3D打印技术融入职业教育工业设计专业中的思考

曹育红　朱姝

摘  要：随着增材制造技术的发展，3D打印打破设计与制造之间的壁垒，工业设计人员可以利用3D打印快速得到实体模型。传统的工业设计行业，变得更具有个性化，消费定制也成为可能。传统工业设计行业的转型，对高等教育、职业教育的人才培养，也提出新的要求。该文概括3D打印技术给传统工业设计产业带来的挑战，分析职业教育工业设计3D打印人才培养面临的困境和优势，以期对职业教育工业设计专业3D打印人才的培养带来有益的思考。

关键词：3D打印技术；工业设计；职业教育；增材制造；传统工业设计行业

中图分类号：G710        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）26-0076-05

Abstract： With the development of additive manufacturing technology， 3D printing has broken the barrier between design and manufacturing， and designers can use 3D printing to quickly get solid models. The traditional industrial design industry has become more personalized， and consumer customization has become possible. The transformation of the traditional industrial design industry has put forward new requirements for the training of talents in higher education and vocational education. This paper summarizes the challenges brought by 3D printing technology to the traditional industrial design industry， analyzes the difficulties and advantages faced by the training of 3D printing talents for industrial design in vocational education， in order to bring beneficial thinking to the training of 3D printing talents for industrial design majors in vocational education.

Keywords： 3D printing technology; industrial design; vocational education; Additive Manufacturing; industry of traditional industrial design

隨着“十四五”规划和2035年远景目标纲要的出台，我国制造业向智能制造转型，工业设计是赋能我国制造业转型升级的抓手之一。工业设计是制造业创新的源头，但其本身也面临着新理念、新技术、新生态等问题。中国智能制造要走得长远，工业设计领域必须引入新的技术、融入新的内驱动力，才能对转型形成有力的支撑。3D打印技术出现于20世纪90年代中期，随着技术和材料的完善，为复杂的工业设计带来了更多可能。职业教育作为工业设计人才培养的基地，如何适应新的形势，将3D打印技术的发展融入工业设计专业的建设，是一个值得思考的问题。

一  3D打印技术的发展

人类在创造的历程中从未停止脚步，远古时期手工业较为发达，我们的祖先依靠打磨石块、兽骨等制作捕猎、生产工具，甚至用兽齿等制作简易的工艺品和装饰品，随着工艺不断发展，新石器时代的各种手工制作的工具变得更加精美，出现一些精美的手工制造的成品，但此时制作工艺繁杂，只有专业的铁匠木匠工人才能将人类所想之物通过双手变成实体，因此人们也在不断探寻是否存在快速成型的工艺能够满足人们的需求，这时人们开始选择泥加工，将泥作为原型进行塑造， 虽成型时间缩短，但成品稳固性不够不易保存。直到20世纪80年代，工业时代的自动化机器人出现和快速发展自动化制造引起新一轮产业革命，具有生产效率高、精度高和容错率低的特点。而此时产品制造的“原型制作”的重要性更加凸显，原型制作在手工业时期通常是以熟练工人制作样版作为原型，其余普通工人依照样版制作产品，因为依靠人工的制造工艺存在质量参差不齐的缺点。自动化制造阶段的原型制作是将机器设定正确参数制作出模板，以制作模板产品时的参数为限定，批量制作产品。

增材制造（additive manufacturing，AM）技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除（切削加工）技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法[1]。20世纪60年代后，高精尖行业出现，航空航天、电子工业对零配件的精度要求较大，手工制作已经不能满足社会的需求，早期计算机辅助设计（CAD）的出现，使得分布式材料制造技术得到蓬勃的发展，分布式材料制造技术是将要生产的零部件材料细化分解为更加微小的基本单位，然后利用工艺技术一块块堆积或是削减，产生了3D打印技术工艺的雏形。20世纪90年代快速成型技术诞生，与分布式材料制造相似，快速成型技术可以精准地将设计思想转变为具有一定功能的原型或是直接制造零件，通过快速成型设备将一层层的材料堆积成实体原型[2]。1995年，Jim Bredt和TimAnderson把原型制造意识与喷墨打印机结合起来使机器打印出实体模型，3D打印自此从快速成型技术中延伸出来。3D打印打破了设计与制造之间的壁垒，设计人员可以设计后利用计算机将构思建模成为三维CAD数据，利用3D打印设备得到所需的实体模型。并且3D打印技术经过十几年的发展，金属、石膏、水凝胶和巧克力等都可以作为3D打印的原材料，同时，3D打印工艺的精度也比原始设备有明显提升，打印速度增快10倍，甚至一些机器还支持打印彩色实体模型。

