3D打印机设备及3D打印前景分析
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最近，“3D打印机”常常见诸媒体，甚至强调“个人制造时代”来临。在长期从事3D设计业务的笔者看来，3D打印机突然受欢迎有些蹊跷。因为3D打印机这一设备已有非常悠久的历史，为何最近突然成了热门话题？ 2012年10月出版的《创客》（Makers，作者：克里斯·安德森，NHK出版）一书对3D打印机的普及起了积极的推动作用。这本书指出，美国的产品制造方式已经改变，其象征之一就是“3D打印机”，用这一实例浅显易懂地解释了“个人可以制造产品”这一主题。只要输入3D数据，就能制造出前所未有的原创的立体模型。 下面简单介绍一下3D打印机的原理。首先用电脑软件将立体物体的3D数据切成薄片，薄片数据基本是平面。然后用融化的树脂代替墨水将薄片打印在台子上。印完一张以后，用融化的树脂在上面再印刷下一张。因为处于融化状态，因此前两张会粘在一起，变成2倍的厚度。3D打印机就是这样重复操作。还可以用金属粉和激光等方式代替融化树脂。
图片提供：TSDESIGN 在媒体报道产品制造个人化的同时，低价3D打印机问世，也促进了3D打印机的热潮。3D打印机在以往是价格高达几千万日元以上的特殊设备，只有部分大厂商在使用。 而如今的3D打印机即使个人也可以购买使用。当然，制作出的物品的尺寸和尺寸精度等不能跟昂贵的专业机型相比。但低价3D打印机制造前所未有的新产品的情况在被youtube和电视报道后，突然受到了高度关注。 最初的“个人用3D打印机”面向非常精通技术的专业人士，并不是作为组合套件销售买回来就能使用。但最近推出的产品只需稍微调整一下便可使用了。 软件价格骤降，推动3D打印机普及 处理3D数据的软件越来越便宜也促进了3D打印机的普及。要想使用3D打印机制造立体物品，必须要有能在电脑上处理的3D数据。作为处理3D数据的工具，3D CG（计算机图形）用软件在一定程度上已经普及。这种CG软件擅长制作卡通人物等有机的柔软形状，但对于精确确定尺寸后制造的工业产品并不擅长。而适合制造工业产品的是“CAD”（计算机辅助设计）软件，3D CAD是面向专业人士的，非常昂贵，因此事实上个人无法使用。 但情况突然有了转变。 因为低价3D CAD在2012年初问世。其中一款产品是CAD代表厂商美国欧特克（Autodesk）的“Autodesk123D Design”。该软件直接超越低价免费提供。当然，与专业人士使用的付费版相比（比较本身就是错误的），只有极其有限的基本功能。但具有用电脑制作三维物体（建模）所需要的最基本功能，因此能够处理小物品的3D数据。虽然需要相关知识并且要经历和反复尝试及失败，但能用3D打印机制造出可实际使用的树脂材料的产品。 在个人能买得起的3D打印机和低价3D CAD问世的绝妙时机，克里斯·安德森的《创客》（Makers）又加以“宣传”，3D打印机热潮应运而生。 媒体称3D打印机在个人用户中也在迅速普及，但笔者个人认为这有点言过其实。在笔者周围也有买了个人用3D打印机的强人。但是，他们并不是突然想要自己制造产品，而是以前就在用（昂贵的）3D打印机和3D CAD，如果有了个人用3D打印机则可以在自己办公室的桌子上轻松制造各种颜色的物品，因此才买的。 虽然很麻烦，但使用3D打印机必须有3D数据，因此必须进行3D建模。如果忘记这一点，虽说3D打印机便宜了，但最终只能束之高阁。 3D打印机是什么东西？ 笔者要再讲一下3D打印机到底为何物。虽叫“打印机”，但外观跟打印机完全不同。其实就是用电脑控制制造树脂材料的立体物品的“机床”。从这个意义上说，属于用刀片切削材料制造部件的切削加工机和将树脂注入模具形成部件的射出成型机。 3D打印机一边融化树脂一边堆积制造物品这一点也跟一般的打印机不同。基本上，3D打印机可以制作出“任何”物理形状。另外，3D打印机跟切削加工机不同，不需要操作技能和操作时间。虽有几种方式，不过制造切薄立体物品的形状的树脂，并堆积制造整个物品这一点跟切削加工机基本相同。虽然很薄，但很多片堆积起来，就成了立体形状。CT扫描是将立体的人体切成很多截面做成影像，或许可以说，3D打印机的流程正好与其相反。
