3D打印技术的发展现状及其商业模式研究

【摘要】3D打印技术是近几年兴起的一种快速成型技术，被誉为“第三次工业革命的重要标志之一”，是一项极具工业革命意义的技术创新与变革，预示着世界制造业格局变动的趋势。随着3D打印技术的日渐成熟，世界各国都高度重视3D打印产业的发展，并广泛应用在商业、工业之中。本文将就3D打印技术的国内外发展现状及其商业模式进行简要论述。

【关键词】3D打印；发展现状；商业模式

【上海市教育委员会科研创新项目《上海财政文化投入方式对文化创意产业发展的影响研究》部分研究成果，课题批准号14YS046。】

1. 3D打印技术简介

3D打印技术被称为快速成型技术，也称为增材制造技术，于上世纪80年代末90年代初在美国开发兴起，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、塑料等可粘合材料，通过逐层打印方式来构造物体的一种加法式、立体一体化制造技术。与传统制造技术将多余材料“去除”不同的是，3D打印技术对材料利用“增加”的方法，是实现加式制造的一种方式。材料的多样性、激光技术的大面积推广、控制技术的不断创新是推动 3D打印形成产业化的现实路径①。

3D打印具有制造复杂物品或产品多样化不增加成本，也不需组装，并且可以零时间交付，零技能制造，不占空间便携制造等优势②。而3D打印技术的局限性主要体现在材料上，目前打印材料主要是塑料、树脂和金属等。受材料所限，3D打印最初的应用局限在建模和工业设计领域。工业3D打印机可以打印复杂的多种材料，对医疗或工业用途较为理想。比如，目前通用就可以打印飞机的零部件，BAE系统公司正打印战斗机零部件，包括两种独立开发的在地面维护期间使用的部件。现在，3D打印技术也可用于小批量加工，这样，未来定制个性化的家具、食品、工艺品等商品将变得更加经济。

目前，3D打印技术几乎应用在各个领域，如（1）手工制作领域：数字化生产技术以更为高效、精准、价格低廉的优势逐步取代手工制作，助力智能牙刷的原型设计与制造、传统陶瓷制作突破模具限制；（2）文化创意和数码娱乐：3D打造的各种乐器、3D打印的桌面游戏；（3）航空航天、军事国防：研制飞机部件、助力NASA的探空计划、打印喷气式飞机引擎、枪支的3D打印、制造医院船模型；（4）生物医学：3D打印干细胞、制作人体器官及骨骼模型、助力药物研制；（5）消费品：各类玩具的个性定制与制作、珠宝首饰、个性DIY礼品与饰物；（6）食品生产：3D打印食物、饼干及糕点模具；（7）建筑工程：完整的一体化家具单元的打印、3D助力维也纳城市规划工作；（8）考古研究与教育：修复古老文物、还原物件原貌、3D打印制作教学模型、参与课程实验、应用于模型验证科学假设；（9）个性化定制：基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。

2. 国内外3D打印技术发展现状

在全球3D打印机行业中，欧美最为发达。目前美国的3D打印已形成了产业化，位居全球领先水平，在世界3D打印市场份额中，美国约占60%，德国、日本、中国等各约占10%。但在全球3D打印专利申请量最多的前10家机构中，日本企业占到7家③。

美国等发达国家高度重视3D打印技术，甚至将其提升至国家战略层面。奥巴马在2012年国情咨文中提到：政府计划每年向先进制造技术投资5亿美元，并在4年后提高到每年10亿美元，以提升美国的领先地位。虽然美国的3D打印技术已经是全球领先水平，但就基础性的研究设施、研发组织的整合以及政府支出力度上来说，欧盟在3D打印技术上的投入则明显领先。欧盟政府对3D打印技术研发的投入力度要高于美国政府（不包括国防及军事方面不公开的投入），并把重点放在相关的尖端领域，如：英国的加式制造创新中心、欧盟第六框架项目大航空航天组件快速生产以及全程专注航天的SMD技术等等。除此之外，欧盟3D打印技术的产业群也逐渐在工业界中形成，并共同致力于加式制造市场的开发及拓展。由此，在欧盟形成了核心3D打印创新技术源自美国，而其相关后续研发、技术应用及3D打印技术商业化则由欧盟国家跟进完成的趋势。

我国的3D打印技术其实自上世纪90年代就已经开始了。我国最早引入3D打印理念的是清华大学教授李永年。3D打印作为一种先进制造、智能制造、绿色制造技术，也引起了我国工业经济及科技主管部门的高度重视，并出台相关政策扶持发展。如3D 打印产业首次入选2013 年科技部公布的《国家高技术研究发展计划（863 计划）、国家科技支撑计划制造领域 2014 年度备选项目征集指南》。2012年10月，中国3D打印技术产业联盟正式宣告成立，是目前为止全球首家3D产业联盟，有利于尽快建立行业标准③。

