消費(fèi)級(jí)3D打印技術(shù)的未來(lái)發(fā)展路徑簡(jiǎn)析

瞿敬柏

（上海交大附中，上海 210000）

引言

3D 打印技術(shù)作為一種新興制造技術(shù)，是以數(shù)字化控制的方式將材料逐層累積來(lái)實(shí)現(xiàn)三維物件的構(gòu)建。因其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速制備、微觀結(jié)構(gòu)的精確控制、打印材料的高利用率等方面的顯著優(yōu)勢(shì)，一度被認(rèn)為是引領(lǐng)全球第三次工業(yè)革命的重要技術(shù)，在多個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛關(guān)注和顯著發(fā)展，包括航空航天、汽車制造、機(jī)器人制造、醫(yī)療衛(wèi)生等方向。但是，目前大多數(shù)應(yīng)用是面向工業(yè)領(lǐng)域的，在面向廣大老百姓的日常消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用還非常有限，其背后原因值得思考。在此筆者對(duì)消費(fèi)級(jí)3D打印遇冷的原因進(jìn)行梳理和分析，并嘗試性地提出了未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

一、3D打印技術(shù)

“3D打印技術(shù)”為大眾普遍的叫法，學(xué)術(shù)界給予的學(xué)術(shù)名稱為增材制造技術(shù)（AM），又稱為快速原型技術(shù)（RPM）。3D 打印技術(shù)的實(shí)質(zhì)是借助于相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件，以數(shù)字化模型文件為基礎(chǔ)，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(shè)備，通過(guò)分層加工、疊加成型的方式制作出真實(shí)的三維實(shí)體產(chǎn)品[1-2］。3D 打印技術(shù)與傳統(tǒng)的“減材加工”技術(shù)具有截然相反的制造理念。傳統(tǒng)的制造技術(shù)一般是在原材料基礎(chǔ)上，通過(guò)車銑刨磨等工藝方法，將多余部分去除后得到零部件，進(jìn)而通過(guò)焊接、拼裝等裝配組合技法形成最終產(chǎn)品，整個(gè)生產(chǎn)研制過(guò)程需消耗大量的人力、物力和財(cái)力。而 3D 打印技術(shù)的整個(gè)生產(chǎn)研制過(guò)程中不再需要模具和機(jī)床等設(shè)備，借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，通過(guò)逐層堆疊累積的方法生成理論上可打印任何形狀的產(chǎn)品，大大縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)研制周期，且通過(guò)“增材加工”大大減少了材料耗材，使生產(chǎn)效率得到有效提高，生產(chǎn)成本大大降低[2］。

二、消費(fèi)級(jí)3D打印技術(shù)的應(yīng)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(shù)誕生不過(guò)30多年，在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用。但這些應(yīng)用離民用普及還有很長(zhǎng)一段距離。媒體為了奪人眼球，常常會(huì)過(guò)度炒作，仿佛3D打印無(wú)所不能，這讓人們產(chǎn)生了極大的認(rèn)知誤差，導(dǎo)致了不良體驗(yàn)。全球研究分析機(jī)構(gòu)Gartner在2014年推出的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)報(bào)告指出，消費(fèi)級(jí)3D打印處于炒作期，而工業(yè)級(jí)3D打印處在穩(wěn)步爬升期。根據(jù)目前現(xiàn)狀可預(yù)測(cè)，消費(fèi)級(jí)的3D打印處在期望降低的階段，炒作與低期望的對(duì)比無(wú)疑是3D打印技術(shù)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(shù)與中國(guó)古代活字印刷術(shù)的對(duì)比分析

