激光切割技术给创客教育带来什么

陈染

在创客教育中，有很多材料加工工具能够帮助学生实现创意。从最“低科技”的材料和工具，如纸板和美工刀，到具备一定操作技巧的机床，再到3D打印技术，先进加工工具的应用是推动创客教育深入发展的强大动力。只有掌握了多种加工工具，学生才能灵活驾驭各种材料，提髙工作效率，更好地发挥其潜能。

在各种加工工具中，小型激光切割机以其快速便捷、成本低廉的特点，受到很多创客教育者的欢迎。创客运动之父克里斯·安德森将激光切割机与3D打印机、数控机床、3D扫描仪等桌面制造设备合称为创客运动的4个桌面制造工厂，足以看出激光切割机的重要之处。为什么激光切割机能够从工厂走入很多学校的创客空间？我们先来简要地认识一下它的发展历史和工作原理，有助于我们更好地进行创客教育。

在创客运动中，很多创客工具看上去像是新技术、新名词，但实际上已经在工业领域经历过多年的实践和积累，激光切割技术也是如此。激光切割技术诞生于1965年，由美国西部电气公司研制。随后英国人彼得·霍尔德罗夫特（Peter Houldcroft）于1967年发明了二氧化碳激光切割机，成功完成了1毫米厚钢板的切割试验。随后40年中，激光切割技术逐渐进步成熟，切割材料范围从单一的金属到不同厚度、不同范围的材料，切割的精度和窄度逐渐提髙，二氧化碳激光器的功率也在逐步提髙。其中，20世纪70年代初激光切割机的机床技术有了重要进展，第一台两轴激光切割机诞生，可以通过扫描原始文件进行切割，为数字化制造奠定了基础。目前大多数创客空间所用的小型激光切割机就是从这个时期的机器演变来的。

激光切割机的基本原理是利用高功率密度的激光束照射被切割材料，材料受到辐射后快速升温，使材料受热熔化或汽化，也有的激光切割通过氧气与材料发生化学反应进行切割，这3种不同的切割方式分别称为激光熔化切割、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）对裂纹非常敏感的特点进行裂纹切割。在晶圆切片加工上，还会使用一种叫隐形激光切割的工艺进行切割。而创客空间常见的小型激光切割机使用的切割方式为溶化切割、汽化切割和火焰切割。

激光切割机的主要组成部分有激光发生器、机床主机和冷却装置。常见的二氧化碳激光切割机以二氧化碳气体为能源，在发生器中产生波长为9.4?10.6微米的红外激光，直径仅为3/4英寸，无法用肉眼观察。激光发生器产生的激光通过外光路的几个反射镜聚集到切割头，再通过透镜将光束聚焦在材料上，对材料进行切割。通过计算机程序，使用者可以利用切割线的颜色不同调整激光的功率，进而能够实现完全切透材料或者烧蚀表面，形成浮雕效果。

机床主机是激光切割机的另一个重要组成部分。伺服电机能将机床主机精确地控制切割头在x和y两个轴上进行自由移动。当你将文件导入激光切割机时，计算机程序能够自行计算切割路径，科学合理地安排切割顺序，避免产生切割尚未完成而材料已经掉落的现象。

冷却装置也是保证激光切割机能够正常工作的重要部分。尽管二氧化碳激光效率非常髙，能源转化率达到了20%，但大多数能量都转化为热能，水冷机组可以带走多余能量，保证激光切割机正常工作。此外，在切割头附近有一个喷嘴，可以喷射出高速度气流，带走切割时产生的火花和金属蒸气，减少蒸气对光能的吸收及对透镜的破坏，喷出的气流还可以进一步提升切割速度和切口质量。

除了以上3个部分外，激光切割机还有排风系统、排渣系统、稳压系统、操作台等，它们同样也是保证机器正常运转及操作人员安全的重要组成部分，这里不多赘述。

我们已经認识了激光切割机的发展历史、工作原理和组成部分。随着电脑辅助设计（CAD）技术成熟及激光切割机的小型化，激光切割机成为了刨客教育中不可或缺的一个重要工具。对于学生而言，激光切割机提供了一个可以智慧设计、高效制造的机会。对于学校和教师来说，激光切割机费用较低、入门简单，堪称建立创客空间的入门级工具，为创客教育赋予更多可能。

