桌面级3D打印机设计定位研究

赵志铎

摘要：目的从设计视角对桌面级3D打印机的市场和品牌进行研究。方法以桌面级3D打印机的基本概念、技术分类和基本原理为基础，对桌面级3D打印机的市场需求、现有产品进行比较与分析，并发现问题。结果列出桌面级3D打印机在市场价格、技术、使用流程、用户健康和知识产权保护方面目前仍存在一些问题。桌面级3D打印机要想实现小型化、个性化和专业化，还有很长的路要走，并从材料、功能、结构、形态、组合对桌面级3D打印机的初步概念进行设计定位。结论3D打印机还不能取代传统的生产方式，但是3D打印能够提供巨大的生产自由度，既能极大提高某些性能，又能极大改善生活品质。

关键词：桌面级 3D打印机 市场需求 设计定位

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2018）04-0089-02

引言

3D打印技术（3D Printing）是快速成型技术（Rapid Prototyping Manufacturing）之一，其本质思想是通过层层堆叠方式制造产品，因此也称为增材制造技术（Additive Manufacturing）。与传统快速成型技术（如切削和铸塑）相比，3D打印技术的优势在于它不需要模具，材料利用率高，可以加工结构非常复杂的产品，且一次成型，能够真正实现快速个性化定制和小批量生产，因此大到建筑生产，小到纳米堆积都可以应用这一技术。目前，主流的3D打印技术仍然集中应用于大型制造业中，包括医疗工业，航空航天工业，模具制造业，汽车设计等领域。基于工业设计视角，3D打印机（3D Printers）的出现本身是对生产方式的一种革新，使设计师与产品制造之间建立了直接联系：—方面，它拉近了设计与制造两环节之间距离，从而保证了设计者的想法、创意能够被原汁原味地表现出来；另—方面将大力缩减产品方案的成型周期和人力成本，提高方案实现的可能性。

一、3D打印机

（一）3D打印机概念

3D打印机是一种能够将数字模型转换为3D物品的技术工具。随着技术的不断进步，以及市场需求的扩大化，Chris Connery指出，“3D打印机市场正在越来越清晰地被分割成桌面级3D打印机类和工业级3D打印机类”。一般而言，相对于工业级3D打印机比较适用于企业单位，桌面级3D打印机则适合满足家庭、学校等小团体的需求，最初是为个人使用需求而开发的，即用户可以根据自己的需求及时打印出所需物件或器具、零件，以及打印实验性的各类产品原型。桌面级3D打印机的主要特征是适合个人使用、体量不大，精细度、尺寸、材料种类等与工业级3D打印机相比仍有差距，但它更强调便捷易用性等。

（二）3D打印成型技术分类

从成型技术角度来看，3D打印可分为金属3D打印和非金属3D打印，主流的金属3D打印包括DMLS目接金属激光烧结、FDM熔融沉积与EBM电子束熔化成型，主流的非金属3D打印包括SLS选择性激光烧结、SLA光固化和FDM熔融沉积（如表1）。国产3D打印机同国外3D打印机相比虽然还有一定的差距，但是总体上成型技术配件（如耗材挤出机配件）升级还是同步的。

（三）3D打印机的基本原理

首先通过计算机建模软件设计模型（如果有现成的模型可以直接用），再将建成的三维模型“切片”成逐层的截面数据，并把这些信息传送到3D打印机上，3D打印机会把这些切片堆叠起来，直到一个固态物体成型，3D打印机的基本原理（如图1）。

需要指出的是，具体的成型技术对应的基本原理是存在细微差别的。使用FDM成型技术的3D打印机是直接在喷头内熔化塑料，再通过沉積塑料纤维的方式形成薄层。使用SLS成型技术的3D打印机要以粉末微粒作为打印介质。

二、桌面级3D打印机现有市场、产品分析

（一）3D打印机市场现状

在2012年，市场上的3D打印产品还很少，经过几年的迅猛发展，3D打印机开始普及。通过百度指数、文献检索、访谈等方式的调研，得出3D打印机市场的相关需求。尽管工业级3D打印机和桌面级3D打印机在市场渠道上是有重合的，甚至包括终端市场也有交叉，但是相应的市场需求还是存在很大差异，其整体市场需求表现如下：

1.3D打印机使用情况与经济发展程度有较强相关性。

（如图2）所示，3D打印机使用人数最多的省份是广东，其次是浙江、江苏、北京、四川、湖北、上海、山东、河南、辽宁。这些数据表明3D打印机的推广与使用和城市的发展联系紧密，经济较发达的地区如长江三角洲，3D打印机的使用率更高，但西部地区如成都与重庆，也占有一定的市场份额。

