3D打印機(jī)進(jìn)入主流指日可待

1、3D 打印機(jī)進(jìn)入主流指日可待用打印機(jī)制造三維物品仍然很復(fù)雜， 但變得越來(lái)越容易。Richard Smith需要為一個(gè)客戶制造會(huì)爬墻的機(jī)器人，于是他打印了一個(gè)機(jī)器人。作為Smith工程有限公司的主管，Smith使用CAD軟件設(shè)計(jì)了 WallRover的3D模型。WallRover是個(gè)雙軌探測(cè)機(jī)器人，底座有一個(gè)離心器，能夠產(chǎn)生足夠強(qiáng)勁的吸力，從而將設(shè)備吸附在墻上。然后，他將每個(gè)部件的圖紙文件發(fā)送到 3D 打印機(jī)，打印機(jī)再把物品分成厚度不到 0.01 英寸的塊片，每次打印一層，使用熔化的丙烯腈丁二烯苯乙烯（ ABS） 塑料作為 “墨水” 。隨著 3D 打印機(jī)開(kāi)始制造物品，每一層都熔化或粘合到前一層上

2、，這樣產(chǎn)品會(huì)逐漸成形。究其原理，3D 打印機(jī)使用了諸多不同的制造工藝有幾項(xiàng)工藝基于噴墨技術(shù)，可以使用許多不同類型的“制作”材料，打印出三維物品。 （想了解不同類型的 3D 打印機(jī)，請(qǐng)參閱本文所附的比較表） 。Smith 工程有限公司使用廉價(jià)的 3D 打印機(jī)，為客戶WallRover制造爬墻機(jī)器人原型所需的ABS塑料部件。在購(gòu)買 3D 之前， Smith 需要其設(shè)計(jì)圖紙發(fā)送到服務(wù)中心進(jìn)行制造，部件需要三四天才制造完畢。Smith表示，要是Smith的WallRover項(xiàng)目使用服務(wù)中心先后要經(jīng)過(guò)22 道設(shè)計(jì)工序， 需要整整六個(gè)月才能完成。相反， Smith 在短短兩個(gè)星期內(nèi)就完成了最終設(shè)計(jì)，并將完

3、全實(shí)用的原型交給客戶。為此， 他使用了用打印機(jī)套件制作而成的消費(fèi)級(jí)3D “噴塑打印機(jī)”。套件RapMan出自3D System於 司的Bits From Bytes部門，售價(jià)只要1500美元。Smith另外花了180 美元購(gòu)買塑料絲，這是打印機(jī)所使用的“墨水” 。 “開(kāi)發(fā)時(shí)間因而縮短了五個(gè)月，模型費(fèi)用因而省下了15000 至 20000 美元” ， 這些模型是公司內(nèi)部制作的，而不是送到服務(wù)中心來(lái)制作，他表示。更小巧、更便宜3D 打印不是新技術(shù)。 幾十年來(lái)， 如今名為 3D 打印的制造工藝一直用于快速成型領(lǐng)域， 3D 打印又叫添加式制造或直接數(shù)字化制造。 不過(guò)在近 24 個(gè)月里， 價(jià)格跌到了 3

4、D 打印吸引更廣泛受眾的價(jià)位。這項(xiàng)技術(shù)變得更小巧， 尤其是在噴塑打印機(jī)這一類。打印機(jī)制造商3D System宓司全球營(yíng)銷副總裁Cathy Lewis表示，今天的3D打印機(jī)就個(gè)人使用而言“很理想” 。但是制造可以打印的3D物品很棘手。用CAD軟件設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)圖紙需要 “防水” ， 或者密封性完好。 3D 打印機(jī)廠商Stratasys的營(yíng)銷副總裁Jon Cobb說(shuō)：所 有表面都要密封起來(lái)， 一層表面堆在另一層表面上面，否則做出來(lái)的部件會(huì)有孔眼。 ”然后，設(shè)計(jì)圖紙需要導(dǎo)成3D 打印機(jī)能夠使用的標(biāo)準(zhǔn)文件格式，最常使用的是立體平版印刷（STL格 式，最先由3D System公司開(kāi)發(fā)的這種格式已成為事 實(shí)上

