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3D市場研究

個人3D打印機的現狀、發展趨勢和應用前景

3D打印商情 來源:3D打印商情報2014-12-10 我要評論(0 )   

眾(zhong) 所周知,3D打印技術從(cong) 出現後一直應用於(yu) 工業(ye) 領域。而近年來由於(yu) 相關(guan) 技術的發展,使得3D打印機的一些核心零部件成本大幅度降低;另外,由於(yu) 個(ge) 性化製造的興(xing) 起,個(ge) 人3D打...

本文刊登於(yu) 《3D打印商情》第五期

     眾(zhong) 所周知,3D打印技術從(cong) 出現後一直應用於(yu) 工業(ye) 領域。而近年來由於(yu) 相關(guan) 技術的發展,使得3D打印機的一些核心零部件成本大幅度降低;另外,由於(yu) 個(ge) 性化製造的興(xing) 起,個(ge) 人3D打印機有了很大的發展。無疑,它將會(hui) 成了3D打印產(chan) 業(ye) 裏麵一個(ge) 重要的分支。

    個(ge) 人3D打印機的定義(yi) :個(ge) 人3D打印機由Wohlers Report定義(yi) 為(wei) 5000美元以下的增材製造係統。

    個(ge) 人3D打印機的發展過程:

    1986年至1992年間,美國Charles Hull的SLA和Scott Crump的FDM兩(liang) 個(ge) 專(zhuan) 利奠定了現代3D打印產(chan) 業(ye) 的基礎。隨著這些專(zhuan) 利的授權到期,開始引發了個(ge) 人3D打印機的熱潮。特別是在2004年,英國巴斯大學Adrian Bowyer建立了一個(ge) RepRap的項目,這個(ge) 項目的目的是以開源和自我複製的方式來建造3D打印機,它主要涉及了材料擠出工藝,還有用一種非常簡單的連杆的組成方式來製造3D打印機,這一開創性的項目,使得原本動輒數幾十萬(wan) 元的3D打印機降至現在的幾千元,甚至3000元以內(nei) 都能買(mai) 到一款不錯的桌麵級3D打印機。

    2005年美國的康奈爾大學也建立了一個(ge) 相應的項目FAB@HOME,它和RepRap有點不一樣,主要是以膏狀材料作為(wei) 打印材料,目前開發了兩(liang) 種打印機,這個(ge) 項目在2012年認為(wei) 已達到了它當初的目的就關(guan) 閉掉了。

    最重要的是在2009年Stratasys公司的一個(ge) FDM核心專(zhuan) 利的到期,引發了個(ge) 人3D打印機的市場爆發,由RepRap項目產(chan) 生的個(ge) 人3D打印機進入了商業(ye) 化的階段。2010年美國3D Systems收購了英國的BFB公司,BFB公司是從(cong) 事開源3D打印機研發和生產(chan) 的。

     在過去的兩(liang) 年內(nei) ,發生了幾件對個(ge) 人3D打印機發展影響比較大的事情。2012年11月,3D Systems起訴了Formlabs和Kickstarter,到目前為(wei) 止不了了之; 2013年7月,Stratasys以市值4億(yi) 美元的股票交換形式和2億(yi) 美元的期權並購了Makerbot;另外,對全球個(ge) 人3D打印機產(chan) 業(ye) 影響非常巨大的是在2013年12月,Stratasys在美國起訴了Afinia,認為(wei) Afinia的個(ge) 人3D打印機侵犯了它的四個(ge) 專(zhuan) 利。

    進入2014年,對3D打印機發展有一個(ge) 非常利好的消息是,FDM、SLA、SLS等十幾個(ge) 3D打印的核心專(zhuan) 利相繼到期,到2015也會(hui) 有一些專(zhuan) 利到期。

    下麵是在2013年、2014年和2015年的一些核心專(zhuan) 利到期情況:

 

