3D打印機:進入主流指日可待

用打印機制造三維物品仍然很復雜，但變得越來越容易。

Richard Smith需要為一個客戶制造會爬墻的機器人，于是他打印了一個機器人。

作為Smith工程有限公司的主管，Smith使用CAD軟件設計了WallRover的3D模型。WallRover是個雙軌探測機器人，底座有一個離心器，能夠產生足夠強勁的吸力，從而將設備吸附在墻上。然后，他將每個部件的圖紙文件發送到3D打印機，打印機再把物品分成厚度不到0.01英寸的塊片，每次打印一層，使用熔化的丙烯腈－丁二烯－苯乙烯（ABS）塑料作為“墨水”。

隨著3D打印機開始制造物品，每一層都熔化或粘合到前一層上，這樣產品會逐漸成形。究其原理，3D打印機使用了諸多不同的制造工藝——有幾項工藝基于噴墨技術，可以使用許多不同類型的“制作”材料，打印出三維物品。（想了解不同類型的3D打印機，請參閱本文所附的比較表）。

Smith工程有限公司使用廉價的3D打印機，為客戶WallRover制造爬墻機器人原型所需的ABS塑料部件。

在購買3D之前，Smith需要其設計圖紙發送到服務中心進行制造，部件需要三四天才制造完畢。Smith表示，要是Smith的WallRover項目使用服務中心——先后要經過22道設計工序，需要整整六個月才能完成。

相反，Smith在短短兩個星期內就完成了最終設計，并將完全實用的原型交給客戶。

為此，他使用了用打印機套件制作而成的消費級3D“噴塑打印機”。套件RapMan出自3D Systems公司的Bits From Bytes部門，售價只要1500美元。Smith另外花了180美元購買塑料絲，這是打印機所使用的“墨水”?！伴_發時間因而縮短了五個月，模型費用因而省下了15000至20000美元”，這些模型是公司內部制作的，而不是送到服務中心來制作，他表示。

更小巧、更便宜

3D打印不是新技術。幾十年來，如今名為3D打印的制造工藝一直用于快速成型領域，3D打印又叫添加式制造或直接數字化制造。不過在近24個月里，價格跌到了3D打印吸引更廣泛受眾的價位。

這項技術變得更小巧，尤其是在噴塑打印機這一類。打印機制造商3D Systems公司全球營銷副總裁Cathy Lewis表示，今天的3D打印機就個人使用而言“很理想”。

但是制造可以打印的3D物品很棘手。用CAD軟件設計的設計圖紙需要“防水”，或者密封性完好。3D打印機廠商Stratasys的營銷副總裁Jon Cobb 說：“所有表面都要密封起來，一層表面堆在另一層表面上面，否則做出來的部件會有孔眼。”

然后，設計圖紙需要導成3D打印機能夠使用的標準文件格式，最常使用的是立體平版印刷（STL）格式，最先由3D Systems公司開發的這種格式已成為事實上的行業標準。

就在不久前，由CAD軟件制作的STL文件其質量對3D打印來說不夠好，需要另外的清理工作。但Cobb表示，這個問題在AutoCAD或SolidWorks等專業實件成型工具中基本上不復存在（面向消費者的設計工具是另一種情況，請參閱附文）。

即使如此，Gartner公司跟蹤分析3D打印行業的分析師Pete Basiliere并沒有看到消費者在使用這項技術，用于個人打印獨特的、一次性的家用物品。“阻礙消費者使用的因素是成本。成本對大多數人來說太高了。”他表示，相反，服務中心也許正好可以填補那些需求。

另一個問題是，有些物品需要添加支撐物，那樣才不會在材料最終硬化之前塌陷下來。如果物品在打印過程中需要支撐，3D打印機隨帶的預處理驅動程序軟件就能作出這個決定，為設計造型自動添加任何所需的支撐結構。

在打印這個人像之前，美工人員先對圖案進行清理，然后把武器和披風延展到人像所立的底座，提供進一步的支撐。當人像先從打印機出來后，很容易碎裂，所以必須小心翼翼地取走支撐材料，以免折斷指尖等細部零件。

支撐材料通常與制作材料不一樣，在后處理步驟過程中必須取走。后處理步驟通常包括吹掉、折斷、溶解、熔化或裁掉不需要的材料。

價格適中

價格下跌、質量改進以及軟件更容易使用，這些為3D打印機帶來了市場需求。能夠打印工業制造原型的商用機型以前價格一度高達10萬美元，如今起價只要約15000美元，而面向愛好者和教育市場的個人3D打印機售價更是不到1500美元。

