3D打印机进入主流指日可待

3D打印机进入主流指日可待用打印机制造三维物品仍然很复杂，但变得越来越容易。RichardSmith需要为一个客户制造会爬墙的机器人，于是他打印了一个机器人。作为Smith工程有限公司的主管，Smith使用CAD软件设计了WallRover的3D模型。WallRover是个双轨探测机器人，底座有一个离心器，能够产生足够强劲的吸力，从而将设备吸附在墙上。然后，他将每个部件的图纸文件发送到3D打印机，打印机再把物品分成厚度不到0.01英寸的块片，每次打印一层，使用熔化的丙烯腈一丁二烯一苯乙烯（ABS塑料作为“墨水”。随着3D打印机开始制造物品，每一层都熔化或粘合到前一层上，这样产品会逐渐成形。究其原理，3D打印机使用了诸多不同的制造工艺有几项工艺基于喷墨技术，可以使用许多不同类型的“制作”材料，打印出三维物品。（想了解不同类型的3D打印机，请参阅本文所附的比较表）。Smith工程有限公司使用廉价的3D打印机，为客户WallRover制造爬墙机器人原型所需的ABS塑料部件在购买3D之前，Smith需要其设计图纸发送到服务中心进行制造，部件需要三四天才制造完毕。Smith表示，要是Smith的WallRover项目使用服务中心先后要经过22道设计工序，需要整整六个月才能完成。相反，Smith在短短两个星期内就完成了最终设计，并将完全实用的原型交给客户。为此，他使用了用打印机套件制作而成的消费级3D“喷塑打印机”。套件RapMan出自3DSystems公司的BitsFromBytes部门，售价只要1500美元。Smith另外花了180美元购买塑料丝，这是打印机所使用的“墨水”。“开发时间因而缩短了五个月，模型费用因而省下了15000至20000美元”，这些模型是公司内部制作的，而不是送到服务中心来制作，他表示。更小巧、更便宜3D打印不是新技术。几十年来，如今名为3D打印的制造工艺一直用于快速成型领域，3D打印又叫添加式制造或直接数字化制造。不过在近24个月里，价格跌到了3D打印吸引更广泛受众的价位。这项技术变得更小巧，尤其是在喷塑打印机这一类。打印机制造商3DSystems公司全球营销副总裁CathyLewis表示，今天的3D打印机就个人使用而言“很理想”。但是制造可以打印的3D物品很棘手。用CAD软件设计的设计图纸需要“防水”，或者密封性完好。3D打印机厂商Stratasys的营销副总裁JonCobb说：所有表面都要密封起来，一层表面堆在另一层表面上面，否则做出来的部件会有孔眼。”然后，设计图纸需要导成3D打印机能够使用的标准文件格式，最常使用的是立体平版印刷（STL格式，最先由3DSystems公司开发的这种格式已成为事实上的行业标准。就在不久前，由CAD软件制作的STL文件其质量对3D打印来说不够好，需要另外的清理工作。但Cobb表示，这个问题在AutoCAD或SolidWorks等专业实件成型工具中基本上不复存在（面向消费者的设计工具是另一种情况，请参阅附文）。即使如此，Gartner公司跟踪分析3D打印行业的分析师PeteBasiliere并没有看到消费者在使用这项技术，用于个人打印独特的、一次性的家用物品。“阻碍消费者使用的因素是成本。成本对大多数人来说太高了。”他表示，相反，服务中心也许正好可以填补那些需求。另一个问题是，有些物品需要添加支撑物，那样才不会在材料最终硬化之前塌陷下来。如果物品在打印过程中需要支撑，3D打印机随带的预处理驱动程序软件就能作出这个决定，为设计造型自动添加任何所需的支撑结构。在打印这个人像之前，美工人员先对图案进行清理，然后把武器和披风延展到人像所立的底座，提供进一步的支撑。当人像先从打印机出来后，很容易碎裂，所以必须小心翼翼地取走支撑材料，以免折断指尖等细部零件。支撑材料通常与制作材料不一样，在后处理步骤过程中必须取走。后处理步骤通常包括吹掉、折断、溶解、熔化或裁掉不需要的材料。价格适中价格下跌、质量改进以及软件更容易使用，这些为3D打印机带来了市场需求。