(天津市勞動保護(hù)學(xué)校，天津 300171)

一、前言

3D打印技術(shù)，是一種新興的機(jī)械加工制造方法，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的制造。3D打印技術(shù)可以以較低的成本、較高的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復(fù)雜而精細(xì)的造型，使大規(guī)模的個性化生產(chǎn)成為可能，發(fā)展該技術(shù)產(chǎn)業(yè)還可以提升工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)水平、形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)進(jìn)而促進(jìn)就業(yè)。2012年，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志刊登文章，將3D打印技術(shù)譽(yù)為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一。

3D打印技術(shù)如今已在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用，如工業(yè)制造、生物醫(yī)療、國防軍工、藝術(shù)創(chuàng)作、教學(xué)研究等，并已成功地形成了商用模式、服務(wù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。根據(jù)國際快速制造行業(yè)權(quán)威報(bào)告《Wohlers Report 2017》公布的調(diào)查結(jié)果，2016年3D打印業(yè)的全球收入增長了17.4%，現(xiàn)值60.63億美元，并預(yù)期3D打印產(chǎn)業(yè)未來仍將持續(xù)較快地增長。依據(jù)中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的數(shù)據(jù)預(yù)估，在未來幾年，中國3D打印市場每年將會以1倍以上的增長空間上升，規(guī)模可達(dá)到上百億美元。目前，在銷售領(lǐng)域，我國各地已有多家企業(yè)從事3D打印機(jī)的整機(jī)生產(chǎn)和銷售，如北京殷華、深圳維示泰克、江蘇敦超、南京紫金立德等企業(yè)。在服務(wù)領(lǐng)域，我國東部發(fā)達(dá)城市已普遍有企業(yè)依托3D打印技術(shù)開展了快速成型服務(wù)，例如，廣東省工業(yè)設(shè)計(jì)中心、杭州先臨快速成型技術(shù)有限公司等企業(yè)，設(shè)立了3D打印服務(wù)中心，向國內(nèi)外客戶提供服務(wù)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著3D打印技術(shù)的不斷完善、其產(chǎn)業(yè)的不斷成熟，該技術(shù)將產(chǎn)生更多經(jīng)濟(jì)價(jià)值，帶來更多的就業(yè)空間，對于從業(yè)者而言，也意味著學(xué)習(xí)掌握該項(xiàng)技術(shù)將具有更強(qiáng)的就業(yè)競爭力。

二、3D打印技術(shù)的工作原理及流程

(一)3D打印技術(shù)的工作原理

3D打印技術(shù)是“增材制造”的主要實(shí)現(xiàn)形式，它與傳統(tǒng)的材料加工方法截然相反，具有數(shù)字制造、降維制造、堆積制造及快速制造的特點(diǎn)。目前，實(shí)現(xiàn)3D打印的技術(shù)主要有光固化成形(SLA)、熔融沉積制造(FDM)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)、分層實(shí)體制造技術(shù)(LOM)、電子束選區(qū)熔化成型技術(shù)(EBM)、激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)以及電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)。不同技術(shù)對應(yīng)的3D打印機(jī)創(chuàng)建每一層實(shí)體的方式及適用的材料都是不同，3D打印機(jī)的工作原理均采用分層加工、疊加成型的原理來實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的打印。

3D打印機(jī)是實(shí)施3D打印的核心設(shè)備，它主要由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)等構(gòu)成，其工作原理與普通打印機(jī)基本相同。目前，3D打印設(shè)備制造商主要集中在美國、德國、以色列、日本和瑞典等，其中美國的Stratasys和3D Systems兩家公司占據(jù)全球主流工藝90%的產(chǎn)品線。

(二)3D打印的工作流程

3D打印的一般工作流程主要包括三維建模、模型切片、打印制作及后期修整四個環(huán)節(jié)，其中每個環(huán)節(jié)的主要工作內(nèi)容為：

1.三維建模

依據(jù)設(shè)計(jì)方案，利用Auto CAD、SolidWorks、UG等計(jì)算機(jī)建模軟件建立其三維虛擬模型。對于改良設(shè)計(jì)等已有實(shí)體產(chǎn)品的情況，也可以利用goSCAN、Kinect等三維掃描技術(shù)手段獲取原產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)，再通過軟件生成需要的虛擬三維模型。

2.模型切片

三維模型輸入電腦以后，需要通過打印機(jī)配備的專業(yè)軟件做進(jìn)一步處理，將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。每個薄片的厚度由噴涂材料的屬性和打印機(jī)的規(guī)格決定。

3.打印制作

打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀等打印材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實(shí)體。打印環(huán)節(jié)的耗時(shí)根據(jù)打印機(jī)類型、模型大小、精度要求的不同而異。

4.后期修整

模型打印完成后一般需要對模型進(jìn)行后期修整才能達(dá)到理想狀態(tài)，例如，打磨毛刺或粗糙面以獲取更高的精度；去除不屬于最終模型的支撐結(jié)構(gòu)；對模型進(jìn)行固化、上色等。

圖1 3D打印的工作流程

三、3D打印技能培養(yǎng)思路

(一)技能培養(yǎng)目標(biāo)

