“創客+”3D打印實踐教學方法研究

吳 濤, 劉 新, 朱瑞富, 秦 峰, 陳金寶, 儀 維

(山東大學 工程訓練中心, 山東 濟南 250002)

3D打印作為新一輪工業革命的代表性技術[1],近年來受到各國政府的大力支持,我國也相繼出臺了支持增材制造產業發展的一系列相關政策[2],使得制造業對3D應用人才需求不斷攀升,國內很多高校、中小學、社會教育機構都在開展3D打印相關的教育活動[3]。我校依托國家級眾創空間——山東大學創客空間,以培育創客為目標,將創客教育理念融入到現有的優質實踐教學項目中,自2015年開展系列項目化創客實踐教學活動以來,取得了顯著成效[4]。本文結合所開展的3D打印創客實踐教學項目,對3D打印在創客教育中的應用進行研究與探索。

1 “創客+”3D打印實踐教學方法的理論基礎

國內高校3D打印實踐教學主要可以分為以下幾種形式：(1)通識認知型：開展3D打印原理認識,進行3D打印實踐操作體驗[5];(2)專業提高型：在通識認知型教育基礎上,增加前置的CAD建模或逆向工程教學模塊[6-7];(3)創新培養型：圍繞相關大學生創新競賽命題,以創新培養為目的,以實現作品中的某些零部件制造為目標,進行3D打印相關教學[8];(4)教學輔助型：在某些專業實踐教學環節中,配合使用3D打印制作的教具、工具以輔助進行專業知識教學[9-10]。上述教學方式能夠使學生基本掌握3D打印的基礎知識和操作應用,但也存在學時有限、方法單一、系統性差、趣味性不足等問題。

國外一些教育機構普遍將STEAM教育模式及創客教育理念貫穿到3D打印教學活動中,融合科學(science)、技術(technology)、工程(engineering)、藝術(arts)、數學(mathematics)等多學科知識[11]。創客(maker)本質上來說就是做東西的人,是努力將各種創意轉變為現實的人[12],而3D打印具有能設計就能制造的特點,符合創客理念,能夠最大限度地幫助創客完成從產生創意到實現創意的過程。創客進行創作的終極目標是形成商業化產品,因此將創客教育理念引入到3D打印實踐教學中,以創作商業化產品原型為目標,讓學生體驗產品從無到有的完整過程,不僅有助于學生深入學習理解3D打印技術,同時對于培養學生的獨立思考能力、創新思維能力、空間想象能力、創造設計能力、團隊協作能力以及審美意識都具有重要意義。

2 “創客+”3D打印實踐教學方法的設計實現

工業產品從最初的產品設計到產品定型并推向市場是一個漫長的過程,是產品研發者智慧的結晶。“創客+”3D打印實踐教學方式按照產品創作過程順序,基于STEAM教育模式,從產品創作立項到產品創作前期調研、產品設計、產品原型制作及產品價值評估等,逐步引導學生創客運用3D打印技術完成實際產品制作。本文將以具體項目案例,介紹“創客+”3D打印實踐教學方法的設計與實現(見圖1)。

圖1 “創客+”3D打印實踐教學方法

2.1 產品立項

對于學生創客而言,選擇并提出合理的產品設計,是產品最終能否順利輸出的前提和保證。應充分考慮產品的設計難度、制作周期、制作成本等,同時,創客空間應給予創客實驗室環境、設備及耗材方面的支持。產品選題要具有開放性、靈活性,一般應從學生能夠普遍接觸到的日常生活、學習用品或簡易工業產品中選取,要求學生進行改良或創新設計。

本文提出的創客產品問題為設計并制作一款可供兒童使用的小夜燈,要求在10天內制作完成,并將產品成本控制在100元以內。

2.2 產品設計前期調研

在產品設計之前,引導學生首先進行競品分析和問卷調查,調研產品研發的可行性及出發點,形成具體的用戶模型。通過競品分析,找出同類產品的共有特性,繼而從同類產品中吸取優點,摒棄缺點。通過問卷調查,則可以建立產品創新設計的期望點[13]。

結合本文案例,小夜燈是生活中經常見到的家電產品,產品形式也已非常成熟,設計應圍繞使用對象的特點展開。題目要求適于兒童使用,產品外觀應具有一定的童趣性,同時應注意兒童使用過程中的安全性和便捷性。在競品分析中,總結當前市面上小夜燈產品的共有特性,包括長時間續航、多模式調節、操作方式簡單等,但也存在形式不夠新穎、沒有面向特定的目標用戶等問題。在問卷調查中,將兒童的監護人作為調查對象,調研他們對于市面上現有小夜燈產品的評價及對兒童小夜燈的期望點、購買欲強度等。問卷調查既可采用傳統的紙質問卷形式,也可借助問卷微信小程序等。

2.3 產品設計分析與論證

在產品設計階段,圍繞產品的使用方式、使用環境,引導學生進行人機分析、設計心理學分析、環境設計關系分析等,進行產品設計前的充分論證,并結合前期調研結果,形成產品創意。

