3D 打印,缓慢的「革命」仍在继续

这项原本被视为革命性突破的技术,如今正处于一个尴尬的局面:看起来前景明亮,事实上却长期进展缓慢

2020 年以来的新冠疫情让 3D 打印技术再次回归大众视野。面对医护物资短缺问题,一些设计师、制造公司利用这项技术制作防护面罩、护耳夹和呼吸阀中的关键部件,3D 打印一时成为救场奇兵。

3D 打印的技术名称为「增材制造」(Additive Manufacturing),简单来说,是把数据和原料放进 3D 打印机,用程序控制物质的形状、构成和行为,将材料逐层堆积后制造出实体物品。传统制造业采用的材料加工技术多为「减材制造」,即通过切削原材料生成新产品。1986 年,美国科学家 Chuck Hull 发明了第一台 3D 打印机,开启了该技术在业内的广泛应用。

2012 年,《经济学人》杂志在封面报道中重点讨论了 3D 打印技术,并将其称为能引发「第三次工业革命」的众多突破之一。作者评价称,3D 打印能提高知识型劳动者的地位,甚至能改变经济发展形态,推动资本主义由垄断、集权式向分散、自由式过渡。

3D 打印行业媒体南极熊告诉《第一财经》杂志,2015 年至 2016 年是行业热度的最高峰,全中国同时有 1000 多家相关公司,当时有大量投资人将目光看向这一「朝阳产业」。据市场调研机构艾媒咨询发布的数据,2016 年,中国 3D 打印市场的规模约为 109 亿元,同比增长了 38%。

但就像资本市场很多类似的故事一样,经历一段时间的舆论喧嚣后,3D 打印赛道似乎逐渐沉寂了——人们早年预期发生的种种改变并未如约到来,公司倒闭,投资者撤离……对普通消费者而言,3D 打印仍是一个有些陌生的名词。

原本,疫情中的应急需求应该是一个推动行业发展的契机。但一年过去,疫情期间火热的各类 DIY 式的 3D 打印技术并未让这个行业出现跨越式发展。这个被认为可以重新定义我们设计产品的方式、创造新的商业模式,甚至能拯救生命的技术,如今正处于一个尴尬的局面:看起来前景明亮,事实上却长期处于缓慢进程中。

「整个行业的发展速度比我想象的要慢,我们几年前就预计会有很多家庭购买 3D 打印机,在工业生产中也可以大量应用,但就目前的市场来看,应用的体量还很小。」南极熊创始人黎海雄说。

2013 年,美国康奈尔大学教授胡迪・利普森在专着《3D 打印》中预言,3D 打印领域会出现一家类似于苹果的公司,它们将采用相似的消费者战略,比如开发出一款爆款应用程序,或者创造出一个用户友好的端到端平台,3D 打印的家用和消费者市场会因此呈爆炸式增长。

8 年后,这样的预言依然只是预言。事实是,大部分国内消费者和小企业并未深入了解 3D 打印,或者还没有动力购买家用或办公用的 3D 打印机,3D 打印市场仍囿于制造业和工业设计中。

难以实现规模化,是 3D 打印行业始终面临的难题。据多位受访者介绍,目前 3D 打印公司的业务仍以项目制为主,但项目本身很难实现规模化,投资人下手会相对谨慎。

物流行业的高速发展也在一定程度上对 3D 打印行业造成了挤压。对企业而言,高效物流可以让全球各地的厂商共享供应链,有样件生产需求的企业可以直接找到设备生产商下单,而不用自己添置一台 3D 打印机;对普通消费者来说,当日达、次日达的物流周转速度提供了极大便利,电商平台丰富的品类已经让人目不暇接,「用家用打印机做东西」也因此变得过于理想化。

早期的 3D 打印从业者主要靠生产打印制造装备盈利,作为整个产业的中游环节,设备商掌握整个 3D 打印过程的核心技术,来钱速度快,也容易自成体系。前瞻产业研究院发布的一组数据显示,2016 年,设备销售带来的产值占到了 3D 打印行业总产值的一半,紧随其后的是材料技术和打印服务,产值比例只有 26.9% 和 23%。

但据黎海雄观察,不同技术种类的打印设备,销售情况也不大相同:某些种类的 3D 打印机(如全彩石膏 3D 打印机)并没有想象中那么好卖,卖出之后,许多客户也并没有借此将生意做大,导致此类打印机复购率低下,但金属 3D 打印机、光固化树脂 3D 打印机等机型近几年增长迅速。「如今发展到做服务和做应用,用 3D 打印机给细分行业打印零件产品逐渐成了更主流的模式。」他说。

