激光切割技術(shù)給創(chuàng)客教育帶來(lái)什么

陳染

在創(chuàng)客教育中，有很多材料加工工具能夠幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意。從最“低科技”的材料和工具，如紙板和美工刀，到具備一定操作技巧的機(jī)床，再到3D打印技術(shù)，先進(jìn)加工工具的應(yīng)用是推動(dòng)創(chuàng)客教育深入發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。只有掌握了多種加工工具，學(xué)生才能靈活駕馭各種材料，提髙工作效率，更好地發(fā)揮其潛能。

在各種加工工具中，小型激光切割機(jī)以其快速便捷、成本低廉的特點(diǎn)，受到很多創(chuàng)客教育者的歡迎。創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)之父克里斯·安德森將激光切割機(jī)與3D打印機(jī)、數(shù)控機(jī)床、3D掃描儀等桌面制造設(shè)備合稱(chēng)為創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)的4個(gè)桌面制造工廠(chǎng)，足以看出激光切割機(jī)的重要之處。為什么激光切割機(jī)能夠從工廠(chǎng)走入很多學(xué)校的創(chuàng)客空間？我們先來(lái)簡(jiǎn)要地認(rèn)識(shí)一下它的發(fā)展歷史和工作原理，有助于我們更好地進(jìn)行創(chuàng)客教育。

在創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)中，很多創(chuàng)客工具看上去像是新技術(shù)、新名詞，但實(shí)際上已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域經(jīng)歷過(guò)多年的實(shí)踐和積累，激光切割技術(shù)也是如此。激光切割技術(shù)誕生于1965年，由美國(guó)西部電氣公司研制。隨后英國(guó)人彼得·霍爾德羅夫特（Peter Houldcroft）于1967年發(fā)明了二氧化碳激光切割機(jī)，成功完成了1毫米厚鋼板的切割試驗(yàn)。隨后40年中，激光切割技術(shù)逐漸進(jìn)步成熟，切割材料范圍從單一的金屬到不同厚度、不同范圍的材料，切割的精度和窄度逐漸提髙，二氧化碳激光器的功率也在逐步提髙。其中，20世紀(jì)70年代初激光切割機(jī)的機(jī)床技術(shù)有了重要進(jìn)展，第一臺(tái)兩軸激光切割機(jī)誕生，可以通過(guò)掃描原始文件進(jìn)行切割，為數(shù)字化制造奠定了基礎(chǔ)。目前大多數(shù)創(chuàng)客空間所用的小型激光切割機(jī)就是從這個(gè)時(shí)期的機(jī)器演變來(lái)的。

激光切割機(jī)的基本原理是利用高功率密度的激光束照射被切割材料，材料受到輻射后快速升溫，使材料受熱熔化或汽化，也有的激光切割通過(guò)氧氣與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行切割，這3種不同的切割方式分別稱(chēng)為激光熔化切割、激光汽化切割和激光火焰切割。也有的激光利用脆性材料（如玻璃）對(duì)裂紋非常敏感的特點(diǎn)進(jìn)行裂紋切割。在晶圓切片加工上，還會(huì)使用一種叫隱形激光切割的工藝進(jìn)行切割。而創(chuàng)客空間常見(jiàn)的小型激光切割機(jī)使用的切割方式為溶化切割、汽化切割和火焰切割。

激光切割機(jī)的主要組成部分有激光發(fā)生器、機(jī)床主機(jī)和冷卻裝置。常見(jiàn)的二氧化碳激光切割機(jī)以二氧化碳?xì)怏w為能源，在發(fā)生器中產(chǎn)生波長(zhǎng)為9.4?10.6微米的紅外激光，直徑僅為3/4英寸，無(wú)法用肉眼觀(guān)察。激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光通過(guò)外光路的幾個(gè)反射鏡聚集到切割頭，再通過(guò)透鏡將光束聚焦在材料上，對(duì)材料進(jìn)行切割。通過(guò)計(jì)算機(jī)程序，使用者可以利用切割線(xiàn)的顏色不同調(diào)整激光的功率，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)完全切透材料或者燒蝕表面，形成浮雕效果。

