3D 打印：设计师和开发人员应该注意吗？

3D 打印并不是一项新技术，但最近几个领域的进展使其更容易为爱好者和企业所接受。 与其他科技行业相比，它仍然是一个小行业，但大多数分析师认为它具有很大的潜力。 但是自由设计师和软件工程师的潜力在哪里？

几周前，Toptaler 的一位同事问过我这个问题，因为我曾经为一些出版物报道过 3D 打印。 我没有明确的答案。 我不能只列出商机，因为这是一个利基行业，上行空间有限且对大众市场的吸引力。 更重要的是，3D打印还不是一项成熟的技术，这意味着愿意冒险的设计师和开发人员在标准化和在线资源方面并不多。

但是，这并不意味着没有商机； 他们在那里，但他们是有限的。 在这篇文章中，我将尝试解释是什么让 3D 打印行业与众不同，以及自由职业者可以期待什么。

爱好者和企业的 3D 打印

首先，我认为我们需要区分 3D 打印或增材制造行业中两个截然不同的利基市场。

一方面，您有无数的硬件爱好者、软件开发人员和设计师从事开源项目。 RepRap 项目比业内任何类似举措都更好地体现了这种精益和开放的方法。 RepRap 代表 Replicating Rapid Prototyper，它基本上是一项基于熔丝制造 (FFF) 技术开发廉价打印机的举措。 本质上，这就是 Fused Deposition Modeling (FDM) 技术，但 RepRap 不能使用该名称，因为它已被 Stratasys 商业化。 当公司的 FDM 专利到期时，FDM 被开源社区所接受，尽管名称不同。

RepRap 今年已经十岁了，第一台打印机在推出几年后就出现了。 到 2010 年，RepRap 项目已经进入第三代设计阶段，RepRap 社区在接下来的几年里有了很大的发展。

RepRap 倡议的一个值得注意的特点是自我复制。 该项目的最终目标是创建一台最终能够自我复制的 3D 打印机。 我们还没有，但一些 RepRap 设计允许用户打印打印机的四分之三。 您仍然无法打印挤出机和电动伺服系统，但这是一个开始。

然而，RepRap 从来不应该是商业上的成功。 它是作为一项技术优先计划而创建的，因此它从来都不是以消费者为中心的。 这一切都是为了开创各种技术并以低成本将它们带入业余爱好者市场。 RepRap 从来不应该是摇钱树。

那么大企业呢？ 许多行业先驱已经成为3D打印的重量级人物。 其中包括 Stratasys、3D Systems、Ultimaker 和 Printbot。 RepRap 打印机仍然占据着很大的市场份额，而且它们并没有被专有平台挤出。 事实上，大多数供应商别无选择，只能采用一些 RepRap 标准以保证兼容性。

然而，仅仅列出 3D 打印公司及其各自的市场份额并不能描绘出全貌。 例如，RepRap 仅限于 FFF 技术，这是当今最广泛使用的 3D 打印技术。 问题是 FFF 打印机有很多限制，这意味着它们不能用于许多行业。

不同应用的不同技术

为了更好地了解现有技术，我们需要了解当前可用的 3D 打印技术。 如果您不是硬件极客，这可能看起来并不有趣，但了解各种打印技术之间的差异很重要（我将尽量使本节保持简短）。

• FFF/FDM 通常依赖于在沉积到打印床上之前由打印机挤出机加热的热塑性“长丝”。 大多数 FFF 打印机依赖 ABS 和 PLA 塑料长丝，但最新型号也使用聚碳酸酯 (PC)、高密度聚乙烯 (HDPE)、高抗冲聚苯乙烯 (HIPS) 长丝。 有些人甚至使用金属线代替塑料，而另一些人则使用锯末来制造准木制品。 有些甚至可以打印食物、巧克力、意大利面等。

• 颗粒打印机是不同的野兽，因为它们的材料不是细丝，而是通常是粉末金属。 这些打印机往往基于激光技术（尽管它们与您的办公室激光打印机没有太多共同点）。 他们使用强大的激光选择性地融合颗粒材料。 有几种方法可以做到这一点：选择性激光烧结 (SLS) 打印机通过“烧结”过程熔化小金属颗粒，而选择性激光熔化 (SLM) 打印机熔化粉末。 电子束熔化 (EBM) 打印机在真空环境中用电子束撞击金属粉末

