3D 打印：設計師和開發人員應該注意嗎？

3D 打印並不是一項新技術，但最近幾個領域的進展使其更容易為愛好者和企業所接受。 與其他科技行業相比，它仍然是一個小行業，但大多數分析師認為它具有很大的潛力。 但是自由設計師和軟件工程師的潛力在哪裡？

幾週前，Toptaler 的一位同事問過我這個問題，因為我曾經為一些出版物報導過 3D 打印。 我沒有明確的答案。 我不能只列出商機，因為這是一個利基行業，上行空間有限且對大眾市場的吸引力。 更重要的是，3D打印還不是一項成熟的技術，這意味著願意冒險的設計師和開發人員在標準化和在線資源方面並不多。

但是，這並不意味著沒有商機； 他們在那裡，但他們是有限的。 在這篇文章中，我將嘗試解釋是什麼讓 3D 打印行業與眾不同，以及自由職業者可以期待什麼。

愛好者和企業的 3D 打印

首先，我認為我們需要區分 3D 打印或增材製造行業中兩個截然不同的利基市場。

一方面，您有無數的硬件愛好者、軟件開發人員和設計師從事開源項目。 RepRap 項目比業內任何類似舉措都更好地體現了這種精益和開放的方法。 RepRap 代表 Replicating Rapid Prototyper，它基本上是一項基於熔絲製造 (FFF) 技術開發廉價打印機的舉措。 本質上，這就是 Fused Deposition Modeling (FDM) 技術，但 RepRap 不能使用該名稱，因為它已被 Stratasys 商業化。 當公司的 FDM 專利到期時，FDM 被開源社區所接受，儘管名稱不同。

RepRap 今年已經十歲了，第一台打印機在推出幾年後就出現了。 到 2010 年，RepRap 項目已經進入第三代設計​​階段，RepRap 社區在接下來的幾年裡有了很大的發展。

RepRap 倡議的一個值得注意的特點是自我複制。 該項目的最終目標是創建一台最終能夠自我複制的 3D 打印機。 我們還沒有，但一些 RepRap 設計允許用戶打印打印機的四分之三。 您仍然無法打印擠出機和電動伺服系統，但這是一個開始。

然而，RepRap 從來不應該是商業上的成功。 它是作為一項技術優先計劃而創建的，因此它從來都不是以消費者為中心的。 這一切都是為了開創各種技術並以低成本將它們帶入業餘愛好者市場。 RepRap 從來不應該是搖錢樹。

那麼大企業呢？ 許多行業先驅已經成為3D打印的重量級人物。 其中包括 Stratasys、3D Systems、Ultimaker 和 Printbot。 RepRap 打印機仍然佔據著很大的市場份額，而且它們並沒有被專有平台擠出。 事實上，大多數供應商別無選擇，只能採用一些 RepRap 標準以保證兼容性。

然而，僅僅列出 3D 打印公司及其各自的市場份額並不能描繪出全貌。 例如，RepRap 僅限於 FFF 技術，這是當今最廣泛使用的 3D 打印技術。 問題是 FFF 打印機有很多限制，這意味著它們不能用於許多行業。

不同應用的不同技術

為了更好地了解現有技術，我們需要了解當前可用的 3D 打印技術。 如果您不是硬件極客，這可能看起來並不有趣，但了解各種打印技術之間的差異很重要（我將盡量使本節保持簡短）。

• FFF/FDM 通常依賴於在沉積到打印床上之前由打印機擠出機加熱的熱塑性“長絲”。 大多數 FFF 打印機依賴 ABS 和 PLA 塑料長絲，但最新型號也使用聚碳酸酯 (PC)、高密度聚乙烯 (HDPE)、高抗衝聚苯乙烯 (HIPS) 長絲。 有些人甚至使用金屬線代替塑料，而另一些人則使用鋸末來製造準木製品。 有些甚至可以打印食物、巧克力、意大利面等。

• 顆粒打印機是不同的野獸，因為它們的材料不是細絲，而是通常是粉末金屬。 這些打印機往往基於激光技術（儘管它們與您的辦公室激光打印機沒有太多共同點）。 他們使用強大的激光選擇性地融合顆粒材料。 有幾種方法可以做到這一點：選擇性激光燒結 (SLS) 打印機通過“燒結”過程熔化小金屬顆粒，而選擇性激光熔化 (SLM) 打印機熔化粉末。 電子束熔化 (EBM) 打印機在真空環境中用電子束撞擊金屬粉末