機(jī)床主機(jī)是激光切割機(jī)的另一個(gè)重要組成部分。伺服電機(jī)能將機(jī)床主機(jī)精確地控制切割頭在x和y兩個(gè)軸上進(jìn)行自由移動(dòng)。當(dāng)你將文件導(dǎo)入激光切割機(jī)時(shí)，計(jì)算機(jī)程序能夠自行計(jì)算切割路徑，科學(xué)合理地安排切割順序，避免產(chǎn)生切割尚未完成而材料已經(jīng)掉落的現(xiàn)象。

冷卻裝置也是保證激光切割機(jī)能夠正常工作的重要部分。盡管二氧化碳激光效率非常髙，能源轉(zhuǎn)化率達(dá)到了20%，但大多數(shù)能量都轉(zhuǎn)化為熱能，水冷機(jī)組可以帶走多余能量，保證激光切割機(jī)正常工作。此外，在切割頭附近有一個(gè)噴嘴，可以噴射出高速度氣流，帶走切割時(shí)產(chǎn)生的火花和金屬蒸氣，減少蒸氣對(duì)光能的吸收及對(duì)透鏡的破壞，噴出的氣流還可以進(jìn)一步提升切割速度和切口質(zhì)量。

除了以上3個(gè)部分外，激光切割機(jī)還有排風(fēng)系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、操作臺(tái)等，它們同樣也是保證機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)及操作人員安全的重要組成部分，這里不多贅述。

我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)了激光切割機(jī)的發(fā)展歷史、工作原理和組成部分。隨著電腦輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)成熟及激光切割機(jī)的小型化，激光切割機(jī)成為了刨客教育中不可或缺的一個(gè)重要工具。對(duì)于學(xué)生而言，激光切割機(jī)提供了一個(gè)可以智慧設(shè)計(jì)、高效制造的機(jī)會(huì)。對(duì)于學(xué)校和教師來(lái)說(shuō)，激光切割機(jī)費(fèi)用較低、入門(mén)簡(jiǎn)單，堪稱(chēng)建立創(chuàng)客空間的入門(mén)級(jí)工具，為創(chuàng)客教育賦予更多可能。

首先，激光切割機(jī)可以讓學(xué)生更加靈活地駕馭各種材料。在沒(méi)有激光切割機(jī)的情況下，學(xué)生只能依靠純手工的方式進(jìn)行創(chuàng)客設(shè)計(jì)，所能用到的材料十分有限。在制作一個(gè)創(chuàng)意產(chǎn)品的外觀(guān)時(shí)，學(xué)生可以用美工刀加工紙板，卻不能用同樣的方法駕馭木板，即使學(xué)會(huì)了鋸的使用，也只能對(duì)木板進(jìn)行簡(jiǎn)單加工，進(jìn)行深度加工需要花費(fèi)非常多的學(xué)習(xí)時(shí)間。而激光切割機(jī)能夠加工木板、亞克力板、塑料甚至金屬，賦予學(xué)生更多選擇的可能。激光切割機(jī)還能完成手工制作中難以完成的一些加工方法，例如在材料上進(jìn)行雕刻，這種精細(xì)操作需要經(jīng)驗(yàn)較深的木工才能做到，而你只需要在激光切割機(jī)的程序中修改線(xiàn)的顏色，改變功率，就可以進(jìn)行激光雕刻，精度比手工的還要高。有了激光切割機(jī)，學(xué)生不再局限于少數(shù)幾種易加工的材料，而要考慮各種材料的特性，作出最合適的選擇。

其次，激光切割機(jī)為學(xué)生帶來(lái)時(shí)間和設(shè)計(jì)的便捷性。如果沒(méi)有激光切割機(jī)，學(xué)生通過(guò)手工完成創(chuàng)客項(xiàng)目的制作，即使是切割一些簡(jiǎn)單圖形，也需要花上很長(zhǎng)的工作時(shí)間。如果需要同時(shí)制作多個(gè)相同元件或復(fù)雜零部件，這個(gè)步驟會(huì)變得十分枯燥，而且很容易做出不合格產(chǎn)品。而激光切割機(jī)只需要幾分鐘就可以完成手工幾個(gè)小時(shí)的工作，效率提升數(shù)十倍，并且很多時(shí)候質(zhì)量比手工做的要好得多。此外，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)不足，學(xué)生在設(shè)計(jì)上難以避免地會(huì)有一些細(xì)節(jié)上的錯(cuò)誤，導(dǎo)致整個(gè)創(chuàng)客作品無(wú)法完成。在缺乏髙效的制作工具的時(shí)候，這將極大打擊創(chuàng)客的信心。而在激光切割機(jī)面前，這些都不是問(wèn)題，學(xué)生只需要在電腦上進(jìn)行修改，再用激光切割機(jī)生產(chǎn)出來(lái)就行了，就跟打印一樣簡(jiǎn)單。

