桌面級3D打印機設計定位研究

趙志鐸

摘要：目的從設計視角對桌面級3D打印機的市場和品牌進行研究。方法以桌面級3D打印機的基本概念、技術分類和基本原理為基礎，對桌面級3D打印機的市場需求、現(xiàn)有產(chǎn)品進行比較與分析，并發(fā)現(xiàn)問題。結(jié)果列出桌面級3D打印機在市場價格、技術、使用流程、用戶健康和知識產(chǎn)權保護方面目前仍存在一些問題。桌面級3D打印機要想實現(xiàn)小型化、個性化和專業(yè)化，還有很長的路要走，并從材料、功能、結(jié)構、形態(tài)、組合對桌面級3D打印機的初步概念進行設計定位。結(jié)論3D打印機還不能取代傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，但是3D打印能夠提供巨大的生產(chǎn)自由度，既能極大提高某些性能，又能極大改善生活品質(zhì)。

關鍵詞：桌面級 3D打印機 市場需求 設計定位

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2018）04-0089-02

引言

3D打印技術（3D Printing）是快速成型技術（Rapid Prototyping Manufacturing）之一，其本質(zhì)思想是通過層層堆疊方式制造產(chǎn)品，因此也稱為增材制造技術（Additive Manufacturing）。與傳統(tǒng)快速成型技術（如切削和鑄塑）相比，3D打印技術的優(yōu)勢在于它不需要模具，材料利用率高，可以加工結(jié)構非常復雜的產(chǎn)品，且一次成型，能夠真正實現(xiàn)快速個性化定制和小批量生產(chǎn)，因此大到建筑生產(chǎn)，小到納米堆積都可以應用這一技術。目前，主流的3D打印技術仍然集中應用于大型制造業(yè)中，包括醫(yī)療工業(yè)，航空航天工業(yè)，模具制造業(yè)，汽車設計等領域。基于工業(yè)設計視角，3D打印機（3D Printers）的出現(xiàn)本身是對生產(chǎn)方式的一種革新，使設計師與產(chǎn)品制造之間建立了直接聯(lián)系：—方面，它拉近了設計與制造兩環(huán)節(jié)之間距離，從而保證了設計者的想法、創(chuàng)意能夠被原汁原味地表現(xiàn)出來；另—方面將大力縮減產(chǎn)品方案的成型周期和人力成本，提高方案實現(xiàn)的可能性。

一、3D打印機

（一）3D打印機概念

3D打印機是一種能夠?qū)?shù)字模型轉(zhuǎn)換為3D物品的技術工具。隨著技術的不斷進步，以及市場需求的擴大化，Chris Connery指出，“3D打印機市場正在越來越清晰地被分割成桌面級3D打印機類和工業(yè)級3D打印機類”。一般而言，相對于工業(yè)級3D打印機比較適用于企業(yè)單位，桌面級3D打印機則適合滿足家庭、學校等小團體的需求，最初是為個人使用需求而開發(fā)的，即用戶可以根據(jù)自己的需求及時打印出所需物件或器具、零件，以及打印實驗性的各類產(chǎn)品原型。桌面級3D打印機的主要特征是適合個人使用、體量不大，精細度、尺寸、材料種類等與工業(yè)級3D打印機相比仍有差距，但它更強調(diào)便捷易用性等。

（二）3D打印成型技術分類

從成型技術角度來看，3D打印可分為金屬3D打印和非金屬3D打印，主流的金屬3D打印包括DMLS目接金屬激光燒結(jié)、FDM熔融沉積與EBM電子束熔化成型，主流的非金屬3D打印包括SLS選擇性激光燒結(jié)、SLA光固化和FDM熔融沉積（如表1）。國產(chǎn)3D打印機同國外3D打印機相比雖然還有一定的差距，但是總體上成型技術配件（如耗材擠出機配件）升級還是同步的。

（三）3D打印機的基本原理

首先通過計算機建模軟件設計模型（如果有現(xiàn)成的模型可以直接用），再將建成的三維模型“切片”成逐層的截面數(shù)據(jù)，并把這些信息傳送到3D打印機上，3D打印機會把這些切片堆疊起來，直到一個固態(tài)物體成型，3D打印機的基本原理（如圖1）。

