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最近，“3D打印機”常常見諸媒體，甚至強調(diào)“個人制造時代”來臨。在長期從事3D設(shè)計業(yè)務的筆者看來，3D打印機突然受歡迎有些蹊蹺。因為3D打印機這一設(shè)備已有非常悠久的歷史，為何最近突然成了熱門話題？ 2012年10月出版的《創(chuàng)客》（Makers，作者：克里斯·安德森，NHK出版）一書對3D打印機的普及起了積極的推動作用。這本書指出，美國的產(chǎn)品制造方式已經(jīng)改變，其象征之一就是“3D打印機”，用這一實例淺顯易懂地解釋了“個人可以制造產(chǎn)品”這一主題。只要輸入3D數(shù)據(jù)，就能制造出前所未有的原創(chuàng)的立體模型。 下面簡單介紹一下3D打印機的原理。首先用電腦軟件將立體物體的3D數(shù)據(jù)切成薄片，薄片數(shù)據(jù)基本是平面。然后用融化的樹脂代替墨水將薄片打印在臺子上。印完一張以后，用融化的樹脂在上面再印刷下一張。因為處于融化狀態(tài)，因此前兩張會粘在一起，變成2倍的厚度。3D打印機就是這樣重復操作。還可以用金屬粉和激光等方式代替融化樹脂。
圖片提供：TSDESIGN 在媒體報道產(chǎn)品制造個人化的同時，低價3D打印機問世，也促進了3D打印機的熱潮。3D打印機在以往是價格高達幾千萬日元以上的特殊設(shè)備，只有部分大廠商在使用。 而如今的3D打印機即使個人也可以購買使用。當然，制作出的物品的尺寸和尺寸精度等不能跟昂貴的專業(yè)機型相比。但低價3D打印機制造前所未有的新產(chǎn)品的情況在被youtube和電視報道后，突然受到了高度關(guān)注。 最初的“個人用3D打印機”面向非常精通技術(shù)的專業(yè)人士，并不是作為組合套件銷售買回來就能使用。但最近推出的產(chǎn)品只需稍微調(diào)整一下便可使用了。 軟件價格驟降，推動3D打印機普及 處理3D數(shù)據(jù)的軟件越來越便宜也促進了3D打印機的普及。要想使用3D打印機制造立體物品，必須要有能在電腦上處理的3D數(shù)據(jù)。作為處理3D數(shù)據(jù)的工具，3D CG（計算機圖形）用軟件在一定程度上已經(jīng)普及。這種CG軟件擅長制作卡通人物等有機的柔軟形狀，但對于精確確定尺寸后制造的工業(yè)產(chǎn)品并不擅長。而適合制造工業(yè)產(chǎn)品的是“CAD”（計算機輔助設(shè)計）軟件，3D CAD是面向?qū)I(yè)人士的，非常昂貴，因此事實上個人無法使用。 但情況突然有了轉(zhuǎn)變。 因為低價3D CAD在2012年初問世。其中一款產(chǎn)品是CAD代表廠商美國歐特克（Autodesk）的“Autodesk123D Design”。該軟件直接超越低價免費提供。當然，與專業(yè)人士使用的付費版相比（比較本身就是錯誤的），只有極其有限的基本功能。但具有用電腦制作三維物體（建模）所需要的最基本功能，因此能夠處理小物品的3D數(shù)據(jù)。雖然需要相關(guān)知識并且要經(jīng)歷和反復嘗試及失敗，但能用3D打印機制造出可實際使用的樹脂材料的產(chǎn)品。 在個人能買得起的3D打印機和低價3D CAD問世的絕妙時機，克里斯·安德森的《創(chuàng)客》（Makers）又加以“宣傳”，3D打印機熱潮應運而生。 媒體稱3D打印機在個人用戶中也在迅速普及，但筆者個人認為這有點言過其實。在筆者周圍也有買了個人用3D打印機的強人。但是，他們并不是突然想要自己制造產(chǎn)品，而是以前就在用（昂貴的）3D打印機和3D CAD，如果有了個人用3D打印機則可以在自己辦公室的桌子上輕松制造各種顏色的物品，因此才買的。 雖然很麻煩，但使用3D打印機必須有3D數(shù)據(jù)，因此必須進行3D建模。如果忘記這一點，雖說3D打印機便宜了，但最終只能束之高閣。 3D打印機是什么東西？ 筆者要再講一下3D打印機到底為何物。雖叫“打印機”，但外觀跟打印機完全不同。其實就是用電腦控制制造樹脂材料的立體物品的“機床”。從這個意義上說，屬于用刀片切削材料制造部件的切削加工機和將樹脂注入模具形成部件的射出成型機。 3D打印機一邊融化樹脂一邊堆積制造物品這一點也跟一般的打印機不同。基本上，3D打印機可以制作出“任何”物理形狀。另外，3D打印機跟切削加工機不同，不需要操作技能和操作時間。雖有幾種方式，不過制造切薄立體物品的形狀的樹脂，并堆積制造整個物品這一點跟切削加工機基本相同。雖然很薄，但很多片堆積起來，就成了立體形狀。CT掃描是將立體的人體切成很多截面做成影像，或許可以說，3D打印機的流程正好與其相反。