Gartner的Basiliere說：“過去的價格是六七位數。”

在工業打印機中，較高端機型添加了諸多功能，比如能夠打印彩色圖案（不過大多數只能一次打印一種顏色），更快速地運行打印任務，打印更薄的層以獲得更精細的零件，以及提供更大的可打印區域，制作更大尺寸的物品。

對于從事成型工作的工業設計人員來說，連入門級的3D打印機都比求助服務中心來得省事，運營成本可能低得只有服務中心費用的十分之一。Gartner的Basiliere表示，3D打印機的價格現在低得很，有必要列入部門預算。

跟蹤分析3D打印市場的Wohlers Associates Inc.的首席顧問兼總裁Terry Wohlers表示，汽車生產商等制造商傳統上在實驗室使用3D打印機，或者將其用作單獨設立的內部“服務中心”的一部分?，F在，它們出現在企業辦公室，與其他任何聯網打印機一樣，連接到網絡上。他說：“由于3D打印機的價格較為合理，現在它們廣泛用在通用汽車和克萊斯勒這樣的大廠商?！?/p>

其他行業也在使用3D打印技術。Ben White使用Z Corp.的3D打印機，為Integra Products Ltd.生產窗簾桿、窗簾軌、百葉窗及其他五金配件的原型。高級產品設計工程師White說：“租用打印機比不斷發送產品去制造要來得經濟實惠。”他說：“我們現在的費用只有服務中心費用的10%至15%，”加快了周轉時間，可以按照原始設計規格，更精確地繪制模型。六個月后，這家公司使用3D打印機來制作95%的原型。

惠普的DesignJet 3D打印機只在歐洲市場有售。

其他用戶聲稱節省了類似的時間。由于將惠普DesignJet用于快速成型，英國Tintometer公司的工業設計師Amy Penn表示，公司將產品時間縮短了40%至60%。而這家制造工業色度測度定儀的公司還使用3D打印機來制造制成品。

DesignJet制造用來在制造過程中將部件插入到最后儀器之前校正部件的試驗架。Penn表示，與Tintometer過去從服務中心得到的部件相比，現在的部件能更精確地滿足原始規格，而且一樣牢固，成本卻要低得多。3D打印機還可以經濟高效地打印銷售人員展示給客戶看的概念部件。她說：“大約六個月后就能收回成本?！?/p>

Penn沒有透露花了多少錢，但她有一臺售價16200歐元（合21000美元）的DesignJet 3D彩色打印機。黑白款式的DesignJet 3D打印機售價12500歐元。

就出貨量而言，3D打印機市場的規模仍然比較小。據Wohlers聲稱，專業級打印機的單位出貨量在2010年的年復合增長率為37%。這包括航空、消費品和電子產品等傳統市場的工業工程師、架構師和工程師所使用的打印機。但是盡管2010年增長勢頭迅猛，出貨量卻只有6164臺——只是2D打印機市場的一個零頭。據IDC公司聲稱，2010年，傳統打印機的全球出貨量超過了4400萬臺。

由于自1988年以來全球總共才賣掉51000臺3D打印機，全球只有270萬臺實體成型CAD電腦，Wohlers估計，增長的空間相當大。Wohlers估計，到2015年，工業3D打印機的出貨量會增加一倍多，達到15000臺。

增長潛力巨大是惠普推出DesignJet 3D、試水3D打印機市場的一個原因，目前惠普只在歐洲市場銷售這款機型。該打印機其實是市場領頭羊Stratasys的uPrint 3D打印機，只是換了個品牌。

眼下出現了面向業余愛好者的3D打印機市場，發展勢頭很旺；人們使用該技術來制作從玩具到抽屜拉手的各種物品。面向業余愛好者的免費3D成型工具（參閱附文）使得制作過程更容易了，而MakerBot Industries等公司提供了低成本的擠塑或噴塑打印機。

制造商還提供了可供用戶們使用的預配置物品素材庫。比如說，MakerBot開設了Thingiverse（http://www.thingiverse.com/），用戶們可以在該網站上共享自己制作的物品。歐特克123D則提供了一個類似的社區。

許多個人3D打印機進入到了教育機構，而不是普通家庭。MakerBot首席執行官Bre Pettis說：“我們希望這些打印機進入到孩子們的手里。這讓他們可以領略創新的原動力?！?/p>

遺憾的是，面向家庭業余愛好者的簡單的3D設計軟件不適合專業場合使用；而專業工具用起來還是相當復雜。這就在消費者與工業設計師之間留下了很大的空缺。3D Systems的Lewis說：“今天，你只有是專家級CAD用戶，才會制作數字化內容，或者你需要一臺高檔的掃描儀才能捕獲想要打印的物品的3D形狀。”

