3D打印機產品開發策略研究

崔慶旭 劉瑋

摘 要：3D打印作為一種快速制造技術，對我國傳統產業的升級轉型及服務業的發展有深刻的影響。本文對目前市場上的3D打印機的成型原理、成型材料、打印尺寸、成型精度、結構形式、控制方式等方面對比分析，對3D打印機產品的用戶進行了分類與需求分析，針對國內中小型3D打印機生產制造企業的現狀提出了智能化、快速化、便捷化的新產品開發策略。

關鍵詞：3D打印機;成型工藝;產品分析;開發策略

1 3D打印技術概述

3D打印也被稱為增材制造，是一種直接從三維CAD數據模型通過組裝堆積來制造任意復雜形狀零件的先進制造技術。[1]3D打印的一般過程：首先是通過計算機軟件構建3D模型或是通過掃描儀掃描實體從而獲得3D模型，3D模型的一般通用文件格式為STL格式，而后再將獲得的3D模型通過專業軟件進行模擬打印分析，也就是通過軟件分析每個層截面的打印信息來指導打印機進行分層打印。

3D打印技術目前已經發展到了幾十種，美國權威機構發布的《增材制造技術標準術語》中，把打印原理分為了七大類，[2]其使用技術、材料如表1所示。

2 國內外3D打印機制造企業發展現狀分析

2.1 國內外發展現狀

當前3D打印機產業地區發展不平衡，基本由歐美等國家和地區主導，亞洲國家和地區則是后起追趕之中。[3]

在國外，美國的3D Systems公司是世界3D打印行業的巨頭之一，其經營范圍不僅包括專業級3D打印機、工業級3D打印機和民用個人3D打印機等3D打印機產品，還包括3D打印材料和3D打印服務等3D打印產業的下游領域;Stratasys公司通過收購3D打印行業相關企業如Solidscape等公司以及合并以色列的3D打印機生產商Object公司，成為目前美國乃至世界上最大的專業級3D打印機設備廠商。成立于2003年的ExOne公司也通過不斷地發展成為全球第三家3D打印行業的上市公司。

國內方面，我國當前3D打印產業發展仍然缺少相關國家標準，相關知識產權制度也不夠健全。但是在國務院發布的《中國制造2025》中，政府開始將3D打印作為重點發展產業，在全體行業人員的努力下，我國的3D打印相關產業部分技術已經能夠達到國際先進水準，但還未掌握全部的核心技術。

我國的3D打印技術研究工作起步略晚于美國，在20世紀90年代，主要是由一些有一定研發實力的高等院校如清華大學、西安交通大學、華中科技大學等對3D打印技術進行研究。目前，在國家政策的引導下，雖然一些國內高新技術企業如先臨三維、太爾時代、北京隆源、陜西恒通等公司都在自主研制國產3D打印機設備，并在3D打印行業取得了不俗的成就，但部分企業仍舊存在盲目抄襲的現象，[4]造成同質化，難以形成國產3D打印機產品在外觀和功能方面的差異。[5]

2.2 代表類型產品分析

雖然3D打印成型技術當前已經發展到了幾十種之多，但是其中最為核心的技術還是立體光固化成型（SLA）、選擇性激光燒結成型（SLS）、熔融沉積成型（FDM）、三維粉末粘接成型（3DP）4種，目前市場上的主流3D打印機產品一般都是基于這4種技術原理開發的。因此，對市面上使用這4種技術的3D打印機產品進行了調研，以期提出合理有效的3D打印機新產品開發策略并選取了市面上認知度較高的部分3D打印機產品進行對比分析，選取的產品及其對比如表2所示。

通過調研可知，現下市場上民用級別的3D打印機產品較多使用立體光固化和熔融沉積這兩種技術。基于不同的成型工藝原理的3D打印機所使用的成型材料通常也不相同，民用市場的成型材料則以各種塑料為主。一般來說，立體光固化成型技術成型精度要好于其他3種成型技術，而熔融沉積成型技術的成型精度則是最差的;在結構方面以閉型箱結構和龍門架式結構居多，并且一般只有熔融沉積成型技術才會使用龍門架式結構，其他則多為使用閉型箱結構;大部分3D打印機產品是通過電腦控制，部分可以通過觸屏或者無線網絡控制來操作打印。

3 用戶需求分析

通過對3D打印機產品的調研，可以把現有市場的3D打印機產品客戶群體分為專業型用戶和非專業型用戶兩大類。

3.1 專業型用戶

專業型用戶有生產制造類企業、相關研究機構和其他特殊行業。生產制造類企業對3D打印機產品的需求一般是集成化、自動化，并且對打印速度有一定的要求，相關研究機構分別對不同成型工藝的3D打印機有需求，其他特殊行業如航空航天、軍事、醫療等行業則需要3D打印機相對專業化，符合其特殊的使用需求。