• 立体光刻 (SLA) 打印机利用光将液体原材料转化为固体。 这些打印机在准确性和单次打印复杂对象的能力方面具有许多优势，因为在大多数情况下，SLA 打印不需要支柱或支撑。 缺点是材料的选择非常有限。 它们通常是奇异的液体聚合物，不能用于打印金属或巧克力。

还有一些更多的 3D 打印技术，但我认为为了这篇博文的目的而涵盖所有这些技术是没有意义的。

挑战

那么，为什么我们不在家里和办公室里玩转 3D 打印机呢？ 为什么我们不能像打印发票、表格和电子邮件一样打印对象？ 3D 打印不会很快成为主流，这里有一些需要首先解决的挑战和问题。

• 昂贵的硬件
• 有限的用户群（与传统打印机相比）
• 技术不成熟
• 速度
• 性价比、投资回报率
• 运营成本
• 能源效率

随着每一代新产品的推出，入门级 3D 打印机会变得更便宜一些，但对于大多数潜在用户来说，它们仍然太贵了。 为您的家庭或办公室购买一台 200 美元的打印机是一回事，您最终可能会经常使用它，但 3D 打印机不一定如此。 有多少人需要打印文档，又有多少人需要打印 3D 对象？

技术正在改进，但严重的限制仍然存在。 3D 打印机仍然很慢，对各种不利条件都很敏感，它们的“打印床”往往很小（尤其是在廉价型号上），材料的选择有限，灯丝可能很昂贵。

企业不排队购买 3D 打印机的原因很简单：投资回报率。 3D 打印机在速度、成本和能源效率方面仍然无法接近传统制造方法。 这并不意味着未来行业不会转向 3D 打印。 我们已经看到了一些开创性的发展，但 3D 打印机不会很快让传统制造技术过时。

尽管如此，还是有一些值得注意的例外。 几年前，通用电气开始为其下一代 CFM LEAP 涡扇发动机设计和制造一种新的燃油喷嘴，该发动机最终将用于数百架客机。 GE 最终选择了 3D 打印的钛喷嘴。 原因？ 新的 3D 打印喷嘴最终比之前的设计轻 25%，并且由单个部件组成，而不是旧喷嘴上的 18 个部件。 耐用性预计将提高五倍。 这些喷嘴将用于 2016 年及以后制造的发动机。 GE 希望在本世纪末生产超过 100,000 个 3D 打印零件。

GE 的一个工程师团队决定使用一种被称为“金属激光熔化”的新型颗粒打印技术，制作该公司其中一个发动机的工作复制品。

长话短说，不，您不会很快以 2 美元的价格购买 3D 打印玩具，但您将乘坐由 3D 打印提供的更高效、更可靠的发动机驱动的客机。 您当地的购物中心不会有任何 3D 打印的巧克力，至少现在还没有，但是您的牙医会告诉您，在您获得 3D 打印假肢之后，吃巧克力可能不是一个好主意。

还有另一种方式：3D 打印履行服务

所以，你有一个产品的好主意，但首先你需要一个小系列的原型。 你打电话给谁？ 你买了一堆3D打印机吗？ 或者您只是将设计发送到履行服务，该服务将在几天内为您运送完成的模型？

3D 打印履行服务似乎是一个轻松的选择，这也是该行业似乎正在采取的方向。 许多 3D 打印机构已经推出了类似的服务，并正在与其他行业领导者合作。 这种共生关系的一个例子是 Stratasys Direct Express，它最近与 Adob​​e 合作并启用了 Photoshop CC 集成，为专业设计师提供彩色 3D 打印。

谷歌和摩托罗拉在推出 Ara 模块化智能手机概念时并没有在自己的 3D 打印设施上投资数十亿美元。 他们将模块制造外包给 3D Systems。 这个例子还强调了增材制造的潜在灵活性：Ara 基于合金外骨骼，其中填充了各种可以 3D 打印的标准化模块。 由于模块必须连接到外骨骼，3D Systems 开发了一种在打印组件内沉积导电材料的新技术，这与传统的 3D 打印机原型设计相去甚远。