图片提供：Hotproceed 用3D打印机制造物品时，首先是把要制造的物体的3D数据转换成“STL”文件格式。之后是在电脑上安装3D打印机附带的软件，与3D打印机连接。然后安装线状树脂材料、调整机器，将STL格式的数据加载到附带的软件里。这样就可以开始打印了，只需等待就可制造出真正的物品。既小又薄的物品只需几十分钟至1小时左右。大的物品需要几个小时，但如果晚上睡前设定好，到第二天早上就做好了，实际等待时间为零。从这个意义上，或许可以说确实是个人也“能够制造产品的梦幻机器”。 个人用3D打印机使用的材料主要是ABS和PLA树脂。读者可能多听说过ABS树脂。PLA是名为聚乳酸的树脂，是以玉米为原材料做成的环保塑料。 一边加热融化细树脂线一边从打印头输出。打印头根据电脑的信号左右移动绘出一张图。绘完图后，就完成一张薄片。一片完成后，工作台下降一点，打印头再用融化的树脂绘下一张图。因为是用融化的树脂绘图，因此会与前一张完成的树脂薄片粘在一起。这样反复累积几百层，就形成了一个立体物品。 个人用3D打印机的代表机型 估计很少有人见过个人用3D打印机的实物。笔者下面就介绍几款主要机型。毕竟百闻不如一见！ Blade-1（Hotproceed） 商用和个人用3D打印机大部分都是外国生产的，Blade-1是唯一一款日本产的个人用3D打印机。采用的是一边融化卷在上部卷轴上的ABS树脂线、一边堆积的方式，具有日本产品特有的出色静音性和耐用性。生产商是福冈的Hotproceed。现在订购要等大约3个月能到手。价格是13万日元（不含税，约8460元人民币），个人也买得起。可制造的立体物品的最大尺寸是100×100×100mm，适合用来制造小物品。
Blade-1 图片提供：Hotproceed Replicator2（Makerbot） 这款恐怕是全球知名度最高的3D打印机。方式跟前面的Blade-1一样，不过可使用的材料只有PLA，Replicator2X机型还可使用ABS。可制造物品的尺寸为285×153×155mm，因此还能够“印刷”大一点的物品。 Replicator2的价格折合成日元约为20万日元（不含税，约1.3万元人民币）。比Blade-1贵，不过个人努力一下也买得起。 但是，大多个人用3D打印机使用的材料是商用机型并不采用的PLA树脂。这是因为PLA的熔点比ABS低，更适合个人用3D打印机。个人用3D打印机的机身是直接露出来的，像Replicator2等机型最多有个框架。这是因为如果将周围围起来会违反专利。因为没有围起来，因此温度总会下降。因此，能在低温下融化的材料更好用。 3D Touch 3D Touch是商用3D打印机专业制造商3D Systems销售的产品。原来是由英国Bits From Bytes开发销售的，后来该公司被3D Systems收购了。这也是个人用3D打印机中比较受欢迎的机型。另外，日本也有经销店，因此，虽是外国产品但在日本也可以买到。树脂可以使用ABS和PLA两种。特点是，打印头最多可增至3个，能够一次以三种颜色的树脂打印。 可制造物品的尺寸因打印头数量而异，范围是275×275×210mm～185×275×210mm。可以制造较大的物品，带一个打印头的产品的价格为约35万日元（约2.28万元人民币）起，带三个打印头的产品超过40万日元（约2.6万元人民币）。 当然，除上述产品以外还有其他机型，另外还有各种套件在销售。不过，价格和方式除部分机型外，都跟前面介绍的机型基本相同。 用3D打印机可以做什么？ 遗憾的是，用3D打印机制造的物品的完成度比我们一般接触的工业产品要低。个人用低价3D打印机尤其如此。商用3D打印机做得还漂亮一点，但基本处于试制品水平。用3D打印机制造的物品打磨一下表面可以变漂亮，但这需要时间。 但是，只要期望不是很高，3D打印机还是很有意思的。小物品能够做出实用的东西。比如，笔者用3D打印机做出了iPhone4S的手机套。每天都用，没什么大问题。另外，以前笔者曾举办过用3D打印机亲自制作自己的iPhone手机套的研讨会，没做过的人也可以做。虽然商品的要求比较严格，但自己用的话，什么样都行。
