3D打印技术的职业技能培养思路探究

(天津市劳动保护学校，天津 300171)

一、前言

3D打印技术，是一种新兴的机械加工制造方法，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式实现三维实体的制造。3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型，使大规模的个性化生产成为可能，发展该技术产业还可以提升工业产品开发水平、形成新的经济增长点进而促进就业。2012年，英国《经济学人》杂志刊登文章，将3D打印技术誉为第三次工业革命的重要标志之一。

3D打印技术如今已在多个领域得到应用，如工业制造、生物医疗、国防军工、艺术创作、教学研究等，并已成功地形成了商用模式、服务经济发展。根据国际快速制造行业权威报告《Wohlers Report 2017》公布的调查结果，2016年3D打印业的全球收入增长了17.4%，现值60.63亿美元，并预期3D打印产业未来仍将持续较快地增长。依据中国3D打印技术产业联盟的数据预估，在未来几年，中国3D打印市场每年将会以1倍以上的增长空间上升，规模可达到上百亿美元。目前，在销售领域，我国各地已有多家企业从事3D打印机的整机生产和销售，如北京殷华、深圳维示泰克、江苏敦超、南京紫金立德等企业。在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业依托3D打印技术开展了快速成型服务，例如，广东省工业设计中心、杭州先临快速成型技术有限公司等企业，设立了3D打印服务中心，向国内外客户提供服务，取得了良好的经济效益。随着3D打印技术的不断完善、其产业的不断成熟，该技术将产生更多经济价值，带来更多的就业空间，对于从业者而言，也意味着学习掌握该项技术将具有更强的就业竞争力。

二、3D打印技术的工作原理及流程

(一)3D打印技术的工作原理

3D打印技术是“增材制造”的主要实现形式，它与传统的材料加工方法截然相反，具有数字制造、降维制造、堆积制造及快速制造的特点。目前，实现3D打印的技术主要有光固化成形(SLA)、熔融沉积制造(FDM)、选择性激光烧结技术(SLS)、分层实体制造技术(LOM)、电子束选区熔化成型技术(EBM)、激光选区熔化技术(SLM)以及电子束熔丝沉积快速制造技术。不同技术对应的3D打印机创建每一层实体的方式及适用的材料都是不同，3D打印机的工作原理均采用分层加工、叠加成型的原理来实现三维实体的打印。

3D打印机是实施3D打印的核心设备，它主要由计算机控制系统、机械系统、喷射系统等构成，其工作原理与普通打印机基本相同。目前，3D打印设备制造商主要集中在美国、德国、以色列、日本和瑞典等，其中美国的Stratasys和3D Systems两家公司占据全球主流工艺90%的产品线。

(二)3D打印的工作流程

3D打印的一般工作流程主要包括三维建模、模型切片、打印制作及后期修整四个环节，其中每个环节的主要工作内容为：

1.三维建模

依据设计方案，利用Auto CAD、SolidWorks、UG等计算机建模软件建立其三维虚拟模型。对于改良设计等已有实体产品的情况，也可以利用goSCAN、Kinect等三维扫描技术手段获取原产品的三维数据，再通过软件生成需要的虚拟三维模型。

2.模型切片

三维模型输入电脑以后，需要通过打印机配备的专业软件做进一步处理，将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。

3.打印制作

打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状等打印材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。打印环节的耗时根据打印机类型、模型大小、精度要求的不同而异。

4.后期修整

模型打印完成后一般需要对模型进行后期修整才能达到理想状态，例如，打磨毛刺或粗糙面以获取更高的精度；去除不属于最终模型的支撑结构；对模型进行固化、上色等。

图1 3D打印的工作流程

三、3D打印技能培养思路

(一)技能培养目标

与传统制造技术相较，3D打印技术的主要优势体现在大规模个性化定制的实现。这一优势为该技术成功开拓商业市场提供核心竞争力，对应的商业发展模式主要为开设3D打印店或相关业务为客户提供生产定制产品的服务，要求从业者具备服务客户定制需求的能力，成功获取该能力即为3D打印技能的培养目标，具体包括：

1.一定的设计能力

3D打印技术的优势主要体现在个性化定制的实现，一些顾客对于所需产品仅有脑中的概念，没有具体方案，这就要求3D打印技师具有一定的设计能力，如对美的感知、造型及色彩搭配、结构验算等能力，以满足客户的定制需求。

2.熟练的三维建模能力

目前市面上的3D打印机基本都可识别STL格式的模型文件，掌握能生成此格式的一些常用的3D建模软件，如ProE、UG、Solidworks、CAD、犀牛、3Dmax，可从零建立一个全新的模型。而掌握逆向扫描技术则可快速获取已存在产品的虚拟三维模型。

3.熟记3D打印材料的相关知识

3D打印不是一项高深的技术，它与普通打印的主要区别体现在打印材料上。常用的3D打印材料有工程塑料、光敏树脂、金属及陶瓷材料等。各种材料的性能差异性对同一产品功能的实现具有巨大影响，熟记3D打印材料的种类及其性能是合理选材的前提。另外，目前市面上的3D打印材料都是针对特定打印机，或者说打印机针对特定材料，这就要求在学习材料性能等知识的同时，还需掌握其适用的打印机型号。