售價1500美元的MakerBot 3D打印機通過連續涂上一層層熔化的ABS塑料來制作3D物品。雖然這款打印機為家庭/業余愛好者市場而設計，但是專業設計師們發現該打印機可用于一些商業應用場合。比如說，Smith工程有限公司就使用一款類似產品，為商業機器人原型制造和裝配部件。

2010年，3D打印機廠商共出貨5978臺個人3D打印機——與面向專業市場的銷量幾乎一樣大。但是Wohlers認為，個人3D打印機未必會形成在家自己動手打印的龐大市場。

Wohlers表示，按需制造方面倒是會出現一個比較大的市場，廠商們使用售價從500美元到5000美元不等的工業3D打印機或個人3D打印機。他表示，廠商會制作獨特的一次性或小批量的物品，這些物品為不想為親自設計和打印物品而操心的消費者或公司度身定制。

Gartner預測，現在售價15000美元的專業3D打印機其價格到2020年會跌至約2500美元，將提供更好的性能和更多的功能。Basiliere表示，但是最終，“從制造商的角度來看，最重要的不是打印機的銷售價，而是耗材的銷售價。”據Basiliere認為，3D打印機的耗材成本平均是每立方英寸從2.50美元到10美元。

小企業制造

低成本3D打印機的出現為某些類型的制造降低了門檻。Wohlers說：“只要有設計才華和商業頭腦，公司和個人都可以辦公司，開始制造產品。”

微軟游戲工作室前任副總裁Ed Fries領略了3D打印機的功能后，創辦了FigurePrints，該公司使用Z Corp.的ZPrinter打印機，為《魔獸世界》和Xbox Live游戲發燒友制作獨一無二的個人頭像模型。

FigurePrints直接從每個游戲網站下載游戲角色，讓用戶在下訂單之前可以給角色擺造型。然后，美工人員對物品進行清理，去掉描述人像的一系列多邊形，為圖像的一些2D元素（比如披風和頭發）添加第三個維度。

Fries之所以選擇了Z Corp.的ZPrinter，是因為這是市面上唯一支持全彩色打印的3D打印機。也就是說，它可以使用多種顏色來打印物品。

惠普考慮了比較傳統的制造工藝，比如為小批量生產而設計的樹脂鑄膜工藝。他說：“但是你無法按照我們獲得的分辨率（600 dpi）來手繪?！绷硗猓杀颈容^高。

Z Corp.的首席執行官John Kawola表示，那是全彩色噴墨打印方法的一大優勢。“由于我們使用了噴墨頭，你可以打印上面有各種標簽圖形和文字內容的瓶子。”

通過使用全彩色打印，Z Corp.的ZPrinter可以打印附有標簽和文字的產品瓶子原型。

噴塑打印機通過形似注射槍或噴膠槍的“擠壓頭”來加熱和擠壓ABS塑料，而Z Corp.的ZPrinter制造3D物品的方法是，先涂一層薄薄的粉末，然后使用噴墨打印頭、有選擇地沉積讓粉末硬化的液體。

隨著層數越來越多，物品周圍未使用的粉末充當支撐物。一旦物品制造完成，送入到潔凈站，技術人員使用壓縮空氣來清除殘留粉末。含有聚合物成分的合成材料其強度不如ABS塑料，于是FigurePrints給每層合成材料蘸上讓材料變硬的膠液。

即便使用了起硬化作用的膠液，最終產品的強度還是完全不如注塑的ABS塑料。最初，一些往往頭重腳輕的游戲角色在運送過程中會突然從底座脫落。于是美工人員對圖案另外進行了一番處理，一些情況下對腳踝處進行加粗，或者將披風或武器延展到底座，以加強支撐。

Fries承認：“制成品的紋理和外觀還可以，但不是按照你在商店買到的塑料注塑動作玩偶的標準?！?/p>

顏色不是很鮮艷，制成品的紋理用Fries的話來說有點“偏白”。但是它適合用玻璃陳列柜來運送的模型，而且價格很適中：打印一個角色造型每立方英寸的成本是約5美元，不包括預處理和后處理時間的成本。

FigurePrints銷售的角色造型是每立方英寸約15美元，用戶們似乎愿意掏錢。Fries說：“我們經常接到的訂單是結婚蛋糕裝飾。新人們在游戲中相遇，希望以各自的角色造型作為結婚蛋糕的頂層裝飾?！?/p>

