3D打印技術(shù)與兒童玩具制造

3D打印技術(shù)與兒童玩具制造

作者：郭力平 徐小妮

　　進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著互聯(lián)網(wǎng)、可再生能源和電腦科技的飛速發(fā)展，我們正逐步邁入“以數(shù)字化制造”為核心技術(shù)的新工業(yè)革命時代�！�1〕新工業(yè)革命時代不僅是一個支持溝通、合作共生的時代，更是一個鼓勵創(chuàng)新、彰顯個性的時代。在幼兒教育領(lǐng)域，主要體現(xiàn)為從理論到實踐層面對兒童創(chuàng)新本能和個性化發(fā)展需求的全方位關(guān)照。這一點本應(yīng)在兒童的游戲和玩具上表現(xiàn)得最為突出。眾所周知，游戲是兒童的生存方式，而玩具是兒童游戲最主要的載體。然而，目前兒童玩具主要有兩種，一是商品化玩具，二是成人（主要是幼兒園教師和幼兒家長）自制的玩具，但這兩種玩具都很難實現(xiàn)對兒童創(chuàng)新本能和個性化發(fā)展需求的全方位關(guān)照。這是因為受生產(chǎn)模式的局限，現(xiàn)有的商品化玩具難以顧及兒童對自由、創(chuàng)新的個性化需要，也無法滿足兒童發(fā)展的差異化需求，而成人自制的玩具雖然能夠彌補(bǔ)商品化玩具的某些缺陷，但是，就幼兒園教師而言，日常工作較繁重，自制玩具會牽涉大量的時間和精力，教師常常有力不從心的感覺。這一矛盾該如何解決呢？3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為我們提供了全新的思路。

　　3D打印技術(shù)作為數(shù)字化技術(shù)、激光技術(shù)和新材料技術(shù)融合發(fā)展的產(chǎn)物，不僅能夠使成人特別是幼兒園教師可根據(jù)兒童的發(fā)展和課程與教學(xué)的需要，安全、便捷地設(shè)計制造出符合兒童個性化需求的玩具，兒童和其他成人尤其是家長也能夠參與進(jìn)去，自主定制出各有特色的玩具，還能夠使玩具產(chǎn)業(yè)在兼顧利潤的前提下生產(chǎn)出更符合兒童個性需要的玩具。本文從對現(xiàn)有兒童玩具存在問題的分析入手，在剖析問題產(chǎn)生根源的基礎(chǔ)上，提出利用3D打印技術(shù)制造兒童玩具的創(chuàng)造性建議。

　　一、我國兒童玩具的現(xiàn)狀
　　從上個世紀(jì)90年代起，我國已通過國家政策的方式規(guī)定“幼兒園要以游戲為基本活動形式”。玩具是體現(xiàn)游戲本質(zhì)精神的實體，應(yīng)具有兩個明顯的特征：一是自由性，也即具有鼓勵兒童想象和創(chuàng)造的作用。二是可玩性，也即既能滿足兒童的個性化需求，又能支持兒童持續(xù)地與玩具發(fā)生互動，從而支持兒童的發(fā)展。
　　目前，就幼兒園而言，教師自制的玩具在幼兒園玩具中占的比率越來越高。這事實上是與今天蓬勃發(fā)展的兒童玩具產(chǎn)業(yè)相矛盾的。為什么廠家生產(chǎn)的玩具越來越多，但在幼兒教育中的運用卻不多？這是因為許多教師認(rèn)為，大多數(shù)商品化的兒童玩具在幼兒園教育實踐中是不適合的。張穎對上海市幼兒園教師玩具使用情況進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，一部分教師找不到合適的玩具用于教學(xué)活動，另一部分教師則不知道該如何將商品化玩具運用于教學(xué)活動中�！�2〕另外，市場上也很難找到適合有特殊需要兒童使用的玩具�！�3〕
　　因為商品化玩具不符合需要，所以許多幼兒園教師傾向于自己動手制作玩具。幼兒園教師每天與兒童生活在一起，他們比較了解兒童的需求，可以根據(jù)兒童的心理、生理發(fā)展特點制作出滿足教育需求的玩具。但是，如上所述，在現(xiàn)有條件下，幼兒園教師自制玩具也存在很多問題。一是教師難有充足的時間給兒童制作玩具。二是由于缺乏設(shè)計制作玩具的相關(guān)專業(yè)知識，幼兒園教師自制的玩具大多存在缺乏美感、不實用、不耐用等問題。
　　因此，就當(dāng)下的客觀實際而言，從兒童的角度看，無論是商品化玩具還是教師自制的玩具，都未能充分發(fā)揮應(yīng)有的促進(jìn)兒童發(fā)展的價值。兒童游戲的主人是兒童，所以兒童也應(yīng)該是玩具的主人，兒童理應(yīng)參與玩具的設(shè)計和制作。然而，現(xiàn)有的兒童玩具已經(jīng)異化了，兒童作為玩具的制造者和使用者這一雙重身份已經(jīng)分離了。正如法國歷史符號學(xué)代表人物羅蘭?巴特所言，“兒童玩具作為一種符號意義上的本質(zhì)已經(jīng)消逝了”。
　　以3D打印技術(shù)為代表性技術(shù)的新工業(yè)革命的到來，也許有助于我們從根本上解決以上所討論的兒童玩具面臨的種種問題。

