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3D市場研究

個人3D打印機(jī)的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景

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

眾所周知,3D打印技術(shù)從出現(xiàn)后一直應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。而近年來由于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,使得3D打印機(jī)的一些核心零部件成本大幅度降低;另外,由于個性化制造的興起,個人3D打...

本文刊登于《3D打印商情》第五期

     眾所周知,3D打印技術(shù)從出現(xiàn)后一直應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。而近年來由于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,使得3D打印機(jī)的一些核心零部件成本大幅度降低;另外,由于個性化制造的興起,個人3D打印機(jī)有了很大的發(fā)展。無疑,它將會成了3D打印產(chǎn)業(yè)里面一個重要的分支。

    個人3D打印機(jī)的定義:個人3D打印機(jī)由Wohlers Report定義為5000美元以下的增材制造系統(tǒng)。

    個人3D打印機(jī)的發(fā)展過程:

    1986年至1992年間,美國Charles Hull的SLA和Scott Crump的FDM兩個專利奠定了現(xiàn)代3D打印產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。隨著這些專利的授權(quán)到期,開始引發(fā)了個人3D打印機(jī)的熱潮。特別是在2004年,英國巴斯大學(xué)Adrian Bowyer建立了一個RepRap的項目,這個項目的目的是以開源和自我復(fù)制的方式來建造3D打印機(jī),它主要涉及了材料擠出工藝,還有用一種非常簡單的連桿的組成方式來制造3D打印機(jī),這一開創(chuàng)性的項目,使得原本動輒數(shù)幾十萬元的3D打印機(jī)降至現(xiàn)在的幾千元,甚至3000元以內(nèi)都能買到一款不錯的桌面級3D打印機(jī)。

    2005年美國的康奈爾大學(xué)也建立了一個相應(yīng)的項目FAB@HOME,它和RepRap有點不一樣,主要是以膏狀材料作為打印材料,目前開發(fā)了兩種打印機(jī),這個項目在2012年認(rèn)為已達(dá)到了它當(dāng)初的目的就關(guān)閉掉了。

    最重要的是在2009年Stratasys公司的一個FDM核心專利的到期,引發(fā)了個人3D打印機(jī)的市場爆發(fā),由RepRap項目產(chǎn)生的個人3D打印機(jī)進(jìn)入了商業(yè)化的階段。2010年美國3D Systems收購了英國的BFB公司,BFB公司是從事開源3D打印機(jī)研發(fā)和生產(chǎn)的。

     在過去的兩年內(nèi),發(fā)生了幾件對個人3D打印機(jī)發(fā)展影響比較大的事情。2012年11月,3D Systems起訴了Formlabs和Kickstarter,到目前為止不了了之; 2013年7月,Stratasys以市值4億美元的股票交換形式和2億美元的期權(quán)并購了Makerbot;另外,對全球個人3D打印機(jī)產(chǎn)業(yè)影響非常巨大的是在2013年12月,Stratasys在美國起訴了Afinia,認(rèn)為Afinia的個人3D打印機(jī)侵犯了它的四個專利。

    進(jìn)入2014年,對3D打印機(jī)發(fā)展有一個非常利好的消息是,F(xiàn)DM、SLA、SLS等十幾個3D打印的核心專利相繼到期,到2015也會有一些專利到期。

    下面是在2013年、2014年和2015年的一些核心專利到期情況:

 

    今年到期的最重要的一項專利是選區(qū)激光粉末燒結(jié)(SLS),因為個人3D打印機(jī)采取粉末燒結(jié)工藝的到目前為止還沒有見到商業(yè)化機(jī)器出來,所以在今年以后,這種基于SLS技術(shù)的個人3D打印機(jī)應(yīng)該會有一個比較大的發(fā)展。

    3D打印的專利糾紛案:

    個人3D打印機(jī)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的道路并不是那么平坦,下面是兩個比較著名的IP糾紛。Form 1的制造者是由一群麻省理工富有創(chuàng)業(yè)激情的工程師、設(shè)計師和問題解決達(dá)人組建的團(tuán)隊Formlabs,F(xiàn)ormlabs于2012年在美國非常著名的一個眾籌平臺Kickstarter發(fā)起募資活動,以支持Form 1機(jī)器的制造和營銷,原來設(shè)想籌集10萬美元的資金就夠了,結(jié)果在一個月后就籌集到了將近300萬美元,在這個眾籌平臺上的訂貨量也達(dá)到了2008臺。3D Systems感覺到自身利益受到了威脅,所以它起訴了Formlabs和眾籌平臺Kickstarter,認(rèn)為它侵犯了3D Systems所持有的5597520專利中的第一項和第二十三項,但是這個官司到目前為止不了了之,其中的一個原因是這個專利是在今年的4月25日到期,所以媒體報道說3D Systems不得不停止這個起訴。從前面列出的專利到期情況來看,3D Systems進(jìn)入2014年其實面臨著很多專利到期的危機(jī)。

