消費級3D打印技術的未來發展路徑簡析

瞿敬柏

（上海交大附中，上海 210000）

引言

3D 打印技術作為一種新興制造技術，是以數字化控制的方式將材料逐層累積來實現三維物件的構建。因其在復雜結構的快速制備、微觀結構的精確控制、打印材料的高利用率等方面的顯著優勢，一度被認為是引領全球第三次工業革命的重要技術，在多個領域均得到了廣泛關注和顯著發展，包括航空航天、汽車制造、機器人制造、醫療衛生等方向。但是，目前大多數應用是面向工業領域的，在面向廣大老百姓的日常消費領域的應用還非常有限，其背后原因值得思考。在此筆者對消費級3D打印遇冷的原因進行梳理和分析，并嘗試性地提出了未來發展的趨勢。

一、3D打印技術

“3D打印技術”為大眾普遍的叫法，學術界給予的學術名稱為增材制造技術（AM），又稱為快速原型技術（RPM）。3D 打印技術的實質是借助于相關計算機軟件，以數字化模型文件為基礎，選取粉末狀金屬、液體狀或塑料等粘合材料，利用特定的快速成型設備，通過分層加工、疊加成型的方式制作出真實的三維實體產品[1-2］。3D 打印技術與傳統的“減材加工”技術具有截然相反的制造理念。傳統的制造技術一般是在原材料基礎上，通過車銑刨磨等工藝方法，將多余部分去除后得到零部件，進而通過焊接、拼裝等裝配組合技法形成最終產品，整個生產研制過程需消耗大量的人力、物力和財力。而 3D 打印技術的整個生產研制過程中不再需要模具和機床等設備，借助于計算機輔助設計軟件，通過逐層堆疊累積的方法生成理論上可打印任何形狀的產品，大大縮短了產品的生產研制周期，且通過“增材加工”大大減少了材料耗材，使生產效率得到有效提高，生產成本大大降低[2］。

二、消費級3D打印技術的應用瓶頸

1.概念炒作與民眾的低期望

3D打印作為一門新技術誕生不過30多年，在很多領域都有應用。但這些應用離民用普及還有很長一段距離。媒體為了奪人眼球，常常會過度炒作，仿佛3D打印無所不能，這讓人們產生了極大的認知誤差，導致了不良體驗。全球研究分析機構Gartner在2014年推出的技術發展趨勢報告指出，消費級3D打印處于炒作期，而工業級3D打印處在穩步爬升期。根據目前現狀可預測，消費級的3D打印處在期望降低的階段，炒作與低期望的對比無疑是3D打印技術遇冷的主觀原因。

2. 成本高、材料單一、使用者不好掌握

（1）打印技術與中國古代活字印刷術的對比分析

在唐朝時期，勞動人民發明了雕版印刷術，之后被廣泛使用，這得益于科舉考試創立后對文學典籍的巨大需求。公元1000年，畢昇發明活字印刷術，大幅提高了印刷效率，但卻不曾被廣泛使用。到公元14、15世紀，約翰古騰堡結合活字印刷術加以改進，成為西方活字印刷開山鼻祖。

活字印刷在宋朝是否紅極一時我們無從知曉，但它后來的遇冷卻是鐵一樣的事實。最主要的原因就是成本高、需求低、操作繁瑣。這和3D打印現今所處的狀態類似。由于3D打印機的成本與產品質量問題，一般只有企業會訂購，私人用的3D打印機偏少。消費級3D打印機雖然價格較低，但因產品質量問題導致最終產品精度低。高價格的3D打印機雖然精度達到了預期，但推廣難度大，一般只有企業會大量訂購高價格的3D打印機。對于3D打印的產品需求大多是加工零件和研究用途，商業產品少。三維設計、儀器操作也對信息技術有較高要求。因此3D打印炒作期后的短暫遇冷也并不奇怪。

（2）可用于3D打印材料的限制

3D打印相比于半人工半機械化生產雖然又進一步提高了效率，但是到目前為止面對消費級受眾所使用的材料仍然非常有限[1-2］。以當前最主流的三種工作機理來分析。其中熔融沉積（Fused Deposition Modeling,FDM）是通過將絲狀的熱熔性材料加熱至融化，擠出成線條并堆積成型。主要使用的是塑料線材，以ABS、PLA為主，由于線條的堆積而導致層與層之間的結合不牢固；另外往往還需要使用支撐材料，這些支撐材料最后大多被舍棄，浪費較大[3］。而光固化成型技術（Stereo Lithography Apparatus,SLA）是利用光敏樹脂作為材料，在紫外光或者其它光源照射使其凝固，當前市售的光敏樹脂價格高昂而且存在對光敏感以及難以長期保存的缺陷[4］。選擇性激光燒結（Selecting Laser Sintering, SLS）是利用粉末材料在激光照射的作用下燒結而層疊堆積成型，主要使用的是金屬或者陶瓷粉末且粉末材料的要求較高。粉末粒徑過大則降低了打印的分辨率，粉末粒徑小則需要高度的研磨處理過程，成本增加明顯；另外細微粉塵的工作環境也對使用者的健康存在較大的影響[5］。因此打印材料發展程度不夠，也是3D打印技術不能完全取得現階段工業主導地位的原因。