Smith還喜歡這個概念：使用3D打印機用于制造一次性或限量版的產品。他說：“我們可以從事小批量生產，生產幾十只，無需花錢購買昂貴的注塑工具上。”但是打印機的產量很低，每天最多只能生產約四只。FigurePrints每天可以從每一臺打印機得到大概兩件產品。

Wohlers說：“如果你想用這些打印機來制造產品，產能就至關重要?！毕朐谥圃祛I域成功地使用3D打印機，就需要同時提高預處理和后處理步驟的自動化程度。

這款ABS塑料手動真空吸塵器由Stratasys uPrint 3D打印機使用熔融沉積成型工藝打印而成，這項工藝需要對塑料絲進行加熱，直至塑料絲液化，并通過類似注射器的特殊打印頭將液化塑料絲噴出來。

Cobb表示，Stratasys預計有望把普通打印任務的預處理和后處理的總時間縮短一半，有望在今后三年內從現在的5小時縮短至約2小時半，入門級專業打印機的價格在此期間有望從今天的15000美元跌到7000至 10000美元。他說：“三五年后，你只要花不到5000美元的錢，就能享用同樣的功能。”

3D Systems公司的Lewis表示，在個人打印機領域，價格還會進一步下跌。她說：“在今后一兩年，你會看到我們突破1000美元大關。兩年后，價格會接近500美元?！?/p>

隨著價格繼續下跌，這個市場會變得有多大、會不會因而出現大眾市場，這是個仁者見仁的問題。但隨著易于使用的3D設計工具變得更好，隨著共享的3D物品素材庫變得日益豐富，公司和消費者可能會為這項技術想出還沒有想出來的新用途。Wohlers說：“現在的3D打印行業好比是上世紀60年代的半導體行業。我們知道，這個行業會變得很大，但不知道會變得多大。”

附文：3D設計變得更容易

使用谷歌SketchUp之類的免費工具來制作可以3D打印的簡單物品比較容易。但是至于形狀復雜的物品，設計人員仍需要借助SolidWorks之類的專業成型工具。

RapidformRCA為倫敦皇家藝術學院的學生們充當3D打印服務中心，它使用許多不同的軟件設計工具和3D打印機技術。管理人員Nick Grace說：“谷歌的SketchUp等可視化軟件為使用3D計算機輔助設計（CAD）提供了一條捷徑?！?/p>

不過他補充說：“這些工具提供的捷徑在3D打印機的分層例行程序中行不通?！北热缯f，某個軟件可能無法完全渲染從某一個角度來看不需要的物品元素。這樣一來，文件發送到3D打印機后，就會出問題。他說：“我們仍然經常收到無法實際制造的表面文件，或者從渲染完全一致的圖像的文件中得到隨意構建和轉換的數據?！睋Q句話說，它們在屏幕上看起來很好，卻無法正確地打印出來。

專業實體成型工具的效果比較好，但是通常需要特殊的培訓和專長。歐特克的戰略研究主管Gonzalo Martinez承認：“今天的產品用起來相當困難。”

CAD軟件開發商們正從三個途徑來解決3D內容制作方面的挑戰：引入更容易使用的實體成型工具，以便制作3D內容；提供3D物品素材庫，讓用戶們在設計方面有著良好的開端；以及使用特殊軟件，比如歐特克的123D Photofly。這款工具可以把物品從各方面拍攝的一系列照片合并成有用的3D模型，這個過程名為攝影測量（photogrammetry）。

專業工具開發人員正在竭力“使復雜操作變得更簡單，”Martinez說?！艾F在需要培訓，將來基本上不需要什么培訓，就能制作出形狀復雜的物品?！?/p>

比如說，面向CAD新手的免費工具歐特克123D就是歐特克這家開發商開發的專業工具的簡化版。

其他產品（如McNeel公司售價995美元的Rhino）正在更接近既不太復雜、功能又比較強大這個目標。Grace說：“這是一款高端表面/網格建模器，但是擁有易于訪問的控件，還擁有輔以視頻片段的出色的上下文相關幫助?！?/p>

Grace說：“我們離新手不需要專業人員的幫助就能繪制、成型和打印還有很長一段距離，但那一天會到來?！?/p>

物品輕松制作

雖然下面所有這些工具缺少專業實體成型工具的功能，但都能制作可以打印的3D物品，而且它們都是免費的。

谷歌SketchUp（http://sketchup.google.com/）

歐特克123D（http://www.123dapp.com/）

TinkerCAD（http://tinkercad.com/）

3DTin（http://www.3dtin.com/）