本文刊登于《3D打印商情》第五期
眾所周知，3D打印技術(shù)從出現(xiàn)后一直應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。而近年來由于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使得3D打印機(jī)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(jī)有了很大的發(fā)展。無疑，它將會成了3D打印產(chǎn)業(yè)里面一個重要的分支。
個人3D打印機(jī)的定義：個人3D打印機(jī)由Wohlers Report定義為5000美元以下的增材制造系統(tǒng)。
個人3D打印機(jī)的發(fā)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(xiàn)代3D打印產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。隨著這些專利的授權(quán)到期，開始引發(fā)了個人3D打印機(jī)的熱潮。特別是在2004年，英國巴斯大學(xué)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(fù)制的方式來建造3D打印機(jī)，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(jī)，這一開創(chuàng)性的項目，使得原本動輒數(shù)幾十萬元的3D打印機(jī)降至現(xiàn)在的幾千元，甚至3000元以內(nèi)都能買到一款不錯的桌面級3D打印機(jī)。
2005年美國的康奈爾大學(xué)也建立了一個相應(yīng)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(fā)了兩種打印機(jī)，這個項目在2012年認(rèn)為已達(dá)到了它當(dāng)初的目的就關(guān)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(fā)了個人3D打印機(jī)的市場爆發(fā)，由RepRap項目產(chǎn)生的個人3D打印機(jī)進(jìn)入了商業(yè)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(jī)研發(fā)和生產(chǎn)的。
在過去的兩年內(nèi)，發(fā)生了幾件對個人3D打印機(jī)發(fā)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(quán)并購了Makerbot；另外，對全球個人3D打印機(jī)產(chǎn)業(yè)影響非常巨大的是在2013年12月，Stratasys在美國起訴了Afinia，認(rèn)為Afinia的個人3D打印機(jī)侵犯了它的四個專利。
進(jìn)入2014年，對3D打印機(jī)發(fā)展有一個非常利好的消息是，F(xiàn)DM、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(qū)激光粉末燒結(jié)（SLS），因為個人3D打印機(jī)采取粉末燒結(jié)工藝的到目前為止還沒有見到商業(yè)化機(jī)器出來，所以在今年以后，這種基于SLS技術(shù)的個人3D打印機(jī)應(yīng)該會有一個比較大的發(fā)展。
3D打印的專利糾紛案：
個人3D打印機(jī)產(chǎn)業(yè)化發(fā)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(chuàng)業(yè)激情的工程師、設(shè)計師和問題解決達(dá)人組建的團(tuán)隊Formlabs，F(xiàn)ormlabs于2012年在美國非常著名的一個眾籌平臺Kickstarter發(fā)起募資活動，以支持Form 1機(jī)器的制造和營銷，原來設(shè)想籌集10萬美元的資金就夠了，結(jié)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(dá)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(rèn)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(jìn)入2014年其實面臨著很多專利到期的危機(jī)。
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(jī)影響是非常巨大的，世界上眾多的個人3D打印機(jī)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(nèi)太爾時代的3D打印機(jī)在美國貼牌的銷售產(chǎn)品，認(rèn)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(yīng)，一一列舉出了那些所謂的侵犯的專利的情況，認(rèn)為Stratasys聲稱的4項專利要么并未覆蓋到Afinia使用的技術(shù)，要么其聲稱的專利權(quán)因為實際存在早于專利的發(fā)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(jié)果對世界上個人3D打印機(jī)業(yè)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(jī)上經(jīng)常要用到的技術(shù)。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(chǎn)生重大影響。
2014年7月11日，美國明尼蘇達(dá)地區(qū)法院下令要求Stratasys公司放棄對Afinia關(guān)于US5,653,925A的專利權(quán)主張。此外，法院稱將在日后進(jìn)一步研究Afinia提交的反訴。
個人3D打印機(jī)的主流技術(shù)：
