從一臺(tái)3D打印機(jī)，看3D打印行業(yè)現(xiàn)狀與趨勢(shì)

作者：黃燁鋒
來源：電子工程專輯

2013-2014年，3D打印在短時(shí)間內(nèi)成為熱門話題。不過口口相傳的這股風(fēng)潮很快就褪去了，很多人甚至還沒來得及搞清楚，3D打印究竟能拿來做什么。從Markets And Markets的數(shù)據(jù)來看，2018年全球3D打印市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)在99億美元左右，2024年則可能達(dá)到348億美元——當(dāng)然，那時(shí)的預(yù)測(cè)應(yīng)該還沒有將近兩年的國(guó)際形勢(shì)與經(jīng)濟(jì)趨勢(shì)考慮進(jìn)去。

最近，Stratasys在國(guó)內(nèi)召開了一場(chǎng)線上發(fā)布會(huì)，宣布推出Stratasys J55 3D打印機(jī)。這恰好是我們了解3D打印行業(yè)現(xiàn)狀的一個(gè)機(jī)會(huì)。從3D打印市場(chǎng)參與者的營(yíng)收情況來看，這個(gè)市場(chǎng)是被Stratasys和3D Systems兩家企業(yè)統(tǒng)領(lǐng)的。這兩家公司的共同特點(diǎn)包括比較大的研發(fā)投入、產(chǎn)品組合選擇比較多、覆蓋全球的市場(chǎng)，以及持續(xù)不斷的各種兼并操作。所以Stratasys自然可以成為觀察3D打印市場(chǎng)的一個(gè)不錯(cuò)窗口。

3D打印的目標(biāo)市場(chǎng)主要是什么？
過去，企業(yè)的原型產(chǎn)品開發(fā)和定制生產(chǎn)，傳統(tǒng)方法是采用金屬擠壓、加工以及手工建模技術(shù)。實(shí)際上，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)的整個(gè)周期內(nèi)，可能在好幾個(gè)不同的階段，都需要有這種原型展示，無論是用于內(nèi)部交流、開發(fā)改進(jìn)，還是面向客戶做產(chǎn)品的視覺化展示。

這種傳統(tǒng)的、很像是“雕刻”的生產(chǎn)方法存在諸多局限性，包括需要專門技術(shù)人員，或者與第三方合作，耗時(shí)耗力。尤其是很耗時(shí)間，對(duì)于企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的冗余，及其后的重新設(shè)計(jì)，直至產(chǎn)品最終上市，這個(gè)周期內(nèi)都會(huì)造成很大程度的時(shí)間浪費(fèi)。這對(duì)設(shè)計(jì)迭代、生產(chǎn)改進(jìn)來說是很低效的方案。

3D打印相較而言，在功能、質(zhì)量、易用性、速度和成本方面都有相當(dāng)明確的優(yōu)勢(shì)。在整個(gè)設(shè)計(jì)階段，從概念建模，到設(shè)計(jì)展示、確認(rèn)，以及功能原型、模具制造，一直到可暫時(shí)使用的部分組件，定制化的終端產(chǎn)品，3D打印都可以覆蓋到。所以總的來說，3D打印是一種加快產(chǎn)品上市時(shí)間、降低產(chǎn)品開發(fā)成本的一種方案。
以往的3D打印主要是應(yīng)用在設(shè)計(jì)階段，從當(dāng)前的市場(chǎng)來看，3D打印也開始在制造應(yīng)用上展現(xiàn)出威力。說得更具體些，3D打印在汽車、航空航天、醫(yī)療、教育和消費(fèi)產(chǎn)品等方面，在原型、模具和制造上都有越來越廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用。比如說教育行業(yè)，很多教育機(jī)構(gòu)都已經(jīng)將3D打印融入到了工程與設(shè)計(jì)課程項(xiàng)目中；珠寶行業(yè)，3D打印可用于展示定制設(shè)計(jì)的珠寶樣式；牙齒矯正應(yīng)用，3D打印模型正逐步替代石模等等。

Stratasys南亞區(qū)區(qū)域應(yīng)用工程主管梁柱

上面這張圖展示一個(gè)是3D打印的汽車尾燈，這是Stratasys南亞區(qū)區(qū)域應(yīng)用工程主管梁柱在線上發(fā)布會(huì)上帶我們參觀Stratasys南亞區(qū)總部時(shí)，展示的其中一件3D打印實(shí)物。像這樣3D打印的汽車尾燈，可用于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段了解，這種設(shè)計(jì)是否真實(shí)反映了設(shè)計(jì)的意圖，是否反映了品牌設(shè)計(jì)元素等。

