3D 列印 — 退潮後,找到新方向

3D 列印 — 退潮後,找到新方向

早安!

今天有物邀請在 ATOM 3D Printer 合夥人,同時也是有物主筆的朱軒逸分析 3D 列印產業現況與未來方向。有物報告歡迎關心科技業的人士投稿。


3D 列印是科技業近年很熱門的一個技術,例如 3D 列印製造的房子和汽車等等。彷彿一瞬間,所有生活用品都能用 3D 列印製造。但 3D 列印是另一波工業革命的契機,還是郭台銘口中的噱頭

3D 列印是新科技?

3D 列印技術發展至今約 30 年,並已經應用在一些高價值產品製造,例如波音、GE 等企業使用 3D 列印製造航太產業零件。醫療器材公司也使用 3D 列印替病患製造客製化的人工骨骼。但目前主要 3D 列印技術都掌握在全世界零星幾家公司手中。

大家比較熟悉的電腦數值控制(Computer Numerical Control,CNC)和沖壓加工等技術都是「減法」製造,也就是使用一整塊完整的材料,把不需要的部分用車床、銑床給去除,不但浪費材料,某些形狀的更需要高階的五軸、七軸的機器才能做到。3D 列印其實是種「加法」製造(Additive Manufacturing),其中又可細分為很多不同的成型技術,但基本原理都是一層一層把材料疊加成型。

為什麼近幾年 3D 列印變得熱門呢?最重要的因素是 3D 列印關鍵專利陸續到期。從 2007 年起,3D 印表機開源社群(Open Source Community)快速發展。從機構設計圖、控制板線路、韌體和軟體等都可以從網路下載。甚至淘寶有許多廠商直接販售利用開源設計或生產的模組,造成產業快速平民化。

 

3d printer淘寶販賣 3D 列印套件。圖片來源:淘寶

而 2010 年後社會出現自造者運動風潮(Maker Movement)及群眾募資平台(crowdfunding),更助長 3D 產業發展。

許多團隊以開源架構推出自有品牌的 3D 印表機,嘗試結合更人性化的軟體與設計,並大幅降低價格,希望將 3D 列印推廣至一般家庭。例如桌上型 3D 印表機公司 Makerbot 創立於 2009 年,主要利用開源架構製造 3D 印表機。Makerbot 在 2013 年被傳統 3D 列印大廠 Stratasys 以 4 億美金加上 2 億獎勵金併購,2014 年總出貨量約 4 萬台,全球市佔率約 30 - 40%。

3D 列印前景一片美好?

許多研究機構都指出 3D 列印將逐漸普及。2014 年全球 3D 印表機出貨量約 12 萬台,在未來數年的平均成長率將達 30%,產值也將在 2020 年突破 80 億美元

一連串在群眾募資平台推出的消費型 3D 印表機,都獲得極大的成功。例如美國 3D 印表機 The Micro 募得 340 萬美金,刷新 3D 印表機募資紀錄。新加坡 3D 印表機 The Bucanner 在一個月內募得 140 萬美金。台灣最出名的案例,就是由台大學生團隊製作的 3D 印表機 Flux。Flux 在一個月募得超過 160 萬元美元,創下台灣群眾募資紀錄。

2012 到 2014 年間,3D 列印產業內出現 Makerbot 被高價併購,數個消費型 3D 印表機都成功群眾募資,以及大量資金投入 3D 列印產業;種種跡象都顯示消費型 3D 列印市場快速成長。傳統平面印表機一年出貨量約 1.2 億台;假設 3D 印表機出貨量能在數年後達到這個數目的十分之一,約 1,200 萬台,表示 3D 印表機市場還有 100 倍的成長空間。

3D 印表機消費市場還在早期萌芽階段,就像個人電腦產業剛開始發展的時候,品牌林立,機會無窮。然而現在投入 3D 印表機的消費市場,真的是個好時機嗎?