5、的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。就在不久前，由CAD軟件制作的STL文件其質(zhì)量對(duì) 3D 打印來(lái)說(shuō)不夠好，需要另外的清理工作。但Cobb表示，這個(gè)問(wèn)題在AutoCAD或SolidWorks等專業(yè)實(shí)件成型工具中基本上不復(fù)存在（面向消費(fèi)者的設(shè)計(jì)工具是另一種情況，請(qǐng)參閱附文） 。即使如此， Gartner 公司跟蹤分析 3D 打印行業(yè)的分析師Pete Basiliere并沒(méi)有看到消費(fèi)者在使用這項(xiàng)技術(shù)， 用于個(gè)人打印獨(dú)特的、 一次性的家用物品。 “阻礙消費(fèi)者使用的因素是成本。成本對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)太高了。 ” 他表示， 相反， 服務(wù)中心也許正好可以填補(bǔ)那些需求。另一個(gè)問(wèn)題是， 有些物品需要添加支撐物， 那樣才不會(huì)在材料最終硬化

6、之前塌陷下來(lái)。如果物品在打印過(guò)程中需要支撐， 3D 打印機(jī)隨帶的預(yù)處理驅(qū)動(dòng)程序軟件就能作出這個(gè)決定，為設(shè)計(jì)造型自動(dòng)添加任何所需的支撐結(jié)構(gòu)。在打印這個(gè)人像之前， 美工人員先對(duì)圖案進(jìn)行清理，然后把武器和披風(fēng)延展到人像所立的底座，提供進(jìn)一步的支撐。當(dāng)人像先從打印機(jī)出來(lái)后，很容易碎裂，所以必須小心翼翼地取走支撐材料，以免折斷指尖等細(xì)部零件。支撐材料通常與制作材料不一樣， 在后處理步驟過(guò)程中必須取走。后處理步驟通常包括吹掉、折斷、溶解、熔化或裁掉不需要的材料。價(jià)格適中價(jià)格下跌、 質(zhì)量改進(jìn)以及軟件更容易使用， 這些為 3D 打印機(jī)帶來(lái)了市場(chǎng)需求。能夠打印工業(yè)制造原型的商用機(jī)型以前價(jià)格一度高達(dá)10 萬(wàn)美元，

7、 如今起價(jià)只要約 15000 美元，而面向愛(ài)好者和教育市場(chǎng)的個(gè)人3D 打印機(jī)售價(jià)更是不到 1500 美元。Gartner的Basiliere說(shuō)：過(guò)去的價(jià)格是六七位數(shù)?！痹诠I(yè)打印機(jī)中，較高端機(jī)型添加了諸多功能，比如能夠打印彩色圖案（不過(guò)大多數(shù)只能一次打印一種顏色） ， 更快速地運(yùn)行打印任務(wù)， 打印更薄的層以獲得更精細(xì)的零件，以及提供更大的可打印區(qū)域，制作 更大尺寸的物品。對(duì)于從事成型工作的工業(yè)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)， 連入門級(jí)的 3D 打印機(jī)都比求助服務(wù)中心來(lái)得省事，運(yùn)營(yíng)成本可能低得只有服務(wù)中心費(fèi)用的十分之一。 Gartner 的Basiliere表示，3D打印機(jī)的價(jià)格現(xiàn)在低得很，有必 要列入部門預(yù)算。

8、跟蹤分析 3D 打印市場(chǎng)的 Wohlers Associates Inc. 的首席顧問(wèn)兼總裁Terry Wohlers表示，汽車生產(chǎn)商等 制造商傳統(tǒng)上在實(shí)驗(yàn)室使用 3D 打印機(jī)，或者將其用 作單獨(dú)設(shè)立的內(nèi)部“服務(wù)中心”的一部分?，F(xiàn)在，它 們出現(xiàn)在企業(yè)辦公室，與其他任何聯(lián)網(wǎng)打印機(jī)一樣，連接到網(wǎng)絡(luò)上。他說(shuō)： “由于 3D 打印機(jī)的價(jià)格較為合理，現(xiàn)在它們廣泛用在通用汽車和克萊斯勒這樣的大廠商。 ”其他行業(yè)也在使用3D打印技術(shù)。Ben White使 用Z Corp的3D打印機(jī)，為Integra Products Ltd生產(chǎn)窗 簾桿、窗簾軌、百葉窗及其他五金配件的原型。高級(jí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師White 說(shuō)：

