如果开一个3D打印吐槽大会，会有这些槽点
3D打印技术是制造界、学术界乃至整个科技界这几年的热点之一。这让许多人误以为3D打印技术是近年兴起的技术。实际上在上世纪80年代，所谓的3D打印技术便已经实现了。这些年，越来越多的人兴奋地表示，3D打印将会引领第四次工业革命。那么问题来了，如果30年前这样的革命没有到来，我们凭什么还对这种可能性抱有幻想？要知道，3D打印的概念和技术几十年来都没有飞跃式的提高，其目前的应用大多局限于医疗辅助和科学研究，还远远谈不上真正改变我们的生活。
如果给3D打印开一个吐槽大会，有这么几个槽点是肯定无法逃避的。
一，速度太慢 - 蘑菇都比你长得快呢
3D打印简单而言就是增材制造。不论是选择性激光烧结 (Selective Laser Sintering, SLS) 、固体光刻 (Stereolithography, SLA)，还是熔融沉积 (Fused Deposition Modelling, FDM)，实际上都是在二维打印的基础上，叠层累加而成，不得不以耗时为代价来满足基本的制造精度。一个巴掌大小的物件通常需要几个小时才能打印出来。因此有人笑称，有些蘑菇生长的速度都比3D打印快。这一劣势使得3D打印技术无法满足量产需求，其应用大多局限于科研或者单个昂贵部件的样品测试，或是DIY玩具打印的小打小闹上。可以说，3D打印因为其速度劣势时至今日还没完全从象牙塔里走出来。
二，材料种类限制及特性缺陷- 有了金刚钻，也难揽瓷器活。
目前市面上的3D打印材料选择越来越多，但离完全满足工业及消费需求都有着很远的距离。激光烧结技术的材料选择局限于各级尼龙、TPU和聚苯乙烯等少量聚合物，以及钢、钛等合金。SLA的材料更是局限于光敏树脂。FDM则局限于ABS、PLA、Nylon、PET等热塑性材料。其它材料的打印工艺仍旧不够成熟。
显然，这些材料目前难以委以重任，目前大多作为辅助手段。比如，3D打印如果用于汽车制造，会大大缩短测试时间、降低成本，然而从力学角度而言，3D打印的制造特性决定了其受力部分的强度和刚度是达不到要求的。而就外形而言，不管如何设定打印精度，入门级3D打印成品的打印层始终会降低最终的视觉效果，进而大大影响用户体验。如果把FDM的喷头看作是金刚钻的话，那么这样的金刚钻还暂时揽不了瓷器活。
Light Cocoon 3D打印概念车– 暂时只能存在概念中的众多产品之一
三，造价昂贵 - 不如买房。
一台工业级的SLS、SLM或SLA 3D打印机通常在百万人民币以上，最贵的可以达到上千万人民币，而且在可预见的未来，这一级别的打印机普遍大幅降价的可能性不高。而随着主要3D打印技术的专利过期，许多入门级别的3D打印机的造价直线下跌。目前最普及的入门3D打印机主要为FDM及SLA打印机，最便宜的XYZprinting da Vinci Jr只需要200美元就能抱回家。然而这些桌面级3D打印机的功用实在有限。首先，打印容积很小，小到打印一个小凳子小椅子通常是奢望。其次，速度很慢，不再赘言。再有就是打印质量较差，通常需要大量的后处理。总之，好用的不便宜，便宜的不好用。
浩如星海的入门级3D打印机选择 (productchart.com)
四，产品链上下游联系低效 - 拿不出STL文件，要你何用？
技术上讲，离开了STL文件（一种计算机辅助设计（CAD）的通用格式），3D打印机基本就是无用的。而创造STL模型有两种方式，一是用CAD软件建模，二是用扫描仪，包括入门级的便携式扫描仪器和高规格的医用扫描仪器，如CT和MRI。这两种方式都具有较高的门槛，除非使用者本身具有专业背景，否则需要寻找第三方服务。而这样的门槛几乎把普通科技爱好者的体验空间压缩殆尽。
从市场的角度讲，3D打印服务提供方需要思考用户端在产品链的位置。比如，有的3D打印服务网站提供一些免费的模型供下载。问题是，这些模型显然不是独特的，为什么还要下载下来再上传供3D打印呢？直接购买现成的不好吗。这样的服务显然只是披了层3D打印的外衣，却只是让3D打印代替了传统的制造方式，而没有改进产品概念。换句话说，如果认同3D打印技术在大众消费市场的主要卖点或优势是其满足私人定制的能力，那么这一服务目的本身就与高效量产制造的传统思维背道而驰。如何高效、便携地形成用户接触是3D打印相关从业者需要思考的问题。
3D打印从业人员一直在改善这四大缺陷。这里重点回顾一下这几年3D打印提速的创新。3D打印的蜗速一直是制约其大规模制造的最大瓶颈，直到一家来自硅谷的叫Carbon 3D的初创公司在2015年发明了名为连续液体界面制造 (Continuous Liquid Interface Production, CLIP)的新型快速3D打印技术。平地起惊雷，3D打印也许从此从火车隆隆进入了音速时代。
革命性的CLIP工艺登上了Science的封面
不管是何种3D打印方式，都受制于累层不连续性，几厘米大小的物件通常耗时几个小时。而CLIP技术基于立体光刻技术(SLA)，利用氧气对光固化作用的抑制，达成光敏树脂的连续、快速成型。它比传统的技术快了25到100倍。
