從一臺3D打印機，看3D打印行業(yè)現(xiàn)狀與趨勢

作者：黃燁鋒
來源：電子工程專輯

2013-2014年，3D打印在短時間內(nèi)成為熱門話題。不過口口相傳的這股風潮很快就褪去了，很多人甚至還沒來得及搞清楚，3D打印究竟能拿來做什么。從Markets And Markets的數(shù)據(jù)來看，2018年全球3D打印市場規(guī)模預計在99億美元左右，2024年則可能達到348億美元——當然，那時的預測應該還沒有將近兩年的國際形勢與經(jīng)濟趨勢考慮進去。

最近，Stratasys在國內(nèi)召開了一場線上發(fā)布會，宣布推出Stratasys J55 3D打印機。這恰好是我們了解3D打印行業(yè)現(xiàn)狀的一個機會。從3D打印市場參與者的營收情況來看，這個市場是被Stratasys和3D Systems兩家企業(yè)統(tǒng)領的。這兩家公司的共同特點包括比較大的研發(fā)投入、產(chǎn)品組合選擇比較多、覆蓋全球的市場，以及持續(xù)不斷的各種兼并操作。所以Stratasys自然可以成為觀察3D打印市場的一個不錯窗口。

3D打印的目標市場主要是什么？
過去，企業(yè)的原型產(chǎn)品開發(fā)和定制生產(chǎn)，傳統(tǒng)方法是采用金屬擠壓、加工以及手工建模技術。實際上，在產(chǎn)品設計、開發(fā)的整個周期內(nèi)，可能在好幾個不同的階段，都需要有這種原型展示，無論是用于內(nèi)部交流、開發(fā)改進，還是面向客戶做產(chǎn)品的視覺化展示。

這種傳統(tǒng)的、很像是“雕刻”的生產(chǎn)方法存在諸多局限性，包括需要專門技術人員，或者與第三方合作，耗時耗力。尤其是很耗時間，對于企業(yè)產(chǎn)品設計錯誤的冗余，及其后的重新設計，直至產(chǎn)品最終上市，這個周期內(nèi)都會造成很大程度的時間浪費。這對設計迭代、生產(chǎn)改進來說是很低效的方案。

3D打印相較而言，在功能、質(zhì)量、易用性、速度和成本方面都有相當明確的優(yōu)勢。在整個設計階段，從概念建模，到設計展示、確認，以及功能原型、模具制造，一直到可暫時使用的部分組件，定制化的終端產(chǎn)品，3D打印都可以覆蓋到。所以總的來說，3D打印是一種加快產(chǎn)品上市時間、降低產(chǎn)品開發(fā)成本的一種方案。
以往的3D打印主要是應用在設計階段，從當前的市場來看，3D打印也開始在制造應用上展現(xiàn)出威力。說得更具體些，3D打印在汽車、航空航天、醫(yī)療、教育和消費產(chǎn)品等方面，在原型、模具和制造上都有越來越廣闊的市場應用。比如說教育行業(yè)，很多教育機構(gòu)都已經(jīng)將3D打印融入到了工程與設計課程項目中；珠寶行業(yè)，3D打印可用于展示定制設計的珠寶樣式；牙齒矯正應用，3D打印模型正逐步替代石模等等。

Stratasys南亞區(qū)區(qū)域應用工程主管梁柱

上面這張圖展示一個是3D打印的汽車尾燈，這是Stratasys南亞區(qū)區(qū)域應用工程主管梁柱在線上發(fā)布會上帶我們參觀Stratasys南亞區(qū)總部時，展示的其中一件3D打印實物。像這樣3D打印的汽車尾燈，可用于在產(chǎn)品設計階段了解，這種設計是否真實反映了設計的意圖，是否反映了品牌設計元素等。

除了汽車尾燈之外，梁柱為我們展示的，還有航空航天應用樣品、工裝夾具，以及產(chǎn)品包裝領域的原型設計。而且現(xiàn)在3D打印，針對不同領域的原型產(chǎn)品，所能展示的擬真程度，大約是從前不敢想的：比如說化妝品的外包裝，在3D打印展示其整個面貌時，甚至能夠在包裝中模擬化妝品化學成分，讓企業(yè)能夠全面、直觀地了解產(chǎn)品設計最終形態(tài)，放到展柜、貨架上會是什么樣。

實際上，3D打印對于定制化生產(chǎn)而言，有所謂DDM（直接數(shù)字生產(chǎn)）的優(yōu)勢。比如說某個應用，要求小批量、短期使用的一部分，或者說這個應用可能隨時會變，那么模具這個時候就不再適用了。3D打印的這種DDM特性就能夠以較低的成本、較快的速度來完成這個過程。
Stratasys在財報中提到，由于入門款的3D打印機價格越來越便宜，而且可用性和支持的特性也越來越好，專業(yè)設計師和教育機構(gòu)對這些入門級桌面3D打印機的采用率正在上升。并且Stratasys也相信，設計應用和制造應用兩方面，3D打印都會有持續(xù)的市場增長。