它可以幫助學(xué)生節(jié)省更多時(shí)間思考設(shè)計(jì)本身的問(wèn)題，提高創(chuàng)客作品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

第三，激光切割技術(shù)可以很好地與其他刨客技術(shù)結(jié)合起來(lái)。

學(xué)生可以用激光切割木板，結(jié)合開(kāi)源硬件制作出獨(dú)一無(wú)二的機(jī)器人。還可以結(jié)合激光切割機(jī)和3D打印機(jī)的優(yōu)勢(shì)，用不同的機(jī)器生產(chǎn)不同的部件，提高工作效率。

這些優(yōu)點(diǎn)使得激光切割機(jī)成為學(xué)校創(chuàng)客空間必備的數(shù)字制作入門(mén)工具。對(duì)于教育來(lái)說(shuō)，我們也很看重激光切割技術(shù)給學(xué)生的思維方式帶來(lái)怎樣的轉(zhuǎn)變。

使用激光切割機(jī)，學(xué)生必須掌握電腦輔助設(shè)計(jì)（CAD）的基本方法。用激光切割技術(shù)做好一個(gè)創(chuàng)客作品，需要學(xué)生對(duì)創(chuàng)造的物體有一個(gè)準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。在沒(méi)有電腦輔助制圖的時(shí)候，學(xué)生對(duì)于作品最終效果可能會(huì)停留在想象，或者用文字和示意圖進(jìn)行表達(dá)。電腦輔助制圖要求學(xué)生必須能夠向計(jì)算機(jī)表達(dá)你要做的東西的尺寸和細(xì)節(jié)，這要求學(xué)生在設(shè)計(jì)之初就必須對(duì)要做的東西有清晰的認(rèn)識(shí)，必要時(shí)還需要設(shè)計(jì)三維模型，以幫助設(shè)計(jì)出正確的CAD圖紙。此外，CAD制圖還方便學(xué)生在前人的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行迭代，讓創(chuàng)客項(xiàng)目更好、更持續(xù)地進(jìn)行下去。

激光切割機(jī)還能夠幫助學(xué)生更好地建立工程思維，讓學(xué)生像工程師一樣思考。所謂工程思維，就是進(jìn)行工程活動(dòng)或工程研究過(guò)程中所形成的思維方式。工程思維表現(xiàn)在一些具體的使用場(chǎng)景中，例如，在激光切割機(jī)的使用中，學(xué)生需要對(duì)材料的性質(zhì)和使用進(jìn)行研究，才能做出合適的產(chǎn)品。又如，學(xué)生使用激光切割機(jī)進(jìn)行切割之后需要到其他地方進(jìn)行材料加工，那么如何合理地將制作材料運(yùn)走就是一個(gè)工程問(wèn)題了，這就需要用到工程思維中的流程創(chuàng)新。通過(guò)激光切割技術(shù)，每一個(gè)學(xué)生都能從創(chuàng)客課程中感受設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)，收獲設(shè)計(jì)的快樂(lè)。

參考資料

[1][美]克里斯.安德森·蕭瀟譯·創(chuàng)客：新工業(yè)革命·中信出版社，2012

[2] Hilton P A. The early days of laser cutting. 2007

[3] How Does Laser Cutting Work， http：//www.esabna.com/

[4]付世平，趙紅亮，劉廣軍.二氧化碳激光切割機(jī).儀表技術(shù)與傳感器，1991（3）

[5]王奇?zhèn)?小學(xué)STEM課程中工程思維的培養(yǎng)和教學(xué)設(shè)計(jì)研究.上海師范大學(xué)碩士論文，2016endprint