本文刊登于《3D打印商情》第五期
眾所周知，3D打印技術從出現后一直應用于工業領域。而近年來由于相關技術的發展，使得3D打印機的一些核心零部件成本大幅度降低；另外，由于個性化制造的興起，個人3D打印機有了很大的發展。無疑，它將會成了3D打印產業里面一個重要的分支。
個人3D打印機的定義：個人3D打印機由Wohlers Report定義為5000美元以下的增材制造系統。
個人3D打印機的發展過程：
1986年至1992年間，美國Charles Hull的SLA和Scott Crump的FDM兩個專利奠定了現代3D打印產業的基礎。隨著這些專利的授權到期，開始引發了個人3D打印機的熱潮。特別是在2004年，英國巴斯大學Adrian Bowyer建立了一個RepRap的項目，這個項目的目的是以開源和自我復制的方式來建造3D打印機，它主要涉及了材料擠出工藝，還有用一種非常簡單的連桿的組成方式來制造3D打印機，這一開創性的項目，使得原本動輒數幾十萬元的3D打印機降至現在的幾千元，甚至3000元以內都能買到一款不錯的桌面級3D打印機。
2005年美國的康奈爾大學也建立了一個相應的項目FAB@HOME，它和RepRap有點不一樣，主要是以膏狀材料作為打印材料，目前開發了兩種打印機，這個項目在2012年認為已達到了它當初的目的就關閉掉了。
最重要的是在2009年Stratasys公司的一個FDM核心專利的到期，引發了個人3D打印機的市場爆發，由RepRap項目產生的個人3D打印機進入了商業化的階段。2010年美國3D Systems收購了英國的BFB公司，BFB公司是從事開源3D打印機研發和生產的。
在過去的兩年內，發生了幾件對個人3D打印機發展影響比較大的事情。2012年11月，3D Systems起訴了Formlabs和Kickstarter，到目前為止不了了之； 2013年7月，Stratasys以市值4億美元的股票交換形式和2億美元的期權并購了Makerbot；另外，對全球個人3D打印機產業影響非常巨大的是在2013年12月，Stratasys在美國起訴了Afinia，認為Afinia的個人3D打印機侵犯了它的四個專利。
進入2014年，對3D打印機發展有一個非常利好的消息是，FDM、SLA、SLS等十幾個3D打印的核心專利相繼到期，到2015也會有一些專利到期。
下面是在2013年、2014年和2015年的一些核心專利到期情況：
今年到期的最重要的一項專利是選區激光粉末燒結（SLS），因為個人3D打印機采取粉末燒結工藝的到目前為止還沒有見到商業化機器出來，所以在今年以后，這種基于SLS技術的個人3D打印機應該會有一個比較大的發展。
3D打印的專利糾紛案：
個人3D打印機產業化發展的道路并不是那么平坦，下面是兩個比較著名的IP糾紛。Form 1的制造者是由一群麻省理工富有創業激情的工程師、設計師和問題解決達人組建的團隊Formlabs，Formlabs于2012年在美國非常著名的一個眾籌平臺Kickstarter發起募資活動，以支持Form 1機器的制造和營銷，原來設想籌集10萬美元的資金就夠了，結果在一個月后就籌集到了將近300萬美元，在這個眾籌平臺上的訂貨量也達到了2008臺。3D Systems感覺到自身利益受到了威脅，所以它起訴了Formlabs和眾籌平臺Kickstarter，認為它侵犯了3D Systems所持有的5597520專利中的第一項和第二十三項，但是這個官司到目前為止不了了之，其中的一個原因是這個專利是在今年的4月25日到期，所以媒體報道說3D Systems不得不停止這個起訴。從前面列出的專利到期情況來看，3D Systems進入2014年其實面臨著很多專利到期的危機。
另外一個專利糾紛對基于融絲堆積成型（FDM）工藝的個人3D打印機影響是非常巨大的，世界上眾多的個人3D打印機的廠商也在觀望這場官司，看它最終會如何解決。在2013年的11月25日，Stratasys公司在美國起訴了Afinia，Afinia是國內太爾時代的3D打印機在美國貼牌的銷售產品，認為Afinia侵犯了它四個專利US5,653,925A 、US5,866,058 、US6,004,124和US8,349,239，主要是涉及到加熱平臺（熱床）、擠出器、輪廓接縫、實體的填充率和填充的樣式。但是在2014年的1月2日，Afinia也做出了回應，一一列舉出了那些所謂的侵犯的專利的情況，認為Stratasys聲稱的4項專利要么并未覆蓋到Afinia使用的技術，要么其聲稱的專利權因為實際存在早于專利的發明而無效，Afinia的律師還將考慮提交反壟斷索賠。這個專利的糾紛結果對世界上個人3D打印機業界是一個非常大的影響，因為上述的這些都是在個人3D打印機上經常要用到的技術。因此，今年年底法院最終的判決可能對整個桌面3D打印市場產生重大影響。