国内工业级 3D 打印设备制造和解决方案提供商易加三维,正是这一趋势的见证者。这家公司成立于 2014 年,主要面向加工厂提供 to B 业务。凭借近 30 年的从业经验,易加三维创始人冯涛很早就意识到,3D 打印设备的市场不应局限于模型制造,而是更广泛的产品或零部件直接批量制造。

易加三维齿科(左)、易加三维航天(右)领域 3D 打印零部件。

从模型制造到零部件的直接制造,背后是相关技术的长足发展。据冯涛介绍,过去 3D 打印设备采用的技术名为快速成型(rapid prototyping),依靠此技术可以快速生成物理实物模型,方便验证设计和功能,及时发现问题。如今这项技术发展成为直接制造(direct manufacturing),客户购买 3D 打印设备后可以直接基于数字模型生产出最终零部件,并投入使用。

当 3D 打印设备可以直接生产关键零部件时,企业客户的购买需求自然也会增强。2019 年,易加三维的金属 3D 打印设备出货量为 52 台,设备单价在 100 万至数百万元不等。这并不是一个多大的出货量,但冯涛看到了近两年有一个很大的变化,「设备的买方基本上是真正的用户,这些设备作为生产工具在日夜不停地运行。」

面向不同的细分市场,易加三维还配套推出了不同的设备类型。由于目前 3D 打印细分市场的发展程度还不充分,易加三维的 3D 打印设备主要限于齿科机、模具机和航空航天机三大类。这意味着,3D 打印行业正在走出靠售卖标准化机器盈利的传统模式,与产业链的中下游结合得也更紧密。

这一商业模式的转变并不只发生在国内市场。Materialise 是一家比利时软件和 3D 打印服务提供商,其 CEO 在公司发布的 2019 年行业趋势报告中称,3D 打印行业将由技术驱动转向应用驱动,投资人的焦点将不再是机器制造商,而是倾向于投资那些在特定领域应用 3D 打印创造真正价值的公司和初创企业。

如今,工业领域的 3D 打印机可以帮企业制造大到汽车、小到肉眼几乎无法看到的针头等物品。在国内,3D 打印的应用场景主要包括航空航天、军工、首饰珠宝、医疗正畸等领域,比如航空航天领域产品线上成批的复杂零件,以及用光学扫描捕捉内耳的精确形状,实现助听器定制生产等。

不过,这些广泛的应用场景同时也意味着市场需求的相对分散,对一项尚处于成长阶段的技术而言,这种分散性并不一定是好事。大多数初创公司总是能推出一个博人眼球的好主意,随后便沉寂在无数的创意中。

根本原因是面向 B 端的 3D 打印产品可以辅助传统制造业解决部分痛点,但难以实现高频率购买,自然也就无法产生规模化效应,降低成本。因此,近年来 3D 打印公司意识到,那些离消费者更近的行业会更多地带动 3D 打印行业的发展,比如齿科。

易加三维近年来的服务对象之一就是齿科企业,从 2019 年该公司设备销往的主要应用领域来看,尽管航天航空类占了大头,但齿科在内的医疗需求也占到总销量的 25%。不论是医生用来分析牙齿整形方案的「牙模」,还是直接用于患者的隐形矫治器,都可以利用 3D 打印技术,通过数据扫描的方式实现个性化定制。据冯涛介绍,这些齿科企业以私企为主,规模小,热衷创新,3D 打印技术可以帮助它们节省工序、人力和管理等多种环节。

这正是 3D 打印相较于传统制造业的优势所在。传统制造业大多依赖规模经济,大规模生产具有高效优势,能增加企业利润、降低消费价格,但这往往意味着冗杂的组装和运输环节。3D 打印省去了产品的零部件组装环节,同时也缩短了供应链,节省了在劳动力和运输方面的花费,适用于定制的、具有高边际收益的产品。

惠普使用 Metal Jet 金属 3D 打印技术用于批量化生产。

惠普是少数选择长期投入在 3D 打印技术上的制造业巨头之一。惠普此前在接受媒体采访时表示,避免像其他硬件公司一样陷入云计算发展带来的硬件销售困境,是惠普进入 3D 打印赛道的动因之一。

早在 2010 年,惠普就曾与 3D 打印机厂商 Stratasys 合作,利用后者贴牌生产惠普的 3D 打印机。此后,惠普中断了这一合作关系,但保留了内部研发团队。2014 年,惠普公布其自主研发的「多射流熔融」(Multi Jet Fusion)技术,并于 2016 年将这项技术商业化。该技术脱胎于惠普平面打印的热喷墨技术,其打印机有 3 个喷头,共计 3 万个喷嘴。惠普宣称,该技术可以将打印速度提升 10 倍,同时降低一半成本。