    另外一個專利糾紛對基于融絲堆積成型(FDM)工藝的個人3D打印機(jī)影響是非常巨大的,世界上眾多的個人3D打印機(jī)的廠商也在觀望這場官司,看它最終會如何解決。在2013年的11月25日,Stratasys公司在美國起訴了Afinia,Afinia是國內(nèi)太爾時代的3D打印機(jī)在美國貼牌的銷售產(chǎn)品,認(rèn)為Afinia侵犯了它四個專利US5,653,925A 、US5,866,058 、US6,004,124和US8,349,239,主要是涉及到加熱平臺(熱床)、擠出器、輪廓接縫、實體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(yīng),一一列舉出了那些所謂的侵犯的專利的情況,認(rèn)為Stratasys聲稱的4項專利要么并未覆蓋到Afinia使用的技術(shù),要么其聲稱的專利權(quán)因為實際存在早于專利的發(fā)明而無效,Afinia的律師還將考慮提交反壟斷索賠。這個專利的糾紛結(jié)果對世界上個人3D打印機(jī)業(yè)界是一個非常大的影響,因為上述的這些都是在個人3D打印機(jī)上經(jīng)常要用到的技術(shù)。因此,今年年底法院最終的判決可能對整個桌面3D打印市場產(chǎn)生重大影響。

    2014年7月11日,美國明尼蘇達(dá)地區(qū)法院下令要求Stratasys公司放棄對Afinia關(guān)于US5,653,925A的專利權(quán)主張。此外,法院稱將在日后進(jìn)一步研究Afinia提交的反訴。

    個人3D打印機(jī)的主流技術(shù):

    目前3D打印的主流技術(shù)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于個人3D打印機(jī)。槽光固化以前是用一個比較大的樹脂槽裝上樹脂,激光器從上面往下掃描,現(xiàn)在基于槽光固化的個人3D打印機(jī)是反過來,從底下來掃描,最大的一個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元,甚至是十幾二十萬,現(xiàn)在只需要裝一兩公斤,也就是幾千元,其中比較成功的一個產(chǎn)品開發(fā)就是Form 1,它是把掃描振鏡置放在樹脂盒子的下面。另外比較容易做的是基于DLP投影,用一個藍(lán)紫或紫外紫外光源取代投影機(jī)原來的光源并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。材料擠出是一個非常成熟的工藝,另外基于粉末床燒結(jié)的還沒有商業(yè)化的機(jī)器,但是很多個人3D打印機(jī)的愛好者都已經(jīng)著手開發(fā)這個機(jī)器,因為今年這個專利已經(jīng)到期,在不久的將來應(yīng)該會有比較成熟的機(jī)器出現(xiàn)?;诏B層的個人3D打印機(jī),江蘇的紫金電子做得相當(dāng)好。

    個人3D打印機(jī)的發(fā)展趨勢:

    1、個人3D打印機(jī)從開源到閉源

    這里以Makerbot的產(chǎn)品開發(fā)作為例子,Makerbot的原型就是RepRap開源項目里面的機(jī)器,2009年Makerbot開發(fā)出了第一臺機(jī)器,隨著時間的推移產(chǎn)品不斷地改進(jìn),2012年9月是Makerbot的一個分水嶺,在此之前Makerbot所有的機(jī)器都是開源的,但是在此之后,基于商業(yè)利益的考慮,就開始閉源。許多從事個人打印機(jī)開發(fā)的公司都是一樣,可以說個人3D打印機(jī)一定會經(jīng)歷一個從開源到閉源的過程。

    另外,在開源的時期Makerbot的更新?lián)Q代很快,在閉源以后為了維持一定的商業(yè)利益,它的開發(fā)進(jìn)度比較慢。但Makerbot在2014年的拉斯維加斯的消費(fèi)電子展覽會上推出了3款新型的機(jī)器,目前也進(jìn)入到了中國市場開始銷售。#p#分頁標(biāo)題#e#

    2、個人3D打印機(jī)已經(jīng)具備了直接挑戰(zhàn)工業(yè)級3D打印機(jī)的能力

    首先從價格上來看,3D Systems專業(yè)級(生產(chǎn)級)SLA 3D打印機(jī)的售價在20萬美元左右,但同樣的SLA工藝機(jī)器Form 1個人3D打印機(jī)才3000多美元,另外,相對應(yīng)Stratasys的FDM 3D打印機(jī),也有一些便宜的機(jī)器,如Ultimaker、Prusa、Up!Plus等,相應(yīng)的價格也就從1000多美元到3000多美元。從性價比上來說,個人3D打印機(jī)已經(jīng)對專業(yè)的3D打印機(jī)構(gòu)成了威脅。