三、消費級3D打印技術未來發展的路徑

1. 長尾理論在消費級3D打印技術中的啟發

3D打印的特征在于個性化、小規模化。傳統的企業工廠并不能全部滿足現代對于高設計感、定制化產品的需求。此類產品在經濟學二八定律（意大利經濟學家帕累托發現，在任何一組東西中，最重要的只占其中一小部分，約20%，其余80%盡管是多數，卻是次要的）的描述中屬于“八”，也就是不被企業重視的一部分。然而3D打印產品卻能很好地滿足這類個性化需求，即反規模經濟。尤其是引入了互聯網+和云制造后，將這些3D打印企業進行聯合重組，構成一個龐大的體系，將小利潤市場的總和進行累加。當用戶基數達到一個層次后將會形成一個相對穩定的規模市場。這就是長尾理論（眾多小市場匯聚成可產生與主流相匹敵的市場能量）在消費級3D打印技術中的應用啟發。

2. 生產體系的建立——云制造

古騰堡之所以能成為歐洲歷史上的一位重要人物，主要是因為印刷術得到了廣泛的利用。首先，他將原本在中國是木制的底板改為了金屬，更為結實耐用，效率得到了提高。其次，當時正值文藝復興的開端和宗教的盛行，印刷圣經無疑是既神圣又龐大的工作。就這樣，一個最為簡單的生產體系得到建立——古騰堡，大量的工人，大量的消費者。

從這里，我們可以類比地分析3D打印技術。普通的機械化生產就像雕版印刷，而3D打印就如同活字印刷。3D打印無疑提高了生產效率，但如今并沒有大范圍被工廠所運用，機械化生產和手工生產仍然作為主流的生產模式。這并不是說3D打印不被認可，而是沒有一個完整的生產鏈。3D打印如果只是單一地作為生產工具，其帶來的新鮮感和熱度自然會隨著時間的推移而消逝。時代的發展速度永遠在提高，如果不能建立有效的生產體系，其被埋沒的可能性會很大。

基于以上的分析，目前與互聯網時代最為契合的生產模式是3D打印+云制造。

3. 3D打印與云制造

從生產者的角度來說，3D打印的高成本一方面來源于打印原材料，另一方面是打印機本身。云制造的核心理念在于資源的共享與整合，這正好可以與高成本的3D打印產業進行結合，達到低成本、高效率。這里可以與淘寶網站的運作模式進行一個類比。淘寶的核心是網站（app），把各種商家聯系在一起，整合各種各樣的資源，達到近乎“萬能”的程度。云制造則是用網站（app）將不同的3D打印企業聯合，構筑一個龐大的3D打印工廠，形成規模效應和集聚效應。

對于普通消費者來說，3D打印技術滿足的更多是個性化、私人化的定制產品需求，這也是契合時代潮流的。隨著全面建成小康社會的臨近，人均可支配收入的提高必然帶來新一輪的消費刺激。3D打印技術使私人定制式的產品又走近了老百姓一步。一方面，3D打印技術在一次次突破中降低成本，另一方面，人均收入在穩步增加，個性需求愈發強烈，相信在不久的將來，3D打印的普通消費時代將會到來。

4. 政府對新興產業的扶持

中國古代統治者重農抑商和重農輕技的思想觀念是極為深刻的，對于活字印刷術的扶持也自然是不足的。那么在科技作為第一生產力的今天，政府對于3D打印產業這樣的新興產業的扶持就更為必要。這種政府的必要扶持被概括為幼稚產業保護理論。雖然如今的歐美國家普遍采取的是高度開放的自由主義經濟模式，但在其經濟起步階段無一例外地對于戰略性產業進行了扶持，穩固其地位，在其社會經濟地位達到一定高度后再采取更自由的經濟模式。3D打印是否是戰略性產業并不能準確判斷，因為戰略性產業的定義是一種事后評價，但其在未來消費領域，工業技術革新的作用不可小覷，對其進行適當的扶持是合理的選擇。

5. 用戶創新與3D打印

在《市場需求與新興產業演進》[6］中，作者分析出市場需求與產業分工之間存在雙向推動和直接驅動作用，并且提出了用戶創新對于新興產業具有能動效果。用戶通過創新，或進行具有商業潛在價值的改造，或開發新產品滿足需求，進而進行技術化、商業化，形成成熟的產業。此理論完全適用于3D打印。設計師在進行三維建模時就是在一次次進行用戶創新，將3D打印產業逐步推向成熟。

結論

由于概念炒作、高成本、少材料等一系列原因，3D打印在最近遭到冷遇。但是通過長尾理論分析后發現，以3D打印+云制造作為基本運營模式，外加政府扶持和用戶創新的作用，3D打印與普通老百姓的生活將越來越近。

可以預期，未來N年后，當人們對于自己想買的東西有獨特的想法后，他可以將他的想法發到網上，不同國家的設計者都可以看到并且展開設計，同時不同國家的公司可以把用戶滿意的設計形成產品生產出來，最后郵寄到用戶手中，3D打印的“云時代”正可期。