度FDM技術的3D打印創新創業訓練項目為載體，探索構建“校企共育、專創融合”的高職創新創業教育模式。

（一）項目的總體設計與規劃

由于桌面級3D打印機憑借操作環境要求低、性價比高，市場占有率，且采用FDM作為3D打印的技術方案具有技術相對成熟、打印設備及耗材價格較低，所以國內外業界對此類3D打印機都以FDM作為首選技術方案。訓練項目選用普通的桌面級3D打印機為設備原型，通過調整打印設備參數和優化設備硬件等方面的“微創新”對現有設備進行改造，實現打印效果從桌面級到工業級的躍升。項目的總體設計分五個步驟：組建團隊、市場調研、升級改造設備、商業模式研究和商業實戰。訓練項目以現代服務業行業標準為標桿，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、產品建模和設計、高精度3D打印以及工業級桌面3D打印機制備銷售等功能于一體的3D打印O2O平臺，構建基于高精度FDM技術的3D打印生態系統。

（二）項目的團隊與核心技術

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教師和企業導師組成。校內教師負責指導學生完成技術創新和設備改造，企業導師負責指導學生完成市場調研、搭建商業模式和模擬企業運營。在遴選學生時，要充分考慮學生專業基礎，既要考慮學生是否具有加工制造專業的知識儲備，還要考查學生是否掌握一定的創業入門知識。在實踐中，參與本研究項目的學生團隊主要骨干均為工業設計類或加工制造類職業技能競賽獲獎學生，還包括在各類創新創業大賽獲獎的學生，具備較好的專業基礎，思維活躍，富有活力。訓練項目的核心技術是基于FDM技術的高精度3D打印技術，利用該技術對現有打印設備改造，可實現工業級3D打印精度，改造后設備價格僅相當于同級別設備價格的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新訓練，培養創新思維方式，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的商業價值。

（三）商業模式構建與項目落地

訓練項目的難點是商業模式的構建，體現創新創業教育的效果和質量。成功構建商業模式不僅需要“專創融合”的人才培養理念貫穿項目全過程，還需要運用有關創業理論指導實戰。因此，克服高職大學生創新創業項目“重創新、輕創業”的通病，需要借助校外導師的力量，整合校內創業基礎性要素，精心打造有助于項目落地的商業模式。本項目的商業模式依托3D打印O2O平臺，致力解決當前制約打印行業發展的建模設計費貴、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新創業教育的扶持政策，借助創業實訓基地，實現項目落地運營。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打印專業知識的基礎上，通過對原型機的改造實踐，運用商業模式搭建真實創業項目，充分體驗商業運作全過程。

三、項目實踐經驗總結與反思

高職創新創業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，實現創新創業型技術技能人才的培養目標。本研究基于3D打印產業發展痛點，通過項目訓練提升高職學生創新創業能力，在項目訓練過程中實現“專創融合”，探索有效開展創新創業教育的可行路徑。本項目以3D打印設備的優化改進為項目訓練主題，通過構建高精度FDM技術的 3D打印生態系統，提供技術知識覆蓋面大、設備改造方案選擇性強、商業模式多元的可拓展性創新創業訓練平臺，在開展3D打印技術技能訓練過程中，通過試運營3D打印服務創業項目，全方位訓練大學生創新意識和創業能力[4]。

參考文獻：

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

[2]陳雪.國內部分地區發展3D打印的先進經驗及對廣東的啟示[J].廣東科技，2014（15）：53-56.

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

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

編輯 陳鮮艷