 

圖1 近年個人3D打印機(jī)性價比變化情況

    另外,從性價比上來看,專業(yè)的3D打印機(jī)價格在不斷地下降,性能也有所提升,從圖1上看,個人3D打印機(jī)從以前的幾百美元到現(xiàn)在的幾千美元,雖然價格在不斷地上升,但是它的性能上升得更快,所以在成本和性能交匯區(qū)域(圖1中左上方位置)個人3D打印機(jī)將會取代專業(yè)級3D打印機(jī)。

圖2 : 3D Hubs統(tǒng)計的裝機(jī)量按制造商分布情況

    個人3D打印機(jī)的裝機(jī)量也直接挑戰(zhàn)了3D打印機(jī)的生產(chǎn)巨頭,這個情況可以從圖2上可以看得出來,3D Hubs(www.3dhubs.com/trends)的網(wǎng)站做過一個裝機(jī)的調(diào)查,可以看出RepRap和Ultimaker這些比較廉價的3D打印機(jī),加起來的裝機(jī)容量比Stratasys和3 D Systems的裝機(jī)容量都要大。

    3、從打印工藝上來說,個人3D打印機(jī)是經(jīng)歷了FDM,前兩年進(jìn)入了SLA,從今年開始會進(jìn)入SLS,在這三個工藝以后還會不會有其它的技術(shù)用于個人3D打印機(jī),目前也不是很清楚。

    4、從外形設(shè)計來說,也發(fā)展了和個人電腦外形相同的模式,從非常簡陋的外形到現(xiàn)在的各種設(shè)計樣式,3D打印機(jī)也一樣,從以前的專業(yè)的機(jī)器到現(xiàn)在的Makerbot的初級機(jī)器,外表也是由當(dāng)初的簡陋到現(xiàn)在注重時尚美觀轉(zhuǎn)變。

    5、美國兩個3D打印機(jī)的巨頭也是非??春脗€人3D打印機(jī)的市場的,Stratasys去年以6億美元(4億美元的股票交換+2億美元期權(quán))并購了Makerbot其實也是看中了它在個人3D打印機(jī)的市場份額和渠道。從Stratasys 2013年第四季度的季報上來看,第四季度的業(yè)績是1.5億美元,與前年相比是增長了62%,Makerbot在第四季度的貢獻(xiàn)是2490萬美元,占了Stratasys第四季度總業(yè)績的16%,所以看得出來Stratasys當(dāng)初收購Makerbot就是要進(jìn)入個人市場。3D Systems也在今年的CES2014的展會上推出了多種的個人3D打印機(jī),進(jìn)入到今年的五六月份已經(jīng)把它們推入市場了。

    個人3D打印的市場前景:

圖3  3D打印的應(yīng)用情況

    圖3的3D打印應(yīng)用樹是2009年發(fā)布的《增材制造技術(shù)路線圖》上的插圖,可以看出個人3D打印機(jī)在建筑行業(yè)、教育、醫(yī)學(xué)、珠寶等等領(lǐng)域都有非常大的應(yīng)用前景。

圖4   Gartner對3D打印機(jī)出貨量的預(yù)測

    圖4是著名的IT咨詢機(jī)構(gòu)對今后幾年3D打印機(jī)出貨量的預(yù)測,預(yù)測在今后幾年企業(yè)和消費(fèi)者對3D打印機(jī)的需求將進(jìn)一步提升,而技術(shù)創(chuàng)新將進(jìn)一步提高3D打印機(jī)的質(zhì)量和性能。2014年3D打印機(jī)出貨量預(yù)計將同比增長75%,達(dá)到98065臺,而2015年的出貨量將接近翻番,圖中綠色部分是個人3D打印機(jī)的份額。

圖5  Wohlers Report 2014 統(tǒng)計的個人3D打印機(jī)銷售量

    圖5是3D打印產(chǎn)業(yè)非常權(quán)威的報告Wohlers Report 2014統(tǒng)計的個人3D打印機(jī)在2013年的銷售量,在2013年個人3D打印機(jī)的銷售量是72503臺,比前一年增加了104.2%,銷售金額增加了116.7%。

