3D打印高职创新创业训练项目的教学实践研究
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作者:刘晓 宋鹏
[摘 要] 3D打印是数字化制造的重要方式，在创客教育和STEM教育中应用广泛。基于3D打印的高职创新创业训练项目以服务行业产业和区域经济发展为立足点，对3D打印技术发展与应用的趋势进行分析研判，提出采用FDM技术的3D打印方案作为训练项目的关键技术。通过组建项目团队，校企协同、师生共建，将训练项目打造成基于高精度FDM技术的 3D打印生态系统。
[关 键 词] 3D打印;FDM技术;创新创业教育;训练项目
[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2019）26-0060-02
美国《Make》杂志创始人Dougherty在2006年举办首届创客嘉年华“Maker Fair”，掀起全球创客运动的风潮。随着3D打印机、激光雕刻机等数字化工具的广泛应用以及Arduino等开源硬件的普及，创客运动渗透到包括教育在内的社会各领域，衍生出创客教育和STEM教育等两种教育模式[1]。国内教育界敏锐地把握了国际创新教育的最新趋势，不仅实现了从大学教育到学前教育的全覆盖，更将其与创新创业教育联系起来，形成“专创融合”的创新创业教育模式。然而，常见的3D打印技术有五种之多，教学型和生产性3D打印机品牌种类繁多，且与之配套的教学资源良莠不齐，部分高校尤其高职院校在技术选型和设备采购等方面存在一定误区，缺乏科学的教学设计，影响创新创业教育实施效果。本研究分析了3D打印技术应用发展现状与趋势，围绕高职创新创业教育目标任务，研究基于高精度FDM的3D打印技术创建创新创业训练项目的现实问题与路径选择。
一、3D打印发展现状及应用趋势
（一）3D打印技术的起源
3D打印源自20世纪80年代美国发明的快速成型技术，并在东京大学中川威雄教授和名古屋市工业研究所小玉秀男的研究基础上逐渐完善了理论雏形。1988年，美国发明家赫尔成立3D systems公司，采用立体光刻专利技术研制出全球首台快速成型设备。1995年，麻省理工学院两名学生发表了研究便捷快速成型技术的毕业论文，首次提出“3D打印技术”的概念。此后，快速成型技术被统称为3D打印技术。按照工艺分类，3D打印技术主要包含选择性激光烧结技术（SLS）、择区激光溶化技（SLM）、光固化成型技术（SLA）、分层实体制造（LOM）和熔融挤出成型（FDM）等技术。
（二）3D打印技术国内外发展现状及应用
1.3D打印技术在欧美的发展现状
“框架计划”作为欧盟最重要的科研资助计划，早在立项之初，就将3D打印列为重点关注技术。截至2013年，欧盟在多个“框架计划”中共设立88个与3D打印相关的科研项目，总投入达2.25亿欧元。德国于2010年制定的《高技术战略2020》，包含了工业4.0在内的十个战略子项目。据德国政府公布的数据显示，联邦政府2013年在3D打印的科研投入已超过2000万欧元。依托科研院所和高校，德国围绕3D打印涵盖的各技术环节开展科技攻关，并形成庞大的技术应用人才储备体系。2012年3月，奥巴马总统决定投资10亿美元建设15家制造业创新研究所，实施全美制造业创新网络计划（NNMI）。2013年奥巴马总统在国情咨文中再次强调了3D打印技术的重要性，宣布继续投资2亿美元新建3个制造业创新研究所。通过一系列扶持政策的激励措施，美国不仅在3D打印的基础研究保持世界领先地位，还在医疗、航天和军工等领域应用开发取得重大突破。目前，美国是全球最大的3D打印机生产国和消费国，其打印材料、专用软件、打印装备和应用服务等产业链日趋成熟。
2.国内3D打印技术的研究进展
国内3D打印研发与应用创新主要依托科有关研院所和高校。1994年，华中科技大学快速制造中心研制出国内第一台3D打印机。清华大学在分层叠纸式打印技术（LOM）方面的研究取得了巨大突破，其中清华大学教育部先进成形制造重点实验室研制出国内首台电子束快速成型机，并联合西北有色金属研究院进行二次开发，打印出复杂形状的钛合金叶轮。北京航空航天大学利用激光堆积成型技术打印出了世界上最大的钛合金飞机主承力结构件。华南理工大学采用择区激光溶化技术（SLM），与广东信雅达三维科技有限公司合作开发DiMetal系列金属打印机，在关键性能方面已处于国际领先水平。此外，上海交大、南京航空航天大学、沈飞601所、沈阳自动化研究所、中科院广州电子技术研究所等单位在3D打印材料、装备制造和技术研发应用等领域也取得了较丰硕的科技成果[2]。
3.国内外3D打印产业发展应用的对比分析