圖片提供：Hotproceed 用3D打印機制造物品時，首先是把要制造的物體的3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成“STL”文件格式。之后是在電腦上安裝3D打印機附帶的軟件，與3D打印機連接。然后安裝線狀樹脂材料、調(diào)整機器，將STL格式的數(shù)據(jù)加載到附帶的軟件里。這樣就可以開始打印了，只需等待就可制造出真正的物品。既小又薄的物品只需幾十分鐘至1小時左右。大的物品需要幾個小時，但如果晚上睡前設(shè)定好，到第二天早上就做好了，實際等待時間為零。從這個意義上，或許可以說確實是個人也“能夠制造產(chǎn)品的夢幻機器”。 個人用3D打印機使用的材料主要是ABS和PLA樹脂。讀者可能多聽說過ABS樹脂。PLA是名為聚乳酸的樹脂，是以玉米為原材料做成的環(huán)保塑料。 一邊加熱融化細樹脂線一邊從打印頭輸出。打印頭根據(jù)電腦的信號左右移動繪出一張圖。繪完圖后，就完成一張薄片。一片完成后，工作臺下降一點，打印頭再用融化的樹脂繪下一張圖。因為是用融化的樹脂繪圖，因此會與前一張完成的樹脂薄片粘在一起。這樣反復累積幾百層，就形成了一個立體物品。 個人用3D打印機的代表機型 估計很少有人見過個人用3D打印機的實物。筆者下面就介紹幾款主要機型。畢竟百聞不如一見！ Blade-1（Hotproceed） 商用和個人用3D打印機大部分都是外國生產(chǎn)的，Blade-1是唯一一款日本產(chǎn)的個人用3D打印機。采用的是一邊融化卷在上部卷軸上的ABS樹脂線、一邊堆積的方式，具有日本產(chǎn)品特有的出色靜音性和耐用性。生產(chǎn)商是福岡的Hotproceed。現(xiàn)在訂購要等大約3個月能到手。價格是13萬日元（不含稅，約8460元人民幣），個人也買得起。可制造的立體物品的最大尺寸是100×100×100mm，適合用來制造小物品。
Blade-1 圖片提供：Hotproceed Replicator2（Makerbot） 這款恐怕是全球知名度最高的3D打印機。方式跟前面的Blade-1一樣，不過可使用的材料只有PLA，Replicator2X機型還可使用ABS。可制造物品的尺寸為285×153×155mm，因此還能夠“印刷”大一點的物品。 Replicator2的價格折合成日元約為20萬日元（不含稅，約1.3萬元人民幣）。比Blade-1貴，不過個人努力一下也買得起。 但是，大多個人用3D打印機使用的材料是商用機型并不采用的PLA樹脂。這是因為PLA的熔點比ABS低，更適合個人用3D打印機。個人用3D打印機的機身是直接露出來的，像Replicator2等機型最多有個框架。這是因為如果將周圍圍起來會違反專利。因為沒有圍起來，因此溫度總會下降。因此，能在低溫下融化的材料更好用。 3D Touch 3D Touch是商用3D打印機專業(yè)制造商3D Systems銷售的產(chǎn)品。原來是由英國Bits From Bytes開發(fā)銷售的，后來該公司被3D Systems收購了。這也是個人用3D打印機中比較受歡迎的機型。另外，日本也有經(jīng)銷店，因此，雖是外國產(chǎn)品但在日本也可以買到。樹脂可以使用ABS和PLA兩種。特點是，打印頭最多可增至3個，能夠一次以三種顏色的樹脂打印。 可制造物品的尺寸因打印頭數(shù)量而異，范圍是275×275×210mm～185×275×210mm。可以制造較大的物品，帶一個打印頭的產(chǎn)品的價格為約35萬日元（約2.28萬元人民幣）起，帶三個打印頭的產(chǎn)品超過40萬日元（約2.6萬元人民幣）。 當然，除上述產(chǎn)品以外還有其他機型，另外還有各種套件在銷售。不過，價格和方式除部分機型外，都跟前面介紹的機型基本相同。 用3D打印機可以做什么？ 遺憾的是，用3D打印機制造的物品的完成度比我們一般接觸的工業(yè)產(chǎn)品要低。個人用低價3D打印機尤其如此。商用3D打印機做得還漂亮一點，但基本處于試制品水平。用3D打印機制造的物品打磨一下表面可以變漂亮，但這需要時間。 但是，只要期望不是很高，3D打印機還是很有意思的。小物品能夠做出實用的東西。比如，筆者用3D打印機做出了iPhone4S的手機套。每天都用，沒什么大問題。另外，以前筆者曾舉辦過用3D打印機親自制作自己的iPhone手機套的研討會，沒做過的人也可以做。雖然商品的要求比較嚴格，但自己用的話，什么樣都行。
