最近有几个投资人朋友聊到了3D打印和激光雕刻技术，所以就想着写点东西聊聊，介绍一下这两个领域的技术和市场。我不是这两个领域的从业人员，请批判看待。 我们会首先聊一下3D打印的技术瓶颈，可能的应用，2B的厂商，以及2C的探索。然后我们再聊聊激光雕刻的技术异同瓶颈，和流行的技术。 ### 3D打印的技术瓶颈 首先我们来看看3D打印这个技术，它的限制或者说瓶颈在哪里。 如果我们说的是类似拓竹这种基于挤出嘴这样的打印机的话，这种打印机叫FDM。 它的基本原理是有一个挤出嘴，把融化的塑料挤出来，然后一层一层地叠起来。 因为塑料在融化的情况下是有粘性的，所以不同层之间就粘起来了，最终形成一个三维的立体的打印件。 这种打印机，主要是在四个方面有限制： 第一个是我们[前面](/3d-print-faq.html)提到过的build volume。现在打印机的build volume都不会特别大。 一般市场旗舰的打印机一般也就是在250毫米边长的一个立方体。更大的打印机有，比如有半米一米的，但一般就属于特种打印机，特别贵，而且不一定可靠。 那为什么大家不把build volume做大呢？ 一方面是市场原因，一方面是技术原因。 要打的东西一大，遇到的问题就多了。 第一，它的打印件和底板之间的平整度和粘合性有多好。这层如果没粘上的话，打一半就会出现翘曲、脱离底板、炒面等情况。 第二，打印件大了，自然而然需要的时间就更多了，大家等的时候也会不耐烦。 第三，打印件大了以后，整个打印空间也大，如何维护整个空间温度的均匀性来保证打印质量也是一个难点。 第二个问题在support。从3D打印的原理可以看出来，它把熔融的塑料挤出来，下面必须要有一个支撑。 如果没有支撑的话，它就像空中楼阁一样，没办法在空气中间悬浮，就掉下去了。 这其实是3D打印在原理上一个很大的限制，也就是你必须要保证你打印出来的每一层下面都有支撑的东西。 这个极大的限制了它的建模。 举个最简单的例子，比如你想打一棵树，这个都打不出来，因为树冠和地之间是空的，它那层没办法在空气中间打出来。所以为了实现打印像树这样的东西，需要加一个额外的结构，叫做支撑。 它是人工加进去的一种三维的元素，先在地面和树干之间打印一些比较脆弱的结构来支持上面的层，然后打印完了以后再手工用老虎钳把它挪掉。 这一步骤叫support removal，特别恶心。 第三个瓶颈是材料。3D打印的材料和传统的减材制作，比如CNC之类，还是有很大的差距的。 比如不耐高温、不耐酸碱、不耐腐蚀、不防静电、不能主动熄灭火焰，没有生物体上的兼容性，比如没办法植入人体。 这上面，尤其对于FDM打印机来说，有很大的限制。 第四是它的精度很低。 这主要因为FDM的基本原理是把塑料熔融了以后打印出来。 那可以很容易想到一个问题是热胀冷缩。 它打印的时候是100.0毫米，冷却下来以后可能就只有99.5了。 这个尤其对于一些公差配合来说，特别恶心。 往每台机器都不一样，所以大家就算从网上下下来的模型，也需要针对自己的机器先试着打一遍，进行调整以后才能正式打印。 那么我们看一下几个投资人可能觉得合理的应用场景。 建筑模型是不太实际的，这是因为一方面大多数建筑模型哪怕是中间的组件，尺寸都会远大于3D打印机的build volume。 如果要拆分再组装的话，又特别麻烦。 另一方面是很多建筑模型为了美观，它也必须要用非常复杂的support，才能够打印出来。 这又是一个耗时费力的工作，还不如用石膏直接做。 第二，3D打印钻石项链，这个更不可能了。3D打印只能打印塑料，或者是透明的树脂。这个光学性质一看就不是钻石。目前钻石主要还是靠高压合成。 第三，珠宝sample。珠宝领域确实有用3D打印的。 要感兴趣的话，可以看一下一个东西叫做失蜡法，B站上有很多视频特别牛逼。 但它的基本工序是你先3D打印一个塑料件出来，然后用石膏倒模，然后再用金属浇铸。 整个过程特别麻烦。所以用这个来实现珠宝设计也不是像你想的那么简单。 第四，医疗行业。这主要是材料受限。 像传统的FDM，它没有办法被FDA审批。比如你要是用挤出打一个心脏支架，估计会被医生喷死。 ### 拓竹有什么不一样？ 说完了3D打印技术本身的限制和应用上的局限，很多投资人感兴趣的一个话题就是为什么拓竹这么牛逼。 这里牵涉到3D打印机为什么难做。其实要做出来一个慢速打印的打印机，是没有太大难度的。 但只要build volume稍微大一点，对打印速度有一些要求，就会发现问题来了。 它不是说你把电机做大，电压提高，让它跑得更快，就能打得更快的。 如果你真的这么做的话，会发现它打出来的东西是歪七扭八的，以前打出来的慢速的时候打出来是直线，快速的时候打出来就变成了弯弯扭扭的，也就是打印质量下降。 