二  3D打印技术对工业设计行业的影响

工业设计是一个综合领域，近年来随着计算机技术、材料技术、工学技术的不断发展，工业设计领域也在不断突破。3D打印技术由于独特的技术特征，被广泛地应用到了工业设计中，深刻地改变了工业设计的思路、产品生产、产品销售和服务。面对大众需求的日益多样化，人们对幸福生活的追求愈发强烈，各种个性化、多品种的商品受到消费者的欢迎，消费者也会在购买物品时注重物品带来的“幸福感”。3D打印对于工业设计这一行业而言，从创作思维上，为设计师提供了突破的可能。3D打印成为了设计师将创意变成实物的新工具和新技术，设计师可以充分发挥创造力对设计进行构思，并依靠计算机软件实现作品呈现，之后通过3D打印设备将所思所想变成实物作品，3D打印的速度可以较快呈现设计师作品，这样的模式更能够为设计师创作提供充足空间，也会满足较多小众设计师的需求，对于设计师这一行业的成长大有裨益。2022年冬奥会我国设计师霍彤女士设计的“双城共筑梦”飞舞宝珠笔就采用了独特的3D打印技术来落地。该产品采用了光固化SLA成型工艺，由激光固化目标树脂材料，通过层层的堆叠实现由点到线、有线到面的材料凝固，这种无拘无束的3D打印技术，使独特造型的成型有了可能。

同时3D打印技术不仅改变了设计者，也改变了行业的消费者。设计师在3D打印设备支持下能够创作出更具个人特色的作品，这样的环境也会让消费者不再处于被动选择的位置，能够自主选择喜欢的产品甚至是成为“设计者”制作满足自己需求的产品。现今消费者较多追求个性化产品的使用，消费者也有对设计的巧思但没有实践的机会，3D打印设备的操作大多较为简单，并且打印过程为全自动进行，消费者可以根据自己的想法与设计师合作设计实现自己所需的产品，保证了产品的独特性。在工业设计行业未来发展中设计师与消费者的联系会更加紧密。3D打印技术带来的双向改变，也对工业设计行业的人才培养提出了新的要求。我国高等教育、职业教育对3D打印人才的培养，也都根据行业的新生态做出了调整，特别是职业教育3D打印人才的培养体系迎来了深刻的挑战。

三  3D打印技术在职业教育发展中面临的困境

随着3D打印技术的发展和产业生态的成熟，在教育领域中的应用也逐渐规范化，特别是职业教育领域已经开始了长远的探索。3D打印技术应用领域的广泛性，决定了其对人才要求的多样性，从高层次的设备研发人才到中初级的3D打印服务人才、销售人才、设备操作与维护的专业技术人才，都有很大缺口[3]。2022年，人社部发布的《2021年第四季度全国招聘大于求职“最缺工”的100个职业排行》显示增材制造设备操作员处于第98位，人才缺口明显。但与之相反的是，2022年7月3D打印资源库对3D打印专业毕业生进行调研发现，不仅职业教育毕业生就业形势严峻，就业环境不友好，甚至本科毕业生也选择读研，进入研发机构来缓解就业困境。这种矛盾现象的原因在哪里，值得教育行业深思。