9、 “租用打印機(jī)比不斷發(fā)送產(chǎn)品去制造要來(lái)得經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。 ”他說(shuō)： “我們現(xiàn)在的費(fèi)用只有服務(wù)中心費(fèi)用的10%至 15%， ”加快了周轉(zhuǎn)時(shí)間，可以按照原始設(shè)計(jì)規(guī)格，更精確地繪制模型。六個(gè)月后，這家公司使用 3D 打印機(jī)來(lái)制作95%的原型?；萜盏腄esignJet 3D打印機(jī)只在歐洲市場(chǎng)有售。其他用戶聲稱節(jié)省了類似的時(shí)間。由于將惠普DesignJet用于快速成型，英國(guó) Tintometer公司的工業(yè) 設(shè)計(jì)師Amy Penn表示，公司將產(chǎn)品時(shí)間縮短了 40% 至 60%。而這家制造工業(yè)色度測(cè)度定儀的公司還使用3D 打印機(jī)來(lái)制造制成品。DesignJet制造用來(lái)在制造過(guò)程中將部件插入到 最后儀器之前校正部件

10、的試驗(yàn)架。Penn表示，與 Tintometer 過(guò)去從服務(wù)中心得到的部件相比，現(xiàn)在的 部件能更精確地滿足原始規(guī)格，而且一樣牢固，成本卻要低得多。3D 打印機(jī)還可以經(jīng)濟(jì)高效地打印銷售人員展示給客戶看的概念部件。 她說(shuō)： “大約六個(gè)月后就能收回成本?！盤enn沒(méi)有透露花了多少錢，但她有一臺(tái)售價(jià) 16200歐元（合21000美元）的DesignJet 3爾色打印 機(jī)。黑白款式的DesignJet 3D丁印機(jī)售價(jià)12500歐元。就出貨量而言， 3D 打印機(jī)市場(chǎng)的規(guī)模仍然比較小。據(jù)Wohlers聲稱，專業(yè)級(jí)打印機(jī)的單位出貨量在2010 年的年復(fù)合增長(zhǎng)率為37%。這包括航空、消費(fèi)品和電子產(chǎn)品等傳統(tǒng)市場(chǎng)的

11、工業(yè)工程師、架構(gòu)師和工程師所使用的打印機(jī)。但是盡管2010 年增長(zhǎng)勢(shì)頭迅猛，出貨量卻只有6164臺(tái)一一只是2D打印機(jī)市場(chǎng)的一個(gè) 零頭。據(jù)IDC公司聲稱，2010年，傳統(tǒng)打印機(jī)的全球 出貨量超過(guò)了 4400 萬(wàn)臺(tái)。由于自 1988 年以來(lái)全球總共才賣掉51000臺(tái)3D打印機(jī)，全球只有270萬(wàn)臺(tái)實(shí)體成型CAD電腦， Wohlers估計(jì)，增長(zhǎng)的空間相當(dāng)大。 Wohlers估計(jì)，到 2015 年，工業(yè) 3D 打印機(jī)的出貨量會(huì)增加一倍多，達(dá)到 15000 臺(tái)。增長(zhǎng)潛力巨大是惠普推出DesignJet 3D、 試水 3D打印機(jī)市場(chǎng)的一個(gè)原因，目前惠普只在歐洲市場(chǎng)銷售這款機(jī)型。該打印機(jī)其實(shí)是市場(chǎng)領(lǐng)頭羊Str