• 立體光刻 (SLA) 打印機利用光將液體原材料轉化為固體。 這些打印機在準確性和單次打印複雜對象的能力方面具有許多優勢，因為在大多數情況下，SLA 打印不需要支柱或支撐。 缺點是材料的選擇非常有限。 它們通常是奇異的液體聚合物，不能用於打印金屬或巧克力。

還有一些更多的 3D 打印技術，但我認為為了這篇博文的目的而涵蓋所有這些技術是沒有意義的。

挑戰

那麼，為什麼我們不在家里和辦公室裡玩轉 3D 打印機呢？ 為什麼我們不能像打印發票、表格和電子郵件一樣打印​​對象？ 3D 打印不會很快成為主流，這裡有一些需要首先解決的挑戰和問題。

• 昂貴的硬件
• 有限的用戶群（與傳統打印機相比）
• 技術不成熟
• 速度
• 性價比、投資回報率
• 運營成本
• 能源效率

隨著每一代新產品的推出，入門級 3D 打印機會變得更便宜一些，但對於大多數潛在用戶來說，它們仍然太貴了。 為您的家庭或辦公室購買一台 200 美元的打印機是一回事，您最終可能會經常使用它，但 3D 打印機不一定如此。 有多少人需要打印文檔，又有多少人需要打印 3D 對象？

技術正在改進，但嚴重的限制仍然存在。 3D 打印機仍然很慢，對各種不利條件都很敏感，它們的“打印床”往往很小（尤其是在廉價型號上），材料的選擇有限，燈絲可能很昂貴。

企業不排隊購買 3D 打印機的原因很簡單：投資回報率。 3D 打印機在速度、成本和能源效率方面仍然無法接近傳統製造方法。 這並不意味著未來行業不會轉向 3D 打印。 我們已經看到了一些開創性的發展，但 3D 打印機不會很快讓傳統製造技術過時。

儘管如此，還是有一些值得注意的例外。 幾年前，通用電氣開始為其下一代 CFM LEAP 渦扇發動機設計和製造一種新的燃油噴嘴，該發動機最終將用於數百架客機。 GE 最終選擇了 3D 打印的鈦噴嘴。 原因？ 新的 3D 打印噴嘴最終比之前的設計輕 25%，並且由單個部件組成，而不是舊噴嘴上的 18 個部件。 耐用性預計將提高五倍。 這些噴嘴將用於 2016 年及以後製造的發動機。 GE 希望在本世紀末生產超過 100,000 個 3D 打印零件。

GE 的一個工程師團隊決定使用一種被稱為“金屬激光熔化”的新型顆粒打印技術，製作該公司其中一個發動機的工作複製品。

長話短說，不，您不會很快以 2 美元的價格購買 3D 打印玩具，但您將乘坐由 3D 打印提供的更高效、更可靠的發動機驅動的客機。 您當地的購物中心不會有任何 3D 打印的巧克力，至少現在還沒有，但是您的牙醫會告訴您，在您獲得 3D 打印假肢之後，吃巧克力可能不是一個好主意。

還有另一種方式：3D 打印履行服務

所以，你有一個產品的好主意，但首先你需要一個小系列的原型。 你打電話給誰？ 你買了一堆3D打印機嗎？ 或者您只是將設計發送到履行服務，該服務將在幾天內為您運送完成的模型？

3D 打印履行服務似乎是一個輕鬆的選擇，這也是該行業似乎正在採取的方向。 許多 3D 打印機構已經推出了類似的服務，並正在與其他行業領導者合作。 這種共生關係的一個例子是 Stratasys Direct Express，它最近與 Adob​​e 合作並啟用了 Photoshop CC 集成，為專業設計師提供彩色 3D 打印。

谷歌和摩托羅拉在推出 Ara 模塊化智能手機概念時並沒有在自己的 3D 打印設施上投資數十億美元。 他們將模塊製造外包給 3D Systems。 這個例子還強調了增材製造的潛在靈活性：Ara 基於合金外骨骼，其中填充了各種可以 3D 打印的標準化模塊。 由於模塊必須連接到外骨骼，3D Systems 開發了一種在打印組件內沉積導電材料的新技術，這與傳統的 3D 打印機原型設計相去甚遠。

