崔慶旭 劉瑋

摘 要：3D打印作為一種快速制造技術(shù)，對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型及服務(wù)業(yè)的發(fā)展有深刻的影響。本文對(duì)目前市場(chǎng)上的3D打印機(jī)的成型原理、成型材料、打印尺寸、成型精度、結(jié)構(gòu)形式、控制方式等方面對(duì)比分析，對(duì)3D打印機(jī)產(chǎn)品的用戶進(jìn)行了分類與需求分析，針對(duì)國(guó)內(nèi)中小型3D打印機(jī)生產(chǎn)制造企業(yè)的現(xiàn)狀提出了智能化、快速化、便捷化的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)策略。

關(guān)鍵詞：3D打印機(jī);成型工藝;產(chǎn)品分析;開(kāi)發(fā)策略

1 3D打印技術(shù)概述

3D打印也被稱為增材制造，是一種直接從三維CAD數(shù)據(jù)模型通過(guò)組裝堆積來(lái)制造任意復(fù)雜形狀零件的先進(jìn)制造技術(shù)。[1]3D打印的一般過(guò)程：首先是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建3D模型或是通過(guò)掃描儀掃描實(shí)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(guò)專業(yè)軟件進(jìn)行模擬打印分析，也就是通過(guò)軟件分析每個(gè)層截面的打印信息來(lái)指導(dǎo)打印機(jī)進(jìn)行分層打印。

3D打印技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展到了幾十種，美國(guó)權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的《增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)》中，把打印原理分為了七大類，[2]其使用技術(shù)、材料如表1所示。

2 國(guó)內(nèi)外3D打印機(jī)制造企業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析

2.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前3D打印機(jī)產(chǎn)業(yè)地區(qū)發(fā)展不平衡，基本由歐美等國(guó)家和地區(qū)主導(dǎo)，亞洲國(guó)家和地區(qū)則是后起追趕之中。[3]

在國(guó)外，美國(guó)的3D Systems公司是世界3D打印行業(yè)的巨頭之一，其經(jīng)營(yíng)范圍不僅包括專業(yè)級(jí)3D打印機(jī)、工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)和民用個(gè)人3D打印機(jī)等3D打印機(jī)產(chǎn)品，還包括3D打印材料和3D打印服務(wù)等3D打印產(chǎn)業(yè)的下游領(lǐng)域;Stratasys公司通過(guò)收購(gòu)3D打印行業(yè)相關(guān)企業(yè)如Solidscape等公司以及合并以色列的3D打印機(jī)生產(chǎn)商O(píng)bject公司，成為目前美國(guó)乃至世界上最大的專業(yè)級(jí)3D打印機(jī)設(shè)備廠商。成立于2003年的ExOne公司也通過(guò)不斷地發(fā)展成為全球第三家3D打印行業(yè)的上市公司。

國(guó)內(nèi)方面，我國(guó)當(dāng)前3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍然缺少相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)制度也不夠健全。但是在國(guó)務(wù)院發(fā)布的《中國(guó)制造2025》中，政府開(kāi)始將3D打印作為重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)，在全體行業(yè)人員的努力下，我國(guó)的3D打印相關(guān)產(chǎn)業(yè)部分技術(shù)已經(jīng)能夠達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水準(zhǔn)，但還未掌握全部的核心技術(shù)。

我國(guó)的3D打印技術(shù)研究工作起步略晚于美國(guó)，在20世紀(jì)90年代，主要是由一些有一定研發(fā)實(shí)力的高等院校如清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行研究。目前，在國(guó)家政策的引導(dǎo)下，雖然一些國(guó)內(nèi)高新技術(shù)企業(yè)如先臨三維、太爾時(shí)代、北京隆源、陜西恒通等公司都在自主研制國(guó)產(chǎn)3D打印機(jī)設(shè)備，并在3D打印行業(yè)取得了不俗的成就，但部分企業(yè)仍舊存在盲目抄襲的現(xiàn)象，[4]造成同質(zhì)化，難以形成國(guó)產(chǎn)3D打印機(jī)產(chǎn)品在外觀和功能方面的差異。[5]

2.2 代表類型產(chǎn)品分析

雖然3D打印成型技術(shù)當(dāng)前已經(jīng)發(fā)展到了幾十種之多，但是其中最為核心的技術(shù)還是立體光固化成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)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(chǎng)上的主流3D打印機(jī)產(chǎn)品一般都是基于這4種技術(shù)原理開(kāi)發(fā)的。因此，對(duì)市面上使用這4種技術(shù)的3D打印機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了調(diào)研，以期提出合理有效的3D打印機(jī)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)策略并選取了市面上認(rèn)知度較高的部分3D打印機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析，選取的產(chǎn)品及其對(duì)比如表2所示。

通過(guò)調(diào)研可知，現(xiàn)下市場(chǎng)上民用級(jí)別的3D打印機(jī)產(chǎn)品較多使用立體光固化和熔融沉積這兩種技術(shù)。基于不同的成型工藝原理的3D打印機(jī)所使用的成型材料通常也不相同，民用市場(chǎng)的成型材料則以各種塑料為主。一般來(lái)說(shuō)，立體光固化成型技術(shù)成型精度要好于其他3種成型技術(shù)，而熔融沉積成型技術(shù)的成型精度則是最差的;在結(jié)構(gòu)方面以閉型箱結(jié)構(gòu)和龍門(mén)架式結(jié)構(gòu)居多，并且一般只有熔融沉積成型技術(shù)才會(huì)使用龍門(mén)架式結(jié)構(gòu)，其他則多為使用閉型箱結(jié)構(gòu);大部分3D打印機(jī)產(chǎn)品是通過(guò)電腦控制，部分可以通過(guò)觸屏或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制來(lái)操作打印。