12、atasys 的uPrint 3D打印機(jī)，只是換了個(gè)品牌。眼下出現(xiàn)了面向業(yè)余愛(ài)好者的 3D 打印機(jī)市場(chǎng)，發(fā)展勢(shì)頭很旺；人們使用該技術(shù)來(lái)制作從玩具到抽屜拉手的各種物品。面向業(yè)余愛(ài)好者的免費(fèi) 3D 成型工具（參閱附文）使得制作過(guò)程更容易了，而 MakerBotIndustries 等公司提供了低成本的擠塑或噴塑打印機(jī)。制造商還提供了可供用戶們使用的預(yù)配置物品素材庫(kù)。比如說(shuō)， MakerBot 開(kāi)設(shè)了 Thingiverse( HYPERLINK / / ) ， 用戶們可以在該網(wǎng)站上共享自己制作的物品。歐特克 123D 則提供了一個(gè) 類似的社區(qū)。許多個(gè)人 3D 打印機(jī)進(jìn)入到了教育機(jī)構(gòu)，而不是普通家庭

13、。MakerBot首席執(zhí)行官Bre Pettis說(shuō)：“我們 希望這些打印機(jī)進(jìn)入到孩子們的手里。這讓他們可以 領(lǐng)略創(chuàng)新的原動(dòng)力。 ”遺憾的是，面向家庭業(yè)余愛(ài)好者的簡(jiǎn)單的 3D 設(shè) 計(jì)軟件不適合專業(yè)場(chǎng)合使用；而專業(yè)工具用起來(lái)還是 相當(dāng)復(fù)雜。這就在消費(fèi)者與工業(yè)設(shè)計(jì)師之間留下了很大的空缺。3D Systems的Lewis說(shuō)：“今天，你只有是 專家級(jí)CAD用戶，才會(huì)制作數(shù)字化內(nèi)容，或者你需要 一臺(tái)高檔的掃描儀才能捕獲想要打印的物品的 3D 形 狀。 ”售價(jià)1500美元的MakerBot 3D打印機(jī)通過(guò)連續(xù) 涂上一層層熔化的ABS塑料來(lái)制作3D物品。雖然這 款打印機(jī)為家庭/ 業(yè)余愛(ài)好者市場(chǎng)而設(shè)計(jì)， 但是專

14、業(yè)設(shè)計(jì)師們發(fā)現(xiàn)該打印機(jī)可用于一些商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合。比如 說(shuō)， Smith 工程有限公司就使用一款類似產(chǎn)品，為商 業(yè)機(jī)器人原型制造和裝配部件。2010年，3D打印機(jī)廠商共出貨5978臺(tái)個(gè)人3D 打印機(jī)一一與面向?qū)I(yè)市場(chǎng)的銷量幾乎一樣大。但是 Wohlers認(rèn)為，個(gè)人3D打印機(jī)未必會(huì)形成在家自己動(dòng) 手打印的龐大市場(chǎng)。Wohlers表示，按需制造方面倒是會(huì)出現(xiàn)一個(gè)比較大的市場(chǎng)， 廠商們使用售價(jià)從500 美元到 5000 美元不等的工業(yè)3D 打印機(jī)或個(gè)人3D 打印機(jī)。他表示，廠商會(huì)制作獨(dú)特的一次性或小批量的物品，這些物品為不想為親自設(shè)計(jì)和打印物品而操心的消費(fèi)者或公司度身定制。Gartner預(yù)測(cè)，現(xiàn)在售價(jià)1

15、5000美元的專業(yè)3D打印機(jī)其價(jià)格到 2020 年會(huì)跌至約 2500 美元，將提供更好的性能和更多的功能。Basiliere表示，但是最終，“從制造商的角度來(lái)看，最重要的不是打印機(jī)的銷售價(jià)，而是耗材的銷售價(jià)?！睋?jù)Basiliere認(rèn)為，3D打印機(jī)的耗材成本平均是每立方英寸從2.50美元到 10美元。小企業(yè)制造低成本 3D 打印機(jī)的出現(xiàn)為某些類型的制造降低了門檻。 Wohlers 說(shuō)： “只要有設(shè)計(jì)才華和商業(yè)頭腦，公司和個(gè)人都可以辦公司，開(kāi)始制造產(chǎn)品。 ”微軟游戲工作室前任副總裁Ed Fries領(lǐng)略了 3D 打印機(jī)的功能后，創(chuàng)辦了 FigurePrints,該公司使用ZCorp.的ZPrinte

