“创客+”3D打印实践教学方法研究

吴 涛, 刘 新, 朱瑞富, 秦 峰, 陈金宝, 仪 维

(山东大学 工程训练中心, 山东 济南 250002)

3D打印作为新一轮工业革命的代表性技术[1],近年来受到各国政府的大力支持,我国也相继出台了支持增材制造产业发展的一系列相关政策[2],使得制造业对3D应用人才需求不断攀升,国内很多高校、中小学、社会教育机构都在开展3D打印相关的教育活动[3]。我校依托国家级众创空间——山东大学创客空间,以培育创客为目标,将创客教育理念融入到现有的优质实践教学项目中,自2015年开展系列项目化创客实践教学活动以来,取得了显著成效[4]。本文结合所开展的3D打印创客实践教学项目,对3D打印在创客教育中的应用进行研究与探索。

1 “创客+”3D打印实践教学方法的理论基础

国内高校3D打印实践教学主要可以分为以下几种形式：(1)通识认知型：开展3D打印原理认识,进行3D打印实践操作体验[5];(2)专业提高型：在通识认知型教育基础上,增加前置的CAD建模或逆向工程教学模块[6-7];(3)创新培养型：围绕相关大学生创新竞赛命题,以创新培养为目的,以实现作品中的某些零部件制造为目标,进行3D打印相关教学[8];(4)教学辅助型：在某些专业实践教学环节中,配合使用3D打印制作的教具、工具以辅助进行专业知识教学[9-10]。上述教学方式能够使学生基本掌握3D打印的基础知识和操作应用,但也存在学时有限、方法单一、系统性差、趣味性不足等问题。

国外一些教育机构普遍将STEAM教育模式及创客教育理念贯穿到3D打印教学活动中,融合科学(science)、技术(technology)、工程(engineering)、艺术(arts)、数学(mathematics)等多学科知识[11]。创客(maker)本质上来说就是做东西的人,是努力将各种创意转变为现实的人[12],而3D打印具有能设计就能制造的特点,符合创客理念,能够最大限度地帮助创客完成从产生创意到实现创意的过程。创客进行创作的终极目标是形成商业化产品,因此将创客教育理念引入到3D打印实践教学中,以创作商业化产品原型为目标,让学生体验产品从无到有的完整过程,不仅有助于学生深入学习理解3D打印技术,同时对于培养学生的独立思考能力、创新思维能力、空间想象能力、创造设计能力、团队协作能力以及审美意识都具有重要意义。

2 “创客+”3D打印实践教学方法的设计实现

工业产品从最初的产品设计到产品定型并推向市场是一个漫长的过程,是产品研发者智慧的结晶。“创客+”3D打印实践教学方式按照产品创作过程顺序,基于STEAM教育模式,从产品创作立项到产品创作前期调研、产品设计、产品原型制作及产品价值评估等,逐步引导学生创客运用3D打印技术完成实际产品制作。本文将以具体项目案例,介绍“创客+”3D打印实践教学方法的设计与实现(见图1)。

图1 “创客+”3D打印实践教学方法

2.1 产品立项

对于学生创客而言,选择并提出合理的产品设计,是产品最终能否顺利输出的前提和保证。应充分考虑产品的设计难度、制作周期、制作成本等,同时,创客空间应给予创客实验室环境、设备及耗材方面的支持。产品选题要具有开放性、灵活性,一般应从学生能够普遍接触到的日常生活、学习用品或简易工业产品中选取,要求学生进行改良或创新设计。

本文提出的创客产品问题为设计并制作一款可供儿童使用的小夜灯,要求在10天内制作完成,并将产品成本控制在100元以内。

2.2 产品设计前期调研

在产品设计之前,引导学生首先进行竞品分析和问卷调查,调研产品研发的可行性及出发点,形成具体的用户模型。通过竞品分析,找出同类产品的共有特性,继而从同类产品中吸取优点,摒弃缺点。通过问卷调查,则可以建立产品创新设计的期望点[13]。

结合本文案例,小夜灯是生活中经常见到的家电产品,产品形式也已非常成熟,设计应围绕使用对象的特点展开。题目要求适于儿童使用,产品外观应具有一定的童趣性,同时应注意儿童使用过程中的安全性和便捷性。在竞品分析中,总结当前市面上小夜灯产品的共有特性,包括长时间续航、多模式调节、操作方式简单等,但也存在形式不够新颖、没有面向特定的目标用户等问题。在问卷调查中,将儿童的监护人作为调查对象,调研他们对于市面上现有小夜灯产品的评价及对儿童小夜灯的期望点、购买欲强度等。问卷调查既可采用传统的纸质问卷形式,也可借助问卷微信小程序等。

2.3 产品设计分析与论证

在产品设计阶段,围绕产品的使用方式、使用环境,引导学生进行人机分析、设计心理学分析、环境设计关系分析等,进行产品设计前的充分论证,并结合前期调研结果,形成产品创意。