    今年到期的最重要的一項專(zhuan) 利是選區激光粉末燒結(SLS),因為(wei) 個(ge) 人3D打印機采取粉末燒結工藝的到目前為(wei) 止還沒有見到商業(ye) 化機器出來,所以在今年以後,這種基於(yu) SLS技術的個(ge) 人3D打印機應該會(hui) 有一個(ge) 比較大的發展。

    3D打印的專(zhuan) 利糾紛案:

    個(ge) 人3D打印機產(chan) 業(ye) 化發展的道路並不是那麽(me) 平坦,下麵是兩(liang) 個(ge) 比較著名的IP糾紛。Form 1的製造者是由一群麻省理工富有創業(ye) 激情的工程師、設計師和問題解決(jue) 達人組建的團隊Formlabs,Formlabs於(yu) 2012年在美國非常著名的一個(ge) 眾(zhong) 籌平台Kickstarter發起募資活動,以支持Form 1機器的製造和營銷,原來設想籌集10萬(wan) 美元的資金就夠了,結果在一個(ge) 月後就籌集到了將近300萬(wan) 美元,在這個(ge) 眾(zhong) 籌平台上的訂貨量也達到了2008台。3D Systems感覺到自身利益受到了威脅,所以它起訴了Formlabs和眾(zhong) 籌平台Kickstarter,認為(wei) 它侵犯了3D Systems所持有的5597520專(zhuan) 利中的第一項和第二十三項,但是這個(ge) 官司到目前為(wei) 止不了了之,其中的一個(ge) 原因是這個(ge) 專(zhuan) 利是在今年的4月25日到期,所以媒體(ti) 報道說3D Systems不得不停止這個(ge) 起訴。從(cong) 前麵列出的專(zhuan) 利到期情況來看,3D Systems進入2014年其實麵臨(lin) 著很多專(zhuan) 利到期的危機。

    另外一個(ge) 專(zhuan) 利糾紛對基於(yu) 融絲(si) 堆積成型(FDM)工藝的個(ge) 人3D打印機影響是非常巨大的,世界上眾(zhong) 多的個(ge) 人3D打印機的廠商也在觀望這場官司,看它最終會(hui) 如何解決(jue) 。在2013年的11月25日,Stratasys公司在美國起訴了Afinia,Afinia是國內(nei) 太爾時代的3D打印機在美國貼牌的銷售產(chan) 品,認為(wei) Afinia侵犯了它四個(ge) 專(zhuan) 利US5,653,925A 、US5,866,058 、US6,004,124和US8,349,239,主要是涉及到加熱平台(熱床)、擠出器、輪廓接縫、實體(ti) 的填充率和填充的樣式。但是在2014年的1月2日,Afinia也做出了回應,一一列舉(ju) 出了那些所謂的侵犯的專(zhuan) 利的情況,認為(wei) Stratasys聲稱的4項專(zhuan) 利要麽(me) 並未覆蓋到Afinia使用的技術,要麽(me) 其聲稱的專(zhuan) 利權因為(wei) 實際存在早於(yu) 專(zhuan) 利的發明而無效,Afinia的律師還將考慮提交反壟斷索賠。這個(ge) 專(zhuan) 利的糾紛結果對世界上個(ge) 人3D打印機業(ye) 界是一個(ge) 非常大的影響,因為(wei) 上述的這些都是在個(ge) 人3D打印機上經常要用到的技術。因此,今年年底法院最終的判決(jue) 可能對整個(ge) 桌麵3D打印市場產(chan) 生重大影響。

    2014年7月11日,美國明尼蘇達地區法院下令要求Stratasys公司放棄對Afinia關(guan) 於(yu) US5,653,925A的專(zhuan) 利權主張。此外,法院稱將在日後進一步研究Afinia提交的反訴。

    個(ge) 人3D打印機的主流技術:

    目前3D打印的主流技術有七種工藝,其中槽光固化、粘合劑噴射、材料擠出、粉末熔融、疊層成型至少這五種是可以用於(yu) 個(ge) 人3D打印機。槽光固化以前是用一個(ge) 比較大的樹脂槽裝上樹脂,激光器從(cong) 上麵往下掃描,現在基於(yu) 槽光固化的個(ge) 人3D打印機是反過來,從(cong) 底下來掃描,最大的一個(ge) 好處是可以用比較少的樹脂,以前裝滿一槽樹脂至少要好幾萬(wan) 元,甚至是十幾二十萬(wan) ,現在隻需要裝一兩(liang) 公斤,也就是幾千元,其中比較成功的一個(ge) 產(chan) 品開發就是Form 1,它是把掃描振鏡置放在樹脂盒子的下麵。另外比較容易做的是基於(yu) DLP投影,用一個(ge) 藍紫或紫外紫外光源取代投影機原來的光源並做把了原來的掃描振鏡的方式,做出來的精度非常好,比較適合做小型的工件。材料擠出是一個(ge) 非常成熟的工藝,另外基於(yu) 粉末床燒結的還沒有商業(ye) 化的機器,但是很多個(ge) 人3D打印機的愛好者都已經著手開發這個(ge) 機器,因為(wei) 今年這個(ge) 專(zhuan) 利已經到期,在不久的將來應該會(hui) 有比較成熟的機器出現。基於(yu) 疊層的個(ge) 人3D打印機,江蘇的紫金電子做得相當好。

    個(ge) 人3D打印機的發展趨勢:

    1、個(ge) 人3D打印機從(cong) 開源到閉源

    這裏以Makerbot的產(chan) 品開發作為(wei) 例子,Makerbot的原型就是RepRap開源項目裏麵的機器,2009年Makerbot開發出了第一台機器,隨著時間的推移產(chan) 品不斷地改進,2012年9月是Makerbot的一個(ge) 分水嶺,在此之前Makerbot所有的機器都是開源的,但是在此之後,基於(yu) 商業(ye) 利益的考慮,就開始閉源。許多從(cong) 事個(ge) 人打印機開發的公司都是一樣,可以說個(ge) 人3D打印機一定會(hui) 經曆一個(ge) 從(cong) 開源到閉源的過程。

    另外,在開源的時期Makerbot的更新換代很快,在閉源以後為(wei) 了維持一定的商業(ye) 利益,它的開發進度比較慢。但Makerbot在2014年的拉斯維加斯的消費電子展覽會(hui) 上推出了3款新型的機器,目前也進入到了中國市場開始銷售。#p#分頁標題#e#

    2、個(ge) 人3D打印機已經具備了直接挑戰工業(ye) 級3D打印機的能力

    首先從(cong) 價(jia) 格上來看,3D Systems專(zhuan) 業(ye) 級(生產(chan) 級)SLA 3D打印機的售價(jia) 在20萬(wan) 美元左右,但同樣的SLA工藝機器Form 1個(ge) 人3D打印機才3000多美元,另外,相對應Stratasys的FDM 3D打印機,也有一些便宜的機器,如Ultimaker、Prusa、Up!Plus等,相應的價(jia) 格也就從(cong) 1000多美元到3000多美元。從(cong) 性價(jia) 比上來說,個(ge) 人3D打印機已經對專(zhuan) 業(ye) 的3D打印機構成了威脅。

 

圖1 近年個(ge) 人3D打印機性價(jia) 比變化情況

    另外,從(cong) 性價(jia) 比上來看,專(zhuan) 業(ye) 的3D打印機價(jia) 格在不斷地下降,性能也有所提升,從(cong) 圖1上看,個(ge) 人3D打印機從(cong) 以前的幾百美元到現在的幾千美元,雖然價(jia) 格在不斷地上升,但是它的性能上升得更快,所以在成本和性能交匯區域(圖1中左上方位置)個(ge) 人3D打印機將會(hui) 取代專(zhuan) 業(ye) 級3D打印機。

圖2 : 3D Hubs統計的裝機量按製造商分布情況

    個(ge) 人3D打印機的裝機量也直接挑戰了3D打印機的生產(chan) 巨頭,這個(ge) 情況可以從(cong) 圖2上可以看得出來,3D Hubs(www.3dhubs.com/trends)的網站做過一個(ge) 裝機的調查,可以看出RepRap和Ultimaker這些比較廉價(jia) 的3D打印機,加起來的裝機容量比Stratasys和3 D Systems的裝機容量都要大。