据调研，目前已经开设3D打印技术的职业院校，普遍面临着专业建设、教师、学生三方的困境。

（一）  增材制造专业建设面临的困境

增材制造技术本身属于新兴技术，专业建设没有成熟的模板参照，主要的参考来源于两个途径。一个途径是国外先进增材制造业的专业建设经验。澳大利亚的蒙纳什大学工学院于2013年就基于德国先进的增材制造技术，并对增材制造的课程体系进行了探索。蒙纳什大学工学院从学科交叉培养人才的目的出发，考虑增材制造技术的特殊性，结合机械和电子信息技术，培养工业生产所需要的创新性人才。我国中南大学当年就向澳大利亚取经，建立了“中澳国际轻金属研究中心”，与蒙纳什大学工学院紧密交流，吸取其顶层设计的经验，培养我国自己的增材制造人才。另一个途径是延续国内传统制造业的课程体系和设置。2021年2月，教育部发布《教育部关于公布2020年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知》，增材制造被归属于机械类专业列表。增材制造技术在我国从研发到产业化，不到20年的时间，高职院校并无完善的专业体系。目前，增材制造专业归属了机械大类，大部分院校基于专业建设基础，大部分都是在传统的机械制造、自动化、工业设计的基础上，沿用原有的专业体系设计，对人才培养方案进行微调、增设增材制造相关的技术课程，构成新的专业建设方案。这两个途径，各自具有不同的优势和缺点，但是从中可以看出，我国的专业建设当前只能整合已有资源，尝试进行课程的设置，特色经验都还不充分。我国还需要从行业需求、3D技术工艺的特殊性、我国制造业的特征出发，建设具有中国制造业特色的增材制造专业。

（二）  增材制造专业教师面临的困境

增材制造技术的成熟度不够，师资类型和职业教育的性质不匹配。我国增材制造技术1997年制造了第一台快速成型机，2000年成立研发中心，开始自主研发。目前我国掌握了核心技术的研发中心，主要集中在西北工业大学、北京航空航天大学、西安交通大学和上海理工大学等高校。中国增材制造产业联盟发布的《增材制造人才报告》显示“本科学历人才50.7%，硕士占比35.1%，博士及以上占比3.2%”，可见行业人才学历较高。从中可见，普通院校研究中心培养的都是增材制造的高端研究人才。而我国制造业人才的转型发展，需要不同层次的人才。据教育部发布的《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见》，增材制造应用型人才缺口为800万。面临这种人才缺口，我国职业教育新增3D打印专业，通过三个渠道建设师资队伍。一个渠道是向研发机构重金招聘增材制造高端人才，扩充师资力量。如苏州工业职业技术学院以一次性发放30万安家费、10万科研启动经费等待遇，招聘增材制造技术专业博士。第二个渠道是从企业招聘富有行业经验的增材制造人才，完善师资队伍层次。但是以正式引进人才进入职业教育师资队伍的案例较少，多是以政校企行共同培养人才为主。如佛山职业技术学院智能制造学院就联合广东轻工职业技术学院、佛山市南海中南机械有限公司、廣东银纳增材制造技术有限公司联合开发逆向工程与3D打印技术精品课程，以弥补师资队伍经验不足的缺陷。最后一个渠道是国家针对职业教育教师，邀请增材制造领域专家和行业头部企业举办增材制造技术专项培训班，提升教师技能和实践能力。2021年1月就由全国机械职业教育教学指导委员会和机械工业教育发展中心牵头，联合中国增材制造（3D打印）产业联盟，开展了面向浙江机电职业技术学院、四川工程职业技术学院、广西机电职业技术学院和云南机电职业技术学院等十多所职业院校专业教师的增材制造（3D打印）技术高级研修班。培训通过专家交流、企业案例解读、现场教学指导，提升了高职教师的实践技能。这三种渠道，各有利弊，但是都无法满足我国目前职业教育建构多层次增材制造人才体系所需要的师资队伍的。研发型人才的高校教师缺乏企业实践经验，偶尔会出现和职业教育人才培养“水土不服”的现象。邀请企业讲师担任客座讲师，虽然可以丰富师资队伍实践经验不足的问题，但是企业讲师在校时间有限，无法在固定教学时间内现场指导，教学效果不能得到稳定的保证。举办培训班，教师虽然接受了新技术的培训，但是研发水平、行业经验和实践能力较为缺乏，边学边教，教学效果的水平难以得到持续的提升。而且2019年国务院印发的《国家职业教育改革实施方案》中明确指出“发挥标准在职业教育质量提升中的基础性作用。按照专业设置与产业需求对接、课程内容与职业标准对接、教学过程与生产过程对接的要求，完善中等、高等职业学校设置标准，规范职业院校设置”，要求师资队伍建设完美契合产业标准。就目前的状况来看，增材制造行业成熟的职业教育师资队伍不够强大，无法与职业标准对接，满足职业教育持续发展的需求。