2014年7月11日，美國明尼蘇達地區法院下令要求Stratasys公司放棄對Afinia關于US5,653,925A的專利權主張。此外，法院稱將在日后進一步研究Afinia提交的反訴。
個人3D打印機的主流技術：
目前3D打印的主流技術有七種工藝，其中槽光固化、粘合劑噴射、材料擠出、粉末熔融、疊層成型至少這五種是可以用于個人3D打印機。槽光固化以前是用一個比較大的樹脂槽裝上樹脂，激光器從上面往下掃描，現在基于槽光固化的個人3D打印機是反過來，從底下來掃描，最大的一個好處是可以用比較少的樹脂，以前裝滿一槽樹脂至少要好幾萬元，甚至是十幾二十萬，現在只需要裝一兩公斤，也就是幾千元，其中比較成功的一個產品開發就是Form 1，它是把掃描振鏡置放在樹脂盒子的下面。另外比較容易做的是基于DLP投影，用一個藍紫或紫外紫外光源取代投影機原來的光源并做把了原來的掃描振鏡的方式，做出來的精度非常好，比較適合做小型的工件。材料擠出是一個非常成熟的工藝，另外基于粉末床燒結的還沒有商業化的機器，但是很多個人3D打印機的愛好者都已經著手開發這個機器，因為今年這個專利已經到期，在不久的將來應該會有比較成熟的機器出現。基于疊層的個人3D打印機，江蘇的紫金電子做得相當好。
個人3D打印機的發展趨勢：
1、個人3D打印機從開源到閉源
這里以Makerbot的產品開發作為例子，Makerbot的原型就是RepRap開源項目里面的機器，2009年Makerbot開發出了第一臺機器，隨著時間的推移產品不斷地改進，2012年9月是Makerbot的一個分水嶺，在此之前Makerbot所有的機器都是開源的，但是在此之后，基于商業利益的考慮，就開始閉源。許多從事個人打印機開發的公司都是一樣，可以說個人3D打印機一定會經歷一個從開源到閉源的過程。
另外，在開源的時期Makerbot的更新換代很快，在閉源以后為了維持一定的商業利益，它的開發進度比較慢。但Makerbot在2014年的拉斯維加斯的消費電子展覽會上推出了3款新型的機器，目前也進入到了中國市場開始銷售。#p#分頁標題#e#
2、個人3D打印機已經具備了直接挑戰工業級3D打印機的能力
首先從價格上來看，3D Systems專業級（生產級）SLA 3D打印機的售價在20萬美元左右，但同樣的SLA工藝機器Form 1個人3D打印機才3000多美元，另外，相對應Stratasys的FDM 3D打印機，也有一些便宜的機器，如Ultimaker、Prusa、Up！Plus等，相應的價格也就從1000多美元到3000多美元。從性價比上來說，個人3D打印機已經對專業的3D打印機構成了威脅。
圖1 近年個人3D打印機性價比變化情況
另外，從性價比上來看，專業的3D打印機價格在不斷地下降，性能也有所提升，從圖1上看，個人3D打印機從以前的幾百美元到現在的幾千美元，雖然價格在不斷地上升，但是它的性能上升得更快，所以在成本和性能交匯區域（圖1中左上方位置）個人3D打印機將會取代專業級3D打印機。
圖2 : 3D Hubs統計的裝機量按制造商分布情況
個人3D打印機的裝機量也直接挑戰了3D打印機的生產巨頭，這個情況可以從圖2上可以看得出來，3D Hubs（www.3dhubs.com/trends）的網站做過一個裝機的調查，可以看出RepRap和Ultimaker這些比較廉價的3D打印機，加起來的裝機容量比Stratasys和3 D Systems的裝機容量都要大。
3、從打印工藝上來說，個人3D打印機是經歷了FDM，前兩年進入了SLA，從今年開始會進入SLS，在這三個工藝以后還會不會有其它的技術用于個人3D打印機，目前也不是很清楚。
4、從外形設計來說，也發展了和個人電腦外形相同的模式，從非常簡陋的外形到現在的各種設計樣式，3D打印機也一樣，從以前的專業的機器到現在的Makerbot的初級機器，外表也是由當初的簡陋到現在注重時尚美觀轉變。
5、美國兩個3D打印機的巨頭也是非常看好個人3D打印機的市場的，Stratasys去年以6億美元（4億美元的股票交換+2億美元期權）并購了Makerbot其實也是看中了它在個人3D打印機的市場份額和渠道。從Stratasys 2013年第四季度的季報上來看，第四季度的業績是1.5億美元，與前年相比是增長了62%，Makerbot在第四季度的貢獻是2490萬美元，占了Stratasys第四季度總業績的16%，所以看得出來Stratasys當初收購Makerbot就是要進入個人市場。3D Systems也在今年的CES2014的展會上推出了多種的個人3D打印機，進入到今年的五六月份已經把它們推入市場了。