研討會參與者制作的iPhone手機套
小學生制作的小收納箱 沒有3D數(shù)據(jù)，3D打印機就只是個擺設(shè) 不過，有個事情不能忘記。電視上只是大肆報道3D打印機的強大功能，卻不大報道這件重要的事情，那就是3D數(shù)據(jù)。就像在紙上打印需要Word文件和圖片文件一樣，使用3D打印機必須要有3D數(shù)據(jù)。 如果真想使用3D打印機，首先要學習3D建模。能熟練處理3D數(shù)據(jù)之后，既可以根據(jù)經(jīng)濟情況購買個人用3D打印機，也可以不買而使用shapeways及sculpteo或INTER-CULTURE等3D打印服務。如果使用打印服務，還可以選擇多種方式和材料。 3D打印設(shè)備：10大細分市場前景分析 2012年，3D打印成為科技界的熱點。英國著名雜志《經(jīng)濟學人》報道稱“3D打印將推動第三次工業(yè)革命”。而著名科技雜志《連線》十月刊則將《3D打印機改變世界》作為封面報道。 據(jù)媒體報道，通用電氣航空集團年中收購了一家員工數(shù)僅為130人的公司MorrisTechnologies，該公司投資研究了航空發(fā)動機零件的3D打印技術(shù)，使用3D打印機器和激光燒結(jié)工藝，Morris公司可以一層層建造出數(shù)字化描述的零件。 零件打印的一大優(yōu)勢是節(jié)省材料，因為使用金屬鋼坯鍛造零件必須根據(jù)零件形狀削掉大量材料。
英國華威大學的研究人員則研制出一種簡單廉價的新型導電塑料復合材料，未來會讓人們在家中按照自己的設(shè)計意愿打印出稱心如意的個人電子產(chǎn)品，以減少產(chǎn)生不必要的電子廢棄物。 業(yè)余愛好者可采用最新一代低成本的3D打印機將自己的電子設(shè)備設(shè)計創(chuàng)意生產(chǎn)出來。用戶可將制定電子軌道和傳感器作為3D打印結(jié)構(gòu)的一部分，然后將其連接到一個簡單的電子電路板上。 有人說，3D打印的價值開始顯現(xiàn)在想象力馳騁的各個領(lǐng)域，3D打印正讓“天馬行空”轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳_踏實地”的可能，人們利用3D打印為自己所在的領(lǐng)域貼上了個性化的標簽。人們紛紛展示了如何3D打印馬鈴薯、巧克力、小鎮(zhèn)模型，甚至擴展到用3D打印汽車和飛機。 3D打印行業(yè)最早應用于工業(yè)領(lǐng)域，隨著技術(shù)的發(fā)展，適用的制造領(lǐng)域范圍不斷擴大。近些年來，市場規(guī)模保持著較快的增速。從3D打印現(xiàn)有的技術(shù)優(yōu)勢和自身局限，以及未來的發(fā)展方向來看，這一技術(shù)在醫(yī)療、航空航天、消費電子和汽車行業(yè)的發(fā)展前景較為廣闊。現(xiàn)階段，除了醫(yī)療領(lǐng)域之外；3D打印技術(shù)對其他行業(yè)的貢獻主要集中在產(chǎn)品設(shè)計和模具開發(fā)兩個方面，隨著技術(shù)的不斷完善，這一技術(shù)的應用將會向行業(yè)的其他環(huán)節(jié)滲透。 同時，隨著“創(chuàng)客”潮流的風靡，近些年來，3D打印設(shè)備在個人消費市場的需求急速膨脹。由于個人制造沒有傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)標準的約束，未來仍將保持相對較快的發(fā)展速度，存在巨大的市場潛在需求。 1987年3Dsystem公司使用立體平面印刷技術(shù)（SL）成功研發(fā)了第一臺商用3D打印設(shè)備SLA-1。二十多年以來，3D打印產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模一直保持著較高的增速。根據(jù)WohlersAssociates的統(tǒng)計和預測，1993-2011年行業(yè)產(chǎn)值復合增速為17.6%。2012年，預計市場規(guī)模超過20億美元，年增速在25%-30%。到2019年，行業(yè)產(chǎn)值將突破65億美元。