我国在致力于3D打印的设备开发及技术研究创新领域的公司，以其规模可以大致分为两类：一类是规模较为庞大，运营资金相对充足丰厚、专业人才储备优势明显的公司。这类公司主要着力核心技术的研发创新，从事高端并且精密的3D打印工程，集中倾向对工业级3D打印设备及技术的研发，如航天军事、武器装备等。另一类，则是规模相对较小的，以创客群体为核心的，由爱好者们共同组织创建的小型团队。他们主要从事面向消费市场的3D打印机的研发及市场开拓。这类小公司的主要研发项目大多基于国外开源项目而进行。中国目前比较著名的3D打印公司有中航激光、华曙高科、太尔时代、维示泰克。其中中航激光、华曙高科、太尔时代主要从事高端、重量级、工业级的3D打印事业，而维示泰克则更倾向于消费领域的个人3D打印机的生产及服务。另外，现在除了以基础3D打印设备研发与制造为主营的公司企业外，国内慢慢涌现出一些以3D打印服务为主的企业，主要提供3D打印的应用服务，涉及服务范围较广，包括工业领域的打印服务以及消费市场的应用服务等。

目前，我国3D打印技术的发展一直受到制约，存在3D打印设备和原材料的开发等相关核心技术无法突破创新而仍旧依赖欧美等发达国家的问题，例如国内最大3D打印公司“杭州先临”，其快速成型和快速制造设备分别来自美国3D Systems和德国EOS。因此，由于主要短期内国内技术缺失和市场不成熟等因素，国内主流3D打印公司都会依赖于“中外合资+合作建厂”模式展开。但中国拥有巨大的技术研发和市场应用前景，未来3D打印技术在中国市场增长潜力巨大。

3. 3D打印商业模式现状

随着3D打印技术的不断发展和应用， 3D打印商业模式已初具雏形。3D打印技术最大的特点是可以把零售商转化成生产商和服务提供商，可以为客户提供规模化、定制化、个性化的产品，并重塑供应链和物流，从而成为新的商业实体。3D打印技术的大趋势是新兴技术让人们和企业对融资，设计，模型，生产，货物按需发送都有了自主权④。目前国内外的3D打印模式主要有以下几种。

3.1 3D打印的软硬件生产制造商

3D打印的软硬件生产制造商以3D打印机的研制及生产为主，如3D Systems，Stratasys，MarkerBot，Fomlabs等，而其中3D Systems是全世界最大的3D打印制造开发公司，是最大的3D打印机生产商和解决方案提供者，是3D打印全产业链模式的代表。3D Systems公司在整个产业链中研发设备，提供3D打印服务，出售打印材料，提供售后服务和维护，向客户提供“一站式”全套增值解决方案，包括硬件、软件、材料、工艺、教育培训和应用支持等，其解决方案涉及模具、医疗、教育、珠宝、建筑等行业。该公司首席技术总监查尔斯·胡尔（Charles W. Hull）是3D打印技术的发明者，1988年，该公司生产了第一台3D打印机。在3D打印的产业链上，除了3D Systems的全价值链生产模式，还有更多公司细分环节，不仅有打印机生产者，还有原材料供应商和相关软件提供商。Stratasys公司主要以生产3D打印机为主，产品涵盖桌面打印机、办公室打印机和工厂打印机。收购了以色列巨头Objet后，Stratasys公司市值达到14亿美元，对3D Systems的地位构成威胁。在原材料领域，Xerox PARC公司正在研发传感器、晶体管等电子产品的打印材料，在应用软件领域，出现了越来越多的免费开源软件，从而降低了3D打印的设计成本⑤。MakerBot是3D打印机的供应商及体现自由奔放的创意和在线社区。该公司的成功之处不在于它的技术，而在于它的娱乐性，即将设计和制造变成对客户来说是平等、有趣且充满变革性的体验，例如其下属公司Thingaverse.com等网站允许设计师上传各种产品的设计方案，从芭比娃娃的零件到四旋翼飞行器无所不有，其他设计师则可以下载、修改他们的方案，然后再贴回到网站上去。这种全球分享机制催生了一个分散的设计师网络，他们可以通过一个全球社区迅速地分享技术进步⑥。

3.2 3D在线打印服务提供商

3D在线打印服务提供商并不直接出售打印机，而是利用社会媒体对产品模型进行分享以及通过众包模式来服务大众的3D打印社会制造公司，其商业模式是帮助人们利用3D打印技术制作自己想要的产品的网站。Shapeways和Quirky就是当中著名的两个以应用服务为主的3D打印服务公司，其中Shapeways最具代表性。Shapeways通过社交网络把“全价值链”搬到了线上，可以说是3D Systems的网络版。Shapeways是一家荷兰公司，主要利用3D打印技术为客户提供个性化产品，是个为客户提供展示创意及产品的平台。Shapeways的创始人罗伯特认为消费类3D打印的未来是基于以服务为导向的“平台”的理念⑤。正是平台战略引导了Shapeways成功的商业模式：即由产品设计师、用户及Shapeways构成的商业模式。Shapeways用户在网站注册后，既可以把自己的产品设计上传到网站，也可以购买现有的3D设计图，也可以通过分成模式与同网站签约的兼职设计师合作设计产品，再选择和购买原材料下单，而后，Shapeways会用3D打印机将设计产品打印出来邮寄给用户。另外，设计师负责设计与构思的产品，交由Shapeways制造出成品后，设计师可以选择直接取走或是放在Shapeways的平台上售卖。