　　二、3D打印技術(shù)在兒童玩具制造中的優(yōu)勢
　　3D打印技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)�！昂唵蔚卣f，3D打印是斷層掃描的逆過程。斷層掃描把某個東西‘切’成無數(shù)疊加的片，3D打印則是一片一片的打印，然后疊加到一起，成為立體物體。3D打印使用的材料是特制的粉末，這些粉末在打印的過程中會被一種特制的膠水逐層黏合、固化，并不斷疊加，最終形成一個完整的立體物品�！薄�4〕
　　3D打印技術(shù)的核心思想最早起源于20世紀(jì)80年代的美國。自產(chǎn)生之日起，3D打印技術(shù)就受到世界各國前所未有的關(guān)注。特別是進(jìn)入21世紀(jì)后，它不僅成為各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要議題，還迅速應(yīng)用到航空、生物醫(yī)學(xué)、建筑、教育、餐飲、服裝等眾多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)通過削減材料的方式造型完全不同，3D打印技術(shù)是在傳統(tǒng)二維打印的基礎(chǔ)上疊加出來的。一般而言，3D打印的過程都有四個步驟。第一步，利用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件（CAD）進(jìn)行實物建模。第二步，將CAD模型圖進(jìn)行切割分層，并設(shè)置相關(guān)制圖步驟與材料。第三步，依據(jù)程序指令打印二維實物，通過膠水黏合成立體物體。最后是后期處理，即使三維實物成形�！�5〕
　　利用3D打印技術(shù)制造兒童玩具有三個優(yōu)勢。
　　首先，3D打印技術(shù)適合個性化定制，能滿足兒童對玩具的個性化需求。在不增加制造成本的前提下，滿足每一個使用者的個性化需求，是3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)勢。在第二次和第三次工業(yè)革命期間，模具化大生產(chǎn)是兒童玩具制造的主要方式。這種方式的最大優(yōu)點是利益最大化，但缺點是忽視了兒童對玩具的個性化需求。3D打印技術(shù)在快速生產(chǎn)以及靈活性方面極具優(yōu)勢，在生產(chǎn)過程中免去了3D建模之后的一切傳統(tǒng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，設(shè)計者只需將數(shù)字模型和材料進(jìn)行調(diào)整即可生產(chǎn)出不同產(chǎn)品，并且不會因為打印數(shù)量的多少而導(dǎo)致成本的額外增減。〔6〕這使得3D打印技術(shù)在個性化定制生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)以及產(chǎn)品定型之前的驗證性制造等方面，可以大大降低加工成本。3D打印技術(shù)將促成依據(jù)消費者的個性化需求進(jìn)行定制的生產(chǎn)模式。所以，伯曼（Berman）指出，“未來的3D打印會像電子書和音樂下載一樣，使消費者可以在網(wǎng)上選擇他們需要的產(chǎn)品，也促使公司在確保利益的前提下為小規(guī)模定制的用戶提供服務(wù)”�！�7〕可以說，3D打印技術(shù)能便捷地實現(xiàn)兒童對玩具的個性化需求。   　　其次，3D打印技術(shù)適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速制造，支持兒童玩具設(shè)計者將創(chuàng)意變成現(xiàn)實。與傳統(tǒng)機(jī)械加工、模具成形等制造工藝相比，3D打印技術(shù)將三維實體加工變成了若干二維平面加工，大大降低了制造的復(fù)雜度。從理論上講，設(shè)計者只要通過計算機(jī)設(shè)計出相應(yīng)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)模型，就可以應(yīng)用3D打印技術(shù)在無需刀具、模具及復(fù)雜工藝的條件下迅速地將設(shè)計變?yōu)閷嵨�。這是傳統(tǒng)加工技術(shù)無法比擬的�？梢哉f，3D打印技術(shù)延伸和拓展了人類的物理技能，創(chuàng)設(shè)了人類前所未有的造物想象空間。3D打印可以制造出傳統(tǒng)方法難以加工的高度復(fù)雜形狀，可以自由組合材料，可以一次性成型復(fù)雜物品，可以實現(xiàn)精確的實體復(fù)制，等等�？梢哉f，“所想即所得”的造物時代就在眼前。
　　最后，3D打印技術(shù)既安全環(huán)保，又節(jié)省成本，在削減玩具生產(chǎn)投入成本的同時，順應(yīng)了新工業(yè)革命時期對產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的高要求。傳統(tǒng)制造工藝容易造成原材料的浪費。而3D打印是增材制造，原材料是按照計算機(jī)3D模型分層逐層添加、黏合而成的，在產(chǎn)品制造過程中幾乎不會產(chǎn)生無關(guān)的剩余物。另外，由于3D打印技術(shù)有生產(chǎn)周期短、隨時打印、按需打印、無需庫存等特點，所以一旦技術(shù)走向全面成熟，整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的成本將得到極大的節(jié)約。相信隨著科技的發(fā)展，3D打印技術(shù)在環(huán)保和節(jié)約成本方面的優(yōu)勢會進(jìn)一步凸顯。