與傳統(tǒng)制造技術(shù)相較，3D打印技術(shù)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在大規(guī)模個性化定制的實(shí)現(xiàn)。這一優(yōu)勢為該技術(shù)成功開拓商業(yè)市場提供核心競爭力，對應(yīng)的商業(yè)發(fā)展模式主要為開設(shè)3D打印店或相關(guān)業(yè)務(wù)為客戶提供生產(chǎn)定制產(chǎn)品的服務(wù)，要求從業(yè)者具備服務(wù)客戶定制需求的能力，成功獲取該能力即為3D打印技能的培養(yǎng)目標(biāo)，具體包括：

1.一定的設(shè)計(jì)能力

3D打印技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在個性化定制的實(shí)現(xiàn)，一些顧客對于所需產(chǎn)品僅有腦中的概念，沒有具體方案，這就要求3D打印技師具有一定的設(shè)計(jì)能力，如對美的感知、造型及色彩搭配、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算等能力，以滿足客戶的定制需求。

2.熟練的三維建模能力

目前市面上的3D打印機(jī)基本都可識別STL格式的模型文件，掌握能生成此格式的一些常用的3D建模軟件，如ProE、UG、Solidworks、CAD、犀牛、3Dmax，可從零建立一個全新的模型。而掌握逆向掃描技術(shù)則可快速獲取已存在產(chǎn)品的虛擬三維模型。

3.熟記3D打印材料的相關(guān)知識

3D打印不是一項(xiàng)高深的技術(shù)，它與普通打印的主要區(qū)別體現(xiàn)在打印材料上。常用的3D打印材料有工程塑料、光敏樹脂、金屬及陶瓷材料等。各種材料的性能差異性對同一產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)具有巨大影響，熟記3D打印材料的種類及其性能是合理選材的前提。另外，目前市面上的3D打印材料都是針對特定打印機(jī)，或者說打印機(jī)針對特定材料，這就要求在學(xué)習(xí)材料性能等知識的同時(shí)，還需掌握其適用的打印機(jī)型號。

4.熟練的3D打印機(jī)操作技能

操作者應(yīng)能熟練完成常見3D打印機(jī)的硬件及軟件操作，例如換料、切片設(shè)置。目前，市面上的3D打印機(jī)均配備特定的切片軟件。對于同一個三維模型，不同的切片方式得到的產(chǎn)品加工時(shí)間不同，后期修整工作的難易程度也不同，掌握切片方式的設(shè)置技巧，對于打印進(jìn)程的高效完成十分重要。此外，還需掌握3D打印機(jī)常見故障修理及日常養(yǎng)護(hù)等技能。

5.一定的修配加工技能

3D打印出的產(chǎn)品通常需要一些后期工序，如打磨、燒結(jié)、組裝、切割等，這些過程通常需要大量的手工工作。

(二)培養(yǎng)路徑

在互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代，大部分產(chǎn)品可以借助互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)分階段完成，例如，完成一件個性化產(chǎn)品的定制，其設(shè)計(jì)建模階段和打印制造階段可由不同的專業(yè)團(tuán)隊(duì)在不同地點(diǎn)完成。結(jié)合此時(shí)代背景，考慮到獲取3D打印各流程對應(yīng)技能的不同智力要求，可將3D打印職業(yè)技能培養(yǎng)路徑規(guī)劃為初級和高級兩個階段。初級階段的學(xué)習(xí)以能熟練運(yùn)用3D打印機(jī)制造實(shí)體為目標(biāo)，側(cè)重操作技能的培養(yǎng)。高級階段的學(xué)習(xí)以具有服務(wù)個性化生產(chǎn)的能力為目標(biāo)，要求學(xué)生具備一定的設(shè)計(jì)及熟練的建模能力，以便服務(wù)客戶滿足其定制需求。就智力要求水平而言，兩個階段呈階梯型，對應(yīng)職業(yè)教育的中專及大專階段。

(三)培養(yǎng)模式

初級和高級兩階段的學(xué)習(xí)均以達(dá)到技能培養(yǎng)目標(biāo)為主旨，總體上采用理論學(xué)習(xí)+實(shí)踐鍛煉+崗位模擬的模式。具體上，理論學(xué)習(xí)采用“一對一”模式，即以專業(yè)知識為專業(yè)能力的形成服務(wù)為原則安排理論學(xué)習(xí)，打破傳統(tǒng)學(xué)科界線，將專業(yè)基礎(chǔ)知識與基本技術(shù)能力有機(jī)統(tǒng)一起來，使學(xué)習(xí)的每一個知識模塊對應(yīng)提升一種能力。例如，通過對《SolidWorks建?！返膶W(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的三維建模能力；通過對《鉗工工藝》的學(xué)習(xí)，為學(xué)生掌握修配加工技能打下知識基礎(chǔ)。