    3、從(cong) 打印工藝上來說,個(ge) 人3D打印機是經曆了FDM,前兩(liang) 年進入了SLA,從(cong) 今年開始會(hui) 進入SLS,在這三個(ge) 工藝以後還會(hui) 不會(hui) 有其它的技術用於(yu) 個(ge) 人3D打印機,目前也不是很清楚。

    4、從(cong) 外形設計來說,也發展了和個(ge) 人電腦外形相同的模式,從(cong) 非常簡陋的外形到現在的各種設計樣式,3D打印機也一樣,從(cong) 以前的專(zhuan) 業(ye) 的機器到現在的Makerbot的初級機器,外表也是由當初的簡陋到現在注重時尚美觀轉變。

    5、美國兩(liang) 個(ge) 3D打印機的巨頭也是非常看好個(ge) 人3D打印機的市場的,Stratasys去年以6億(yi) 美元(4億(yi) 美元的股票交換+2億(yi) 美元期權)並購了Makerbot其實也是看中了它在個(ge) 人3D打印機的市場份額和渠道。從(cong) Stratasys 2013年第四季度的季報上來看,第四季度的業(ye) 績是1.5億(yi) 美元,與(yu) 前年相比是增長了62%,Makerbot在第四季度的貢獻是2490萬(wan) 美元,占了Stratasys第四季度總業(ye) 績的16%,所以看得出來Stratasys當初收購Makerbot就是要進入個(ge) 人市場。3D Systems也在今年的CES2014的展會(hui) 上推出了多種的個(ge) 人3D打印機,進入到今年的五六月份已經把它們(men) 推入市場了。

    個(ge) 人3D打印的市場前景:

圖3  3D打印的應用情況

    圖3的3D打印應用樹是2009年發布的《增材製造技術路線圖》上的插圖,可以看出個(ge) 人3D打印機在建築行業(ye) 、教育、醫學、珠寶等等領域都有非常大的應用前景。

圖4   Gartner對3D打印機出貨量的預測

    圖4是著名的IT谘詢機構對今後幾年3D打印機出貨量的預測,預測在今後幾年企業(ye) 和消費者對3D打印機的需求將進一步提升,而技術創新將進一步提高3D打印機的質量和性能。2014年3D打印機出貨量預計將同比增長75%,達到98065台,而2015年的出貨量將接近翻番,圖中綠色部分是個(ge) 人3D打印機的份額。

圖5  Wohlers Report 2014 統計的個(ge) 人3D打印機銷售量

    圖5是3D打印產(chan) 業(ye) 非常權威的報告Wohlers Report 2014統計的個(ge) 人3D打印機在2013年的銷售量,在2013年個(ge) 人3D打印機的銷售量是72503台,比前一年增加了104.2%,銷售金額增加了116.7%。

圖6 Wohers Report 2014中個(ge) 人3D打印機銷售額情況

    從(cong) 圖6的餅圖可以看出來,在2012年,個(ge) 人3D打印機的銷售額僅(jin) 僅(jin) 占增材製造設備銷售額的5.5%,但是在2013年占了9%。

    從(cong) 這裏看好像個(ge) 人3D打印機的市場前景非常美好,但是有什麽(me) 問題呢?圖7是美國Industry Week機構對3D打印機和個(ge) 人電腦的發展的一個(ge) 對比。個(ge) 人電腦從(cong) 1980年到2010年,經過30年的時間,才發展到現在的人手一台個(ge) 人電腦的局麵,那如果把這個(ge) 情況套入到個(ge) 人3D打印機的發展,把2010年作為(wei) 3D打印機的元年,在理論上也要到2040年個(ge) 人3D打印機才會(hui) 達到像今天的個(ge) 人電腦一樣的普及率。