能够打印工业制造原型的商用机型以前价格一度高达10万美元，如今起价只要约15000美元，而面向爱好者和教育市场的个人3D打印机售价更是不到1500美元。Gartner的Basiliere说：过去的价格是六七位数。”在工业打印机中，较高端机型添加了诸多功能，比如能够打印彩色图案（不过大多数只能一次打印一种颜色），更快速地运行打印任务，打印更薄的层以获得更精细的零件，以及提供更大的可打印区域，制作更大尺寸的物品。对于从事成型工作的工业设计人员来说，连入门级的3D打印机都比求助服务中心来得省事，运营成本可能低得只有服务中心费用的十分之一。Gartner的Basiliere表示，3D打印机的价格现在低得很，有必要列入部门预算。跟踪分析3D打印市场的WohlersAssociatesInc.的首席顾问兼总裁TerryWohlers表示，汽车生产商等制造商传统上在实验室使用3D打印机，或者将其用作单独设立的内部“服务中心”的一部分。现在，它们出现在企业办公室，与其他任何联网打印机一样，连接到网络上。他说：“由于3D打印机的价格较为合理，现在它们广泛用在通用汽车和克莱斯勒这样的大厂商。”其他行业也在使用3D打印技术。BenWhite使用ZCorp的3D打印机，为IntegraProductsLtd生产窗帘杆、窗帘轨、百叶窗及其他五金配件的原型。高级产品设计工程师White说：“租用打印机比不断发送产品去制造要来得经济实惠。”他说：“我们现在的费用只有服务中心费用的10%至15%，”加快了周转时间，可以按照原始设计规格，更精确地绘制模型。六个月后，这家公司使用3D打印机来制作95%的原型。惠普的DesignJet3D打印机只在欧洲市场有售。其他用户声称节省了类似的时间。由于将惠普DesignJet用于快速成型，英国Tintometer公司的工业设计师AmyPenn表示，公司将产品时间缩短了40%至60%。而这家制造工业色度测度定仪的公司还使用3D打印机来制造制成品。DesignJet制造用来在制造过程中将部件插入到最后仪器之前校正部件的试验架。Penn表示，与Tintometer过去从服务中心得到的部件相比，现在的部件能更精确地满足原始规格，而且一样牢固，成本却要低得多。3D打印机还可以经济高效地打印销售人员展示给客户看的概念部件。她说：“大约六个月后就能收回成本。”Penn没有透露花了多少钱，但她有一台售价16200欧元（合21000美元）的DesignJet3D彩色打印机。黑白款式的DesignJet3D打印机售价12500欧元。就出货量而言，3D打印机市场的规模仍然比较小。据Wohlers声称，专业级打印机的单位出货量在2010年的年复合增长率为37%。这包括航空、消费品和电子产品等传统市场的工业工程师、架构师和工程师所使用的打印机。但是尽管2010年增长势头迅猛，出货量却只有6164台只是2D打印机市场的一个零头。据IDC公司声称，2010年，传统打印机的全球出货量超过了4400万台。由于自1988年以来全球总共才卖掉51000台3D打印机，全球只有270万台实体成型CAD电脑，Wohlers估计，增长的空间相当大。Wohlers估计，到2015年，工业3D打印机的出货量会增加一倍多，达到15000台。增长潜力巨大是惠普推出DesignJet3D试水3D打印机市场的一个原因，目前惠普只在欧洲市场销售这款机型。该打印机其实是市场领头羊Stratasys的uPrint3D打印机，只是换了个品牌。眼下出现了面向业余爱好者的3D打印机市场，发展势头很旺；人们使用该技术来制作从玩具到抽屉拉手的各种物品。面向业余爱好者的免费3D成型工具（参阅附文）使得制作过程更容易了，而MakerBotIndustries等公司提供了低成本的挤塑或喷塑打印机。制造商还提供了可供用户们使用的预配置物品素材库。比如说，MakerBot开设了Thingiverse(许多个人3D打印机进入到了教育机构，而不是普通家庭。MakerBot首席执行官BrePettis说：“我们希望这些打印机进入到孩子们的手里。这让他们可以领略创新的原动力。”