Stratasys的市場布局與現(xiàn)狀
市場上的3D打印機有多種不同的技術，典型的包括了SLA（stereolithography，立體平板印刷）、FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積成型）、SLS（selective laser sintering，選擇性激光燒結(jié)）、DMLS（direct metal laser sintering，直接金屬激光燒結(jié)）、MJP（polyjet/multijet printing，聚合物噴射打�。�、噴墨打�。╥nkjet printing）、EBM（electron beam melting，電子束熔煉）、LMB（laser metal deposition，激光金屬沉積）、LOM（laminated object manufacturing，分層實體制造）、DLP（digital light processing，數(shù)字光處理）。

從產(chǎn)品層面來觀察Stratasys，這家公司的產(chǎn)品大門類主要分成打印系統(tǒng)、耗材、軟件、在線社區(qū)，以及服務（包括咨詢、支持服務，以及根據(jù)客戶提供的CAD文件直接生產(chǎn)原型和終端使用部分等）。主體上，這些業(yè)務應該都是圍繞打印系統(tǒng)展開的。Stratasys的打印系統(tǒng)主要又分成了PolyJet打印機、FDM打印機、SLA打印機。

這次發(fā)布會上推出的Stratasys J55打印機屬于PolyJet打印機。Stratasys的這條產(chǎn)品線特色就在于提供多種材料、色彩。2019年，Stratasys也開始提供潘通認證（Pantone validated）色彩，更早的J8系列支持超過50萬種色彩和紋理組合。其中的材料特性，從硬質(zhì)到柔性的，從不透光到透明的。在單次構(gòu)建過程中，就能打印多種材質(zhì)構(gòu)成的組件。

從Stratasys 2019年年報來看，整體年度收益、運營利潤和毛利率實際上都在下滑。Stratasys在財報中對此的解釋是，歐洲、亞洲的整體經(jīng)濟形勢不佳，且受到了匯率的負面影響。這實際上也符合我們的預期，因為也不止是Stratasys，其他主要競爭對手，如3D Systems的財務狀況也類似。這與近兩年的國際形勢有很大關系。
以地理位置來劃分Stratasys的營收情況，目前其最大市場仍在北美：其北美的凈銷售額超過總營收的六成；其亞太區(qū)的銷售額占比僅為15%——很顯然，這部分市場是有極大拓展空間的。

2018-2024年3D全球不同地區(qū)3D打印市場的規(guī)模增長趨勢，來源：MARKETS AND MARKETS

這個數(shù)據(jù)與Markets And Markets的統(tǒng)計數(shù)據(jù)一致，從這家機構(gòu)的預測來看，亞太地區(qū)未來幾年的3D打印市場復合年增長率會達到最高。而且Stratasys與3D Systems在FDM、SLA技術方面的3D打印技術專利到期，實際上也會為更多這個領域的新興企業(yè)提供更多的機會。

所以Stratasys在中國的市場布局就顯得十分重要：先發(fā)優(yōu)勢，以及3D打印市場本身對于新技術、新打印材料的研發(fā)的依賴性，對Stratasys而言都是優(yōu)勢項。盡快全面打開中國市場自然是理所應當?shù)摹?br />
Stratasys在提供的新聞稿中提到，“中國3D打印市場目前仍處于起步階段，產(chǎn)業(yè)鏈還在不斷完善中�！薄爸袊�市場始終是Stratasys全球市場的重中之重，加大中國市場投入是Stratasys的必然選擇�！�

在更具體的應用領域，Stratasys當前對于中國的教育、汽車這兩個方向尤為看重。“3D打印幫助師生在最短時間內(nèi)將想法和創(chuàng)新變?yōu)楝F(xiàn)實，極大提升老師和學生們的學習興趣和創(chuàng)造潛能�！薄癝tratasys始終支持教育行業(yè)發(fā)展，協(xié)助多所學校開發(fā)基于不同層次3D打印技術應用的課程。”
而針對汽車領域，“Stratasys的技術發(fā)展方向?qū)�會結(jié)合國內(nèi)汽車行業(yè)的特點，提供更多元化的解決方案，包括零部件，備品備件的直接生產(chǎn)，以及個性化的定制產(chǎn)品等。”前文提到的Stratasys J8系列產(chǎn)品線，“面對汽車行業(yè)的CMF設計師”就是其一個重要方向。


從J55看Stratasys的優(yōu)勢
前文也大致提到了，Stratasys的PolyJet打印機具有多彩、多材質(zhì)支持的特點。這也是當前3D打印機精細化發(fā)展的一個特色。所以Stratasys J55能夠?qū)崿F(xiàn)形狀、材質(zhì)、色彩和表面處理工藝更為逼真的呈現(xiàn)。