3D 履行服务通常提供多种不同的打印技术、尖端硬件和支持。 当您可以简单地将您的设计发送给专业人员并使用各种专业打印机中的任何一种时，为什么还要费心购买一台价值 2,000 美元的打印机，其中一些打印机的成本比您家的还要高呢？ 我们不要忘记规模经济； 与内部打印相比，大型服务可以而且应该提供更高的性价比。

在我看来，这是要走的路。 这种直截了当的商业模式有很多好处，很难看出个人和小企业如何在公平的竞争环境中竞争。 在价格、尺寸和能耗方面，专业 3D 打印机与印刷机的共同点比您的 LaserJet 还要多，有多少人在家或办公室需要印刷机？

（我最讨厌的一个问题是这个名字本身。当你在谈话中提到“打印机”时，大多数人都会想到他们的家用喷墨打印机或办公室打印机。虽然 3D 打印机确实是打印机，但它们并没有太多的用处与传统打印机很常见，而外行通常会忽略这种区别。如果我们一直称它们为增材制造机器，这将不是问题。）

面向设计师和开发人员的 3D 打印

这对普通的视觉设计师或软件工程师意味着什么？ 3D 打印会改变我们做生意的方式吗？ 它能否实现快速原型制作，甚至是廉价的小规模制造？ 我们什么时候做一些 3D 打印的 Barilla 意大利面作为午餐？

恐怕没有简单的答案，因为你可以从几个角度来看。 这完全取决于您的个人亲和力和目标。

设计师和开发人员可以通过几种不同的方式参与 3D 打印：

• 参与开源计划 (RepRap)
• 使用专业设计工具 (Adobe CC)
• 将打印功能集成到应用程序（Autodesk 的 Spark 3D 打印平台）
• 使用 3D 打印履行服务
• 集成 3D 打印履行服务

大多数开源计划都是针对个人爱好者用户的。 它们对教育也很有价值，可以促进很多创新。 不利的一面是，在这个利基市场上赚不了多少钱。 这主要是一种爱的劳动。 好消息是门槛很低。 您可以以低于 500 美元的价格购买入门级打印机和大量塑料灯丝。 你可以用一部好的智能手机的价格买到便宜且相对好的 3D 打印机。

从长远来看，3D 设计和打印功能的集成可能会更有利可图。 设计师不必特意尝试 3D 打印，因为它已经可以通过领先的软件包访问。 迟早，客户会开始询问有关 3D 打印原型或小规模生产的问题，因此根据您的利基，进行一些研究可能是个好主意。

我们只剩下房间里的大象了：3D 打印履行服务。

通过云外包 3D 打印

从表面上看，履行服务似乎是一切的答案。 他们为个人、初创公司和小企业提供专业服务，否则他们无法负担某些印刷技术，如激光烧结或立体光刻。 它们实际上是将 3D 打印集成到一系列不同服务中的唯一可行方式，主要是通过基于云的移动和网络应用程序。

那么有什么缺点呢？ 没有很多。

工业规模的履行服务是一个相对较新的概念。 但是，可用性仍然有限。 当然，如果您需要在加利福尼亚打印几十个钛原型，这不是问题，但如果您需要在博茨瓦纳或巴林做同样的事情怎么办？ 它将更加昂贵，因为制造的设计必须在全球范围内运输。 现场制造听起来不错，但可能会非常昂贵

当然，现场制造大有可为。 如果企业需要快速迭代和修改设计，那么3D打印机快速成型的速度和便利性是打印服务无法比拟的。 这是一个相对紧凑的利基市场，但绝不是小众。 设计工作室、建筑师、工程师、各维修部门、后勤、教育； 他们都需要现场打印机。 此外，如果您需要国际空间站上的打印替换零件，您不能完全致电亚马逊。 另一方面，太空中的 3D 打印会使阿波罗 13 号机组人员的功绩看起来不那么令人印象深刻。 难怪美国宇航局已经在太空中对它们进行了试验。

值得注意的是，3D 打印机可用于打印的不仅仅是替换零件和无源组件。 它们还可用于打印工作电气元件，从扬声器到印刷电路板 (PCB)。 PCB 原型制作是一个不错的利基市场，因为传统方法既慢又昂贵。 带有导电丝线轴的 3D 打印机通常可以在现场、按时、按预算完成任务。