惠普 2021 年第一季度财报显示,第一季度惠普的营收为 156 亿美元,其中个人系统部门的收入达 106 亿美元,主要包括笔记本电脑、台式机和工作站等,其余 50 亿美元来自打印部门,收入增长率为 7%。

尽管财报并未具体披露 3D 打印业务的财务状况,惠普总裁兼 CEO Enrique Lores 在财报电话会议上积极地表示,「在 3D 打印和工业图形方面,我们将继续在整个产品组合中创新,为未来的增长做好准备。我们的客户继续将多射流熔融技术用于生产级输出,我们发现整个客户群中 3D 打印零件的数量增长了 30% 以上。」

惠普的 3D 打印技术也应用在了医疗物资生产领域,这为全球新冠疫情防控提供了有效控制。「疫情期间,惠普在全球一共打印了 400 多万个关键性医疗部件,比如重症患者急需的呼吸机,我们用 3D 打印改善阀门设计,保证它的呼吸能力得到进一步加强。」惠普亚太及日本地区 3D 打印及数字化制造业务总经理 Alex Lalumiere 对《第一财经》杂志解释称,这类由 3D 打印生成医疗产品的路径,很大程度上会逐步取代原有的车床冲压加工方式。

2019 年,惠普还与国内 3D 打印和数字化应用解决方案提供商达成合作,在矫形与康复修复领域为患者提供高度定制化服务。

不过,对一些小型企业或创业公司而言,发展火热的医疗行业并不是进军 3D 打印市场最理想的切口。冯涛表示,相较于大体量的工业级产品生产,诸如牙套等齿科打印的技术门槛并不高,但规模较小的齿科企业无法承担高昂的打印服务成本,这意味着齿科生意虽好做,但竞争者多,利润空间不大。另一方面,医疗行业对产品材质和性能的要求不低,如果企业自己研发 3D 打印材料,必然面临资质审查,拉长产品的上市流程。

材料,被几位受访者一致视为制约行业发展的关键瓶颈。理论上,3D 打印可以打出许多物品,但许多产品对材料的韧性和强度有着严苛要求,而当下的合成材料技术并未达到生产者可以「为所欲为」的程度。现有的 3D 打印材料通常适合打印复杂但柔软的物品,当产品在强度方面要求较高时,3D 打印产品的力学结构和功能性都要重新开发。在航天航空和汽车等对性能和质量要求苛刻的行业,材料的重要性尤为凸显。

目前供 3D 打印机使用的材料种类并不多,仅限于塑料、金属、橡胶、陶瓷和光敏树脂等,且用料成本大多高昂。这些材料均针对 3D 打印设备专门研发,形态多为粉末、丝状、液体状,与普通材料并不相同。

金属粉末是当下业内最主流的材料之一。「相对于非金属类材料而言,金属材料的整个供应链比较全,而且金属材料强度高,打印出来的和传统铸造出来的性能很接近,甚至超过以往。」冯涛说,金属粉末的广泛应用得益于激光技术的发展,由于激光具有能量密度高的特点,可实现难加工金属的制造。这并非 3D 打印行业单打独斗的成果,而是整个激光产业链的发展促成的。

和国内企业对材料研发的谨慎态度不同,许多国外的大公司都在 3D 打印材料研发上加快了脚步。「以往,材料供应商对于开发 3D 打印新材料的热情不高,因为它们无法在商用的打印机上使用。现在,大型材料供应商正表现出它们推动 3D 打印技术发展的意愿,这也将促进 3D 打印材料稳步增长。」Materialise 研发团队的材料专家 Giovanni Vlemenckx 表示。

惠普很早就意识到了材料之于 3D 打印的重要性,2017 年,惠普推出开放性的 3D 材料平台,以拓展多射流熔融技术可覆盖的材料范围。其运作逻辑类似于苹果的「应用商店」,所有合作厂商的材料都可以在惠普的 3D 打印机上使用。目前这一系统已聚集了全球多家材料巨头,包括阿科玛、赢创、巴斯夫、汉高等。

当然,惠普在数字化制造转型方面的整体策略,可能也是促使其在 3D 打印领域持续发力的原因之一。市场调研机构 IDC 提供的一份报告显示,到 2024 年,51% 的全球 IT 预算将来源于数字化转型,而中国这一占比将超过 70%。作为信息通信技术市场的头部玩家之一,惠普势必会受到这一趋势影响。「我们特别专注于推动数字化生产进入制造业。某种程度而言,惠普并不仅仅想要做好 3D 打印,而是要在传统制造业中开辟一个新的数字化市场。」Alex Lalumiere 补充道。