首先，激光切割机可以让学生更加灵活地驾驭各种材料。在没有激光切割机的情况下，学生只能依靠纯手工的方式进行创客设计，所能用到的材料十分有限。在制作一个创意产品的外观时，学生可以用美工刀加工纸板，却不能用同样的方法驾驭木板，即使学会了锯的使用，也只能对木板进行简单加工，进行深度加工需要花费非常多的学习时间。而激光切割机能够加工木板、亚克力板、塑料甚至金属，赋予学生更多选择的可能。激光切割机还能完成手工制作中难以完成的一些加工方法，例如在材料上进行雕刻，这种精细操作需要经验较深的木工才能做到，而你只需要在激光切割机的程序中修改线的颜色，改变功率，就可以进行激光雕刻，精度比手工的还要高。有了激光切割机，学生不再局限于少数几种易加工的材料，而要考虑各种材料的特性，作出最合适的选择。

其次，激光切割机为学生带来时间和设计的便捷性。如果没有激光切割机，学生通过手工完成创客项目的制作，即使是切割一些简单图形，也需要花上很长的工作时间。如果需要同时制作多个相同元件或复杂零部件，这个步骤会变得十分枯燥，而且很容易做出不合格产品。而激光切割机只需要几分钟就可以完成手工几个小时的工作，效率提升数十倍，并且很多时候质量比手工做的要好得多。此外，因为经验不足，学生在设计上难以避免地会有一些细节上的错误，导致整个创客作品无法完成。在缺乏髙效的制作工具的时候，这将极大打击创客的信心。而在激光切割机面前，这些都不是问题，学生只需要在电脑上进行修改，再用激光切割机生产出来就行了，就跟打印一样简单。

它可以帮助学生节省更多时间思考设计本身的问题，提高创客作品的设计质量。

第三，激光切割技术可以很好地与其他刨客技术结合起来。

学生可以用激光切割木板，结合开源硬件制作出独一无二的机器人。还可以结合激光切割机和3D打印机的优势，用不同的机器生产不同的部件，提高工作效率。

这些优点使得激光切割机成为学校创客空间必备的数字制作入门工具。对于教育来说，我们也很看重激光切割技术给学生的思维方式带来怎样的转变。

使用激光切割机，学生必须掌握电脑辅助设计（CAD）的基本方法。用激光切割技术做好一个创客作品，需要学生对创造的物体有一个准确的认识。在没有电脑辅助制图的时候，学生对于作品最终效果可能会停留在想象，或者用文字和示意图进行表达。电脑辅助制图要求学生必须能够向计算机表达你要做的东西的尺寸和细节，这要求学生在设计之初就必须对要做的东西有清晰的认识，必要时还需要设计三维模型，以帮助设计出正确的CAD图纸。此外，CAD制图还方便学生在前人的设计基础上进行迭代，让创客项目更好、更持续地进行下去。

激光切割机还能够帮助学生更好地建立工程思维，让学生像工程师一样思考。所谓工程思维，就是进行工程活动或工程研究过程中所形成的思维方式。工程思维表现在一些具体的使用场景中，例如，在激光切割机的使用中，学生需要对材料的性质和使用进行研究，才能做出合适的产品。又如，学生使用激光切割机进行切割之后需要到其他地方进行材料加工，那么如何合理地将制作材料运走就是一个工程问题了，这就需要用到工程思维中的流程创新。通过激光切割技术，每一个学生都能从创客课程中感受设计的严谨，收获设计的快乐。

参考资料

[1][美]克里斯.安德森·萧潇译·创客：新工业革命·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，赵红亮，刘广军.二氧化碳激光切割机.仪表技术与传感器，1991（3）

[5]王奇伟.小学STEM课程中工程思维的培养和教学设计研究.上海师范大学硕士论文，2016endprint