除了汽車尾燈之外，梁柱為我們展示的，還有航空航天應(yīng)用樣品、工裝夾具，以及產(chǎn)品包裝領(lǐng)域的原型設(shè)計(jì)。而且現(xiàn)在3D打印，針對(duì)不同領(lǐng)域的原型產(chǎn)品，所能展示的擬真程度，大約是從前不敢想的：比如說化妝品的外包裝，在3D打印展示其整個(gè)面貌時(shí)，甚至能夠在包裝中模擬化妝品化學(xué)成分，讓企業(yè)能夠全面、直觀地了解產(chǎn)品設(shè)計(jì)最終形態(tài)，放到展柜、貨架上會(huì)是什么樣。

實(shí)際上，3D打印對(duì)于定制化生產(chǎn)而言，有所謂DDM（直接數(shù)字生產(chǎn)）的優(yōu)勢(shì)。比如說某個(gè)應(yīng)用，要求小批量、短期使用的一部分，或者說這個(gè)應(yīng)用可能隨時(shí)會(huì)變，那么模具這個(gè)時(shí)候就不再適用了。3D打印的這種DDM特性就能夠以較低的成本、較快的速度來完成這個(gè)過程。
Stratasys在財(cái)報(bào)中提到，由于入門款的3D打印機(jī)價(jià)格越來越便宜，而且可用性和支持的特性也越來越好，專業(yè)設(shè)計(jì)師和教育機(jī)構(gòu)對(duì)這些入門級(jí)桌面3D打印機(jī)的采用率正在上升。并且Stratasys也相信，設(shè)計(jì)應(yīng)用和制造應(yīng)用兩方面，3D打印都會(huì)有持續(xù)的市場(chǎng)增長(zhǎng)。

Stratasys的市場(chǎng)布局與現(xiàn)狀
市場(chǎng)上的3D打印機(jī)有多種不同的技術(shù)，典型的包括了SLA（stereolithography，立體平板印刷）、FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積成型）、SLS（selective laser sintering，選擇性激光燒結(jié)）、DMLS（direct metal laser sintering，直接金屬激光燒結(jié)）、MJP（polyjet/multijet printing，聚合物噴射打�。�、噴墨打印（inkjet printing）、EBM（electron beam melting，電子束熔煉）、LMB（laser metal deposition，激光金屬沉積）、LOM（laminated object manufacturing，分層實(shí)體制造）、DLP（digital light processing，數(shù)字光處理）。

從產(chǎn)品層面來觀察Stratasys，這家公司的產(chǎn)品大門類主要分成打印系統(tǒng)、耗材、軟件、在線社區(qū)，以及服務(wù)（包括咨詢、支持服務(wù)，以及根據(jù)客戶提供的CAD文件直接生產(chǎn)原型和終端使用部分等）。主體上，這些業(yè)務(wù)應(yīng)該都是圍繞打印系統(tǒng)展開的。Stratasys的打印系統(tǒng)主要又分成了PolyJet打印機(jī)、FDM打印機(jī)、SLA打印機(jī)。

這次發(fā)布會(huì)上推出的Stratasys J55打印機(jī)屬于PolyJet打印機(jī)。Stratasys的這條產(chǎn)品線特色就在于提供多種材料、色彩。2019年，Stratasys也開始提供潘通認(rèn)證（Pantone validated）色彩，更早的J8系列支持超過50萬種色彩和紋理組合。其中的材料特性，從硬質(zhì)到柔性的，從不透光到透明的。在單次構(gòu)建過程中，就能打印多種材質(zhì)構(gòu)成的組件。

從Stratasys 2019年年報(bào)來看，整體年度收益、運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)和毛利率實(shí)際上都在下滑。Stratasys在財(cái)報(bào)中對(duì)此的解釋是，歐洲、亞洲的整體經(jīng)濟(jì)形勢(shì)不佳，且受到了匯率的負(fù)面影響。這實(shí)際上也符合我們的預(yù)期，因?yàn)橐膊恢故荢tratasys，其他主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，如3D Systems的財(cái)務(wù)狀況也類似。這與近兩年的國(guó)際形勢(shì)有很大關(guān)系。
以地理位置來劃分Stratasys的營(yíng)收情況，目前其最大市場(chǎng)仍在北美：其北美的凈銷售額超過總營(yíng)收的六成；其亞太區(qū)的銷售額占比僅為15%——很顯然，這部分市場(chǎng)是有極大拓展空間的。