在唐朝時(shí)期，勞動(dòng)人民發(fā)明了雕版印刷術(shù)，之后被廣泛使用，這得益于科舉考試創(chuàng)立后對(duì)文學(xué)典籍的巨大需求。公元1000年，畢昇發(fā)明活字印刷術(shù)，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(jì)，約翰古騰堡結(jié)合活字印刷術(shù)加以改進(jìn)，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(shí)我們無(wú)從知曉，但它后來(lái)的遇冷卻是鐵一樣的事實(shí)。最主要的原因就是成本高、需求低、操作繁瑣。這和3D打印現(xiàn)今所處的狀態(tài)類似。由于3D打印機(jī)的成本與產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，一般只有企業(yè)會(huì)訂購(gòu)，私人用的3D打印機(jī)偏少。消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)雖然價(jià)格較低，但因產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致最終產(chǎn)品精度低。高價(jià)格的3D打印機(jī)雖然精度達(dá)到了預(yù)期，但推廣難度大，一般只有企業(yè)會(huì)大量訂購(gòu)高價(jià)格的3D打印機(jī)。對(duì)于3D打印的產(chǎn)品需求大多是加工零件和研究用途，商業(yè)產(chǎn)品少。三維設(shè)計(jì)、儀器操作也對(duì)信息技術(shù)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(jī)械化生產(chǎn)雖然又進(jìn)一步提高了效率，但是到目前為止面對(duì)消費(fèi)級(jí)受眾所使用的材料仍然非常有限[1-2］。以當(dāng)前最主流的三種工作機(jī)理來(lái)分析。其中熔融沉積（Fused Deposition Modeling,FDM）是通過(guò)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(dǎo)致層與層之間的結(jié)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(fèi)較大[3］。而光固化成型技術(shù)（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(dāng)前市售的光敏樹脂價(jià)格高昂而且存在對(duì)光敏感以及難以長(zhǎng)期保存的缺陷[4］。選擇性激光燒結(jié)（Selecting Laser Sintering, SLS）是利用粉末材料在激光照射的作用下燒結(jié)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(guò)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(guò)程，成本增加明顯；另外細(xì)微粉塵的工作環(huán)境也對(duì)使用者的健康存在較大的影響[5］。因此打印材料發(fā)展程度不夠，也是3D打印技術(shù)不能完全取得現(xiàn)階段工業(yè)主導(dǎo)地位的原因。

三、消費(fèi)級(jí)3D打印技術(shù)未來(lái)發(fā)展的路徑

1. 長(zhǎng)尾理論在消費(fèi)級(jí)3D打印技術(shù)中的啟發(fā)

3D打印的特征在于個(gè)性化、小規(guī)?；?。傳統(tǒng)的企業(yè)工廠并不能全部滿足現(xiàn)代對(duì)于高設(shè)計(jì)感、定制化產(chǎn)品的需求。此類產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)學(xué)二八定律（意大利經(jīng)濟(jì)學(xué)家帕累托發(fā)現(xiàn)，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(shù)，卻是次要的）的描述中屬于“八”，也就是不被企業(yè)重視的一部分。然而3D打印產(chǎn)品卻能很好地滿足這類個(gè)性化需求，即反規(guī)模經(jīng)濟(jì)。尤其是引入了互聯(lián)網(wǎng)+和云制造后，將這些3D打印企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合重組，構(gòu)成一個(gè)龐大的體系，將小利潤(rùn)市場(chǎng)的總和進(jìn)行累加。當(dāng)用戶基數(shù)達(dá)到一個(gè)層次后將會(huì)形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的規(guī)模市場(chǎng)。這就是長(zhǎng)尾理論（眾多小市場(chǎng)匯聚成可產(chǎn)生與主流相匹敵的市場(chǎng)能量）在消費(fèi)級(jí)3D打印技術(shù)中的應(yīng)用啟發(fā)。

2. 生產(chǎn)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?yàn)橛∷⑿g(shù)得到了廣泛的利用。首先，他將原本在中國(guó)是木制的底板改為了金屬，更為結(jié)實(shí)耐用，效率得到了提高。其次，當(dāng)時(shí)正值文藝復(fù)興的開端和宗教的盛行，印刷圣經(jīng)無(wú)疑是既神圣又龐大的工作。就這樣，一個(gè)最為簡(jiǎn)單的生產(chǎn)體系得到建立——古騰堡，大量的工人，大量的消費(fèi)者。

從這里，我們可以類比地分析3D打印技術(shù)。普通的機(jī)械化生產(chǎn)就像雕版印刷，而3D打印就如同活字印刷。3D打印無(wú)疑提高了生產(chǎn)效率，但如今并沒(méi)有大范圍被工廠所運(yùn)用，機(jī)械化生產(chǎn)和手工生產(chǎn)仍然作為主流的生產(chǎn)模式。這并不是說(shuō)3D打印不被認(rèn)可，而是沒(méi)有一個(gè)完整的生產(chǎn)鏈。3D打印如果只是單一地作為生產(chǎn)工具，其帶來(lái)的新鮮感和熱度自然會(huì)隨著時(shí)間的推移而消逝。時(shí)代的發(fā)展速度永遠(yuǎn)在提高，如果不能建立有效的生產(chǎn)體系，其被埋沒(méi)的可能性會(huì)很大。