在3D打印应用领域，德国掌握的直接金属激光烧结技术（DMLS）处于世界领先水平，其应用方向是大型机械装备和飞机关键零部件制造领域，具有代表性的世界知名企业如EOS公司、SLM Solutions公司、Voxeljet公司等。美国基于商业推广和军工产业的需要，重点发展了熔融挤出成型（FDM）技术和择区激光烧结技术（SLS）。FDM技术是大多数桌面级3D打印机采用的技术方案，具有代表性的3D systems和Stratasys兩家公司占据了全球3D打印机绝大部分市场份额。SLS技术多应用于航空航天关键零部件和武器装备快速制造领域。国内3D打印技术在少数军工领域的研发与应用水平已达世界顶尖水平，但成果转化率偏低，难以形成产业优势。在商用领域，国内3D打印与美德两国差距较大，产业发展远未成熟，如武汉滨湖机电公司、湖南华曙高科公司、沈阳新松公司、中科院广州电子技术研究所、广州中望龙腾软件公司等国内3D打印企业还处于企业发展初期，其核心技术主要基于FDM技术，在SLS和SLM等工业级3D打印研发与应用方面与国际先进水平存在很大的差距[3]。 二、3D打印高职创新创业训练项目的探索实践
高职教育以服务区域经济发展为办学定位，对标当地产业发展实际，以培养技术技能型人才为根本任务。在“大众创业、万众创新”的时代背景下，如何培养具有创新能力和创业精神的技术技能型人才已成为高职教育改革的热点课题。本研究依托广州市高校创新创业教育课题经费支持，以高精度FDM技术的3D打印创新创业训练项目为载体，探索构建“校企共育、专创融合”的高职创新创业教育模式。
（一）项目的总体设计与规划
由于桌面级3D打印机凭借操作环境要求低、性价比高，市场占有率，且采用FDM作为3D打印的技术方案具有技术相对成熟、打印设备及耗材价格较低，所以国内外业界对此类3D打印机都以FDM作为首选技术方案。训练项目选用普通的桌面级3D打印机为设备原型，通过调整打印设备参数和优化设备硬件等方面的“微创新”对现有设备进行改造，实现打印效果从桌面级到工业级的跃升。项目的总体设计分五个步骤：组建团队、市场调研、升级改造设备、商业模式研究和商业实战。训练项目以现代服务业行业标准为标杆，将高精度3D打印服务作为打印细分市场切入点，形成集3D扫描服务、产品建模和设计、高精度3D打印以及工业级桌面3D打印机制备销售等功能于一体的3D打印O2O平台，构建基于高精度FDM技术的3D打印生态系统。
（二）项目的团队与核心技术
项目的团队成员分指导教师和学生两类，指导教师由学校专业教师和企业导师组成。校内教师负责指导学生完成技术创新和设备改造，企业导师负责指导学生完成市场调研、搭建商业模式和模拟企业运营。在遴选学生时，要充分考虑学生专业基础，既要考虑学生是否具有加工制造专业的知识储备，还要考查学生是否掌握一定的创业入门知识。在实践中，参与本研究项目的学生团队主要骨干均为工业设计类或加工制造类职业技能竞赛获奖学生，还包括在各类创新创业大赛获奖的学生，具备较好的专业基础，思维活跃，富有活力。训练项目的核心技术是基于FDM技术的高精度3D打印技术，利用该技术对现有打印设备改造，可实现工业级3D打印精度，改造后设备价格仅相当于同级别设备价格的30%。学生在指导老师指导下采用不同的改造方案，满足不同应用场景的需求。通过指导学生开展创新训练，培养创新思维方式，师生共同取得的科技成果要提交专利申请，进一步提升核心技术的商业价值。
（三）商业模式构建与项目落地
训练项目的难点是商业模式的构建，体现创新创业教育的效果和质量。成功构建商业模式不仅需要“专创融合”的人才培养理念贯穿项目全过程，还需要运用有关创业理论指导实战。因此，克服高职大学生创新创业项目“重创新、轻创业”的通病，需要借助校外导师的力量，整合校内创业基础性要素，精心打造有助于项目落地的商业模式。本项目的商业模式依托3D打印O2O平台，致力解决当前制约打印行业发展的建模设计费贵、逆向工程施工困难和增值服务少等难题，提供差异化、个性化的3D打印整体解决方案。利用学校对大学生创新创业教育的扶持政策，借助创业实训基地，实现项目落地运营。本训练项目的价值主张是围绕3D打印个性化实现的价值核心，以精准服务为运营原则，指导学生在理解3D打印专业知识的基础上，通过对原型机的改造实践，运用商业模式搭建真实创业项目，充分体验商业运作全过程。
三、项目实践经验总结与反思
高职创新创业教育的难点在于教育效果量化和项目落地运营，应回归以人为本的教育宗旨，实现创新创业型技术技能人才的培养目标。本研究基于3D打印产业发展痛点，通过项目训练提升高职学生创新创业能力，在项目训练过程中实现“专创融合”，探索有效开展创新创业教育的可行路径。本项目以3D打印设备的优化改进为项目训练主题，通过构建高精度FDM技术的 3D打印生态系统，提供技术知识覆盖面大、设备改造方案选择性强、商业模式多元的可拓展性创新创业训练平台，在开展3D打印技术技能训练过程中，通过试运营3D打印服务创业项目，全方位训练大学生创新意识和创业能力[4]。
参考文献：
[1]Admin.Historty[EB/OL].https：//www.oreilly.com/about/history.html，2018-10-05.
[2]陳雪.国内部分地区发展3D打印的先进经验及对广东的启示[J].广东科技，2014（15）：53-56.
[3]潘慧.广东省发展3D打印的现状与对策建议[J].机械设计与制造工程，2015（3）：1-4.
[4]王占仁.中国高校创新创业教育的学科化特性与发展取向研究[J].教育研究，2016（3）：56-63.
编辑 陈鲜艳
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