目前3D打印的主流技術(shù)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(jī)。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(xiàn)在基于槽光固化的個人3D打印機(jī)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(xiàn)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(chǎn)品開發(fā)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(lán)紫或紫外紫外光源取代投影機(jī)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(jié)的還沒有商業(yè)化的機(jī)器，但是很多個人3D打印機(jī)的愛好者都已經(jīng)著手開發(fā)這個機(jī)器，因為今年這個專利已經(jīng)到期，在不久的將來應(yīng)該會有比較成熟的機(jī)器出現(xiàn)。基于疊層的個人3D打印機(jī)，江蘇的紫金電子做得相當(dāng)好。
個人3D打印機(jī)的發(fā)展趨勢：
1、個人3D打印機(jī)從開源到閉源
這里以Makerbot的產(chǎn)品開發(fā)作為例子，Makerbot的原型就是RepRap開源項目里面的機(jī)器，2009年Makerbot開發(fā)出了第一臺機(jī)器，隨著時間的推移產(chǎn)品不斷地改進(jìn)，2012年9月是Makerbot的一個分水嶺，在此之前Makerbot所有的機(jī)器都是開源的，但是在此之后，基于商業(yè)利益的考慮，就開始閉源。許多從事個人打印機(jī)開發(fā)的公司都是一樣，可以說個人3D打印機(jī)一定會經(jīng)歷一個從開源到閉源的過程。
另外，在開源的時期Makerbot的更新?lián)Q代很快，在閉源以后為了維持一定的商業(yè)利益，它的開發(fā)進(jìn)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(jī)器，目前也進(jìn)入到了中國市場開始銷售。#p#分頁標(biāo)題#e#
2、個人3D打印機(jī)已經(jīng)具備了直接挑戰(zhàn)工業(yè)級3D打印機(jī)的能力
首先從價格上來看，3D Systems專業(yè)級（生產(chǎn)級）SLA 3D打印機(jī)的售價在20萬美元左右，但同樣的SLA工藝機(jī)器Form 1個人3D打印機(jī)才3000多美元，另外，相對應(yīng)Stratasys的FDM 3D打印機(jī)，也有一些便宜的機(jī)器，如Ultimaker、Prusa、Up！Plus等，相應(yīng)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(jī)已經(jīng)對專業(yè)的3D打印機(jī)構(gòu)成了威脅。
圖1 近年個人3D打印機(jī)性價比變化情況
另外，從性價比上來看，專業(yè)的3D打印機(jī)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(jī)從以前的幾百美元到現(xiàn)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(qū)域（圖1中左上方位置）個人3D打印機(jī)將會取代專業(yè)級3D打印機(jī)。
圖2 : 3D Hubs統(tǒng)計的裝機(jī)量按制造商分布情況
個人3D打印機(jī)的裝機(jī)量也直接挑戰(zhàn)了3D打印機(jī)的生產(chǎn)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(wǎng)站做過一個裝機(jī)的調(diào)查，可以看出RepRap和Ultimaker這些比較廉價的3D打印機(jī)，加起來的裝機(jī)容量比Stratasys和3 D Systems的裝機(jī)容量都要大。
3、從打印工藝上來說，個人3D打印機(jī)是經(jīng)歷了FDM，前兩年進(jìn)入了SLA，從今年開始會進(jìn)入SLS，在這三個工藝以后還會不會有其它的技術(shù)用于個人3D打印機(jī)，目前也不是很清楚。
4、從外形設(shè)計來說，也發(fā)展了和個人電腦外形相同的模式，從非常簡陋的外形到現(xiàn)在的各種設(shè)計樣式，3D打印機(jī)也一樣，從以前的專業(yè)的機(jī)器到現(xiàn)在的Makerbot的初級機(jī)器，外表也是由當(dāng)初的簡陋到現(xiàn)在注重時尚美觀轉(zhuǎn)變。
5、美國兩個3D打印機(jī)的巨頭也是非常看好個人3D打印機(jī)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(quán)）并購了Makerbot其實也是看中了它在個人3D打印機(jī)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(yè)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(xiàn)是2490萬美元，占了Stratasys第四季度總業(yè)績的16%，所以看得出來Stratasys當(dāng)初收購Makerbot就是要進(jìn)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(jī)，進(jìn)入到今年的五六月份已經(jīng)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(yīng)用情況
圖3的3D打印應(yīng)用樹是2009年發(fā)布的《增材制造技術(shù)路線圖》上的插圖，可以看出個人3D打印機(jī)在建筑行業(yè)、教育、醫(yī)學(xué)、珠寶等等領(lǐng)域都有非常大的應(yīng)用前景。