遗憾的是，面向家庭业余爱好者的简单的3D设计软件不适合专业场合使用；而专业工具用起来还是相当复杂。这就在消费者与工业设计师之间留下了很大的空缺。3DSystems的Lewis说：“今天，你只有是专家级CAD用户，才会制作数字化内容，或者你需要一台高档的扫描仪才能捕获想要打印的物品的3D形状。”售价1500美元的MakerBot3D打印机通过连续涂上一层层熔化的ABS塑料来制作3D物品。虽然这款打印机为家庭/业余爱好者市场而设计，但是专业设计师们发现该打印机可用于一些商业应用场合。比如说，Smith工程有限公司就使用一款类似产品，为商业机器人原型制造和装配部件。2010年，3D打印机厂商共出货5978台个人3D打印机与面向专业市场的销量几乎一样大。但是Wohlers认为，个人3D打印机未必会形成在家自己动手打印的庞大市场。Wohlers表示，按需制造方面倒是会出现一个比较大的市场，厂商们使用售价从500美元到5000美元不等的工业3D打印机或个人3D打印机。他表示，厂商会制作独特的一次性或小批量的物品，这些物品为不想为亲自设计和打印物品而操心的消费者或公司度身定制。Gartner预测，现在售价15000美元的专业3D打印机其价格到2020年会跌至约2500美元，将提供更好的性能和更多的功能。Basiliere表示，但是最终，“从制造商的角度来看，最重要的不是打印机的销售价，而是耗材的销售价。”据Basiliere认为，3D打印机的耗材成本平均是每立方英寸从2.50美元到10美元。小企业制造低成本3D打印机的出现为某些类型的制造降低了门槛。Wohlers说：“只要有设计才华和商业头脑，公司和个人都可以办公司，开始制造产品。”微软游戏工作室前任副总裁EdFries领略了3D打印机的功能后，创办了FigurePrints,该公司使用ZCorp.的ZPrinter打印机，为魔兽世界和XboxLive游戏发烧友制作独一无二的个人头像模型。FigurePrints直接从每个游戏网站下载游戏角色，让用户在下订单之前可以给角色摆造型。然后，美工人员对物品进行清理，去掉描述人像的一系列多边形，为图像的一些2D元素（比如披风和头发）添加第三个维度。Fries之所以选择了ZCorp的ZPrinter，是因为这是市面上唯一支持全彩色打印的3D打印机。也就是说，它可以使用多种颜色来打印物品。惠普考虑了比较传统的制造工艺，比如为小批量生产而设计的树脂铸膜工艺。他说：“但是你无法按照我们获得的分辨率（600dpi）来手绘。”另外，成本比较高。ZCorp的首席执行官JohnKawola表示，那是全彩色喷墨打印方法的一大优势。“由于我们使用了喷墨头，你可以打印上面有各种标签图形和文字内容的瓶通过使用全彩色打印，ZCorp的ZPrinter可以打印附有标签和文字的产品瓶子原型。喷塑打印机通过形似注射枪或喷胶枪的“挤压头”来加热和挤压ABS塑料，而ZCorp的ZPrinter制造3D物品的方法是，先涂一层薄薄的粉末，然后使用喷墨打印头、有选择地沉积让粉末硬化的液体。随着层数越来越多，物品周围未使用的粉末充当支撑物。一旦物品制造完成，送入到洁净站，技术人员使用压缩空气来清除残留粉末。含有聚合物成分的合成材料其强度不如ABS塑料，于是FigurePrints给每层合成材料蘸上让材料变硬的胶液。即便使用了起硬化作用的胶液，最终产品的强度还是完全不如注塑的ABS塑料。最初，一些往往头重脚轻的游戏角色在运送过程中会突然从底座脱落。于是美工人员对图案另外进行了一番处理，一些情况下对脚踝处进行加粗，或者将披风或武器延展到底座，以加强支撑。Fries承认：“制成品的纹理和外观还可以，但不是按照你在商店买到的塑料注塑动作玩偶的标准。”颜色不是很鲜艳，制成品的纹理用Fries的话来说有点“偏白”。但是它适合用玻璃陈列柜来运送的模型，而且价格很适中：打印一个角色造型每立方英寸的成本是约5美元，不包括预处理和后处理时间的成本。FigurePrints销售的角色造型是每立方英寸约15美元，用户们似乎愿意掏钱。