Shapeways从3D打印的硬件到软件一应俱全，而且大大简化了传统实体产品经营的步骤，如服务商、经销商的选择、销售渠道的建立等。Shapeways在上游联系3D打印提供商，搭建平台，下游为用户提供服务的模式在美国获得成功。Shapeways以个性化定制为核心，着重于产品的创意以及独特性，使得产品的附加值变高。目前，Shapeways在开放的社区平台中大约具有产品设计、制造师7000名，并且有将近20万的用户关注并参与3D线上平台。Shapeways同时已经拥有了近40种的制作材料以供平台设计师选择，以及相当丰富的颜色色板及工艺目录以供选择。但目前尚未涉足日常用品的打印，例如汽车零部件、印刷或制作注塑模具。想要实现这些产品的实际生产，则依赖于另一家开创性的DIY业务公司100kGarages⑤。总之，随着生活水平逐日提高，人们对于个性化定制也越发注重，Shapeways这样基于网络的社区是具有巨大发展潜力的。

3.3 云制造

云制造是一种颠覆传统大规模流产线的生产制作，是由3D打印所推动而形成的未来商业模式之一，由小规模以及各个互联的单独制造节点所形成的模式。规模经济下需要的是大规模集中生产，而3D打印的出现改变了这一格局，3D打印催化了云制造的促成。每个分布式的节点相对于每个项目而言都是灵活的，根据项目自身需要情况来选择构建这一临时的分布式系统，而节点之间资源共享、互不干扰，但合并后的整体效能将大于每部分之和。云制造降低了每个小型制造企业进入整个市场的门槛，从而为制造业注入动力来推动创新。云制造与平台模式和信息网络化是分不开的。3D打印主要是前后两端，前端主要是材料，依赖材料科学的发展，但3D打印主要取决于后端，就是个性化需求，所以要回到用户交互平台⑦。有了交互平台，就可以及时处理制造者与用户之间的沟通，将信息发布至交互联通的网络，让各个小型分布式的制造点可以及时了解并满足信息所散布的需求，可以随时随地进行制作。由此可见，成熟的云制造模式是满足3D个性化批量生产理想的商业模式，但需要交互平台的有力支持。

3.4 3D打印文件的供应商

3D打印文件的供应商是指生产并且分销用于3D打印的纤维复合材料。例如，诺基亚就发布了诺基亚820的3D打印开发包，让Lumia手机用户使用3D打印机制作自己的手机护套。这些设计文件包含机械图样、护套尺寸和建议使用的材料。这使得诺基亚成为支持3D打印的第一家大型电子厂商。但需注意，想要发布的3D打印文件不要影响到本公司的业务发展，也不要影响到合作伙伴的利益⑧。

3.5 家庭3D打印及零售3D打印服务

就像家庭打印机一样，诸如Cube， MakerBot等3D家庭打印机也会走进个人家庭。家庭3D打印资金投入少、价格较低、打印速度快，但印刷质量较差。对于零售3D打印模式，目前市场上还没有，但是零售商店、大型电子卖场、货运或办公室服务都可以实现按需打印，类似photomat商业模式。未来零售3D打印服务在资金投入、印刷质量、打印速度和价格方面都会较为适中⑧。

结语

根据2012年的沃勒报告，2012年3D打印应用最大市场分别是消费者产品和电子产品、汽车市场以及医用市场，分别在3D应用市场占比为22%、18.6、16.4%。未来3D打印会使用在修复技术及直接打印人体功能器官⑨。总之，随着技术的不断成熟和价格的日益亲民化， 3D 打印的消费者市场将会急剧上升⑩。

注释：

①何文浩.增材制造（3D 打印）技术的发展路径探索[J].杭州科技，2013（5）：30-3

②胡迪利普森&梅尔芭库曼.未来，3D打印的世界？[J].中国科技投资，2013（4）：20-21

③李红兵.3D打印技术的发展现状及前景分析[J].安徽科技，2013（9）：55-56

④3D printing trends driving new business models [EB/OL].http：//3dprintinginsider.com/3d-printing-trends-driving-new-business-models_b14726

⑤赵俊.3D打印，橘子红了[EB/OL].http：///business/c/2013-05/13/content_155955_2.htm，201305

⑦海尔首席执行官张瑞敏谈3D打印：云制造和交互平台[EB/OL].http：//laser.ofweek.com/2013-08/ART-240015-

8470-28717224_2.html，201309

⑧Jeremiah Owyang.The Five Ways Companies Can Leverage 3D Printing and Avoid Disruption[EB/OL].http：///blog/2013/11/14/what-3d-printing-means-to-corporations/，201311

⑨Chin-Ching Yeh.Trend Analysis for the Market and ApplicationDevelopment of 3D Printing[J].International Journal of Automation and Smart Technology.2014（1）：1-3

⑩Barry Berman.3-D printing：The new industrial revolution[J].Business Horizons 2012 （55）：155—162

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