需要指出的是，具體的成型技術對應的基本原理是存在細微差別的。使用FDM成型技術的3D打印機是直接在噴頭內(nèi)熔化塑料，再通過沉積塑料纖維的方式形成薄層。使用SLS成型技術的3D打印機要以粉末微粒作為打印介質(zhì)。

二、桌面級3D打印機現(xiàn)有市場、產(chǎn)品分析

（一）3D打印機市場現(xiàn)狀

在2012年，市場上的3D打印產(chǎn)品還很少，經(jīng)過幾年的迅猛發(fā)展，3D打印機開始普及。通過百度指數(shù)、文獻檢索、訪談等方式的調(diào)研，得出3D打印機市場的相關需求。盡管工業(yè)級3D打印機和桌面級3D打印機在市場渠道上是有重合的，甚至包括終端市場也有交叉，但是相應的市場需求還是存在很大差異，其整體市場需求表現(xiàn)如下：

1.3D打印機使用情況與經(jīng)濟發(fā)展程度有較強相關性。

（如圖2）所示，3D打印機使用人數(shù)最多的省份是廣東，其次是浙江、江蘇、北京、四川、湖北、上海、山東、河南、遼寧。這些數(shù)據(jù)表明3D打印機的推廣與使用和城市的發(fā)展聯(lián)系緊密，經(jīng)濟較發(fā)達的地區(qū)如長江三角洲，3D打印機的使用率更高，但西部地區(qū)如成都與重慶，也占有一定的市場份額。

2.3D打印機的整體市場發(fā)展前景良好。

3D打印機行業(yè)正處于發(fā)展期，雖然增長趨勢此起彼伏，但總體看來，3D打印機是呈正增長趨勢，前景還比較樂觀，（如圖3）所示。

3.3D打印機主要用戶特征為中、輕年男性。

根據(jù)使用3D打印機的人群劃分屬性（如圖4），高達90%是男性，只有10%左右是女性。使用者年齡段主要集中在70后、80后和90后三個階段，90%用戶都是20-49歲之間。其中，有六成是處于30-39歲年齡段，而這一階段的群體大都是有經(jīng)濟基礎的。

4.桌面級3D打印機在3D打印市場中具有巨大優(yōu)勢。

通過訪問相關人員得知，很大一部分購買或具有潛在購買傾向的3D打印機個^用戶，例如模型制作或愛好者、科技創(chuàng)客、教師或科研人員，雖然對3D打印有一定的需求，但并不會為此付出過高的費用，調(diào)研顯示他們認為能夠接受的價位水平大致是在5000-10000元之間。3D打印機相關從業(yè)者和愛好者占到半成以上，且桌面級3D打印機的出貨量在不斷增長中。相比之下，工業(yè)級3D打印機因價格因素，其出貨量出現(xiàn)減少、銷售停滯的現(xiàn)象。

5.桌面級3D打印機的全面普及仍然需要時間。

從3D打印機的使用情況來看，桌面級3D打印機用戶使用層面仍然存在較多的問題，如打印中斷、噴頭堵塞、穩(wěn)定性不夠、調(diào)節(jié)和操作繁瑣、打印出的模型精度不夠、細節(jié)無法表現(xiàn)等，而這些問題是阻礙其全面普及的重要原因，目前仍在不斷完善中。

（二）桌面級3D打印機現(xiàn)有可用產(chǎn)品分析

國內(nèi)外桌面級3D打印機的常見產(chǎn)品品牌，有閃鑄、極光爾沃、先臨三維、弘瑞、太爾時代、XYZprinting、Ultimaker、Cube等（如圖5）。為較為客觀的評價目前幾款品牌下的桌面級3D打印機，本文基于產(chǎn)品可用性，技術可行性，購買性三個產(chǎn)品維度，從易用性，吸引力，適用性（適用范圍），效率性，精度，性價比六個指標進行打分（其中，1-最差；5-最好），并最終獲取各款產(chǎn)品的綜合評價得分（如表2）。由于本次評價偏重于設計指標，因此產(chǎn)品可用性指標權重占0.5，技術可行性占0.3，購買因素占0.2。

