3D打印机产品开发策略研究

崔庆旭 刘玮

摘 要：3D打印作为一种快速制造技术，对我国传统产业的升级转型及服务业的发展有深刻的影响。本文对目前市场上的3D打印机的成型原理、成型材料、打印尺寸、成型精度、结构形式、控制方式等方面对比分析，对3D打印机产品的用户进行了分类与需求分析，针对国内中小型3D打印机生产制造企业的现状提出了智能化、快速化、便捷化的新产品开发策略。

关键词：3D打印机;成型工艺;产品分析;开发策略

1 3D打印技术概述

3D打印也被称为增材制造，是一种直接从三维CAD数据模型通过组装堆积来制造任意复杂形状零件的先进制造技术。[1]3D打印的一般过程：首先是通过计算机软件构建3D模型或是通过扫描仪扫描实体从而获得3D模型，3D模型的一般通用文件格式为STL格式，而后再将获得的3D模型通过专业软件进行模拟打印分析，也就是通过软件分析每个层截面的打印信息来指导打印机进行分层打印。

3D打印技术目前已经发展到了几十种，美国权威机构发布的《增材制造技术标准术语》中，把打印原理分为了七大类，[2]其使用技术、材料如表1所示。

2 国内外3D打印机制造企业发展现状分析

2.1 国内外发展现状

当前3D打印机产业地区发展不平衡，基本由欧美等国家和地区主导，亚洲国家和地区则是后起追赶之中。[3]

在国外，美国的3D Systems公司是世界3D打印行业的巨头之一，其经营范围不仅包括专业级3D打印机、工业级3D打印机和民用个人3D打印机等3D打印机产品，还包括3D打印材料和3D打印服务等3D打印产业的下游领域;Stratasys公司通过收购3D打印行业相关企业如Solidscape等公司以及合并以色列的3D打印机生产商Object公司，成为目前美国乃至世界上最大的专业级3D打印机设备厂商。成立于2003年的ExOne公司也通过不断地发展成为全球第三家3D打印行业的上市公司。

国内方面，我国当前3D打印产业发展仍然缺少相关国家标准，相关知识产权制度也不够健全。但是在国务院发布的《中国制造2025》中，政府开始将3D打印作为重点发展产业，在全体行业人员的努力下，我国的3D打印相关产业部分技术已经能够达到国际先进水准，但还未掌握全部的核心技术。

我国的3D打印技术研究工作起步略晚于美国，在20世纪90年代，主要是由一些有一定研发实力的高等院校如清华大学、西安交通大学、华中科技大学等对3D打印技术进行研究。目前，在国家政策的引导下，虽然一些国内高新技术企业如先临三维、太尔时代、北京隆源、陕西恒通等公司都在自主研制国产3D打印机设备，并在3D打印行业取得了不俗的成就，但部分企业仍旧存在盲目抄袭的现象，[4]造成同质化，难以形成国产3D打印机产品在外观和功能方面的差异。[5]

2.2 代表类型产品分析

虽然3D打印成型技术当前已经发展到了几十种之多，但是其中最为核心的技术还是立体光固化成型（SLA）、选择性激光烧结成型（SLS）、熔融沉积成型（FDM）、三维粉末粘接成型（3DP）4种，目前市场上的主流3D打印机产品一般都是基于这4种技术原理开发的。因此，对市面上使用这4种技术的3D打印机产品进行了调研，以期提出合理有效的3D打印机新产品开发策略并选取了市面上认知度较高的部分3D打印机产品进行对比分析，选取的产品及其对比如表2所示。

通过调研可知，现下市场上民用级别的3D打印机产品较多使用立体光固化和熔融沉积这两种技术。基于不同的成型工艺原理的3D打印機所使用的成型材料通常也不相同，民用市场的成型材料则以各种塑料为主。一般来说，立体光固化成型技术成型精度要好于其他3种成型技术，而熔融沉积成型技术的成型精度则是最差的;在结构方面以闭型箱结构和龙门架式结构居多，并且一般只有熔融沉积成型技术才会使用龙门架式结构，其他则多为使用闭型箱结构;大部分3D打印机产品是通过电脑控制，部分可以通过触屏或者无线网络控制来操作打印。

3 用户需求分析

通过对3D打印机产品的调研，可以把现有市场的3D打印机产品客户群体分为专业型用户和非专业型用户两大类。

3.1 专业型用户

专业型用户有生产制造类企业、相关研究机构和其他特殊行业。生产制造类企业对3D打印机产品的需求一般是集成化、自动化，并且对打印速度有一定的要求，相关研究机构分别对不同成型工艺的3D打印机有需求，其他特殊行业如航空航天、军事、医疗等行业则需要3D打印机相对专业化，符合其特殊的使用需求。