3.2 非專業型用戶

非專業型用戶主要有DIY愛好者、普通設計工作者、3D打印服務行業和一些教育機構。DIY愛好者對打印精度要求相對不高，但是他們希望3D打印機能夠普及化，用相對比較低的價格購買一臺3D打印機產品，并且需要設備使用方便，操作更加便捷智能。一些設計工作者需要使用3D打印機來打印模型，因此他們對3D打印機的需求是能夠快速打印成型;3D打印服務行業對打印精度和打印速度有一定要求，同時因為服務人群的不同，他們往往需要3D打印機設備能夠適用多種用途;一些大學會開設3D打印的相關課程，需要使用3D打印機進行演示，這就需要3D打印機更加便攜化，教師能夠輕松將其帶進課堂。

4 國內中小型3D打印機企業新產品開發策略

目前，國內3D打印機產品開發并不完善，仍然有許多方面需要改進，存在一定的市場空白。而企業也需要以設計創新作為驅動，促進自身發展。[6]因此，根據前期的產品調研及用戶需求分析，主要針對非專業型用戶提出了一些3D打印機新產品開發策略，以供企業參考。

4.1 智能化

當前市面上的3D打印機產品都不夠智能化，存在打印操作方式煩瑣，軟件應用易用性不高等問題。3D打印機產品應該像智能家電一樣可以輕松操控，可以通過簡單易用的手機App無線操作打印，還可以自動糾錯或自動修復模型，最好是符合“零”學習原則，也就是普通人能夠上手即用。

4.2 快速化

對大部分用戶來說，肯定是希望打印成型的速度越快越好。因此，大部分用戶并不滿足于現有的3D打印機產品的打印速度。這就對設備廠商提出了要求，在盡可能不影響打印精度的前提下加快設備的打印速度。[7]

4.3 便攜化

很多家庭用戶和學校都需要經常拿取3D打印機設備，這就需要設備不能太大或太重。就像筆記本電腦一樣，雖然在性能上稍弱于臺式電腦但便攜，能夠輕松手提，方便實用。3D打印機產品也需要向便攜化方向發展從而不受空間的影響。

5 結語

3D打印技術被稱為第三次工業革命的標志，其發展將深刻影響我國三大產業，大力發展3D打印產業將對我國步入世界制造強國行列大有裨益。國內相關企業也不能盲目模仿國外企業，還是需要開發人員立足國內的政策優勢，合理分析市場發展趨勢并圍繞正確的開發策略，用發展的眼光看待和處理正在遭遇以及將要面臨的問題，[8]才能開發出更符合市場需求的產品。同時，努力挖掘現代人的市場消費潛力從而擴大市場份額也很重要。[9]因此，本次3D打印機產品研究旨在為國內中小型3D打印機設備廠商提供開發策略和參考，明確產品設計方向。

參考文獻：

[1] 張文平，周倩，李緒林. 3D打印及其教育應用[J].現代信息科技，2019，3（04）：165-167.

[2] 李小麗，馬劍雄，李萍，陳琪，周偉民. 3D打印技術及應用趨勢[J].自動化儀表，2014，35（01）：1-5.

[3] 從云飛.河南省增材制造產業的現狀及其發展對策[J].華北水利水電大學學報（社會科學版），2018，34（05）：14-20.

[4] 李若輝，關惠元.我國中小型制造企業產品生態設計現狀及問題[J].生態經濟，2016，32（12）：211-215.

[5] 張楠，關惠元.基于差異化戰略的設計定位與用戶細分[J].山西大學學報（哲學社會科學版），2018，41（3）：106-113.

[6] 李若輝，關惠元.設計創新驅動下制造型企業轉型升級機理研究[J].科技進步與對策，2019，36（03）：83-89.

[7] 郭宇鵬. FDM桌面型3D打印機的整體設計及成型工藝研究[D].中北大學，2017.

[8] 任新宇，王倩.論綠色產品設計的特征及策略[J].設計，2018（08）：108-110.

[9] 尹曉惠，郁舒蘭，黃瓊濤.家具企業產品全生命周期管理調研與評價[J].家具，2017，38（02）：78-86.

作者簡介：崔慶旭（1997—），男，南京林業大學工業設計專業本科在讀，主要從事3D打印機產品設計相關的研究。

劉瑋（1978—），女，南京林業大學家居與工業設計學院副教授，研究方向：產品設計理論及家具設計與工程。