結合本文案例,從使用對象的特點分析,12歲以下兒童喜歡鮮艷顏色,容易對存在感較強的事物感興趣;從小夜燈的基本屬性分析,應選擇合理顯色指數的燈源,使在使用時不易發生視覺疲勞,并且可以安全觸摸;從人的視覺及生理習慣分析,小夜燈的開關、通電等部位的設計要易于辨識,易于使用。學生創客形成的最終產品創意為：小夜燈整體造型為小怪獸玩偶,調光控制開關為可撥動的眼球,眼睛張開小夜燈開啟,眼睛閉合小夜燈關閉,同時能夠進行無級調節,背部設計充電孔用以通過可循環充電電池續航。

2.4 產品草圖繪制與CAD建模

根據生成的產品創意,引導學生進行主要結構、傳動零部件、電氣部件等的形位設計,首先形成概念草圖規劃。在產品CAD建模時,由于3D打印制作零件精度在0.1 mm左右,必要時可對某些設計尺寸進行微調,且應充分考慮各零部件的裝配需求,指導學生對產品零部件分別進行設計造型。

結合本案例,小怪獸夜燈的整體箱體為立方形盒體,通過在盒體側面設計孔槽放置可撥動的眼球開關,眼球通過錐齒輪結構實現與電氣開關部件的連接,學生創客繪制的概念草圖及使用CAD軟件建立的模型如圖2、圖3所示。

圖2 產品概念模型草圖

圖3 產品CAD建模

2.5 產品3D打印制作

在進行產品3D打印制作時,圍繞產品各零部件的結構特點,結合零件的制作精度要求、表面質量要求、支撐材料后處理難易情況等,指導學生進行3D工藝選型,設置合理的3D打印工藝參數,如擺放方位、分層厚度、填充密度、打印速度等。在3D打印完成后進行零部件組裝,若出現裝配問題則返回設計階段進行修改。

結合本案例,小夜燈的主要結構部件應具有良好的力學性能和較好的表面質量,因此選用熔融沉積3D打印工藝進行零部件制作。為了提高制作精度和表面質量,夜燈的箱體、撥動開關(帶盲孔球體)、傳動錐齒輪軸采用Stratasys Dimension系列成型機進行打印,制件完成后的支撐材料可溶于堿性溶液中[14]。其余部件可采用剝離式支撐材料的UP Plus 3D打印機進行制作。

2.6 產品評估

產品原型完成后,要求學生對制作的產品進行評估,包括是否達到預期目標、產品功能的實現程度、產品主要參數解釋、產品制作成本等,并進行產品市場化評價分析,形成產品評估報告。

結合本案例,應評估制作的小夜燈是否滿足設計和功能要求,詳細列出小夜燈的相關產品參數,如產品材質、尺寸、重量、額定電壓、功率、燈光色溫、電池容量等,同時量化產品的制作成本,分析產品價值及推向市場的可能性。學生創客最終完成的小夜燈產品如圖4所示。

圖4 最終完成的小夜燈產品

3 “創客+”3D打印實踐教學方法的成效

“創客+”3D打印實踐教學方法,打破常規做法,豐富了課堂教學內容,增強了教與學的互動性,提高了學生學習的興趣和動力,使創客理念深入學生內心,自2015年開展以來取得了一系列成效。由筆者指導的學生團隊參加了國際水中機器人大賽、中國工程機器人大賽暨國際公開賽、創青春全國大學生創業大賽、山東省機電產品創新設計競賽等賽事,取得國家級賽事一等獎5項,省級賽事一等獎3項。另外,筆者指導的2015級機械工程學院學生，借助制作的創客產品順利簽約某知名電聲行業公司,實現了職業愿景。

4 結語

在高校實踐教學環節中,3D打印作為一項先進制造技術已經廣泛開展。由于受到教學學時、條件等限制,3D打印實踐教學中普遍存在面向專業狹窄、教學方法單一、實用性不強等問題。制造業對3D打印技術相關人才的標準不斷提升,給高校3D打印實踐教學環節提出了越來越高的要求。本文提出的“創客+”3D打印實踐教學方法,將STEAM教育模式及創客教育理念引入到3D打印實踐教學中,有以下優勢：

(1) 培育學生的創客創新精神。“創客+”3D打印實踐教學方法,通過提出開放性的產品設計問題,使學生在學習過程中敢于進行思維發散,大膽創新,將自己的創意通過親自動手制作而實現,體會創新的快樂與成就感,從而有效培養創客創新精神,進一步激發創作產品的愿望。

(2) 提高學生的綜合實踐能力。“創客+”3D打印實踐教學方法,在教學過程中了融入產品設計學、機械設計基礎、CAD建模、3D打印等相關知識,讓學生在創作產品的過程中,通過與教師的不斷互動,體會多學科理論知識在實踐中的應用,有助于提高他們的綜合實踐能力。

(3) 增強學生的職業素養。“創客+”3D打印實踐教學方法,以提出創作產品原型為目標,讓學生利用3D打印技術體驗產品創作的完整過程。在產品設計及創作過程中,引導他們設立正確的產品設計原則、方法與思路,幫助他們體會由“創客”到“產品工程師”的角色轉變。