毕业于清华大学美术学院的姚志锋在 2016 年创立了清锋科技(LuxCreo),截至目前,这家 3D 打印公司共获得 4 轮融资,自主材料研发是其核心优势之一——基于材料研发的难度,这可能是国内 3D 打印企业中为数不多的实践案例。清锋科技拥有具有自主知识产权的 3D 打印技术光固化材料(LEAP®),据悉,该技术最高能实现 120 cm/h 的打印速度,较传统 3D 打印速度提升近 100 倍。

为了实现商业化,运动鞋是姚志锋选择落地的第一个 3D 打印应用领域,这也是消费级 3D 打印市场的代表。一直以来,因面临工艺柔性高、鞋底制作复杂等问题,制鞋业迟迟无法实现自动化。姚志锋表示,按传统制鞋工艺量产一款新的鞋子,往往要经过设计、试样修改、开模等多道工序,其中最难做的是鞋底——左右脚都要开模具,还得保证不脱胶,中间每一个环节都不能出错。

清锋科技 3D 打印运动鞋。

以自主研发的材料技术为突破口,清锋科技通过扫描、数据输入、自动生成模型和液态树脂感光固化成型等手段,可以快速完成产品生产。在 3D 打印运动鞋的研发过程中,清锋科技负责鞋底的研发工作,剩下的批量生产流程由品牌方把控。

「一千双鞋的订单,如果不算返工,传统开模生产全套码数最快需要 30 至 45 天,我们一星期就可以交货。」姚志锋举出了直播卖货的例子,为了保证发货进度,普通鞋厂在直播前就需按码号生产出一定量的成品鞋,而 3D 打印技术省去了传统制造过程中开模、锻造、切割、零部件组装等过程,出货速度得以提升,公司还可以根据订单量灵活调整出货量。

有了数据支持,鞋底不同区域的软硬程度、回弹和减震性能都可以实现定制化,这是传统制鞋产业很难做到的。目前清锋做鞋仍以标准化生产为主,按照姚志锋的设想,下一阶段,客户只需要用手机 App 采集脚型数据,这些数据会自动汇总到公司云端,并转化为 3D 打印的产品。「我们在鞋这一块的终极目标,是实现大部分产品的定制化量产。」他说。

美国 3D 打印公司 Carbon 是姚志锋欣赏的同行之一,这家公司与阿迪达斯的合作曾引起广泛关注。2018 年,两家公司合作生产了 10 万双名为 Futurecraft 4 D 的 3D 打印鞋,每双价格为人民币 2600 元。事实上,早在 Futurecraft 4 D 上市之前,耐克、安德玛、New Balance 等品牌在 2016 年左右均已开始推出带有 3D 打印鞋中底的运动鞋,国内厂商匹克、李宁也在尝试用 3D 打印技术开发相关产品。

但从市场反响来看,3D 打印鞋更像品牌方在设计上刻意追求的「噱头」,市场的接受度以及高昂的成本依旧难以解决。这也是 3D 打印进入消费领域要面临的问题:如何说服更多消费者购买 3D 打印产品,以及如何让他们持续地购买?

除打印鞋,3D 打印行业也有过其他面向消费者的尝试。据黎海雄回忆,国内最早的消费级产品应该是 3D 打印的小 U 盘,还有淘宝上热卖的月球灯,但这些尝试均以聚集于长三角和珠三角的小生产商主导,暂时未形成大的规模应用。

「除非本身是设计从业者,普通人还是更愿意玩手机游戏,对吧?」对比消费级 3D 打印机在国内外市场截然不同的出货量,黎海雄猜想,国内消费者可能没有闲暇,或缺乏自己上手操作的意愿,这在一定程度上阻碍了国内消费级 3D 打印市场的发展。

在 3D 打印如火如荼的创业热潮中,一些人把这个行业想得太简单,进入赛道后才发现,很多技术瓶颈迟迟没有解决——与发达国家相比,中国的关键技术、生产设备和材料依然有一定差距,许多还要依赖进口。另一方面,行业的规模仍不大,大多数人对 3D 打印技术的优势和成本的认知并不充足。

2019 年,易加三维的金属打印机复购率在 30% 左右,有了明显增长的趋势。冯涛认为这是一个好的转变。「不要将其视为革命。3D 打印等于是制造行业里出了一个新的方法,最大的竞争者应该还是传统的制造方法,以及我们自身没有解决的问题。

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