3D打印技术与儿童玩具制造

3D打印技术与儿童玩具制造

作者：郭力平 徐小妮

　　进入21世纪以来，随着互联网、可再生能源和电脑科技的飞速发展，我们正逐步迈入“以数字化制造”为核心技术的新工业革命时代。〔1〕新工业革命时代不仅是一个支持沟通、合作共生的时代，更是一个鼓励创新、彰显个性的时代。在幼儿教育领域，主要体现为从理论到实践层面对儿童创新本能和个性化发展需求的全方位关照。这一点本应在儿童的游戏和玩具上表现得最为突出。众所周知，游戏是儿童的生存方式，而玩具是儿童游戏最主要的载体。然而，目前儿童玩具主要有两种，一是商品化玩具，二是成人（主要是幼儿园教师和幼儿家长）自制的玩具，但这两种玩具都很难实现对儿童创新本能和个性化发展需求的全方位关照。这是因为受生产模式的局限，现有的商品化玩具难以顾及儿童对自由、创新的个性化需要，也无法满足儿童发展的差异化需求，而成人自制的玩具虽然能够弥补商品化玩具的某些缺陷，但是，就幼儿园教师而言，日常工作较繁重，自制玩具会牵涉大量的时间和精力，教师常常有力不从心的感觉。这一矛盾该如何解决呢？3D打印技术的出现为我们提供了全新的思路。

　　3D打印技术作为数字化技术、激光技术和新材料技术融合发展的产物，不仅能够使成人特别是幼儿园教师可根据儿童的发展和课程与教学的需要，安全、便捷地设计制造出符合儿童个性化需求的玩具，儿童和其他成人尤其是家长也能够参与进去，自主定制出各有特色的玩具，还能够使玩具产业在兼顾利润的前提下生产出更符合儿童个性需要的玩具。本文从对现有儿童玩具存在问题的分析入手，在剖析问题产生根源的基础上，提出利用3D打印技术制造儿童玩具的创造性建议。

　　一、我国儿童玩具的现状
　　从上个世纪90年代起，我国已通过国家政策的方式规定“幼儿园要以游戏为基本活动形式”。玩具是体现游戏本质精神的实体，应具有两个明显的特征：一是自由性，也即具有鼓励儿童想象和创造的作用。二是可玩性，也即既能满足儿童的个性化需求，又能支持儿童持续地与玩具发生互动，从而支持儿童的发展。
　　目前，就幼儿园而言，教师自制的玩具在幼儿园玩具中占的比率越来越高。这事实上是与今天蓬勃发展的儿童玩具产业相矛盾的。为什么厂家生产的玩具越来越多，但在幼儿教育中的运用却不多？这是因为许多教师认为，大多数商品化的儿童玩具在幼儿园教育实践中是不适合的。张颖对上海市幼儿园教师玩具使用情况进行调查后发现，一部分教师找不到合适的玩具用于教学活动，另一部分教师则不知道该如何将商品化玩具运用于教学活动中。〔2〕另外，市场上也很难找到适合有特殊需要儿童使用的玩具。〔3〕
　　因为商品化玩具不符合需要，所以许多幼儿园教师倾向于自己动手制作玩具。幼儿园教师每天与儿童生活在一起，他们比较了解儿童的需求，可以根据儿童的心理、生理发展特点制作出满足教育需求的玩具。但是，如上所述，在现有条件下，幼儿园教师自制玩具也存在很多问题。一是教师难有充足的时间给儿童制作玩具。二是由于缺乏设计制作玩具的相关专业知识，幼儿园教师自制的玩具大多存在缺乏美感、不实用、不耐用等问题。
　　因此，就当下的客观实际而言，从儿童的角度看，无论是商品化玩具还是教师自制的玩具，都未能充分发挥应有的促进儿童发展的价值。儿童游戏的主人是儿童，所以儿童也应该是玩具的主人，儿童理应参与玩具的设计和制作。然而，现有的儿童玩具已经异化了，儿童作为玩具的制造者和使用者这一双重身份已经分离了。正如法国历史符号学代表人物罗兰?巴特所言，“儿童玩具作为一种符号意义上的本质已经消逝了”。
　　以3D打印技术为代表性技术的新工业革命的到来，也许有助于我们从根本上解决以上所讨论的儿童玩具面临的种种问题。