CLIP原理
CLIP打印机的底部是一层由可熔性聚四氟乙烯Teflon AF 2400构成的透氧透光窗口，而充满氧气的树脂溶液是无法进行光固化反应的，这一区域便形成了“死水区”(Dead Zone)。通过调节氧气含量、光强等变量，死水区的厚度（大约几十微米）得以调控。死水区之上就是可打印区，投影的光源基于CAD模型的分层形状把紫外光打在打印平面上，使得该层的树脂溶液固化。制造平台按照一定的速度上移，带动已经被固化的树脂继续“拉起”即时被打印的部分。
基于CLIP的Carbon 3D打印机
整个技术的核心与关键，也是CLIP与传统SLA技术的最大区别，就是创生了由透氧造成的死水区。传统的SLA工艺如下图所示，依靠光源以点为单位逐次固化打印平台与树脂液池底部之间的液态光敏树脂，然后被固化的树脂会被平台拉起形成分离，以防止固液混合体附着在底部。在这一过程中液态树脂回流，平台重新浸入溶液中，重新开始下一层的固化，如此往复。这个过程是间断不连续的，每一层的成型都伴随着分离、回流。而CLIP技术是接近连续不间断的，其打印速度的制约因素变成了固化速度和液体黏度。
传统SLA与CLIP的对比(Tumbleston et al., 2015, Science)
2017年三月，Carbon 3D发布了第二代CLIP 3D打印机，进一步提升了打印空间。值得注意的是，Carbon采用的是类似“订阅”的购买方式。一年的机器使用费用是5万美元，而安装费和培训费为1.5万美元/年。这一价格虽然比传统3D打印巨头的产品低了一些，但依旧比SLA入门价格高了不少。
另外，其所用耗材和其它SLA 3D打印机一样也是自制的树脂液，每升造价高达124 - 474美元。如果像Carbon 3D所营销的口号那样，“停止试样，开始量产 (Stop prototyping. Start producing)”，那么如此量产的毛利率很可能会很低。目前Carbon 3D已经铺开与各个领域的合作，比如与阿迪达斯合作开发3D打印鞋。虽然据笔者了解，在这个案例中3D打印仍然只是起到产品制造终端的替代，尚未整合私人定制的功用，但这也许将会是3D打印真正进入消费品市场，乃至部分替代传统制作的里程碑。
Carbon 3D与adidas联合开发的Futurecraft 4D
截至目前，另有两家初创公司声称它们的技术能够媲美甚至超过CLIP。去年，来自温哥华的初创公司NewPro3D推出了智能液态界面技术 (Intelligent Liquid Interface, ILI)，其原理类似CLIP技术。NewPro3D用一种可吸附薄膜来起到CLIP中透氧层的作用，抑制了光固化作用并且同样略过了传统SLA技术的分离步骤。NewPro3D声称，Carbon的CLIP在光源边缘的固化效率不够，ILI有效地解决了这一问题，因此速度甚至更快。另外，专业人士指出， CLIP仍未解决液体回流等待时间的问题。因此，这一新技术对于纤细或者镂空的打印目标效果卓越，而实心的宽厚的打印物件效果要差一些。ILI通过设定非匀速打印速度来改善这一问题，简单而言，其打印速度取决于目标的分层宽度。
NewPro3D的ILI技术
ILI声称的巨大速度优势
无独有偶，意大利的初创Nexa3D几乎在同一时间开启了自润子层光固化 (Self-Lubricant Sublayer Photocuring, LSPc) 3D打印机的众筹。LSPc的核心专利技术在于其逐层释放特质油层而产生自润薄膜的能力。这一自润层的作用类似CLIP的透氧层和ILI的可吸附薄膜，其目的都在于略过固化树脂与平台分离过程这一步骤，从而使打印过程能尽可能地接近连续作业。
Nexa3D的LSPc3D打印机效果图
截止目前，NewPro3D和Nexa3D都未正式发布其产品，相信还有一些技术细节有待完善。可以预见的是，基于固体光刻技术的3D打印工艺已经开始全面提速，3D打印量产的曙光初现。这些自带黑科技的初创公司必然会刺激像Stratasys、EOS这样的3D打印工业巨头重新审视3D打印产业市场，把部分的注意力从从事生物医学、航空航天、机械制造的科研机构和大型制造企业身上再度转向大众消费者市场。当3D打印的这些槽点都成了历史的时候，也许第四次工业革命，至少是制造业的革命，才有可能到来。
作者/ 廖志鹏Floyd：澳大利亚悉尼大学计算机生物力学博士，目前正在从事基于3D打印与工程优化技术的私人定制可穿戴项目，研究领域包括生物力学分析，骨重建算法开发，置换植入体优化等。
白皮书，包含3份电子版资料：
①《2017年中国3D打印格局》白皮书（158页）；
②2016年、2017年全国部分3D打印招标中标信息汇总（总金额1.7566亿元人民币）；
③《2017年中国3D打印产业报告》（85页）
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