如Stratasys所說，包括“出色的透明塑料模擬”、色彩潘通認證、“>120% SWOP標準色域”，“模型具有高清晰度和精致細節(jié)，在外觀上類似于丙烯酸和玻璃”。全彩與紋理支持，體現(xiàn)在從啞光到光澤表明，材料可以模擬皮革、木質(zhì)和石頭等。

在交付設計之前，如果設計師、工程師能夠更早看到、摸到產(chǎn)品的CMF（Color, Material, Finishing）特征，就能更早發(fā)現(xiàn)問題，或者說明確需求——這是在多彩、多材質(zhì)支持后的3D打印能夠獲得的。而且另一方面，設計師與后續(xù)階段的，比如模型制作師、供應商的溝通也會簡單許多。
這款3D打印機在整體尺寸設計上，是可以直接放在辦公室里的，追求的是在公司內(nèi)部進行原型生產(chǎn)和迭代，這個環(huán)節(jié)上盡可能的不需要外部供應商的參與。所以針對辦公室，產(chǎn)品還需要有比較安靜的工作噪音（＜53db），以及可以擺放在辦公室的體積（比一般的冰箱更�。�；還需要確保沒有異味，以及煙霧過濾（類似于空氣凈化系統(tǒng)）等。

在更為具體的工作原理上，J55采用旋轉(zhuǎn)托盤設計，“允許時間更短的半圓移動3D打印路徑”；這樣一來打印頭本身就是靜態(tài)的。傳統(tǒng)的桌面3D打印機是往復式的，這類打印機的噴頭需要加速、減速、勻速反復切換，有各種機械組件，所以會有比較大的噪聲；而機械動作也會讓設備的穩(wěn)定性并沒有那么好。所以J55的這種轉(zhuǎn)盤式能夠提升效率。

另外，J55采用LED紫外線燈，比汞紫外燈工作溫度低，可靠性和壽命會更好；而且在需要的時候才點亮，不需要時可以方便地關閉。這款打印機轉(zhuǎn)盤的“有效打印面積”是1174cm2，占到全托盤的71%，可以應付打印類似400mm這樣的扳手。上面這張圖展示的，是一個46碼尺寸的男鞋鞋底。

機器下方是材料倉，16盒模型材料、打印材料；J55支持材料熱插拔，打印過程中材料不足也可以比較方便地抽去并填充

這是Stratasys J55打印機本身的一些特性，實際上在打印機以外，對于使用而言更重要的是軟件。Stratasys這家公司在業(yè)界相對重要的競爭力，除了3D打印機以及專利技術，還在于特別老生常談的“生態(tài)系統(tǒng)”，或者說“集成的解決方案”。其組成部分主要包括了3D打印機、材料、GrabCAD Print軟件、服務、垂直應用、擴展的合作聯(lián)盟等。

這其中的GrabCAD Print是建立在云、桌面與移動技術多個層面的軟件，覆蓋Stratasys本身的多種3D打印技術，提供工作編程、調(diào)度、監(jiān)控和分析。軟件原生支持讀取常見的3D CAD文件格式，還有傳統(tǒng)的STL和VRML文件，并可將其轉(zhuǎn)為相應的代碼，跑Stratasys的3D打印系統(tǒng)；調(diào)度系統(tǒng)能夠管理一個或者多個打印機的運行，通過桌面、web或者移動設備皆可；分析信息包括材料使用、工作歷史報告；工作編程軟件則用于實現(xiàn)Stratasys技術的一些特性，包括構(gòu)建輕量、結(jié)構(gòu)上完整的填充材料，以及多材料和色彩管理等。

實際上，在行業(yè)內(nèi)深耕這么多年，對于原型產(chǎn)品工作需求、工作流的掌控本身也有更好的理解：這些就是需要經(jīng)驗積累，和長時間聽取用戶需求的。所以還有類似GrabCAD Shop這種簡化工作流的設定；Workbench則是基于云的項目數(shù)據(jù)管理解決方案，設計團隊在設計任務、管理CAD文件方面可以協(xié)同工作等。
在J55這款產(chǎn)品中，梁柱表示“跟KeyShot聯(lián)合，渲染模型可以直接導出，成為3MF文件，在GrabCAD Print中用于打印。能夠節(jié)省設計師在3D打印方面需要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，文件處理的時間�！绷硗饧由显诰�社區(qū)，以及后續(xù)支持服務，還包括覆蓋全球范圍的布局——財報中提到是有大約160個渠道合作伙伴，以及已經(jīng)擁有的眾多行業(yè)的用戶基礎，這些實際上積累起了Stratasys本身的市場優(yōu)勢。



參考來源：
[1]  3D Printing Market by Offering (Printer, Material, Software, Service), Process (Binder Jetting, Direct Energy Deposition, Material Extrusion, Material Jetting, Powder Bed Fusion), Application, Vertical, Technology, and Geography - Global Forecast to 2024 - Markets AND Markets
https://www.marketsandmarkets.co ... ng-market-1276.html
[2] Annual Reports - Stratasys
https://investors.stratasys.com/sec-filings/annual-reports