（三）  增材制造专业学生就业面临的困境

学生和岗位无缝对接难，继续深造缺乏相应的渠道。随着教育部从基础教育、职业教育到高等教育官方权威指导文件的陆续出台，我国3D打印人才的培养体系开始初步构建。我国的3D打印技术目前主要覆盖技术研发、基础应用和市场服务三大领域，不同领域则需要不同的3D打印人才。我国高等教育3D打印人才培养起步较早，2013—2014年青岛电子学校和西京学院就起步较快，开设了3D打印专业。随后我国南京航空航天大学、清华大学、北京航空航天大学陆续开始培养3D打印人才，目前我国3D打印产业上游研发企业所需要的科研人才已经初具规模，有了一定的经验。相对来说，职业教育人才培养的起步较晚，3D打印中下游产业的发展状况、技能人才的需求量、岗位的具体要求都处于摸索阶段。2022年3月10日，3D打印资源库网站发布了《这些全年无休的3D打印毕业生，找工作还是很难》的文章，为这一现象敲起了警钟。从这则信息可以发现，高职院校在人才培养上努力探索正规的3D打印人才培养道路，培养模式实践为主、实训设备充足、课程内容体系完整、教学方式校企合作，充分地应用3年学习时间培养了300余名高质量人才。但是从目前的就业形势来看，却不容乐观，学生就业较难，只能求助于平台。分析其深层次的原因，主要集中在以下两个方面：一方面，高职院校对人才培养的目标和定位不明确。2021年《中国3D打印人才需求报告》数据显示“预计3年内需要的3D打印模型设计师数量850人。学历要求基本都是专科以上，50％为本科以上”“预计3年内需要的3D打印机械／电气／硬件／产品工艺工程师数量2 000人。学历要求基本都是本科以上，10％为硕士以上[4]”。从报告数据来看，目前各中游企业的人才需求中，基本人才学历要求本科及以上，技术岗位极大地压缩了对职业教育人才的需求。而与之相反，3D打印技术操作、销售、维护人员3年内需要4 700名职业教育学历人员。可见3D打印机、售后服务等领域的应用型人才需求量较大，需要职业教育培养3D打印人才的企业，主要集中在3D打印产业下游服务商领域。但是报道中的高职院校培养人才，基本集中在产业中游设备生产商所需要的技术性岗位人才，与产业内企业的需求产生了矛盾，造成了学生空有一身技术，难以和岗位对接。另一方面，职业教育和本科教育贯通的渠道有限，职业教育学生缺乏学历提升的途径。专升本就是一种主要的学历提升方式，但是我国2021年才正式增设增材制造专业，2021年全国第一所增材制造工程本科专业河南新乡学院才开始正式招生，截至2022年我国8个大学正式开设了增材制造工程本科专业，其他学校仅开设相关专业和课程。可见本科院校自身数量的有限，使3D打印专业职业院校学生专升本竞争非常激烈，难以满足大量的职业院校学生学历提升的需求。从3D打印资源网的案例来看，职业教育3D打印人才的培养，需要做好增材制造产业人才供给侧的调研，着眼于产业发展链的需求，做好人才培养的顶层设计，为职业教育培养的学生顺利和岗位对接打牢基础。

四  3D打印技术对高职工业设计专业发展带来的新机遇

3D打印技术虽然在职业教育中面临着多方面的挑战，但是由于材料技术的大胆革新，也为对接领域的人才培养带来了新的机遇。如我国职业教育面向工业设计领域培养的3D打印高技术人才，就拥有传统设计领域无法比拟的优势。高等职业院校的工业设计是一门特征明显的学科交叉融合专业，在专业建设中引入3D打印技术方向，不仅精准地进行行业生态对接，而且实现了专业建设升级。高职工业设计教学中应用3D打印技术，帮助学生深化对工业设计知识的感悟并通过操作实践掌握新技术、生成作品模型，不仅帮助学生掌握了工业设计领域的新知识、新技能，而且提升了学生的学习满足感和自信心。