尽管如此，就大众市场应用而言，这个领域很可能会被亚马逊、Stratasys、3D Systems 和惠普等大公司主导。 随着行业的成熟，全球可用性应该不再是问题，价格将会下降，新硬件将提供新的机会和卓越的品质。

在我看来，该行业目前面临的最大问题是缺乏用例。 当然，这听起来很方便，但它是为谁准备的？ 我们如何将 3D 打印产品送到主流消费者手中？

这个问题并不像看起来那么简单，因为近年来增材制造被大肆宣传。 只需尝试在谷歌上搜索 3D 打印用例，您就会明白我的意思：3D 打印似乎是我们所有问题的答案，但实际上大部分都是基于长期预测的炒作。

因此，我决定纳入来自公正来源的研究：英国知识产权局。 这篇题为《工业领域 3D 打印的现状和影响：对六个案例研究的分析》的论文内容广泛，考察了增材制造对多个行业的潜在影响：汽车、家用电器、替换零件、定制商品、逆向工程、游戏和计算机生成的图形。

定制商品和 CGI​​ 衍生设计是自由职业者最现实的用例，让我们仔细看看。

个性化制造

与传统制造方法相比，增材制造的最大优势之一是能够生产一次性设计或小批量生产。 使用传统制造制造塑料玩具需要多长时间？ 你需要大量的设备、铸模等等。 使用 3D 打印，只需选择线框并单击即可。 这意味着可以生产出独特的设计，以满足不同客户的需求。

增材制造可以让普通消费者在购买之前设计和定制各种产品。 这可以使用专业的桌面应用程序，甚至网络和移动应用程序来完成。 没有人期望普通消费者从头开始设计一件物品，但即使是孩子也可以使用简化的移动应用程序定制玩具。

这样的平台必须包含大量不同的颜色或贴花选项，以及 3D 线框本身。 更重要的是，应该可以创建模块化设计，因此如果孩子们正在定制玩具车或玩偶，他们可以在数十种不同但兼容的组件之间进行选择，这些组件将被组装以制造产品。

是的，今天出生的孩子将能够个性化他们的真实玩具，或者将他们的视频游戏角色变成动作人物，而不是在应用程序和游戏中自定义虚拟环境。 这有点让你希望你在几十年后出生，不是吗？

以下是一些具有大众市场吸引力的个性化 3D 打印用例：

• 玩具
• 定制珠宝
• DIY 和爱好者产品
• 时尚和小工具配件
• 个性化电器和家居用品

然而，产品不一定要个性化以符合您的口味。 它们也可以与您的体型完美匹配，例如量身定制的西装。 这些产品可能不具备个性化玩具的大众市场吸引力，但这并没有让它们变得不那么令人兴奋。 事实上，我发现它们比定制的胸针或洋娃娃有趣得多。

这里只是一些例子：

• 数字牙科
• 手术（用于训练的模型、3D 打印的替换关节）
• 高级假肢
• 为各行各业量身定做的装备和服装
• 运动器材及配件

当然，这些应用程序与我之前提到的应用程序几乎没有相同的情感吸引力，但从整体上看，它们可能同样有利可图且重要，尤其是当您考虑医疗应用程序时。

3D 打印的意义和未来

那么底线是什么？ 3D打印会改变工业格局吗？ 真的是下一次工业革命吗？

3D 打印或增材制造是一种非常有前途但不成熟的技术。 它显然有很大的潜力，但我们仍然离实现它还很遥远，尽管这个行业正在看到很大的增长。

事实上，3D 打印服务、硬件和材料市场多年来一直以两位数的健康速度增长。 大多数分析师预计，到本世纪末，市场将翻一番，突破 100 亿美元大关。 这听起来可能是一大笔钱，但让我们正确看待：同样的分析师预计 2015 年智能手机的年出货量最终将在 1.3 到 14 亿部之间。

回顾炒作，3D 打印是一项吸引力有限的技术，至少在这个早期阶段是这样。 然而，在可预见的未来，在新用例的支持下，我们将继续看到增长和发展。 其中许多用例和商业模式将基于 3D 打印履行服务。 这对小型企业和个人来说是个好消息，因为他们将能够相对轻松地使用第三方基础设施。 他们不必购买数十台打印机，只需将一些 API 集成到他们的平台即可。

从短期来看，这是 3D 打印的未来，至少从大众市场的角度来看是这样。