Fries说：“我们经常接到的订单是结婚蛋糕装饰。新人们在游戏中相遇，希望以各自的角色造型作为结婚蛋糕的顶层装饰。”Smith还喜欢这个概念：使用3D打印机用于制造一次性或限量版的产品。他说：“我们可以从事小批量生产，生产几十只，无需花钱购买昂贵的注塑工具上。”但是打印机的产量很低，每天最多只能生产约四只。FigurePrints每天可以从每一台打印机得到大概两件产品。Wohlers说：“如果你想用这些打印机来制造产品，产能就至关重要。”想在制造领域成功地使用3D打印机，就需要同时提高预处理和后处理步骤的自动化程度。这款ABS塑料手动真空吸尘器由StratasysuPrint3D打印机使用熔融沉积成型工艺打印而成，这项工艺需要对塑料丝进行加热，直至塑料丝液化，并通过类似注射器的特殊打印头将液化塑料丝喷出来。Cobb表示，Stratasys预计有望把普通打印任务的预处理和后处理的总时间缩短一半，有望在今后三年内从现在的5小时缩短至约2小时半，入门级专业打印机的价格在此期间有望从今天的15000美元跌到7000至10000美元。他说：“三五年后，你只要花不到5000美元的钱，就能享用同样的功能。”3DSystems公司的Lewis表示，在个人打印机领域，价格还会进一步下跌。她说：“在今后一两年，你会看到我们突破1000美元大关。两年后，价格会接近500美元。”随着价格继续下跌，这个市场会变得有多大、会不会因而出现大众市场，这是个仁者见仁的问题。但随着易于使用的3D设计工具变得更好，随着共享的3D物品素材库变得日益丰富，公司和消费者可能会为这项技术想出还没有想出来的新用途。Wohlers说“现在的3D打印行业好比是上世纪60年代的半导体行业。我们知道，这个行业会变得很大，但不知道会变得多大。”附文：3D设计变得更容易使用谷歌SketchUp之类的免费工具来制作可以3D打印的简单物品比较容易。但是至于形状复杂的物品，设计人员仍需要借助SolidWorks之类的专业成型工具。RapidformRCA为伦敦皇家艺术学院的学生们充当3D打印服务中心，它使用许多不同的软件设计工具和3D打印机技术。管理人员NickGrace说：“谷歌的SketchUp等可视化软件为使用3D计算机辅助设计(CAD提供了一条捷径。”不过他补充说：“这些工具提供的捷径在3D打印机的分层例行程序中行不通。”比如说，某个软件可能无法完全渲染从某一个角度来看不需要的物品元素。这样一来，文件发送到3D打印机后，就会出问题。他说：“我们仍然经常收到无法实际制造的表面文件，或者从渲染完全一致的图像的文件中得到随意构建和转换的数据。”换句话说，它们在屏幕上看起来很好，却无法正确地打印出来。专业实体成型工具的效果比较好，但是通常需要特殊的培训和专长。欧特克的战略研究主管GonzaloMartinez承认：“今天的产品用起来相当困难。”CAD软件开发商们正从三个途径来解决3D内容制作方面的挑战：引入更容易使用的实体成型工具，以便制作3D内容；提供3D物品素材库，让用户们在设计方面有着良好的开端；以及使用特殊软件，比如欧特克的123DPhotofly。这款工具可以把物品从各方面拍摄的一系列照片合并成有用的3D模型，这个过程名为摄影测量(photogrammetry)。专业工具开发人员正在竭力“使复杂操作变得更简单，”Martinez说。“现在需要培训，将来基本上不需要什么培训，就能制作出形状复杂的物品。”比如说，面向CAD新手的免费工具欧特克123D就是欧特克这家开发商开发的专业工具的简化版。其他产品(如McNeel公司售价995美元的Rhino)正在更接近既不太复杂、功能又比较强大这个目标。Grace说：“这是一款咼端表面/网格建模器，但是拥有易于访问的控件，还拥有辅以视频片段的出色的上下文相关帮助。”Grace说：“我们离新手不需要专业人员的帮助就能绘制、成型和打印还有很长一段距离，但那一天会到来。”物品轻松制作虽然下面所有这些工具缺少专业实体成型工具的功能，但都能制作可以打印的3D物品，而且它们都是免费的。谷歌SketchUp(