 圖7 Industry Week對3D打印機和個(ge) 人電腦的發展的對比。

    個(ge) 人3D打印機的市場非常巨大,但是有沒有隱憂呢?圖8是美國著名的IT谘詢機構給出技術成熟度曲線,也稱之為(wei) 炒作曲線。Gartner曲線認為(wei) 每項技術、每個(ge) 產(chan) 品的發展都必須會(hui) 經曆一個(ge) 萌芽期、過熱期、低穀期、複蘇期、成熟期。在過熱期的時候一定會(hui) 有很多的媒體(ti) 介入,在2012年就有許多的媒體(ti) 掀起3D打印的熱潮。

圖8 Gartner近年發布的技術成熟度曲線

    圖8 是Gartner於(yu) 2011年、2012年、2013年和2014年的發布的新興(xing) 技術成熟度曲線,可以看出3D打印在這個(ge) 曲線上的情況,在2011年3D打印已經開始進入炒作的高峰期,2013年已接近定點,雖然在2014年還在高峰期內(nei) ,但已經過了頂點開始下滑,這一點應該引起業(ye) 界的注意,這是一個(ge) 非常危險的事情。Gartner研究副總裁皮特•巴斯利爾(Pete Basiliere)表示:“消費類3D打印機獲得主流用戶的接受還需要5到10年時間”,與(yu) 個(ge) 人3D打印機不同的是,從(cong) 剛發布的Gartner曲線來看,企業(ye) 的3D打印已經進入了複蘇期,預計經過2到5年的發展,它就會(hui) 進入到一個(ge) 比較健康的發展平台期。#p#分頁標題#e#

    從(cong) Rogers技術采用生命周期來看,個(ge) 人3D打印機又會(hui) 是怎麽(me) 一種情況呢?通常這條曲線把消費者分為(wei) 五類,第一類是創新者,他們(men) 對技術是非常愛好的,熱衷於(yu) 新技術、新產(chan) 品的應用;第二類是早期采用者,這一類人是比較有遠見的,能夠看到某一種新技術的商業(ye) 機會(hui) ;第三類,晚期多數使用者,更大的消費群一般是集中於(yu) 早期的主流和晚期的主流,加起來超過了68%;當然還有一種,滯後消費者,他們(men) 不願意采用任何新技術。

    個(ge) 人3D打印機如果僅(jin) 僅(jin) 局限於(yu) 前兩(liang) 類消費者是沒有前景的,一定要進入到主流市場,但是如何才能進入到主流市場呢?其實在由前期市場進入到主流市場中間有一條“死亡裂穀”,“死亡裂穀”也被稱為(wei) “第二摩爾定律”,這是大家都沒有意識到的一條鴻溝,它是怎麽(me) 產(chan) 生的呢?由於(yu) 早期市場的消費者關(guan) 心更多的是技術,所以對於(yu) 早期技術和產(chan) 品的缺陷他們(men) 是可以容忍的,當進入主流市場的進行應用的時候,如果這個(ge) 技術和產(chan) 品有太多缺陷的話,就無法順利實現它們(men) 的價(jia) 值,這個(ge) 新的技術和產(chan) 品就會(hui) 在這裏滅亡。所以要跨越這個(ge) 鴻溝,隻有根據在不同時期產(chan) 品用戶的思維做出一些改進,才能使個(ge) 人3D打印機跨越“死亡裂穀”。

    結束語:

    首先,個(ge) 人3D打印機將會(hui) 麵臨(lin) 著一個(ge) 爆發性的市場需求,或許在不遠的將來會(hui) 和個(ge) 人電腦一樣進入千家萬(wan) 戶;另外,個(ge) 人3D打印機在最近的幾年,會(hui) 形成FDM、SLA、SLS多種技術並存的局麵;第三,個(ge) 人3D打印機如果要贏得主流市場,就需求要從(cong) 產(chan) 品技術的創新、產(chan) 品質量的改進、產(chan) 品麵向的市場的目標、產(chan) 品的定位、產(chan) 品的商業(ye) 模式都要做出相應的變革。

 作者:中國科學院廣州電子技術研究所 李耀棠研究員

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