基于以上的分析，目前與互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代最為契合的生產(chǎn)模式是3D打印+云制造。

3. 3D打印與云制造

從生產(chǎn)者的角度來(lái)說(shuō)，3D打印的高成本一方面來(lái)源于打印原材料，另一方面是打印機(jī)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(chǎn)業(yè)進(jìn)行結(jié)合，達(dá)到低成本、高效率。這里可以與淘寶網(wǎng)站的運(yùn)作模式進(jìn)行一個(gè)類比。淘寶的核心是網(wǎng)站（app），把各種商家聯(lián)系在一起，整合各種各樣的資源，達(dá)到近乎“萬(wàn)能”的程度。云制造則是用網(wǎng)站（app）將不同的3D打印企業(yè)聯(lián)合，構(gòu)筑一個(gè)龐大的3D打印工廠，形成規(guī)模效應(yīng)和集聚效應(yīng)。

對(duì)于普通消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，3D打印技術(shù)滿足的更多是個(gè)性化、私人化的定制產(chǎn)品需求，這也是契合時(shí)代潮流的。隨著全面建成小康社會(huì)的臨近，人均可支配收入的提高必然帶來(lái)新一輪的消費(fèi)刺激。3D打印技術(shù)使私人定制式的產(chǎn)品又走近了老百姓一步。一方面，3D打印技術(shù)在一次次突破中降低成本，另一方面，人均收入在穩(wěn)步增加，個(gè)性需求愈發(fā)強(qiáng)烈，相信在不久的將來(lái)，3D打印的普通消費(fèi)時(shí)代將會(huì)到來(lái)。

4. 政府對(duì)新興產(chǎn)業(yè)的扶持

中國(guó)古代統(tǒng)治者重農(nóng)抑商和重農(nóng)輕技的思想觀念是極為深刻的，對(duì)于活字印刷術(shù)的扶持也自然是不足的。那么在科技作為第一生產(chǎn)力的今天，政府對(duì)于3D打印產(chǎn)業(yè)這樣的新興產(chǎn)業(yè)的扶持就更為必要。這種政府的必要扶持被概括為幼稚產(chǎn)業(yè)保護(hù)理論。雖然如今的歐美國(guó)家普遍采取的是高度開放的自由主義經(jīng)濟(jì)模式，但在其經(jīng)濟(jì)起步階段無(wú)一例外地對(duì)于戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了扶持，穩(wěn)固其地位，在其社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位達(dá)到一定高度后再采取更自由的經(jīng)濟(jì)模式。3D打印是否是戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)并不能準(zhǔn)確判斷，因?yàn)閼?zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的定義是一種事后評(píng)價(jià)，但其在未來(lái)消費(fèi)領(lǐng)域，工業(yè)技術(shù)革新的作用不可小覷，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆龀质呛侠淼倪x擇。

5. 用戶創(chuàng)新與3D打印

在《市場(chǎng)需求與新興產(chǎn)業(yè)演進(jìn)》[6］中，作者分析出市場(chǎng)需求與產(chǎn)業(yè)分工之間存在雙向推動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)作用，并且提出了用戶創(chuàng)新對(duì)于新興產(chǎn)業(yè)具有能動(dòng)效果。用戶通過(guò)創(chuàng)新，或進(jìn)行具有商業(yè)潛在價(jià)值的改造，或開發(fā)新產(chǎn)品滿足需求，進(jìn)而進(jìn)行技術(shù)化、商業(yè)化，形成成熟的產(chǎn)業(yè)。此理論完全適用于3D打印。設(shè)計(jì)師在進(jìn)行三維建模時(shí)就是在一次次進(jìn)行用戶創(chuàng)新，將3D打印產(chǎn)業(yè)逐步推向成熟。

結(jié)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(guò)長(zhǎng)尾理論分析后發(fā)現(xiàn)，以3D打印+云制造作為基本運(yùn)營(yíng)模式，外加政府扶持和用戶創(chuàng)新的作用，3D打印與普通老百姓的生活將越來(lái)越近。

可以預(yù)期，未來(lái)N年后，當(dāng)人們對(duì)于自己想買的東西有獨(dú)特的想法后，他可以將他的想法發(fā)到網(wǎng)上，不同國(guó)家的設(shè)計(jì)者都可以看到并且展開設(shè)計(jì)，同時(shí)不同國(guó)家的公司可以把用戶滿意的設(shè)計(jì)形成產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái)，最后郵寄到用戶手中，3D打印的“云時(shí)代”正可期。