4.熟练的3D打印机操作技能

操作者应能熟练完成常见3D打印机的硬件及软件操作，例如换料、切片设置。目前，市面上的3D打印机均配备特定的切片软件。对于同一个三维模型，不同的切片方式得到的产品加工时间不同，后期修整工作的难易程度也不同，掌握切片方式的设置技巧，对于打印进程的高效完成十分重要。此外，还需掌握3D打印机常见故障修理及日常养护等技能。

5.一定的修配加工技能

3D打印出的产品通常需要一些后期工序，如打磨、烧结、组装、切割等，这些过程通常需要大量的手工工作。

(二)培养路径

在互联网+时代，大部分产品可以借助互联网、物联网分阶段完成，例如，完成一件个性化产品的定制，其设计建模阶段和打印制造阶段可由不同的专业团队在不同地点完成。结合此时代背景，考虑到获取3D打印各流程对应技能的不同智力要求，可将3D打印职业技能培养路径规划为初级和高级两个阶段。初级阶段的学习以能熟练运用3D打印机制造实体为目标，侧重操作技能的培养。高级阶段的学习以具有服务个性化生产的能力为目标，要求学生具备一定的设计及熟练的建模能力，以便服务客户满足其定制需求。就智力要求水平而言，两个阶段呈阶梯型，对应职业教育的中专及大专阶段。

(三)培养模式

初级和高级两阶段的学习均以达到技能培养目标为主旨，总体上采用理论学习+实践锻炼+岗位模拟的模式。具体上，理论学习采用“一对一”模式，即以专业知识为专业能力的形成服务为原则安排理论学习，打破传统学科界线，将专业基础知识与基本技术能力有机统一起来，使学习的每一个知识模块对应提升一种能力。例如，通过对《SolidWorks建模》的学习，培养学生的三维建模能力；通过对《钳工工艺》的学习，为学生掌握修配加工技能打下知识基础。

实践锻炼采用“大赛引领”的培养模式，即以职业院校技能大赛为引领安排日常的实践锻炼。职业院校技能大赛是由教育部、地方和行业组织共同举办的职业院校学生技能竞赛活动，其试题由学科及行业专家精心设计，难度大、灵巧度要求高，揉入了行业的高端技术与最新要求，体现着行业的前沿动态；其作品考核环节把关严格、公平公正，比赛结果具有权威性。以赢得比赛为目标，通过备赛、比赛来锻炼学生的实际操作能力及职业心理素质，借助大赛对学生的技能水平进行考核与点评，指导能力提升，最终使学生具备承接实际市场任务的能力。

岗位模拟安排在理论及实操学习的末期进行，目的是通过对市场实际的工作任务、要求及环境等的模拟，帮助学生完成身份角色的转变，深化职业认同，同时对学生自身能力水平再度进行检测，便于其查漏补缺或精益求精。建议采用小组模式开展模拟，即将全部学生划分为多个小组，各小组轮流扮演顾客与服务人员的角色，帮助学生揣摩客户心理、预期客户要求，知己知彼，进而更好地服务客户。

(四)课程设置

课程内容设置上主要包括三个部分，一是与3D打印工作流程中的各个环节相对应的核心必修课程，例如，三维建模、切片软件的使用、3D打印机实操及钳工工艺；二是为达到技能目标服务的相关必修课程，例如，开设结构设计、工业设计等相关课程，培养学生的设计思维与能力，使其具备帮助客户实现概念到方案转化的能力。三是基于学生个人能力水平及发展愿景的差异性，而为学生设置的选修课程，例如，可将高级阶段的必修课程设置为初级阶段的选修课，便于初级阶段的学生进行自主提高；开设知识产权保护的相关课程，提升学生的创新意识，帮助学生保护智力创新成果。

此外，学生的职业素养关系其职业的长远发展，因而在安排课程学习、致力于学生成才的同时，要重视并安排学生职业素养培育的相关课程。职业素养课程除包括5s管理等传统内容外，可从技能大赛对选手职业素养的要求、毕业生面试反馈信息、教师企业交流实践的感悟、企业用人要求调查问卷分析等方面来获取。

课程学习的时间安排方面，依据技能目标实现的难易及对智力水平的要求进行。例如，三维建模课程对学生的知识储备、形象思维等要求较高，可将该课程安排在高级阶段进行学习；切片软件的使用、3D打印机实操及钳工工艺侧重动手操作，且多次重复可基本掌握，这些课程可安排在初级阶段进行学习。需要注意的是，每个阶段的学习者都需要了解3D打印的整个工作流程，处于上游环节的工作者应能自觉考虑下游环节的工作需求，并为下游环节工作的顺利开展奠定基础。

图2 3D打印职业技能的培养路径

四、结束语

3D打印技术作为一种新兴的机械加工制造技术，被誉为第三次工业革命的重要标志之一。目前，该技术已在诸多领域得到应用，其产业发展态势良好，对具有该技术职业技能的人员需求越来越大。我国政府出台的《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016)》不仅将3D打印技术发展规划提高到了国家战略发展的高度，更强调了3D打印技术人才的培养。国务院发展研究中心产业经济部的王忠宏等人也发出了我国应加大3D打印技术人才培养的呼声。本文从技能培养目标、培养路径、培养模式及课程设置几个方面，初步探究了3D打印技术职业技能的培养思路，可为职业院校该专业的相关教育教学研究提供基础资料。关于3D打印技术的人才培养还需要相关研究者做更多的探究。

参考文献：

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