圖6 Wohers Report 2014中個人3D打印機(jī)銷售額情況

    從圖6的餅圖可以看出來,在2012年,個人3D打印機(jī)的銷售額僅僅占增材制造設(shè)備銷售額的5.5%,但是在2013年占了9%。

    從這里看好像個人3D打印機(jī)的市場前景非常美好,但是有什么問題呢?圖7是美國Industry Week機(jī)構(gòu)對3D打印機(jī)和個人電腦的發(fā)展的一個對比。個人電腦從1980年到2010年,經(jīng)過30年的時間,才發(fā)展到現(xiàn)在的人手一臺個人電腦的局面,那如果把這個情況套入到個人3D打印機(jī)的發(fā)展,把2010年作為3D打印機(jī)的元年,在理論上也要到2040年個人3D打印機(jī)才會達(dá)到像今天的個人電腦一樣的普及率。

 圖7 Industry Week對3D打印機(jī)和個人電腦的發(fā)展的對比。

    個人3D打印機(jī)的市場非常巨大,但是有沒有隱憂呢?圖8是美國著名的IT咨詢機(jī)構(gòu)給出技術(shù)成熟度曲線,也稱之為炒作曲線。Gartner曲線認(rèn)為每項技術(shù)、每個產(chǎn)品的發(fā)展都必須會經(jīng)歷一個萌芽期、過熱期、低谷期、復(fù)蘇期、成熟期。在過熱期的時候一定會有很多的媒體介入,在2012年就有許多的媒體掀起3D打印的熱潮。

圖8 Gartner近年發(fā)布的技術(shù)成熟度曲線

    圖8 是Gartner于2011年、2012年、2013年和2014年的發(fā)布的新興技術(shù)成熟度曲線,可以看出3D打印在這個曲線上的情況,在2011年3D打印已經(jīng)開始進(jìn)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(nèi),但已經(jīng)過了頂點開始下滑,這一點應(yīng)該引起業(yè)界的注意,這是一個非常危險的事情。Gartner研究副總裁皮特•巴斯利爾(Pete Basiliere)表示:“消費(fèi)類3D打印機(jī)獲得主流用戶的接受還需要5到10年時間”,與個人3D打印機(jī)不同的是,從剛發(fā)布的Gartner曲線來看,企業(yè)的3D打印已經(jīng)進(jìn)入了復(fù)蘇期,預(yù)計經(jīng)過2到5年的發(fā)展,它就會進(jìn)入到一個比較健康的發(fā)展平臺期。#p#分頁標(biāo)題#e#

    從Rogers技術(shù)采用生命周期來看,個人3D打印機(jī)又會是怎么一種情況呢?通常這條曲線把消費(fèi)者分為五類,第一類是創(chuàng)新者,他們對技術(shù)是非常愛好的,熱衷于新技術(shù)、新產(chǎn)品的應(yīng)用;第二類是早期采用者,這一類人是比較有遠(yuǎn)見的,能夠看到某一種新技術(shù)的商業(yè)機(jī)會;第三類,晚期多數(shù)使用者,更大的消費(fèi)群一般是集中于早期的主流和晚期的主流,加起來超過了68%;當(dāng)然還有一種,滯后消費(fèi)者,他們不愿意采用任何新技術(shù)。

    個人3D打印機(jī)如果僅僅局限于前兩類消費(fèi)者是沒有前景的,一定要進(jìn)入到主流市場,但是如何才能進(jìn)入到主流市場呢?其實在由前期市場進(jìn)入到主流市場中間有一條“死亡裂谷”,“死亡裂谷”也被稱為“第二摩爾定律”,這是大家都沒有意識到的一條鴻溝,它是怎么產(chǎn)生的呢?由于早期市場的消費(fèi)者關(guān)心更多的是技術(shù),所以對于早期技術(shù)和產(chǎn)品的缺陷他們是可以容忍的,當(dāng)進(jìn)入主流市場的進(jìn)行應(yīng)用的時候,如果這個技術(shù)和產(chǎn)品有太多缺陷的話,就無法順利實現(xiàn)它們的價值,這個新的技術(shù)和產(chǎn)品就會在這里滅亡。所以要跨越這個鴻溝,只有根據(jù)在不同時期產(chǎn)品用戶的思維做出一些改進(jìn),才能使個人3D打印機(jī)跨越“死亡裂谷”。

    結(jié)束語:

    首先,個人3D打印機(jī)將會面臨著一個爆發(fā)性的市場需求,或許在不遠(yuǎn)的將來會和個人電腦一樣進(jìn)入千家萬戶;另外,個人3D打印機(jī)在最近的幾年,會形成FDM、SLA、SLS多種技術(shù)并存的局面;第三,個人3D打印機(jī)如果要贏得主流市場,就需求要從產(chǎn)品技術(shù)的創(chuàng)新、產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)、產(chǎn)品面向的市場的目標(biāo)、產(chǎn)品的定位、產(chǎn)品的商業(yè)模式都要做出相應(yīng)的變革。

 作者:中國科學(xué)院廣州電子技術(shù)研究所 李耀棠研究員

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