研究機構 Gartner 認為根據科技成熟度以及商業化程度,每個產業發展過程都會先經歷過度期待的高峰,(Hype Cycle)才達到成熟。根據 2014 年 Gartner 研究報告,企業用 3D 印表機即將進入成熟期,而消費型 3D 列印機則剛經歷被市場過度期待的高峰。

hyper curve

2014 年技術成熟度曲線。圖片來源:Gartner

這種看法可以從市場表現得到佐證。世界最大兩家 3D 印表機公司 Stratasys 以及 3D Systems 的股價,因進入消費型 3D 印表機市場,從 2012 年一路飆漲 10 多倍,但企業獲利卻遲遲沒有成長。近一年來兩家公司股價幾乎跌回原狀。

而 Makerbot 在今年四月裁員 20% 員工,並關閉數家直營 3D 印表機專賣店。最近又被消費者控訴販賣有瑕痴的產品。這都顯示顯示 3D 列印科技發展與一般消費者的期待還存在著很大的落差。

企業用 3D 列印前景光明,消費用尚有疑慮

企業用 3D 列印前景光明。企業以 3D 列印取代傳統打樣,可以大幅降低成本與產品開發時間,幾乎所有製造業都受益。因此隨著成本下降,市場穩定成長,且技術進入成熟期, 3D 印表機應用範圍也越來越廣。 3D 印表機能應用於製作一般家用品、電子產品、建築模型與醫療模型,甚至最近美國品藥物管理署(Food and Drug Administration,FDA)也通過 3D 列印的人體脊椎植入物以及複合藥物檢測。

但消費型 3D 印表機企業,需要另外回答一個核心的問題:為什麼消費者需要 3D 列印?

現在 3D 列印的製造成本或生產速度,都比不上用模具大量生產。但對於客製化的需求,或是「復刻」已經停產的產品或零件,3D 列印就有機會大幅降低製造成本。因此 3D 列印在消費者市場的最大發展瓶頸,是讓消費者能輕鬆取得 3D 的模型還有簡易的列印流程。

因此,許多企業設立讓使用者分享 3D 模型的平台。其中最大的平台是 Makerbot 旗下的 Thingiverse,共有超過 70 萬個 3D 模型。另外一些公司則開發低廉的 3D 掃描設備,幫助使用者建造模型。

但如果是客製化的需求,就無法在網路上找到模型。消費者還是要使用 3D 建模軟體。但建模軟體技術門檻很高,使用者不容易學習。

使用者取得列印模型後,還需要將 3D 模型檔轉換成印表機可讀取的列印檔。因為 3D 印表機是一層一層堆疊製作物體,所以需要將模型檔切割成一層層的資料,這個過程稱為「切片」(slicing)。轉換過程除了演算法各有不同外,還要設定印表機與材料等各種參數,例如物體列印的角度、支撐材料的形式、噴頭溫度以及出料速度等等。

儘管各家廠商都努力簡化流程或讓系統更智慧化,但目前產業狀況就像從全手動的機械相機演進到自動對焦的傻瓜相機,再到全自動的單眼相機,還需要很多時間。

上述的瓶頸已經有解,有一些難題還沒有解答,例如 3D 列印的速度及解析度、材料強度與多樣性,以及全彩列印等。3D 列印還有很多發展的可能性。

3D 列印是推動產業升級的關鍵技術

消費型 3D 印表機還有很多瓶頸。但因為基本技術已經開源,產業又受到市場過度的期待,讓許多新廠商加入戰局,靠華麗的 demo 影片以及低價努力在群眾募資平台爭取市場目光。但大部份 3D 印表機廠商都沒有辦法達到經濟規模,成本下降速度遠不及市場的期待。許多廠商低估製造硬體的門檻,在募資成功後一年都無法量產出貨,或是成本結構無法分享利潤給代理商與經銷商。

未來幾年會有很多 3D 印表機商廠商消失,市場也許會冷卻一陣子。但技術進步不會停止。市場仍舊會有許多公司前仆後繼地出現。今年三月 3D 印表機公司 Carbon3D 回歸科技本質,以基礎科學原理突破 3D 列印速度慢以及解析度不如傳統製造的缺點,獲得創投投資 5,100 萬美金。

3D 列印產業發展可推動整個產業升級。因為當 3D 列印技術越來越成熟,價格越來越平民化,也代表越多人可以自己創造產品,成為一個 Maker,屆時便有更多創意與創新出現。因此即便 3D 列印產業或許最終產值比不上物聯網、生技等產業,但很多國家把 3D 列印當作具有戰略意義的產業,積極推動。這篇文章希望讓大家了解 3D 列印產業結構以及發展現狀。對 3D 列印產業有興趣的朋友也歡迎跟我交流。

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封面圖片來源:Creative Tools


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