　　二、3D打印技术在儿童玩具制造中的优势
　　3D打印技术，又称增材制造技术。“简单地说，3D打印是断层扫描的逆过程。断层扫描把某个东西‘切’成无数叠加的片，3D打印则是一片一片的打印，然后叠加到一起，成为立体物体。3D打印使用的材料是特制的粉末，这些粉末在打印的过程中会被一种特制的胶水逐层黏合、固化，并不断叠加，最终形成一个完整的立体物品。”〔4〕
　　3D打印技术的核心思想最早起源于20世纪80年代的美国。自产生之日起，3D打印技术就受到世界各国前所未有的关注。特别是进入21世纪后，它不仅成为各国经济发展的重要议题，还迅速应用到航空、生物医学、建筑、教育、餐饮、服装等众多产业领域。与传统通过削减材料的方式造型完全不同，3D打印技术是在传统二维打印的基础上叠加出来的。一般而言，3D打印的过程都有四个步骤。第一步，利用计算机辅助设计软件（CAD）进行实物建模。第二步，将CAD模型图进行切割分层，并设置相关制图步骤与材料。第三步，依据程序指令打印二维实物，通过胶水黏合成立体物体。最后是后期处理，即使三维实物成形。〔5〕
　　利用3D打印技术制造儿童玩具有三个优势。
　　首先，3D打印技术适合个性化定制，能满足儿童对玩具的个性化需求。在不增加制造成本的前提下，满足每一个使用者的个性化需求，是3D打印技术最突出的优势。在第二次和第三次工业革命期间，模具化大生产是儿童玩具制造的主要方式。这种方式的最大优点是利益最大化，但缺点是忽视了儿童对玩具的个性化需求。3D打印技术在快速生产以及灵活性方面极具优势，在生产过程中免去了3D建模之后的一切传统生产环节，设计者只需将数字模型和材料进行调整即可生产出不同产品，并且不会因为打印数量的多少而导致成本的额外增减。〔6〕这使得3D打印技术在个性化定制生产、小批量生产以及产品定型之前的验证性制造等方面，可以大大降低加工成本。3D打印技术将促成依据消费者的个性化需求进行定制的生产模式。所以，伯曼（Berman）指出，“未来的3D打印会像电子书和音乐下载一样，使消费者可以在网上选择他们需要的产品，也促使公司在确保利益的前提下为小规模定制的用户提供服务”。〔7〕可以说，3D打印技术能便捷地实现儿童对玩具的个性化需求。   　　其次，3D打印技术适合复杂结构的快速制造，支持儿童玩具设计者将创意变成现实。与传统机械加工、模具成形等制造工艺相比，3D打印技术将三维实体加工变成了若干二维平面加工，大大降低了制造的复杂度。从理论上讲，设计者只要通过计算机设计出相应产品的结构模型，就可以应用3D打印技术在无需刀具、模具及复杂工艺的条件下迅速地将设计变为实物。这是传统加工技术无法比拟的。可以说，3D打印技术延伸和拓展了人类的物理技能，创设了人类前所未有的造物想象空间。3D打印可以制造出传统方法难以加工的高度复杂形状，可以自由组合材料，可以一次性成型复杂物品，可以实现精确的实体复制，等等。可以说，“所想即所得”的造物时代就在眼前。
　　最后，3D打印技术既安全环保，又节省成本，在削减玩具生产投入成本的同时，顺应了新工业革命时期对产业生产的高要求。传统制造工艺容易造成原材料的浪费。而3D打印是增材制造，原材料是按照计算机3D模型分层逐层添加、黏合而成的，在产品制造过程中几乎不会产生无关的剩余物。另外，由于3D打印技术有生产周期短、随时打印、按需打印、无需库存等特点，所以一旦技术走向全面成熟，整个生产环节的成本将得到极大的节约。相信随着科技的发展，3D打印技术在环保和节约成本方面的优势会进一步凸显。