2.3D打印机的整体市场发展前景良好。

3D打印机行业正处于发展期，虽然增长趋势此起彼伏，但总体看来，3D打印机是呈正增长趋势，前景还比较乐观，（如图3）所示。

3.3D打印机主要用户特征为中、轻年男性。

根据使用3D打印机的人群划分属性（如图4），高达90%是男性，只有10%左右是女性。使用者年龄段主要集中在70后、80后和90后三个阶段，90%用户都是20-49岁之间。其中，有六成是处于30-39岁年龄段，而这一阶段的群体大都是有经济基础的。

4.桌面级3D打印机在3D打印市场中具有巨大优势。

通过访问相关人员得知，很大一部分购买或具有潜在购买倾向的3D打印机个^用户，例如模型制作或爱好者、科技创客、教师或科研人员，虽然对3D打印有一定的需求，但并不会为此付出过高的费用，调研显示他们认为能够接受的价位水平大致是在5000-10000元之间。3D打印机相关从业者和爱好者占到半成以上，且桌面级3D打印机的出货量在不断增长中。相比之下，工业级3D打印机因价格因素，其出货量出现减少、销售停滞的现象。

5.桌面级3D打印机的全面普及仍然需要时间。

从3D打印机的使用情况来看，桌面级3D打印机用户使用层面仍然存在较多的问题，如打印中断、喷头堵塞、稳定性不够、调节和操作繁琐、打印出的模型精度不够、细节无法表现等，而这些问题是阻碍其全面普及的重要原因，目前仍在不断完善中。

（二）桌面级3D打印机现有可用产品分析

国内外桌面级3D打印机的常见产品品牌，有闪铸、极光尔沃、先临三维、弘瑞、太尔时代、XYZprinting、Ultimaker、Cube等（如图5）。为较为客观的评价目前几款品牌下的桌面级3D打印机，本文基于产品可用性，技术可行性，购买性三个产品维度，从易用性，吸引力，适用性（适用范围），效率性，精度，性价比六个指标进行打分（其中，1-最差；5-最好），并最终获取各款产品的综合评价得分（如表2）。由于本次评价偏重于设计指标，因此产品可用性指标权重占0.5，技术可行性占0.3，购买因素占0.2。

从品牌产品的评价指标分析来看，桌面级3D打印机仍然有很大的发展空间：在产品可用性方面，易用性的评价普遍偏高，因为目前使用3D打印机的基本上属于技术人员，3D打印机的使用流程非常熟悉，而吸引力和适用性评价较低，这对于未来的普通用户而言将是障碍；在技术可用性方面，效率性和精度属于关键因素；在购买因素方面，毋庸置疑性价比是用户考虑最多的。综合评价结果反映出现今的桌面级3D打印机虽然没有出现最好的评价，但还是具有一定的可用性，上升空间很大。

（三）存在的问题

3D打印机属于典型的技术驱动型产品，更倾向于受技术和价格因素主导。但随着技术的成熟和市场需求的扩大，用户将在桌面级3D打印机的外观造型、操作性与体验性等方面提出更多更高的要求，而这些要求也将通过使用与反馈不断积累。目前，桌面级3D打印机存在着几个较为突出的问题：

1.市场价格要素：对于家庭用户来说，3D打印机的使用成本仍然很高。国产的3D打印机虽然价格低，但质量和使用寿命难以保障，使用范围有限。要创造一个高性价比的3D打印机，涉及到如何处理生产者、消费者和设计者之间的复杂关系，这就为其进入家庭带来了很大的困难与挑战。

2.技术要素：现有桌面级3D打印机已经具备了一定的打印精度与效率，但系统的可靠性和制作大件能力依然不能满足现在大多数行业的需求，如成型原材料有限，成品可靠性不足，可扩展价值不高等技术瓶颈，大大抑制了其市场更进一步发展的可能。人们购买桌面级3D打印机，除了技术要素本身，往往更看重功能技术的应用扩展带来的价值。

3.使用流程问题：我们对3D打印技术的最初印象是利用计算机工具设计一个模型一导入3D打印机一呈现成品，而从某种意义上讲，这是一个复杂的过程，涉及多学科多领域知识。其中，首先对3D建模软件工具模型及数据读取格式转换需熟练掌握；其次，要以大量的工程、内面、结构方面的知识作支撑，能够根据具体情况应用建模技巧；最后，后期的工序问题处理也不容忽视，在制作完成后我们需要打磨、烧结、组装或切割等手工处理工作。以塑料熔融打印为例，一个复杂部件内部要设计合理的支撑，否则打印成品很可能出现变形。

4.知识产权保护问题：对3D打印技术工艺收紧，很可能会阻碍产品创新。但若放松现行监管法律，常常会带来“山寨产品”横行，因此在知识产权保护方面要有的放矢。国内对桌面级3D打印机的外观造型保护还有所欠缺，导致现有产品相似度较高，缺乏设计创意。