3 用戶需求分析

通過(guò)對(duì)3D打印機(jī)產(chǎn)品的調(diào)研，可以把現(xiàn)有市場(chǎng)的3D打印機(jī)產(chǎn)品客戶群體分為專業(yè)型用戶和非專業(yè)型用戶兩大類。

3.1 專業(yè)型用戶

專業(yè)型用戶有生產(chǎn)制造類企業(yè)、相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和其他特殊行業(yè)。生產(chǎn)制造類企業(yè)對(duì)3D打印機(jī)產(chǎn)品的需求一般是集成化、自動(dòng)化，并且對(duì)打印速度有一定的要求，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)分別對(duì)不同成型工藝的3D打印機(jī)有需求，其他特殊行業(yè)如航空航天、軍事、醫(yī)療等行業(yè)則需要3D打印機(jī)相對(duì)專業(yè)化，符合其特殊的使用需求。

3.2 非專業(yè)型用戶

非專業(yè)型用戶主要有DIY愛(ài)好者、普通設(shè)計(jì)工作者、3D打印服務(wù)行業(yè)和一些教育機(jī)構(gòu)。DIY愛(ài)好者對(duì)打印精度要求相對(duì)不高，但是他們希望3D打印機(jī)能夠普及化，用相對(duì)比較低的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)3D打印機(jī)產(chǎn)品，并且需要設(shè)備使用方便，操作更加便捷智能。一些設(shè)計(jì)工作者需要使用3D打印機(jī)來(lái)打印模型，因此他們對(duì)3D打印機(jī)的需求是能夠快速打印成型;3D打印服務(wù)行業(yè)對(duì)打印精度和打印速度有一定要求，同時(shí)因?yàn)榉?wù)人群的不同，他們往往需要3D打印機(jī)設(shè)備能夠適用多種用途;一些大學(xué)會(huì)開(kāi)設(shè)3D打印的相關(guān)課程，需要使用3D打印機(jī)進(jìn)行演示，這就需要3D打印機(jī)更加便攜化，教師能夠輕松將其帶進(jìn)課堂。

4 國(guó)內(nèi)中小型3D打印機(jī)企業(yè)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)策略

目前，國(guó)內(nèi)3D打印機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)并不完善，仍然有許多方面需要改進(jìn)，存在一定的市場(chǎng)空白。而企業(yè)也需要以設(shè)計(jì)創(chuàng)新作為驅(qū)動(dòng)，促進(jìn)自身發(fā)展。[6]因此，根據(jù)前期的產(chǎn)品調(diào)研及用戶需求分析，主要針對(duì)非專業(yè)型用戶提出了一些3D打印機(jī)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)策略，以供企業(yè)參考。

4.1 智能化

當(dāng)前市面上的3D打印機(jī)產(chǎn)品都不夠智能化，存在打印操作方式煩瑣，軟件應(yīng)用易用性不高等問(wèn)題。3D打印機(jī)產(chǎn)品應(yīng)該像智能家電一樣可以輕松操控，可以通過(guò)簡(jiǎn)單易用的手機(jī)App無(wú)線操作打印，還可以自動(dòng)糾錯(cuò)或自動(dòng)修復(fù)模型，最好是符合“零”學(xué)習(xí)原則，也就是普通人能夠上手即用。

4.2 快速化

對(duì)大部分用戶來(lái)說(shuō)，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(xiàn)有的3D打印機(jī)產(chǎn)品的打印速度。這就對(duì)設(shè)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(shè)備的打印速度。[7]

4.3 便攜化

很多家庭用戶和學(xué)校都需要經(jīng)常拿取3D打印機(jī)設(shè)備，這就需要設(shè)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(tái)式電腦但便攜，能夠輕松手提，方便實(shí)用。3D打印機(jī)產(chǎn)品也需要向便攜化方向發(fā)展從而不受空間的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)被稱為第三次工業(yè)革命的標(biāo)志，其發(fā)展將深刻影響我國(guó)三大產(chǎn)業(yè)，大力發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)將對(duì)我國(guó)步入世界制造強(qiáng)國(guó)行列大有裨益。國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)也不能盲目模仿國(guó)外企業(yè)，還是需要開(kāi)發(fā)人員立足國(guó)內(nèi)的政策優(yōu)勢(shì)，合理分析市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)并圍繞正確的開(kāi)發(fā)策略，用發(fā)展的眼光看待和處理正在遭遇以及將要面臨的問(wèn)題，[8]才能開(kāi)發(fā)出更符合市場(chǎng)需求的產(chǎn)品。同時(shí)，努力挖掘現(xiàn)代人的市場(chǎng)消費(fèi)潛力從而擴(kuò)大市場(chǎng)份額也很重要。[9]因此，本次3D打印機(jī)產(chǎn)品研究旨在為國(guó)內(nèi)中小型3D打印機(jī)設(shè)備廠商提供開(kāi)發(fā)策略和參考，明確產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向。

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作者簡(jiǎn)介：崔慶旭（1997—），男，南京林業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)本科在讀，主要從事3D打印機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)的研究。

劉瑋（1978—），女，南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院副教授，研究方向：產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論及家具設(shè)計(jì)與工程。