　　三、3D打印技术在儿童玩具制造中的运用
　　3D打印技术出现后，被迅速应用到教育领域。例如，2012年，3D打印公司Stratasys（美国一家著名的3D打印机生产公司）宣布，他们40%的产品被销售到了教育机构。英国教育部在2013年推行了一个促进3D打印技术在STEM（科学、技术、工程学和数学）领域教学和产品设计中运用的项目。越来越多的教育者认识到了3D打印技术在教育领域的巨大价值，而3D打印制造公司专门为教育者和学生设计的打印机和软件也越来越多。同样，3D打印技术也逐渐影响了儿童玩具的开发和制造。例如，3D Systems公司2014年2月14日宣布，将和世界第二大玩具厂商孩之宝（Hasbro）合作，共同研发利用3D打印技术制造儿童玩具。其中的Printcraft就是一款将3D打印技术和一个叫做Minecraft的电子游戏结合起来的软件，儿童可以用这款软件把自己在电脑中建构起来的房子打印出来。这款软件操作简便，不需要额外下载软件资源，儿童很容易上手操作。Mission Street Manufacturing公司则制造出了3D打印机Printeer。使用Printeer不需要专业的CAD制图工具，也没有繁杂的软件操作步骤，儿童只需要在与Printeer配套的iPad应用程序中随意画出自己想要的物体，然后点击打印按钮即可。一些发达国家已经开始对幼儿园教师掌握和使用3D打印技术提出了具体要求，还为幼儿园教师提供了专门的培训。下文案例充分说明3D打印技术方便操作，教师可以和儿童一起，借助3D打印技术设计和制造适合自己需要的玩具。
　　教师发现，班里的幼儿对利用平面图形进行拼接构图特别感兴趣，于是想到可以投放圆环、半圆环、1/4圆环等材料支持幼儿的建构。虽然圆环、半圆环、1/4圆环这些材料不难找到，但是材料的大小、厚薄等很难统一，颜色也不够多样化。想要通过购买或者教师自制，困难不少。3D打印技术为教师提供了便利。3D模型的材料制作非常简单，不同的尺寸要求只需通过对模型参数进行简单微调即可满足。颜色的选择也很多。一般以塑制线材为原料的桌面级3D打印机会有十多种颜色可供挑选。于是，教师把自己投放新材料的想法告诉了幼儿，让幼儿自己决定用什么颜色、什么尺寸的材料。教师选择了一种新型的生物降解材料PLA（聚乳酸）。这种材料是由从可再生植物资源（如玉米）中提取出来的淀粉原料制成的，具有良好的生物可降解性，对环境不具有危害性。教师向幼儿陈述了材料选择的理由，得到了幼儿的认可。幼儿也从中认识到“关爱地球，人人有责”。就这样，3D打印机将教师和幼儿的构想变成了现实。
　　随着家用3D打印机的普及，幼儿家长也可以用3D打印机打印出自己和孩子共同创作的玩具。例如，家长可以用3D打印机将孩子的绘画作品打印出来，成为孩子独一无二的玩具。
　　泽利泽（Zelizer）在《儿童与商业》一文中谈到，不管是作为奴隶和封建社会的童工，还是今天已获得独立自主身份的儿童，儿童似乎总是在有意无意地参与商业的整个流程，从生产、消费到分配，儿童的身影和力量不可忽视。特别是儿童玩具产业，儿童的介入会使其发展更有可持续性。〔8〕艾森伯格（Eisenberg）指出，今天的儿童使用3D打印软件将像上个世纪70年代使用家用电脑一样，如果我们能够研发更多3D打印的材料，开发出适合儿童使用的建模软件，并结合儿童游戏的特点加以设计，相信3D打印可以助推儿童更好地发展。〔9〕