從品牌產(chǎn)品的評價指標分析來看，桌面級3D打印機仍然有很大的發(fā)展空間：在產(chǎn)品可用性方面，易用性的評價普遍偏高，因為目前使用3D打印機的基本上屬于技術人員，3D打印機的使用流程非常熟悉，而吸引力和適用性評價較低，這對于未來的普通用戶而言將是障礙；在技術可用性方面，效率性和精度屬于關鍵因素；在購買因素方面，毋庸置疑性價比是用戶考慮最多的。綜合評價結(jié)果反映出現(xiàn)今的桌面級3D打印機雖然沒有出現(xiàn)最好的評價，但還是具有一定的可用性，上升空間很大。

（三）存在的問題

3D打印機屬于典型的技術驅(qū)動型產(chǎn)品，更傾向于受技術和價格因素主導。但隨著技術的成熟和市場需求的擴大，用戶將在桌面級3D打印機的外觀造型、操作性與體驗性等方面提出更多更高的要求，而這些要求也將通過使用與反饋不斷積累。目前，桌面級3D打印機存在著幾個較為突出的問題：

1.市場價格要素：對于家庭用戶來說，3D打印機的使用成本仍然很高。國產(chǎn)的3D打印機雖然價格低，但質(zhì)量和使用壽命難以保障，使用范圍有限。要創(chuàng)造一個高性價比的3D打印機，涉及到如何處理生產(chǎn)者、消費者和設計者之間的復雜關系，這就為其進入家庭帶來了很大的困難與挑戰(zhàn)。

2.技術要素：現(xiàn)有桌面級3D打印機已經(jīng)具備了一定的打印精度與效率，但系統(tǒng)的可靠性和制作大件能力依然不能滿足現(xiàn)在大多數(shù)行業(yè)的需求，如成型原材料有限，成品可靠性不足，可擴展價值不高等技術瓶頸，大大抑制了其市場更進一步發(fā)展的可能。人們購買桌面級3D打印機，除了技術要素本身，往往更看重功能技術的應用擴展帶來的價值。

3.使用流程問題：我們對3D打印技術的最初印象是利用計算機工具設計一個模型一導入3D打印機一呈現(xiàn)成品，而從某種意義上講，這是一個復雜的過程，涉及多學科多領域知識。其中，首先對3D建模軟件工具模型及數(shù)據(jù)讀取格式轉(zhuǎn)換需熟練掌握；其次，要以大量的工程、內(nèi)面、結(jié)構方面的知識作支撐，能夠根據(jù)具體情況應用建模技巧；最后，后期的工序問題處理也不容忽視，在制作完成后我們需要打磨、燒結(jié)、組裝或切割等手工處理工作。以塑料熔融打印為例，一個復雜部件內(nèi)部要設計合理的支撐，否則打印成品很可能出現(xiàn)變形。

4.知識產(chǎn)權保護問題：對3D打印技術工藝收緊，很可能會阻礙產(chǎn)品創(chuàng)新。但若放松現(xiàn)行監(jiān)管法律，常常會帶來“山寨產(chǎn)品”橫行，因此在知識產(chǎn)權保護方面要有的放矢。國內(nèi)對桌面級3D打印機的外觀造型保護還有所欠缺，導致現(xiàn)有產(chǎn)品相似度較高，缺乏設計創(chuàng)意。

三、桌面級3D打印機設計理念及定位

（一）設計理念

基于前期市場分析（包括技術原理分析、競品分析等）和產(chǎn)品調(diào)研，不難發(fā)現(xiàn)相比于工業(yè)級3D打印機，桌面級3D打印機的適用群體既具有廣泛性，又存在一定的特殊性與特定性。

廣泛性：強調(diào)桌面級3D打印機能夠為普通用戶所接受并消費得起，因此具有廣泛的市場前景與潛力。它的推廣與發(fā)展可以讓更多的人享受到增材制造技術帶來的日常生活便利，真正意義上實現(xiàn)“一人一臺3D打印機”的設計理念。

特殊性：強調(diào)桌面級3D打印產(chǎn)品能夠滿足更加復雜的用戶細分市場，其特殊性主要體現(xiàn)為用戶對小型化、個性化與專業(yè)化的期望。小型化使得桌面級3D打印機具有可攜帶的優(yōu)勢，因此通常必須保持較小的體積與較輕的質(zhì)量；個性化關注用戶的個人具體使用情況與特點，旨在能夠最大程度地方便不同專業(yè)或領域人員的使用；專業(yè)化則強調(diào)產(chǎn)品能夠在較低的成本前提下，提供足夠?qū)I(yè)的服務。