研讨会参与者制作的iPhone手机套
小学生制作的小收纳箱 没有3D数据，3D打印机就只是个摆设 不过，有个事情不能忘记。电视上只是大肆报道3D打印机的强大功能，却不大报道这件重要的事情，那就是3D数据。就像在纸上打印需要Word文件和图片文件一样，使用3D打印机必须要有3D数据。 如果真想使用3D打印机，首先要学习3D建模。能熟练处理3D数据之后，既可以根据经济情况购买个人用3D打印机，也可以不买而使用shapeways及sculpteo或INTER-CULTURE等3D打印服务。如果使用打印服务，还可以选择多种方式和材料。 3D打印设备：10大细分市场前景分析 2012年，3D打印成为科技界的热点。英国著名杂志《经济学人》报道称“3D打印将推动第三次工业革命”。而著名科技杂志《连线》十月刊则将《3D打印机改变世界》作为封面报道。 据媒体报道，通用电气航空集团年中收购了一家员工数仅为130人的公司MorrisTechnologies，该公司投资研究了航空发动机零件的3D打印技术，使用3D打印机器和激光烧结工艺，Morris公司可以一层层建造出数字化描述的零件。 零件打印的一大优势是节省材料，因为使用金属钢坯锻造零件必须根据零件形状削掉大量材料。
英国华威大学的研究人员则研制出一种简单廉价的新型导电塑料复合材料，未来会让人们在家中按照自己的设计意愿打印出称心如意的个人电子产品，以减少产生不必要的电子废弃物。 业余爱好者可采用最新一代低成本的3D打印机将自己的电子设备设计创意生产出来。用户可将制定电子轨道和传感器作为3D打印结构的一部分，然后将其连接到一个简单的电子电路板上。 有人说，3D打印的价值开始显现在想象力驰骋的各个领域，3D打印正让“天马行空”转变为“脚踏实地”的可能，人们利用3D打印为自己所在的领域贴上了个性化的标签。人们纷纷展示了如何3D打印马铃薯、巧克力、小镇模型，甚至扩展到用3D打印汽车和飞机。 3D打印行业最早应用于工业领域，随着技术的发展，适用的制造领域范围不断扩大。近些年来，市场规模保持着较快的增速。从3D打印现有的技术优势和自身局限，以及未来的发展方向来看，这一技术在医疗、航空航天、消费电子和汽车行业的发展前景较为广阔。现阶段，除了医疗领域之外；3D打印技术对其他行业的贡献主要集中在产品设计和模具开发两个方面，随着技术的不断完善，这一技术的应用将会向行业的其他环节渗透。 同时，随着“创客”潮流的风靡，近些年来，3D打印设备在个人消费市场的需求急速膨胀。由于个人制造没有传统工业技术标准的约束，未来仍将保持相对较快的发展速度，存在巨大的市场潜在需求。 1987年3Dsystem公司使用立体平面印刷技术（SL）成功研发了第一台商用3D打印设备SLA-1。二十多年以来，3D打印产业的市场规模一直保持着较高的增速。根据WohlersAssociates的统计和预测，1993-2011年行业产值复合增速为17.6%。2012年，预计市场规模超过20亿美元，年增速在25%-30%。到2019年，行业产值将突破65亿美元。