圖4 Gartner對3D打印機(jī)出貨量的預(yù)測
圖4是著名的IT咨詢機(jī)構(gòu)對今后幾年3D打印機(jī)出貨量的預(yù)測，預(yù)測在今后幾年企業(yè)和消費者對3D打印機(jī)的需求將進(jìn)一步提升，而技術(shù)創(chuàng)新將進(jìn)一步提高3D打印機(jī)的質(zhì)量和性能。2014年3D打印機(jī)出貨量預(yù)計將同比增長75%，達(dá)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(jī)的份額。
圖5 Wohlers Report 2014 統(tǒng)計的個人3D打印機(jī)銷售量
圖5是3D打印產(chǎn)業(yè)非常權(quán)威的報告Wohlers Report 2014統(tǒng)計的個人3D打印機(jī)在2013年的銷售量，在2013年個人3D打印機(jī)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(jī)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(jī)的銷售額僅僅占增材制造設(shè)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(jī)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(jī)構(gòu)對3D打印機(jī)和個人電腦的發(fā)展的一個對比。個人電腦從1980年到2010年，經(jīng)過30年的時間，才發(fā)展到現(xiàn)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(jī)的發(fā)展，把2010年作為3D打印機(jī)的元年，在理論上也要到2040年個人3D打印機(jī)才會達(dá)到像今天的個人電腦一樣的普及率。
圖7 Industry Week對3D打印機(jī)和個人電腦的發(fā)展的對比。
個人3D打印機(jī)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(jī)構(gòu)給出技術(shù)成熟度曲線，也稱之為炒作曲線。Gartner曲線認(rèn)為每項技術(shù)、每個產(chǎn)品的發(fā)展都必須會經(jīng)歷一個萌芽期、過熱期、低谷期、復(fù)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(fā)布的技術(shù)成熟度曲線
圖8 是Gartner于2011年、2012年、2013年和2014年的發(fā)布的新興技術(shù)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(jīng)開始進(jìn)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(nèi)，但已經(jīng)過了頂點開始下滑，這一點應(yīng)該引起業(yè)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(jī)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(jī)不同的是，從剛發(fā)布的Gartner曲線來看，企業(yè)的3D打印已經(jīng)進(jìn)入了復(fù)蘇期，預(yù)計經(jīng)過2到5年的發(fā)展，它就會進(jìn)入到一個比較健康的發(fā)展平臺期。#p#分頁標(biāo)題#e#
從Rogers技術(shù)采用生命周期來看，個人3D打印機(jī)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(chuàng)新者，他們對技術(shù)是非常愛好的，熱衷于新技術(shù)、新產(chǎn)品的應(yīng)用；第二類是早期采用者，這一類人是比較有遠(yuǎn)見的，能夠看到某一種新技術(shù)的商業(yè)機(jī)會；第三類，晚期多數(shù)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(dāng)然還有一種，滯后消費者，他們不愿意采用任何新技術(shù)。
個人3D打印機(jī)如果僅僅局限于前兩類消費者是沒有前景的，一定要進(jìn)入到主流市場，但是如何才能進(jìn)入到主流市場呢？其實在由前期市場進(jìn)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(chǎn)生的呢？由于早期市場的消費者關(guān)心更多的是技術(shù)，所以對于早期技術(shù)和產(chǎn)品的缺陷他們是可以容忍的，當(dāng)進(jìn)入主流市場的進(jìn)行應(yīng)用的時候，如果這個技術(shù)和產(chǎn)品有太多缺陷的話，就無法順利實現(xiàn)它們的價值，這個新的技術(shù)和產(chǎn)品就會在這里滅亡。所以要跨越這個鴻溝，只有根據(jù)在不同時期產(chǎn)品用戶的思維做出一些改進(jìn)，才能使個人3D打印機(jī)跨越“死亡裂谷”。
結(jié)束語：
首先，個人3D打印機(jī)將會面臨著一個爆發(fā)性的市場需求，或許在不遠(yuǎn)的將來會和個人電腦一樣進(jìn)入千家萬戶；另外，個人3D打印機(jī)在最近的幾年，會形成FDM、SLA、SLS多種技術(shù)并存的局面；第三，個人3D打印機(jī)如果要贏得主流市場，就需求要從產(chǎn)品技術(shù)的創(chuàng)新、產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)、產(chǎn)品面向的市場的目標(biāo)、產(chǎn)品的定位、產(chǎn)品的商業(yè)模式都要做出相應(yīng)的變革。
作者：中國科學(xué)院廣州電子技術(shù)研究所 李耀棠研究員
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