16、r打印機(jī)，為魔獸世界和 Xbox Live游戲發(fā)燒友制作獨(dú)一無(wú)二的個(gè)人頭像模型。FigurePrints直接從每個(gè)游戲網(wǎng)站下載游戲角色，讓用戶在下訂單之前可以給角色擺造型。然后，美工人員對(duì)物品進(jìn)行清理， 去掉描述人像的一系列多邊形，為圖像的一些 2D 元素（比如披風(fēng)和頭發(fā)）添加第三個(gè)維度。Fries之所以選擇了 Z Corp的ZPrinter,是因?yàn)檫@是市面上唯一支持全彩色打印的 3D 打印機(jī)。也就是說(shuō)，它可以使用多種顏色來(lái)打印物品?；萜湛紤]了比較傳統(tǒng)的制造工藝， 比如為小批量生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的樹(shù)脂鑄膜工藝。 他說(shuō)： “但是你無(wú)法按照我們獲得的分辨率（600 dpi）來(lái)手繪?！绷硗?，成本比 較高。Z

17、 Corp的首席執(zhí)行官John Kawola表示，那是全彩色噴墨打印方法的一大優(yōu)勢(shì)。 “ 由于我們使用了噴墨頭，你可以打印上面有各種標(biāo)簽圖形和文字內(nèi)容的瓶通過(guò)使用全彩色打印，Z Corp的ZPrinter可以打 印附有標(biāo)簽和文字的產(chǎn)品瓶子原型。噴塑打印機(jī)通過(guò)形似注射槍或噴膠槍的 “擠壓頭”來(lái)加熱和擠壓ABS塑料，而Z Corp的ZPrinter制造3D物品的方法是，先涂一層薄薄的粉末，然后使用噴墨打印頭、有選擇地沉積讓粉末硬化的液體。隨著層數(shù)越來(lái)越多， 物品周圍未使用的粉末充當(dāng)支撐物。一旦物品制造完成，送入到潔凈站，技術(shù)人員使用壓縮空氣來(lái)清除殘留粉末。含有聚合物成分的合成材料其強(qiáng)度不如ABS塑

18、料，于是FigurePrints給每層合成材料蘸上讓材料變硬的膠液。即便使用了起硬化作用的膠液， 最終產(chǎn)品的強(qiáng)度還是完全不如注塑的ABS塑料。最初，一些往往頭重腳輕的游戲角色在運(yùn)送過(guò)程中會(huì)突然從底座脫落。于是美工人員對(duì)圖案另外進(jìn)行了一番處理，一些情況下對(duì)腳踝處進(jìn)行加粗，或者將披風(fēng)或武器延展到底座，以加強(qiáng)支撐。Fries承認(rèn)：“制成品的紋理和外觀還可以，但不是按照你在商店買到的塑料注塑動(dòng)作玩偶的標(biāo)準(zhǔn)。 ”顏色不是很鮮艷，制成品的紋理用Fries 的話來(lái)說(shuō)有點(diǎn) “偏白” 。 但是它適合用玻璃陳列柜來(lái)運(yùn)送的模型，而且價(jià)格很適中：打印一個(gè)角色造型每立方英寸的成本是約 5 美元，不包括預(yù)處理和后處理時(shí)間

19、的成本。FigurePrints銷售的角色造型是每立方英寸約15美元，用戶們似乎愿意掏錢。Fries說(shuō)：“我們經(jīng)常接到的訂單是結(jié)婚蛋糕裝飾。新人們?cè)谟螒蛑邢嘤?，希望以各自的角色造型作為結(jié)婚蛋糕的頂層裝飾。 ”Smith 還喜歡這個(gè)概念：使用 3D 打印機(jī)用于制造一次性或限量版的產(chǎn)品。 他說(shuō)： “我們可以從事小批量生產(chǎn)，生產(chǎn)幾十只，無(wú)需花錢購(gòu)買昂貴的注塑工具上。 ” 但是打印機(jī)的產(chǎn)量很低， 每天最多只能生產(chǎn)約四只。FigurePrints每天可以從每一臺(tái)打印機(jī)得到大概兩件產(chǎn)品。Wohlers說(shuō)：“如果你想用這些打印機(jī)來(lái)制造產(chǎn)品，產(chǎn)能就至關(guān)重要。 ”想在制造領(lǐng)域成功地使用 3D打印機(jī)，就需要同時(shí)提