這里統(tǒng)計的產(chǎn)值范圍僅包括3D打印設(shè)備，3D打印材料，以及外包的打印服務，即3D設(shè)備制作的最終零部件。如果加上衍生市場的收入：包括3D打印設(shè)備制造的中間產(chǎn)品，如模具；以及其他的服務，CAD模型設(shè)計，設(shè)備使用教學等，2011年已接近30億的市場規(guī)模。 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印已經(jīng)逐步應用于制造業(yè)的各個領(lǐng)域。從近10年3D打印設(shè)備下游應用行業(yè)的分布來看，個人消費品（以電子行業(yè)為主）和交通運輸設(shè)備占據(jù)主要份額；同時，醫(yī)療方面的占比在持續(xù)提升。而3D打印設(shè)備在航空航天領(lǐng)域的應用也穩(wěn)中有升。 從具體用途來看，3D打印技術(shù)的應用主要集中在模具、工具加工和功能性設(shè)計模型（主要是產(chǎn)品設(shè)計中的樣件制造）上。同時，近些年來，使用3D打印設(shè)備進行直接部件制造的比例，從最初的幾乎為零，開始逐漸躍升。 3D打印的十大趨勢 3D打印——按需定制、以相對低廉的成本制造產(chǎn)品——一度被認為是科幻想象，而現(xiàn)在已經(jīng)變成現(xiàn)實。在2013年，這種趨勢將逐漸加速。以下就是明年以及今后3D打印領(lǐng)域值得關(guān)注的十大趨勢： 1、3D打印成為工業(yè)化力量 3D打印原先只能用于制造產(chǎn)品原型以及玩具，而現(xiàn)在它將成為工業(yè)化力量。你乘坐的飛機將使用3D打印制造的零部件，這些零部件能夠讓飛機變得更輕、更省油。 事實上，一些3D打印的零部件已經(jīng)被應用于飛機上。該技術(shù)也將被國防、汽車等工業(yè)應用于特種零部件的直接制造。總之，在你不知不覺的情況下，通過3D打印制造的飛機、汽車乃至家電的零部件數(shù)量將越來越多。
2、3D打印開始治病救人 通過3D打印制造的醫(yī)療植入物將提高你身邊一些人的生活質(zhì)量，因為3D打印產(chǎn)品可以根據(jù)確切體型匹配定制，如今這種技術(shù)已被應用于制造更好的鈦質(zhì)骨植入物、義肢以及矯正設(shè)備。 打印制造軟組織的實驗已在進行當中，很快通過3D打印制造的血管和動脈就有可能應用于手術(shù)之中。目前，3D打印技術(shù)在醫(yī)療應用方面的研究涉及納米醫(yī)學、制藥乃至器官打印。 做最理想的情況是，3D打印技術(shù)在未來某一天有可能使定制藥物成為現(xiàn)實，并緩解（如果不能消除的話）器官供體短缺的問題。 3、定制化成為常態(tài) 今后購買的產(chǎn)品將根據(jù)自己確切的具體信息進行定制，該產(chǎn)品通過3D打印制造并直接送到你的家門口。通過3D打印技術(shù)，創(chuàng)新公司將憑借與競爭對手的標準化產(chǎn)品相同的價格為用戶提供定制化體驗，以此獲得競爭優(yōu)勢。 起初，這種體驗可能包括制造定制智能手機外殼這樣的新奇物品或是為標準化工具進行符合人體工程學的改造，但它很快就會擴張到新的市場。 公司領(lǐng)導者將對銷售、分銷以及營銷渠道進行調(diào)整，以充分利用其直接向消費者提供定制化體驗的能力。定制化同樣也將在醫(yī)療器械領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，比如通過3D打印制造助聽器和義肢。