　　三、3D打印技術(shù)在兒童玩具制造中的運用
　　3D打印技術(shù)出現(xiàn)后，被迅速應(yīng)用到教育領(lǐng)域。例如，2012年，3D打印公司Stratasys（美國一家著名的3D打印機(jī)生產(chǎn)公司）宣布，他們40%的產(chǎn)品被銷售到了教育機(jī)構(gòu)。英國教育部在2013年推行了一個促進(jìn)3D打印技術(shù)在STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)）領(lǐng)域教學(xué)和產(chǎn)品設(shè)計中運用的項目。越來越多的教育者認(rèn)識到了3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的巨大價值，而3D打印制造公司專門為教育者和學(xué)生設(shè)計的打印機(jī)和軟件也越來越多。同樣，3D打印技術(shù)也逐漸影響了兒童玩具的開發(fā)和制造。例如，3D Systems公司2014年2月14日宣布，將和世界第二大玩具廠商孩之寶（Hasbro）合作，共同研發(fā)利用3D打印技術(shù)制造兒童玩具。其中的Printcraft就是一款將3D打印技術(shù)和一個叫做Minecraft的電子游戲結(jié)合起來的軟件，兒童可以用這款軟件把自己在電腦中建構(gòu)起來的房子打印出來。這款軟件操作簡便，不需要額外下載軟件資源，兒童很容易上手操作。Mission Street Manufacturing公司則制造出了3D打印機(jī)Printeer。使用Printeer不需要專業(yè)的CAD制圖工具，也沒有繁雜的軟件操作步驟，兒童只需要在與Printeer配套的iPad應(yīng)用程序中隨意畫出自己想要的物體，然后點擊打印按鈕即可。一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始對幼兒園教師掌握和使用3D打印技術(shù)提出了具體要求，還為幼兒園教師提供了專門的培訓(xùn)。下文案例充分說明3D打印技術(shù)方便操作，教師可以和兒童一起，借助3D打印技術(shù)設(shè)計和制造適合自己需要的玩具。
　　教師發(fā)現(xiàn)，班里的幼兒對利用平面圖形進(jìn)行拼接構(gòu)圖特別感興趣，于是想到可以投放圓環(huán)、半圓環(huán)、1/4圓環(huán)等材料支持幼兒的建構(gòu)。雖然圓環(huán)、半圓環(huán)、1/4圓環(huán)這些材料不難找到，但是材料的大小、厚薄等很難統(tǒng)一，顏色也不夠多樣化。想要通過購買或者教師自制，困難不少。3D打印技術(shù)為教師提供了便利。3D模型的材料制作非常簡單，不同的尺寸要求只需通過對模型參數(shù)進(jìn)行簡單微調(diào)即可滿足。顏色的選擇也很多。一般以塑制線材為原料的桌面級3D打印機(jī)會有十多種顏色可供挑選。于是，教師把自己投放新材料的想法告訴了幼兒，讓幼兒自己決定用什么顏色、什么尺寸的材料。教師選擇了一種新型的生物降解材料PLA（聚乳酸）。這種材料是由從可再生植物資源（如玉米）中提取出來的淀粉原料制成的，具有良好的生物可降解性，對環(huán)境不具有危害性。教師向幼兒陳述了材料選擇的理由，得到了幼兒的認(rèn)可。幼兒也從中認(rèn)識到“關(guān)愛地球，人人有責(zé)”。就這樣，3D打印機(jī)將教師和幼兒的構(gòu)想變成了現(xiàn)實。
　　隨著家用3D打印機(jī)的普及，幼兒家長也可以用3D打印機(jī)打印出自己和孩子共同創(chuàng)作的玩具。例如，家長可以用3D打印機(jī)將孩子的繪畫作品打印出來，成為孩子獨一無二的玩具。
　　澤利澤（Zelizer）在《兒童與商業(yè)》一文中談到，不管是作為奴隸和封建社會的童工，還是今天已獲得獨立自主身份的兒童，兒童似乎總是在有意無意地參與商業(yè)的整個流程，從生產(chǎn)、消費到分配，兒童的身影和力量不可忽視。特別是兒童玩具產(chǎn)業(yè)，兒童的介入會使其發(fā)展更有可持續(xù)性�！�8〕艾森伯格（Eisenberg）指出，今天的兒童使用3D打印軟件將像上個世紀(jì)70年代使用家用電腦一樣，如果我們能夠研發(fā)更多3D打印的材料，開發(fā)出適合兒童使用的建模軟件，并結(jié)合兒童游戲的特點加以設(shè)計，相信3D打印可以助推兒童更好地發(fā)展�！�9〕