實(shí)踐鍛煉采用“大賽引領(lǐng)”的培養(yǎng)模式，即以職業(yè)院校技能大賽為引領(lǐng)安排日常的實(shí)踐鍛煉。職業(yè)院校技能大賽是由教育部、地方和行業(yè)組織共同舉辦的職業(yè)院校學(xué)生技能競賽活動，其試題由學(xué)科及行業(yè)專家精心設(shè)計(jì)，難度大、靈巧度要求高，揉入了行業(yè)的高端技術(shù)與最新要求，體現(xiàn)著行業(yè)的前沿動態(tài)；其作品考核環(huán)節(jié)把關(guān)嚴(yán)格、公平公正，比賽結(jié)果具有權(quán)威性。以贏得比賽為目標(biāo)，通過備賽、比賽來鍛煉學(xué)生的實(shí)際操作能力及職業(yè)心理素質(zhì)，借助大賽對學(xué)生的技能水平進(jìn)行考核與點(diǎn)評，指導(dǎo)能力提升，最終使學(xué)生具備承接實(shí)際市場任務(wù)的能力。

崗位模擬安排在理論及實(shí)操學(xué)習(xí)的末期進(jìn)行，目的是通過對市場實(shí)際的工作任務(wù)、要求及環(huán)境等的模擬，幫助學(xué)生完成身份角色的轉(zhuǎn)變，深化職業(yè)認(rèn)同，同時(shí)對學(xué)生自身能力水平再度進(jìn)行檢測，便于其查漏補(bǔ)缺或精益求精。建議采用小組模式開展模擬，即將全部學(xué)生劃分為多個小組，各小組輪流扮演顧客與服務(wù)人員的角色，幫助學(xué)生揣摩客戶心理、預(yù)期客戶要求，知己知彼，進(jìn)而更好地服務(wù)客戶。

(四)課程設(shè)置

課程內(nèi)容設(shè)置上主要包括三個部分，一是與3D打印工作流程中的各個環(huán)節(jié)相對應(yīng)的核心必修課程，例如，三維建模、切片軟件的使用、3D打印機(jī)實(shí)操及鉗工工藝；二是為達(dá)到技能目標(biāo)服務(wù)的相關(guān)必修課程，例如，開設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)等相關(guān)課程，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維與能力，使其具備幫助客戶實(shí)現(xiàn)概念到方案轉(zhuǎn)化的能力。三是基于學(xué)生個人能力水平及發(fā)展愿景的差異性，而為學(xué)生設(shè)置的選修課程，例如，可將高級階段的必修課程設(shè)置為初級階段的選修課，便于初級階段的學(xué)生進(jìn)行自主提高；開設(shè)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的相關(guān)課程，提升學(xué)生的創(chuàng)新意識，幫助學(xué)生保護(hù)智力創(chuàng)新成果。

此外，學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)關(guān)系其職業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展，因而在安排課程學(xué)習(xí)、致力于學(xué)生成才的同時(shí)，要重視并安排學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)培育的相關(guān)課程。職業(yè)素養(yǎng)課程除包括5s管理等傳統(tǒng)內(nèi)容外，可從技能大賽對選手職業(yè)素養(yǎng)的要求、畢業(yè)生面試反饋信息、教師企業(yè)交流實(shí)踐的感悟、企業(yè)用人要求調(diào)查問卷分析等方面來獲取。

課程學(xué)習(xí)的時(shí)間安排方面，依據(jù)技能目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的難易及對智力水平的要求進(jìn)行。例如，三維建模課程對學(xué)生的知識儲備、形象思維等要求較高，可將該課程安排在高級階段進(jìn)行學(xué)習(xí)；切片軟件的使用、3D打印機(jī)實(shí)操及鉗工工藝側(cè)重動手操作，且多次重復(fù)可基本掌握，這些課程可安排在初級階段進(jìn)行學(xué)習(xí)。需要注意的是，每個階段的學(xué)習(xí)者都需要了解3D打印的整個工作流程，處于上游環(huán)節(jié)的工作者應(yīng)能自覺考慮下游環(huán)節(jié)的工作需求，并為下游環(huán)節(jié)工作的順利開展奠定基礎(chǔ)。

圖2 3D打印職業(yè)技能的培養(yǎng)路徑

四、結(jié)束語

3D打印技術(shù)作為一種新興的機(jī)械加工制造技術(shù)，被譽(yù)為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一。目前，該技術(shù)已在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢良好，對具有該技術(shù)職業(yè)技能的人員需求越來越大。我國政府出臺的《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃(2015-2016)》不僅將3D打印技術(shù)發(fā)展規(guī)劃提高到了國家戰(zhàn)略發(fā)展的高度，更強(qiáng)調(diào)了3D打印技術(shù)人才的培養(yǎng)。國務(wù)院發(fā)展研究中心產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)部的王忠宏等人也發(fā)出了我國應(yīng)加大3D打印技術(shù)人才培養(yǎng)的呼聲。本文從技能培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)路徑、培養(yǎng)模式及課程設(shè)置幾個方面，初步探究了3D打印技術(shù)職業(yè)技能的培養(yǎng)思路，可為職業(yè)院校該專業(yè)的相關(guān)教育教學(xué)研究提供基礎(chǔ)資料。關(guān)于3D打印技術(shù)的人才培養(yǎng)還需要相關(guān)研究者做更多的探究。

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