2018-2024年3D全球不同地區(qū)3D打印市場(chǎng)的規(guī)模增長(zhǎng)趨勢(shì)，來源：MARKETS AND MARKETS

這個(gè)數(shù)據(jù)與Markets And Markets的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)一致，從這家機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)來看，亞太地區(qū)未來幾年的3D打印市場(chǎng)復(fù)合年增長(zhǎng)率會(huì)達(dá)到最高。而且Stratasys與3D Systems在FDM、SLA技術(shù)方面的3D打印技術(shù)專利到期，實(shí)際上也會(huì)為更多這個(gè)領(lǐng)域的新興企業(yè)提供更多的機(jī)會(huì)。

所以Stratasys在中國(guó)的市場(chǎng)布局就顯得十分重要：先發(fā)優(yōu)勢(shì)，以及3D打印市場(chǎng)本身對(duì)于新技術(shù)、新打印材料的研發(fā)的依賴性，對(duì)Stratasys而言都是優(yōu)勢(shì)項(xiàng)。盡快全面打開中國(guó)市場(chǎng)自然是理所應(yīng)當(dāng)?shù)摹?br />
Stratasys在提供的新聞稿中提到，“中國(guó)3D打印市場(chǎng)目前仍處于起步階段，產(chǎn)業(yè)鏈還在不斷完善中�！薄爸袊�(guó)市場(chǎng)始終是Stratasys全球市場(chǎng)的重中之重，加大中國(guó)市場(chǎng)投入是Stratasys的必然選擇�！�

在更具體的應(yīng)用領(lǐng)域，Stratasys當(dāng)前對(duì)于中國(guó)的教育、汽車這兩個(gè)方向尤為看重�！�3D打印幫助師生在最短時(shí)間內(nèi)將想法和創(chuàng)新變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，極大提升老師和學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造潛能�！薄癝tratasys始終支持教育行業(yè)發(fā)展，協(xié)助多所學(xué)校開發(fā)基于不同層次3D打印技術(shù)應(yīng)用的課程�！�
而針對(duì)汽車領(lǐng)域，“Stratasys的技術(shù)發(fā)展方向?qū)��?huì)結(jié)合國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的特點(diǎn)，提供更多元化的解決方案，包括零部件，備品備件的直接生產(chǎn)，以及個(gè)性化的定制產(chǎn)品等�！鼻拔奶岬降腟tratasys J8系列產(chǎn)品線，“面對(duì)汽車行業(yè)的CMF設(shè)計(jì)師”就是其一個(gè)重要方向。


從J55看Stratasys的優(yōu)勢(shì)
前文也大致提到了，Stratasys的PolyJet打印機(jī)具有多彩、多材質(zhì)支持的特點(diǎn)。這也是當(dāng)前3D打印機(jī)精細(xì)化發(fā)展的一個(gè)特色。所以Stratasys J55能夠?qū)崿F(xiàn)形狀、材質(zhì)、色彩和表面處理工藝更為逼真的呈現(xiàn)。

如Stratasys所說，包括“出色的透明塑料模擬”、色彩潘通認(rèn)證、“>120% SWOP標(biāo)準(zhǔn)色域”，“模型具有高清晰度和精致細(xì)節(jié)，在外觀上類似于丙烯酸和玻璃”。全彩與紋理支持，體現(xiàn)在從啞光到光澤表明，材料可以模擬皮革、木質(zhì)和石頭等。

在交付設(shè)計(jì)之前，如果設(shè)計(jì)師、工程師能夠更早看到、摸到產(chǎn)品的CMF（Color, Material, Finishing）特征，就能更早發(fā)現(xiàn)問題，或者說明確需求——這是在多彩、多材質(zhì)支持后的3D打印能夠獲得的。而且另一方面，設(shè)計(jì)師與后續(xù)階段的，比如模型制作師、供應(yīng)商的溝通也會(huì)簡(jiǎn)單許多。
這款3D打印機(jī)在整體尺寸設(shè)計(jì)上，是可以直接放在辦公室里的，追求的是在公司內(nèi)部進(jìn)行原型生產(chǎn)和迭代，這個(gè)環(huán)節(jié)上盡可能的不需要外部供應(yīng)商的參與。所以針對(duì)辦公室，產(chǎn)品還需要有比較安靜的工作噪音（＜53db），以及可以擺放在辦公室的體積（比一般的冰箱更�。�；還需要確保沒有異味，以及煙霧過濾（類似于空氣凈化系統(tǒng)）等。