三、桌面级3D打印机设计理念及定位

（一）设计理念

基于前期市场分析（包括技术原理分析、竞品分析等）和产品调研，不难发现相比于工业级3D打印机，桌面级3D打印机的适用群体既具有广泛性，又存在一定的特殊性与特定性。

广泛性：强调桌面级3D打印机能够为普通用户所接受并消费得起，因此具有广泛的市场前景与潜力。它的推广与发展可以让更多的人享受到增材制造技术带来的日常生活便利，真正意义上实现“一人一台3D打印机”的设计理念。

特殊性：强调桌面级3D打印产品能够满足更加复杂的用户细分市场，其特殊性主要体现为用户对小型化、个性化与专业化的期望。小型化使得桌面级3D打印机具有可携带的优势，因此通常必须保持较小的体积与较轻的质量；个性化关注用户的个人具体使用情况与特点，旨在能够最大程度地方便不同专业或领域人员的使用；专业化则强调产品能够在较低的成本前提下，提供足够专业的服务。

（二）设计定位

好的桌面级3D打印机概念在于能够真正意义上满足市场，符合消费者的期望与需求。因此，准确的产品定位将是新产品概念能否取得成功的前提。基于之前的研究分析，本文认为从打印材料、功能技术、结构设计、外观设计、扩展能力这5个因素，对桌面级3D打印机的设计定位进行设计思考，从而为之后的概念设计奠定明确的发展方向，利于设计的深入与推进。

打印材料：基于3D技术的现状与发展状况来看，以材料为导向的桌面级3D打印机发展模式将是未来趋势之一。正是如此，材料的选用必然成为新产品定义最先应该被考虑的因素之一，以易于获取、价格便宜、高性能作为打印材料的桌面级3D打印机无疑将更加受到欢迎。此外，值得注意的是，扩大选用料的选用范围，并建立桌面级3D打印材料库，能够使新产品具有更好的市场适应性。

功能技术：明确桌面级3D打印机的主要功能、性能参数、应用导向，是新产品定义的核心因素。首先，随着新功能新技术的不断发展与引用，桌面级3D打印机整体将得到大幅度提升，但合适合理的功能技术配置不仅有助于产品与目标市场有更好的匹配度，也能够节省大量企业资源，较少不必要的浪费。其次，功能技术的强化可能会造成操作更加复杂和繁琐，因此还必须坚持以用户需求为导向，在开发适于更广领域桌面级3D打印机的同时，使之具有较高的针对性和专业性，进一步优化操作和安装程序。

结构设计：结构设计对产品定位也有着非常显著的影响甚至是决定力。针对偏远地区客户和移动较频繁客户，打造可折叠便携式桌面级3D打印机产品。针对专业技术人员，配备组件模块化的桌面级3D打印机，方便用户自己专研学习，并提高容错能力，降低其维修难度与成本。除硬件外，软件方面的结构设计也应引起关注：一方面，强化使用过程中的交互体验性，改变用户对3D打印机的固有看法，让用户感觉操作是简单而喻快的，也乐于去尝试和操作；另一方面，提高其质量与性能，保证具有更好的容错能力，降低其维修难度与成本。

外观设计：外观设计在市场定位的各因素中，效果最为直接，尤其是在桌面级3D打印机的市场，符合用户审美需求的外观设计将有着巨大的竞争优势。此外，高品质的外观造型不仅能够使其具有强大的市场吸引力，更能够起到进一步强化其品牌形象的作用。

扩展能力：扩展能力尽管不是产品的必要功能，但却能够为提升产品层次，丰富产品定位提供必要的支持。从目前市场来看，功能拓展无疑将是桌面级3D打印机的一个极其重要发展方向。通过其他功能模块（如WIFI功能，共享功能等）的加入，可满足群体的更多需求，同时还可以极大地延长产品的生命周期与适用范围，大大加强桌面级3D打印机的生存与发展空间。

结语

随着现代制造技术的发展与设计流程的不断优化，市场对3D打印的需求愈加显得强烈和急迫，3D打印行业将面临更大的机遇与挑战。本文参考了3D打印机相关数据和文献，并结合行业所处环境，从宏观层面对桌面级3D打印机技术基础、市场发展现状、具体产品问题等方面进行了深入分析，并为之做出设计定位。设计定位研究表明在制造强国政策下，桌面级3D打印机的未来市场将不可估量，但在人机交互、造型设计方面的考虑仍然较弱，可以预见，从纯粹的技术類产品向更能够为普通用户接受和使用的产品类型转变，将有利于桌面级3D打印机技术发挥更大的力量。