4、產(chǎn)品創(chuàng)新速度加快 從新車型到更好的家電，一切產(chǎn)品的設(shè)計速度都將加快，從而將創(chuàng)新更快地推向消費者。 由于運用3D打印的快速原型制造技術(shù)能夠縮短把產(chǎn)品概念轉(zhuǎn)化為成熟產(chǎn)品設(shè)計的時間，設(shè)計人員將能夠?qū)Ｗ⒂诋a(chǎn)品的功能。 雖然使用3D打印的快速原型制造技術(shù)并不是新鮮事物，但迅速降低的成本、功能得到改進的設(shè)計軟件以及越來越多的打印材料意味著設(shè)計人員將能更方便地使用3D打印機，使他們能夠在設(shè)計的早期階段就打印出原型產(chǎn)品、進行修改以及重新打印等等，從而加速創(chuàng)新，其結(jié)果將是更好的產(chǎn)品以及更快的設(shè)計速度。 5、新公司基于3D打印開發(fā)出創(chuàng)新的商業(yè)模式 你今后將有機會投資購買一家3D打印公司的IPO。新一代公司將作為發(fā)明家、黑客以及“制造者”大量涌現(xiàn)，利用3D打印技術(shù)創(chuàng)造新的產(chǎn)品，并向蓬勃發(fā)展的3D打印機市場提供服務。 一些公司將走向失敗，并有可能出現(xiàn)一個盛衰循環(huán)，但3D打印將催生出創(chuàng)造性的新商業(yè)模式。 6、3D打印店在購物商場開張 3D打印店將開始出現(xiàn)，它們最初會憑借高品質(zhì)的3D打印技術(shù)為本地市場提供服務。一開始是快速原型制造以及其他利基功能，但這些打印店會轉(zhuǎn)移到消費市場。 零售商開始“運送設(shè)計，而不是產(chǎn)品”，在這種情況下，本地的3D打印店有一天將成為你獲取自己定制的本地制造產(chǎn)品的地方，就像如今你在本地沃爾瑪商場內(nèi)沖印照片一樣。
7、關(guān)于知識產(chǎn)權(quán)歸屬的激烈辯論浮現(xiàn)出來 3D打印機可以很容易地復制擁有版權(quán)的產(chǎn)品設(shè)計，隨著制造商和設(shè)計者開始應對這種情況，未來將出現(xiàn)關(guān)于產(chǎn)品設(shè)計知識產(chǎn)權(quán)歸屬的高調(diào)訴訟案例。 文件共享網(wǎng)站使音樂的復制和共享變得簡單，從而撼動了整個音樂行業(yè)，與此類似，3D打印技術(shù)輕松復制、共享、修改以及打印3D產(chǎn)品的能力將引發(fā)新一波知識產(chǎn)權(quán)問題。 |
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8、具備神奇特性的新產(chǎn)品 跟如今制造的產(chǎn)品相比，那些只能通過3D打印機制造的新產(chǎn)品將融新材料、納米尺度以及印刷電子器件于一體，從而展示出堪稱神奇的新特性。這些通過3D打印制造的產(chǎn)品將令人喜愛，并具備明顯的競爭優(yōu)勢。金模工控網(wǎng)首席分析師羅百輝認為其秘訣在于，3D打印技術(shù)可以在制造過程中控制所用材料，精度可達分子和原子級別。隨著目前對未來可行的商用3D打印機的研究不斷完善，我們可以期待令人興奮和向往的新產(chǎn)品攜驚人的特性出現(xiàn)在世人面前。現(xiàn)在的問題是：這些產(chǎn)品都是什么以及誰將銷售它們？ 9、3D打印機為制造工廠提供助力 我們有望在制造工廠里看到3D打印機。一些特殊的零部件已經(jīng)由3D打印機更經(jīng)濟地生產(chǎn)出來了，但僅僅是在小規(guī)模范圍內(nèi)。對于3D打印技術(shù)，很多制造商將開始嘗試原型制造以外的應用。 隨著3D打印機的性能不斷提高以及制造商將其整合進生產(chǎn)線和供應鏈的經(jīng)驗變得更加豐富，我們有望看到集成了3D打印零部件的混合制造工藝。而消費者渴望的那些需要通過3D打印機制造的產(chǎn)品將進一步加速此進程。 10、“看我做出了什么東西！” 你孩子將從學校帶回通過3D打印制造的物品。 在學校，數(shù)字素養(yǎng)——包括網(wǎng)頁和應用程序開發(fā)、使用電子設(shè)備、協(xié)作以及3D設(shè)計的能力——的培育將得到3D打印機的支持。很多中學和高中已經(jīng)裝備了3D打印機，隨著3D打印技術(shù)的成本持續(xù)下降，更多的學校將會開始使用。數(shù)字素養(yǎng)將不僅關(guān)乎“字節(jié)”，還關(guān)乎實物。 |