在更為具體的工作原理上，J55采用旋轉(zhuǎn)托盤設(shè)計(jì)，“允許時(shí)間更短的半圓移動(dòng)3D打印路徑”；這樣一來打印頭本身就是靜態(tài)的。傳統(tǒng)的桌面3D打印機(jī)是往復(fù)式的，這類打印機(jī)的噴頭需要加速、減速、勻速反復(fù)切換，有各種機(jī)械組件，所以會(huì)有比較大的噪聲；而機(jī)械動(dòng)作也會(huì)讓設(shè)備的穩(wěn)定性并沒有那么好。所以J55的這種轉(zhuǎn)盤式能夠提升效率。

另外，J55采用LED紫外線燈，比汞紫外燈工作溫度低，可靠性和壽命會(huì)更好；而且在需要的時(shí)候才點(diǎn)亮，不需要時(shí)可以方便地關(guān)閉。這款打印機(jī)轉(zhuǎn)盤的“有效打印面積”是1174cm2，占到全托盤的71%，可以應(yīng)付打印類似400mm這樣的扳手。上面這張圖展示的，是一個(gè)46碼尺寸的男鞋鞋底。

機(jī)器下方是材料倉(cāng)，16盒模型材料、打印材料；J55支持材料熱插拔，打印過程中材料不足也可以比較方便地抽去并填充

這是Stratasys J55打印機(jī)本身的一些特性，實(shí)際上在打印機(jī)以外，對(duì)于使用而言更重要的是軟件。Stratasys這家公司在業(yè)界相對(duì)重要的競(jìng)爭(zhēng)力，除了3D打印機(jī)以及專利技術(shù)，還在于特別老生常談的“生態(tài)系統(tǒng)”，或者說“集成的解決方案”。其組成部分主要包括了3D打印機(jī)、材料、GrabCAD Print軟件、服務(wù)、垂直應(yīng)用、擴(kuò)展的合作聯(lián)盟等。

這其中的GrabCAD Print是建立在云、桌面與移動(dòng)技術(shù)多個(gè)層面的軟件，覆蓋Stratasys本身的多種3D打印技術(shù)，提供工作編程、調(diào)度、監(jiān)控和分析。軟件原生支持讀取常見的3D CAD文件格式，還有傳統(tǒng)的STL和VRML文件，并可將其轉(zhuǎn)為相應(yīng)的代碼，跑Stratasys的3D打印系統(tǒng)；調(diào)度系統(tǒng)能夠管理一個(gè)或者多個(gè)打印機(jī)的運(yùn)行，通過桌面、web或者移動(dòng)設(shè)備皆可；分析信息包括材料使用、工作歷史報(bào)告；工作編程軟件則用于實(shí)現(xiàn)Stratasys技術(shù)的一些特性，包括構(gòu)建輕量、結(jié)構(gòu)上完整的填充材料，以及多材料和色彩管理等。

實(shí)際上，在行業(yè)內(nèi)深耕這么多年，對(duì)于原型產(chǎn)品工作需求、工作流的掌控本身也有更好的理解：這些就是需要經(jīng)驗(yàn)積累，和長(zhǎng)時(shí)間聽取用戶需求的。所以還有類似GrabCAD Shop這種簡(jiǎn)化工作流的設(shè)定；Workbench則是基于云的項(xiàng)目數(shù)據(jù)管理解決方案，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)任務(wù)、管理CAD文件方面可以協(xié)同工作等。
在J55這款產(chǎn)品中，梁柱表示“跟KeyShot聯(lián)合，渲染模型可以直接導(dǎo)出，成為3MF文件，在GrabCAD Print中用于打印。能夠節(jié)省設(shè)計(jì)師在3D打印方面需要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，文件處理的時(shí)間�！绷硗饧由显诰�社區(qū)，以及后續(xù)支持服務(wù)，還包括覆蓋全球范圍的布局——財(cái)報(bào)中提到是有大約160個(gè)渠道合作伙伴，以及已經(jīng)擁有的眾多行業(yè)的用戶基礎(chǔ)，這些實(shí)際上積累起了Stratasys本身的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。



參考來源：
[1]  3D Printing Market by Offering (Printer, Material, Software, Service), Process (Binder Jetting, Direct Energy Deposition, Material Extrusion, Material Jetting, Powder Bed Fusion), Application, Vertical, Technology, and Geography - Global Forecast to 2024 - Markets AND Markets
https://www.marketsandmarkets.co ... ng-market-1276.html
[2] Annual Reports - Stratasys
https://investors.stratasys.com/sec-filings/annual-reports