（一）  与传统工业设计专业教学相比，3D打印方向教学倡导设计和制作协同工作

与传统的工业设计相比，3D打印技术产品设计个性化、结构成型一体化、成型快速化。因而3D打印技术使得高职院校师生在教学中能够将产品的创意与设计、建模分析、制造改进等环节融为一体，并在操作中共享3D打印设备与数据平台，及时沟通反馈，达成协同工作，较大地提高了课堂效率。

（二）  与传统工业设计教学相比，缩短了教学实训周期

在提高用户参与度的基础上，能更加快速、准确地获取用户感知与需求，极大地缩短了产品设计生产周期，节约了时间成本，提高了生产效率，同时，既达到了“快与准”的要求，又更好地满足了消费者个性化、多样化的需求以打造一件产品[5]。传统工业设计课程安排的课时数长达36学时，学生需要在36学时中进行产品的外观设计与建模，并通过4周以上的实操课对产品进行制作，耗时耗力。而3D打印技术进入课堂，可以为学生提供一些制造实体作为参考，计算机处理三维模型极大限度地降低学生制作过程中理解图纸的繁杂步骤，修改模型也可以直接在三维效果图中进行调整，项目实施中同一项目团队的学生也可以直接根据三维效果进行评价和修改，在共同协作中打印出更符合设计意图、更有创意的成品模型，这样可以缩短设计产品的设计修改评价时间，极大地提高了研发周期的效率，达到缩短教学实训周期的目的。

（三）  与传统工业设计专业教学相比，提高教学产品的制造精度和质量

实际制作出来的产品与原始的设计一般都会存在误差，任何技术都无法100%还原出无误差的产品。传统工业设计教学中产品的制造依靠学生手工打造或是模型样机打磨制成，产品外观打印成品较为粗糙且质量不高，精细度不够，降低了设计产品的审美和质量。3D打印技术虽然也不能100%精准还原设计，但是产品精度可以控制在1%之间，极大地提高了产品的质量和还原度。比如目前性价比最高的FDM（熔融沉积）3D打印技术，桌面级3D打印机的精度就控制在0.5 mm左右，工业级别的精度就控制在0.2 mm左右，可以在较高的分辨率下完成快速打印。因此3D打印设备能够在工业设计专业，学生的学习过程中代替一部分“工匠技艺”的操作，确保制造出的产品的精准度及其与设计图纸的吻合度，模型在适用度和精密度提升的同时，还可以在减少材料损耗的情况下，满足课程的实际需求。

五  结束语

随着增材制造技术的发展，3D打印工业设计产业已经进入了快速增长阶段，面向生产、建设、服务和管理第一线，具有创新意识的高素质技术应用人才的需求也在不断增加。但目前传统工业设计企业仍然规模较大，转变思维意识不足，将增材制造产业的发展和传统工业设计领域深度进行融合是目前发展的主题。高职院校也要在面临机遇和挑战的情况下，结合工业设计未来的产业发展趋势，合理地应用3D打印技术，为产业的转型和发展奠定人才基础。

参考文献：

[1] 卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013，42（4）：1-4.

[2] 杨亚萍.工业设计专业《设计材料及加工工艺》课程教学的思考[J].科技信息，2011（14）：34-35.

[3] 谢洁.包装设计实用价值与审美价值探析[J].包装工程，2014，35（8）：85-87，100.

[4] 南极熊3D打印网.《中国3D打印人才需求报告》[EB/OL].https：//www.163.com/dy/article/GIFRJMC8051186GP.html.

[5] 陈立影基于敏捷设计的女性电子烟形态研究[D].昆明：昆明理工大学，2019.

基金項目：教育部人文社会科学研究“3D打印技术在工业设计专业中的应用研究”（17YC880144）

第一作者简介：曹育红（1967-），女，汉族，河北献县人，博士，教授。研究方向为现代教育技术、职业教育技术。

*通信作者：朱姝（1979-），女，汉族，湖北宜昌人，硕士，副教授。研究方向为职业教育技术。