3.2 非专业型用户

非专业型用户主要有DIY爱好者、普通设计工作者、3D打印服务行业和一些教育机构。DIY爱好者对打印精度要求相对不高，但是他们希望3D打印机能够普及化，用相对比较低的价格购买一台3D打印机产品，并且需要设备使用方便，操作更加便捷智能。一些设计工作者需要使用3D打印机来打印模型，因此他们对3D打印机的需求是能够快速打印成型;3D打印服务行业对打印精度和打印速度有一定要求，同时因为服务人群的不同，他们往往需要3D打印机设备能够适用多种用途;一些大学会开设3D打印的相关课程，需要使用3D打印机进行演示，这就需要3D打印机更加便携化，教师能够轻松将其带进课堂。

4 国内中小型3D打印机企业新产品开发策略

目前，国内3D打印机产品开发并不完善，仍然有许多方面需要改进，存在一定的市场空白。而企业也需要以设计创新作为驱动，促进自身发展。[6]因此，根据前期的产品调研及用户需求分析，主要针对非专业型用户提出了一些3D打印机新产品开发策略，以供企业参考。

4.1 智能化

当前市面上的3D打印机产品都不够智能化，存在打印操作方式烦琐，软件应用易用性不高等问题。3D打印机产品应该像智能家电一样可以轻松操控，可以通过简单易用的手机App无线操作打印，还可以自动纠错或自动修复模型，最好是符合“零”学习原则，也就是普通人能够上手即用。

4.2 快速化

对大部分用户来说，肯定是希望打印成型的速度越快越好。因此，大部分用户并不满足于现有的3D打印机产品的打印速度。这就对设备厂商提出了要求，在尽可能不影响打印精度的前提下加快设备的打印速度。[7]

4.3 便携化

很多家庭用户和学校都需要经常拿取3D打印机设备，这就需要设备不能太大或太重。就像笔记本电脑一样，虽然在性能上稍弱于台式电脑但便携，能够轻松手提，方便实用。3D打印机产品也需要向便携化方向发展从而不受空间的影响。

5 结语

3D打印技术被称为第三次工业革命的标志，其发展将深刻影响我国三大产业，大力发展3D打印产业将对我国步入世界制造强国行列大有裨益。国内相关企业也不能盲目模仿国外企业，还是需要开发人员立足国内的政策优势，合理分析市场发展趋势并围绕正确的开发策略，用发展的眼光看待和处理正在遭遇以及将要面临的问题，[8]才能开发出更符合市场需求的产品。同时，努力挖掘现代人的市场消费潜力从而扩大市场份额也很重要。[9]因此，本次3D打印机产品研究旨在为国内中小型3D打印机设备厂商提供开发策略和参考，明确产品设计方向。

参考文献：

[1] 张文平，周倩，李绪林. 3D打印及其教育应用[J].现代信息科技，2019，3（04）：165-167.

[2] 李小丽，马剑雄，李萍，陈琪，周伟民. 3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表，2014，35（01）：1-5.

[3] 从云飞.河南省增材制造产业的现状及其发展对策[J].华北水利水电大学学报（社会科学版），2018，34（05）：14-20.

[4] 李若辉，关惠元.我国中小型制造企业产品生态设计现状及问题[J].生态经济，2016，32（12）：211-215.

[5] 张楠，关惠元.基于差异化战略的设计定位与用户细分[J].山西大学学报（哲学社会科学版），2018，41（3）：106-113.

[6] 李若辉，关惠元.设计创新驱动下制造型企业转型升级机理研究[J].科技进步与对策，2019，36（03）：83-89.

[7] 郭宇鹏. FDM桌面型3D打印机的整体设计及成型工藝研究[D].中北大学，2017.

[8] 任新宇，王倩.论绿色产品设计的特征及策略[J].设计，2018（08）：108-110.

[9] 尹晓惠，郁舒兰，黄琼涛.家具企业产品全生命周期管理调研与评价[J].家具，2017，38（02）：78-86.

作者简介：崔庆旭（1997—），男，南京林业大学工业设计专业本科在读，主要从事3D打印机产品设计相关的研究。

刘玮（1978—），女，南京林业大学家居与工业设计学院副教授，研究方向：产品设计理论及家具设计与工程。