结合本文案例,从使用对象的特点分析,12岁以下儿童喜欢鲜艳颜色,容易对存在感较强的事物感兴趣;从小夜灯的基本属性分析,应选择合理显色指数的灯源,使在使用时不易发生视觉疲劳,并且可以安全触摸;从人的视觉及生理习惯分析,小夜灯的开关、通电等部位的设计要易于辨识,易于使用。学生创客形成的最终产品创意为：小夜灯整体造型为小怪兽玩偶,调光控制开关为可拨动的眼球,眼睛张开小夜灯开启,眼睛闭合小夜灯关闭,同时能够进行无级调节,背部设计充电孔用以通过可循环充电电池续航。

2.4 产品草图绘制与CAD建模

根据生成的产品创意,引导学生进行主要结构、传动零部件、电气部件等的形位设计,首先形成概念草图规划。在产品CAD建模时,由于3D打印制作零件精度在0.1 mm左右,必要时可对某些设计尺寸进行微调,且应充分考虑各零部件的装配需求,指导学生对产品零部件分别进行设计造型。

结合本案例,小怪兽夜灯的整体箱体为立方形盒体,通过在盒体侧面设计孔槽放置可拨动的眼球开关,眼球通过锥齿轮结构实现与电气开关部件的连接,学生创客绘制的概念草图及使用CAD软件建立的模型如图2、图3所示。

图2 产品概念模型草图

图3 产品CAD建模

2.5 产品3D打印制作

在进行产品3D打印制作时,围绕产品各零部件的结构特点,结合零件的制作精度要求、表面质量要求、支撑材料后处理难易情况等,指导学生进行3D工艺选型,设置合理的3D打印工艺参数,如摆放方位、分层厚度、填充密度、打印速度等。在3D打印完成后进行零部件组装,若出现装配问题则返回设计阶段进行修改。

结合本案例,小夜灯的主要结构部件应具有良好的力学性能和较好的表面质量,因此选用熔融沉积3D打印工艺进行零部件制作。为了提高制作精度和表面质量,夜灯的箱体、拨动开关(带盲孔球体)、传动锥齿轮轴采用Stratasys Dimension系列成型机进行打印,制件完成后的支撑材料可溶于碱性溶液中[14]。其余部件可采用剥离式支撑材料的UP Plus 3D打印机进行制作。

2.6 产品评估

产品原型完成后,要求学生对制作的产品进行评估,包括是否达到预期目标、产品功能的实现程度、产品主要参数解释、产品制作成本等,并进行产品市场化评价分析,形成产品评估报告。

结合本案例,应评估制作的小夜灯是否满足设计和功能要求,详细列出小夜灯的相关产品参数,如产品材质、尺寸、重量、额定电压、功率、灯光色温、电池容量等,同时量化产品的制作成本,分析产品价值及推向市场的可能性。学生创客最终完成的小夜灯产品如图4所示。

图4 最终完成的小夜灯产品

3 “创客+”3D打印实践教学方法的成效

“创客+”3D打印实践教学方法,打破常规做法,丰富了课堂教学内容,增强了教与学的互动性,提高了学生学习的兴趣和动力,使创客理念深入学生内心,自2015年开展以来取得了一系列成效。由笔者指导的学生团队参加了国际水中机器人大赛、中国工程机器人大赛暨国际公开赛、创青春全国大学生创业大赛、山东省机电产品创新设计竞赛等赛事,取得国家级赛事一等奖5项,省级赛事一等奖3项。另外,笔者指导的2015级机械工程学院学生，借助制作的创客产品顺利签约某知名电声行业公司,实现了职业愿景。

4 结语

在高校实践教学环节中,3D打印作为一项先进制造技术已经广泛开展。由于受到教学学时、条件等限制,3D打印实践教学中普遍存在面向专业狭窄、教学方法单一、实用性不强等问题。制造业对3D打印技术相关人才的标准不断提升,给高校3D打印实践教学环节提出了越来越高的要求。本文提出的“创客+”3D打印实践教学方法,将STEAM教育模式及创客教育理念引入到3D打印实践教学中,有以下优势：

(1) 培育学生的创客创新精神。“创客+”3D打印实践教学方法,通过提出开放性的产品设计问题,使学生在学习过程中敢于进行思维发散,大胆创新,将自己的创意通过亲自动手制作而实现,体会创新的快乐与成就感,从而有效培养创客创新精神,进一步激发创作产品的愿望。

(2) 提高学生的综合实践能力。“创客+”3D打印实践教学方法,在教学过程中了融入产品设计学、机械设计基础、CAD建模、3D打印等相关知识,让学生在创作产品的过程中,通过与教师的不断互动,体会多学科理论知识在实践中的应用,有助于提高他们的综合实践能力。

(3) 增强学生的职业素养。“创客+”3D打印实践教学方法,以提出创作产品原型为目标,让学生利用3D打印技术体验产品创作的完整过程。在产品设计及创作过程中,引导他们设立正确的产品设计原则、方法与思路,帮助他们体会由“创客”到“产品工程师”的角色转变。