20、高預(yù)處理和后處理步驟的自動(dòng)化程度。這款A(yù)BS塑料手動(dòng)真空吸塵器由Stratasys uPrint3D 打印機(jī)使用熔融沉積成型工藝打印而成， 這項(xiàng)工藝需要對(duì)塑料絲進(jìn)行加熱，直至塑料絲液化，并通過(guò)類似注射器的特殊打印頭將液化塑料絲噴出來(lái)。Cobb表示，Stratasys預(yù)計(jì)有望把普通打印任務(wù)的預(yù)處理和后處理的總時(shí)間縮短一半，有望在今后三年內(nèi)從現(xiàn)在的 5 小時(shí)縮短至約 2 小時(shí)半，入門級(jí)專業(yè)打印機(jī)的價(jià)格在此期間有望從今天的 15000 美元跌到7000 至 10000 美元。他說(shuō)： “三五年后，你只要花不到 5000 美元的錢，就能享用同樣的功能。 ”3D System於司的Lewis表示，在個(gè)人打

21、印機(jī)領(lǐng)域，價(jià)格還會(huì)進(jìn)一步下跌。她說(shuō)： “在今后一兩年，你會(huì)看到我們突破1000 美元大關(guān)。 兩年后， 價(jià)格會(huì)接近500 美元。 ”隨著價(jià)格繼續(xù)下跌， 這個(gè)市場(chǎng)會(huì)變得有多大、 會(huì) 不會(huì)因而出現(xiàn)大眾市場(chǎng)，這是個(gè)仁者見(jiàn)仁的問(wèn)題。但隨著易于使用的 3D 設(shè)計(jì)工具變得更好，隨著共享的3D 物品素材庫(kù)變得日益豐富， 公司和消費(fèi)者可能會(huì)為這項(xiàng)技術(shù)想出還沒(méi)有想出來(lái)的新用途。Wohlers說(shuō)：“現(xiàn) 在的3D打印行業(yè)好比是上世紀(jì)60年代的半導(dǎo)體行業(yè)。 我們知道，這個(gè)行業(yè)會(huì)變得很大，但不知道會(huì)變得多大。 ”附文： 3D 設(shè)計(jì)變得更容易使用谷歌SketchUp之類的免費(fèi)工具來(lái)制作可以3D 打印的簡(jiǎn)單物品比較容易。 但

22、是至于形狀復(fù)雜的物品，設(shè)計(jì)人員仍需要借助SolidWorks之類的專業(yè)成型 工具。RapidformRCA為倫敦皇家藝術(shù)學(xué)院的學(xué)生們充當(dāng) 3D 打印服務(wù)中心，它使用許多不同的軟件設(shè)計(jì)工具和3D打印機(jī)技術(shù)。管理人員Nick Grace說(shuō)：“谷歌的SketchUp等可視化軟件為使用3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)提供了一條捷徑?！辈贿^(guò)他補(bǔ)充說(shuō)： “這些工具提供的捷徑在3D 打印機(jī)的分層例行程序中行不通。 ” 比如說(shuō)， 某個(gè)軟件可能無(wú)法完全渲染從某一個(gè)角度來(lái)看不需要的物品元素。這樣一來(lái)，文件發(fā)送到 3D 打印機(jī)后，就會(huì)出問(wèn)題。他說(shuō)： “我們?nèi)匀唤?jīng)常收到無(wú)法實(shí)際制造的表面文件，或者從渲染完全一致的圖像的文件中得到隨意構(gòu)建和轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)