個人3D打印的市場前景：
圖3 3D打印的應用情況
圖3的3D打印應用樹是2009年發布的《增材制造技術路線圖》上的插圖，可以看出個人3D打印機在建筑行業、教育、醫學、珠寶等等領域都有非常大的應用前景。
圖4 Gartner對3D打印機出貨量的預測
圖4是著名的IT咨詢機構對今后幾年3D打印機出貨量的預測，預測在今后幾年企業和消費者對3D打印機的需求將進一步提升，而技術創新將進一步提高3D打印機的質量和性能。2014年3D打印機出貨量預計將同比增長75%，達到98065臺，而2015年的出貨量將接近翻番，圖中綠色部分是個人3D打印機的份額。
圖5 Wohlers Report 2014 統計的個人3D打印機銷售量
圖5是3D打印產業非常權威的報告Wohlers Report 2014統計的個人3D打印機在2013年的銷售量，在2013年個人3D打印機的銷售量是72503臺，比前一年增加了104.2%，銷售金額增加了116.7%。
圖6 Wohers Report 2014中個人3D打印機銷售額情況
從圖6的餅圖可以看出來，在2012年，個人3D打印機的銷售額僅僅占增材制造設備銷售額的5.5%，但是在2013年占了9%。
從這里看好像個人3D打印機的市場前景非常美好，但是有什么問題呢？圖7是美國Industry Week機構對3D打印機和個人電腦的發展的一個對比。個人電腦從1980年到2010年，經過30年的時間，才發展到現在的人手一臺個人電腦的局面，那如果把這個情況套入到個人3D打印機的發展，把2010年作為3D打印機的元年，在理論上也要到2040年個人3D打印機才會達到像今天的個人電腦一樣的普及率。
圖7 Industry Week對3D打印機和個人電腦的發展的對比。
個人3D打印機的市場非常巨大，但是有沒有隱憂呢？圖8是美國著名的IT咨詢機構給出技術成熟度曲線，也稱之為炒作曲線。Gartner曲線認為每項技術、每個產品的發展都必須會經歷一個萌芽期、過熱期、低谷期、復蘇期、成熟期。在過熱期的時候一定會有很多的媒體介入，在2012年就有許多的媒體掀起3D打印的熱潮。
圖8 Gartner近年發布的技術成熟度曲線
圖8 是Gartner于2011年、2012年、2013年和2014年的發布的新興技術成熟度曲線，可以看出3D打印在這個曲線上的情況，在2011年3D打印已經開始進入炒作的高峰期，2013年已接近定點，雖然在2014年還在高峰期內，但已經過了頂點開始下滑，這一點應該引起業界的注意，這是一個非常危險的事情。Gartner研究副總裁皮特•巴斯利爾(Pete Basiliere)表示：“消費類3D打印機獲得主流用戶的接受還需要5到10年時間”，與個人3D打印機不同的是，從剛發布的Gartner曲線來看，企業的3D打印已經進入了復蘇期，預計經過2到5年的發展，它就會進入到一個比較健康的發展平臺期。#p#分頁標題#e#
從Rogers技術采用生命周期來看，個人3D打印機又會是怎么一種情況呢？通常這條曲線把消費者分為五類，第一類是創新者，他們對技術是非常愛好的，熱衷于新技術、新產品的應用；第二類是早期采用者，這一類人是比較有遠見的，能夠看到某一種新技術的商業機會；第三類，晚期多數使用者，更大的消費群一般是集中于早期的主流和晚期的主流，加起來超過了68%；當然還有一種，滯后消費者，他們不愿意采用任何新技術。
個人3D打印機如果僅僅局限于前兩類消費者是沒有前景的，一定要進入到主流市場，但是如何才能進入到主流市場呢？其實在由前期市場進入到主流市場中間有一條“死亡裂谷”，“死亡裂谷”也被稱為“第二摩爾定律”，這是大家都沒有意識到的一條鴻溝，它是怎么產生的呢？由于早期市場的消費者關心更多的是技術，所以對于早期技術和產品的缺陷他們是可以容忍的，當進入主流市場的進行應用的時候，如果這個技術和產品有太多缺陷的話，就無法順利實現它們的價值，這個新的技術和產品就會在這里滅亡。所以要跨越這個鴻溝，只有根據在不同時期產品用戶的思維做出一些改進，才能使個人3D打印機跨越“死亡裂谷”。
結束語：
首先，個人3D打印機將會面臨著一個爆發性的市場需求，或許在不遠的將來會和個人電腦一樣進入千家萬戶；另外，個人3D打印機在最近的幾年，會形成FDM、SLA、SLS多種技術并存的局面；第三，個人3D打印機如果要贏得主流市場，就需求要從產品技術的創新、產品質量的改進、產品面向的市場的目標、產品的定位、產品的商業模式都要做出相應的變革。
作者：中國科學院廣州電子技術研究所 李耀棠研究員
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