（二）設計定位

好的桌面級3D打印機概念在于能夠真正意義上滿足市場，符合消費者的期望與需求。因此，準確的產(chǎn)品定位將是新產(chǎn)品概念能否取得成功的前提?；谥暗难芯糠治?，本文認為從打印材料、功能技術、結(jié)構設計、外觀設計、擴展能力這5個因素，對桌面級3D打印機的設計定位進行設計思考，從而為之后的概念設計奠定明確的發(fā)展方向，利于設計的深入與推進。

打印材料：基于3D技術的現(xiàn)狀與發(fā)展狀況來看，以材料為導向的桌面級3D打印機發(fā)展模式將是未來趨勢之一。正是如此，材料的選用必然成為新產(chǎn)品定義最先應該被考慮的因素之一，以易于獲取、價格便宜、高性能作為打印材料的桌面級3D打印機無疑將更加受到歡迎。此外，值得注意的是，擴大選用料的選用范圍，并建立桌面級3D打印材料庫，能夠使新產(chǎn)品具有更好的市場適應性。

功能技術：明確桌面級3D打印機的主要功能、性能參數(shù)、應用導向，是新產(chǎn)品定義的核心因素。首先，隨著新功能新技術的不斷發(fā)展與引用，桌面級3D打印機整體將得到大幅度提升，但合適合理的功能技術配置不僅有助于產(chǎn)品與目標市場有更好的匹配度，也能夠節(jié)省大量企業(yè)資源，較少不必要的浪費。其次，功能技術的強化可能會造成操作更加復雜和繁瑣，因此還必須堅持以用戶需求為導向，在開發(fā)適于更廣領域桌面級3D打印機的同時，使之具有較高的針對性和專業(yè)性，進一步優(yōu)化操作和安裝程序。

結(jié)構設計：結(jié)構設計對產(chǎn)品定位也有著非常顯著的影響甚至是決定力。針對偏遠地區(qū)客戶和移動較頻繁客戶，打造可折疊便攜式桌面級3D打印機產(chǎn)品。針對專業(yè)技術人員，配備組件模塊化的桌面級3D打印機，方便用戶自己專研學習，并提高容錯能力，降低其維修難度與成本。除硬件外，軟件方面的結(jié)構設計也應引起關注：一方面，強化使用過程中的交互體驗性，改變用戶對3D打印機的固有看法，讓用戶感覺操作是簡單而喻快的，也樂于去嘗試和操作；另一方面，提高其質(zhì)量與性能，保證具有更好的容錯能力，降低其維修難度與成本。

外觀設計：外觀設計在市場定位的各因素中，效果最為直接，尤其是在桌面級3D打印機的市場，符合用戶審美需求的外觀設計將有著巨大的競爭優(yōu)勢。此外，高品質(zhì)的外觀造型不僅能夠使其具有強大的市場吸引力，更能夠起到進一步強化其品牌形象的作用。

擴展能力：擴展能力盡管不是產(chǎn)品的必要功能，但卻能夠為提升產(chǎn)品層次，豐富產(chǎn)品定位提供必要的支持。從目前市場來看，功能拓展無疑將是桌面級3D打印機的一個極其重要發(fā)展方向。通過其他功能模塊（如WIFI功能，共享功能等）的加入，可滿足群體的更多需求，同時還可以極大地延長產(chǎn)品的生命周期與適用范圍，大大加強桌面級3D打印機的生存與發(fā)展空間。

結(jié)語

隨著現(xiàn)代制造技術的發(fā)展與設計流程的不斷優(yōu)化，市場對3D打印的需求愈加顯得強烈和急迫，3D打印行業(yè)將面臨更大的機遇與挑戰(zhàn)。本文參考了3D打印機相關數(shù)據(jù)和文獻，并結(jié)合行業(yè)所處環(huán)境，從宏觀層面對桌面級3D打印機技術基礎、市場發(fā)展現(xiàn)狀、具體產(chǎn)品問題等方面進行了深入分析，并為之做出設計定位。設計定位研究表明在制造強國政策下，桌面級3D打印機的未來市場將不可估量，但在人機交互、造型設計方面的考慮仍然較弱，可以預見，從純粹的技術類產(chǎn)品向更能夠為普通用戶接受和使用的產(chǎn)品類型轉(zhuǎn)變，將有利于桌面級3D打印機技術發(fā)揮更大的力量。