3D 履行服務通常提供多種不同的打印技術、尖端硬件和支持。 當您可以簡單地將您的設計發送給專業人員並使用各種專業打印機中的任何一種時，為什麼還要費心購買一台價值 2,000 美元的打印機，其中一些打印機的成本比您家的還要高呢？ 我們不要忘記規模經濟； 與內部打印相比，大型服務可以而且應該提供更高的性價比。

在我看來，這是要走的路。 這種直截了當的商業模式有很多好處，很難看出個人和小企業如何在公平的競爭環境中競爭。 在價格、尺寸和能耗方面，專業 3D 打印機與印刷機的共同點比您的 LaserJet 還要多，有多少人在家或辦公室需要印刷機？

（我最討厭的一個問題是這個名字本身。當你在談話中提到“打印機”時，大多數人都會想到他們的家用噴墨打印機或辦公室打印機。雖然 3D 打印機確實是打印機，但它們並沒有太多的用處與傳統打印機很常見，而外行通常會忽略這種區別。如果我們一直稱它們為增材製造機器，這將不是問題。）

面向設計師和開發人員的 3D 打印

這對普通的視覺設計師或軟件工程師意味著什麼？ 3D 打印會改變我們做生意的方式嗎？ 它能否實現快速原型製作，甚至是廉價的小規模製造？ 我們什麼時候做一些 3D 打印的 Barilla 意大利面作為午餐？

恐怕沒有簡單的答案，因為你可以從幾個角度來看。 這完全取決於您的個人親和力和目標。

設計師和開發人員可以通過幾種不同的方式參與 3D 打印：

• 參與開源計劃 (RepRap)
• 使用專業設計工具 (Adobe CC)
• 將打印功能集成到應用程序（Autodesk 的 Spark 3D 打印平台）
• 使用 3D 打印履行服務
• 集成 3D 打印履行服務

大多數開源計劃都是針對個人愛好者用戶的。 它們對教育也很有價值，可以促進很多創新。 不利的一面是，在這個利基市場上賺不了多少錢。 這主要是一種愛的勞動。 好消息是門檻很低。 您可以以低於 500 美元的價格購買入門級打印機和大量塑料燈絲。 你可以用一部好的智能手機的價格買到便宜且相對好的 3D 打印機。

從長遠來看，3D 設計和打印功能的集成可能會更有利可圖。 設計師不必特意嘗試 3D 打印，因為它已經可以通過領先的軟件包訪問。 遲早，客戶會開始詢問有關 3D 打印原型或小規模生產的問題，因此根據您的利基，進行一些研究可能是個好主意。

我們只剩下房間裡的大象了：3D 打印履行服務。

通過雲外包 3D 打印

從表面上看，履行服務似乎是一切的答案。 他們為個人、初創公司和小企業提供專業服務，否則他們無法負擔某些印刷技術，如激光燒結或立體光刻。 它們實際上是將 3D 打印集成到一系列不同服務中的唯一可行方式，主要是通過基於雲的移動和網絡應用程序。

那麼有什麼缺點呢？ 沒有很多。

工業規模的履行服務是一個相對較新的概念。 但是，可用性仍然有限。 當然，如果您需要在加利福尼亞打印幾十個鈦原型，這不是問題，但如果您需要在博茨瓦納或巴林做同樣的事情怎麼辦？ 它將更加昂貴，因為製造的設計必須在全球範圍內運輸。 現場製造聽起來不錯，但可能會非常昂貴

當然，現場製造大有可為。 如果企業需要快速迭代和修改設計，那麼3D打印機快速成型的速度和便利性是打印服務無法比擬的。 這是一個相對緊湊的利基市場，但絕不是小眾。 設計工作室、建築師、工程師、各維修部門、後勤、教育； 他們都需要現場打印機。 此外，如果您需要國際空間站上的打印替換零件，您不能完全致電亞馬遜。 另一方面，太空中的 3D 打印會使阿波羅 13 號機組人員的功績看起來不那麼令人印象深刻。 難怪美國宇航局已經在太空中對它們進行了試驗。

值得注意的是，3D 打印機可用於打印的不僅僅是替換零件和無源組件。 它們還可用於打印工作電氣元件，從揚聲器到印刷電路板 (PCB)。 PCB 原型製作是一個不錯的利基市場，因為傳統方法既慢又昂貴。 帶有導電絲線軸的 3D 打印機通常可以在現場、按時、按預算完成任務。