这里统计的产值范围仅包括3D打印设备，3D打印材料，以及外包的打印服务，即3D设备制作的最终零部件。如果加上衍生市场的收入：包括3D打印设备制造的中间产品，如模具；以及其他的服务，CAD模型设计，设备使用教学等，2011年已接近30亿的市场规模。 随着技术的不断发展，3D打印已经逐步应用于制造业的各个领域。从近10年3D打印设备下游应用行业的分布来看，个人消费品（以电子行业为主）和交通运输设备占据主要份额；同时，医疗方面的占比在持续提升。而3D打印设备在航空航天领域的应用也稳中有升。 从具体用途来看，3D打印技术的应用主要集中在模具、工具加工和功能性设计模型（主要是产品设计中的样件制造）上。同时，近些年来，使用3D打印设备进行直接部件制造的比例，从最初的几乎为零，开始逐渐跃升。 3D打印的十大趋势 3D打印——按需定制、以相对低廉的成本制造产品——一度被认为是科幻想象，而现在已经变成现实。在2013年，这种趋势将逐渐加速。以下就是明年以及今后3D打印领域值得关注的十大趋势： 1、3D打印成为工业化力量 3D打印原先只能用于制造产品原型以及玩具，而现在它将成为工业化力量。你乘坐的飞机将使用3D打印制造的零部件，这些零部件能够让飞机变得更轻、更省油。 事实上，一些3D打印的零部件已经被应用于飞机上。该技术也将被国防、汽车等工业应用于特种零部件的直接制造。总之，在你不知不觉的情况下，通过3D打印制造的飞机、汽车乃至家电的零部件数量将越来越多。
2、3D打印开始治病救人 通过3D打印制造的医疗植入物将提高你身边一些人的生活质量，因为3D打印产品可以根据确切体型匹配定制，如今这种技术已被应用于制造更好的钛质骨植入物、义肢以及矫正设备。 打印制造软组织的实验已在进行当中，很快通过3D打印制造的血管和动脉就有可能应用于手术之中。目前，3D打印技术在医疗应用方面的研究涉及纳米医学、制药乃至器官打印。 做最理想的情况是，3D打印技术在未来某一天有可能使定制药物成为现实，并缓解（如果不能消除的话）器官供体短缺的问题。 3、定制化成为常态 今后购买的产品将根据自己确切的具体信息进行定制，该产品通过3D打印制造并直接送到你的家门口。通过3D打印技术，创新公司将凭借与竞争对手的标准化产品相同的价格为用户提供定制化体验，以此获得竞争优势。 起初，这种体验可能包括制造定制智能手机外壳这样的新奇物品或是为标准化工具进行符合人体工程学的改造，但它很快就会扩张到新的市场。 公司领导者将对销售、分销以及营销渠道进行调整，以充分利用其直接向消费者提供定制化体验的能力。定制化同样也将在医疗器械领域发挥重要作用，比如通过3D打印制造助听器和义肢。
4、产品创新速度加快 从新车型到更好的家电，一切产品的设计速度都将加快，从而将创新更快地推向消费者。 由于运用3D打印的快速原型制造技术能够缩短把产品概念转化为成熟产品设计的时间，设计人员将能够专注于产品的功能。 虽然使用3D打印的快速原型制造技术并不是新鲜事物，但迅速降低的成本、功能得到改进的设计软件以及越来越多的打印材料意味着设计人员将能更方便地使用3D打印机，使他们能够在设计的早期阶段就打印出原型产品、进行修改以及重新打印等等，从而加速创新，其结果将是更好的产品以及更快的设计速度。 5、新公司基于3D打印开发出创新的商业模式 你今后将有机会投资购买一家3D打印公司的IPO。新一代公司将作为发明家、黑客以及“制造者”大量涌现，利用3D打印技术创造新的产品，并向蓬勃发展的3D打印机市场提供服务。 一些公司将走向失败，并有可能出现一个盛衰循环，但3D打印将催生出创造性的新商业模式。 6、3D打印店在购物商场开张 3D打印店将开始出现，它们最初会凭借高品质的3D打印技术为本地市场提供服务。一开始是快速原型制造以及其他利基功能，但这些打印店会转移到消费市场。 零售商开始“运送设计，而不是产品”，在这种情况下，本地的3D打印店有一天将成为你获取自己定制的本地制造产品的地方，就像如今你在本地沃尔玛商场内冲印照片一样。
7、关于知识产权归属的激烈辩论浮现出来 3D打印机可以很容易地复制拥有版权的产品设计，随着制造商和设计者开始应对这种情况，未来将出现关于产品设计知识产权归属的高调诉讼案例。 文件共享网站使音乐的复制和共享变得简单，从而撼动了整个音乐行业，与此类似，3D打印技术轻松复制、共享、修改以及打印3D产品的能力将引发新一波知识产权问题。 |
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