儘管如此，就大眾市場應用而言，這個領域很可能會被亞馬遜、Stratasys、3D Systems 和惠普等大公司主導。 隨著行業的成熟，全球可用性應該不再是問題，價格將會下降，新硬件將提供新的機會和卓越的品質。

在我看來，該行業目前面臨的最大問題是缺乏用例。 當然，這聽起來很方便，但它是為誰準備的？ 我們如何將 3D 打印產品送到主流消費者手中？

這個問題並不像看起來那麼簡單，因為近年來增材製造被大肆宣傳。 只需嘗試在谷歌上搜索 3D 打印用例，您就會明白我的意思：3D 打印似乎是我們所有問題的答案，但實際上大部分都是基於長期預測的炒作。

因此，我決定納入來自公正來源的研究：英國知識產權局。 這篇題為《工業領域 3D 打印的現狀和影響：對六個案例研究的分析》的論文內容廣泛，考察了增材製造對多個行業的潛在影響：汽車、家用電器、替換零件、定製商品、逆向工程、遊戲和計算機生成的圖形。

定製商品和 CGI​​ 衍生設計是自由職業者最現實的用例，讓我們仔細看看。

個性化製造

與傳統製造方法相比，增材製造的最大優勢之一是能夠生產一次性設計或小批量生產。 使用傳統製造製造塑料玩具需要多長時間？ 你需要大量的設備、鑄模等等。 使用 3D 打印，只需選擇線框並單擊即可。 這意味著可以生產出獨特的設計，以滿足不同客戶的需求。

增材製造可以讓普通消費者在購買之前設計和定制各種產品。 這可以使用專業的桌面應用程序，甚至網絡和移動應用程序來完成。 沒有人期望普通消費者從頭開始設計一件物品，但即使是孩子也可以使用簡化的移動應用程序定制玩具。

這樣的平台必須包含大量不同的顏色或貼花選項，以及 3D 線框本身。 更重要的是，應該可以創建模塊化設計，因此如果孩子們正在定制玩具車或玩偶，他們可以在數十種不同但兼容的組件之間進行選擇，這些組件將被組裝以製造產品。

是的，今天出生的孩子將能夠個性化他們的真實玩具，或者將他們的視頻遊戲角色變成動作人物，而不是在應用程序和遊戲中自定義虛擬環境。 這有點讓你希望你在幾十年後出生，不是嗎？

以下是一些具有大眾市場吸引力的個性化 3D 打印用例：

• 玩具
• 定制珠寶
• DIY 和愛好者產品
• 時尚和小工具配件
• 個性化電器和家居用品

然而，產品不一定要個性化以符合您的口味。 它們也可以與您的體型完美匹配，例如量身定制的西裝。 這些產品可能不具備個性化玩具的大眾市場吸引力，但這並沒有讓它們變得不那麼令人興奮。 事實上，我發現它們比定制的胸針或洋娃娃有趣得多。

這裡只是一些例子：

• 數字牙科
• 手術（用於訓練的模型、3D 打印的替換關節）
• 高級假肢
• 為各行各業量身定做的裝備和服裝
• 運動器材及配件

當然，這些應用程序與我之前提到的應用程序幾乎沒有相同的情感吸引力，但從整體上看，它們可能同樣有利可圖且重要，尤其是當您考慮醫療應用程序時。

3D 打印的意義和未來

那麼底線是什麼？ 3D打印會改變工業格局嗎？ 真的是下一次工業革命嗎？

3D 打印或增材製造是一種非常有前途但不成熟的技術。 它顯然有很大的潛力，但我們仍然離實現它還很遙遠，儘管這個行業正在看到很大的增長。

事實上，3D 打印服務、硬件和材料市場多年來一直以兩位數的健康速度增長。 大多數分析師預計，到本世紀末，市場將翻一番，突破 100 億美元大關。 這聽起來可能是一大筆錢，但讓我們正確看待：同樣的分析師預計 2015 年智能手機的年出貨量最終將在 1.3 到 14 億部之間。

回顧炒作，3D 打印是一項吸引力有限的技術，至少在這個早期階段是這樣。 然而，在可預見的未來，在新用例的支持下，我們將繼續看到增長和發展。 其中許多用例和商業模式將基於 3D 打印履行服務。 這對小型企業和個人來說​​是個好消息，因為他們將能夠相對輕鬆地使用第三方基礎設施。 他們不必購買數十台打印機，只需將一些 API 集成到他們的平台即可。

從短期來看，這是 3D 打印的未來，至少從大眾市場的角度來看是這樣。