这就像你写字一样，大家慢慢写字，可以写得很工整漂亮，但是一旦写字的速度提上去以后，就自然会发现字变丑了，丧失了对肌体的控制能力。 对3D打印来说，当高速运动的时候，你会发现需要用更多的精力花在管理高速运动的打印轨迹上面。以前不太明显的问题在高速的时候就会变成打印质量的干扰。 所以需要额外的补偿来让它的实际的轨迹跟预想的一致。 那这个东西跟大疆有什么关系呢？如果想要做到在高速运动的过程中，不论是为了调平还是为了轨迹，对一个机械组件进行动态补偿，让它实现一个动力学目标，这件事情在控制论上和飞控算法几乎一样。 有些投资人朋友可能不太熟悉飞控算法，这里简单解释一下。 在开车的时候，我们踩油门，本质上是在操纵汽车的一个组件（节气门开角），从而让引擎加速。 但四轴无人机的控制则不一样。 当我们拨动拨杆让它向前平飞的时候，其实它身上并没有一个机械组件就对应着“向前平飞”这个指令。 我们能控制的，从底层来看，只有四个马达的转速。 那么，无人机是怎么实现向前飞的动作呢？它主要是靠飞控算法。 这个算法干了两件事情：第一件事情是综合各个传感器的信息，比如飞机的姿态、包括风力对它的影响、当前马达的转速等等。 再结合人类想要它干的目标，比如从静止开始变成2米/秒的速度向前平飞，二者综合，把它翻译成“我下面应当如何改变给四个马达的电压”，从而驱动无人机的底层机械，来实现用户给它的预定目标。 所以，你可以看见这种问题的设定遇到的挑战和可能的技术框架与3D打印在高速运动过程中的动态补偿非常类似。 而大疆在这个方面有着多年的积累和投入。这是为什么大家其实都知道要往这个方向走，但是一直都没人能做出来，直到有飞控巨头离职的人跑到了这个领域，才解决了这个问题。 ### To B厂商：FormLabs 然后我们再来看看市场这个方面。 3D打印机传统的客户在To B领域，其中一个非常有意思的厂商叫做Formlabs。 它是一个在波士顿的打印机厂商，主要面对的用户是企业。 这些企业一方面使用3D打印来进行生产原型上面的快速建模，另外一方面也一定程度上用3D打印来代替小批量的生产。 换言之，它就真的是一个生产力工具。 那它是怎么做到把上面说的四个问题都给解决的呢？我们一个个来看。 对于build volume来说，它主要是靠引入全新的原理。 一方面，它的打印机的原理不是FDM，而是光固化，叫SLA。 它还有激光烧结，SLS的打印机。 这些打印原理理论上比FDM更难做大，但FormLabs在这个基础上又做了一些创新（售价也加了亿点点），具体技术细节我们先不说，但是它可以做到volume很大，速度也很快，精度也很高。 第二点，support，它也是通过SLA和SLS来解决的。 SLA的打印机，它的support要比FDM要宽容很多，它可以用小得多的support来支撑更大的模型。 而SLS它有个革命性的特性是，它一点都不需要support。技术原因要是大家感兴趣我们可以以后再具体介绍。 从材料的角度来说，这是这个公司的一个亮点。他们有一个非常强的化学团队，在里面做了很多工业级的材料，比如他们的打印机可以直接打印假牙，可以跟人体接触，可以被移植到人体里，而且都被FDA批准了。他们的材料可以是陶瓷，耐一两千度的高温，可以是硅胶，可以是各种抗静电、耐酸碱、超高强度的材料，甚至用他们打印出来的组件可以直接浇铸金属，整个就特别离谱。 从精度的角度来说，它也用各种创新解决得特别好。我有他们家的打印机，基本上你建模建到是100.0毫米，它打出来就是100.0毫米，一点都不会差，不像FDM要各种调。 所以你看它主要是通过原理创新和材料改进来补足了前面所说的四个缺陷。但如果仅仅凭这些，还并不能让它成为一个真正有工业价值的一个生产工具。原因是3D打印，尤其是光固化打印，它的流程特别麻烦。你需要先往里浇树脂，然后它开始打印，打印完了你要手工把它打印出来的工件给掰下来，用酒精清洗，清洗完了再用紫外线去固化，费人费力。 为了解决这个问题，它又做了一整套的生态链。比如，它做了一个连续供墨系统，就像打印机的连续供墨一样，可以把几升几十升的树脂源源不断地灌到打印机里面去。 同时还能保证温度适宜，不会溢出来，也不会缺墨。 它有一整套的自动卸载工件、自动清洗的套件，叫做Forms Auto，特别酷。 整个流程完全是就类似机器人一样控制。通过这种方式就可以形成很大规模的3D printer farm，而且不需要人去干太多事情，都是自动化的。 而且都是工业级别的材料、精度和效率和可靠性。 这个是如果一家3D厂商真的要面向To B做的话，它会做成什么样子。 ### To C的尝试和市场困境 那下面我们再看看，如果一家厂商想要对To C做的话，它会做成什么样子。 其实拓竹有一点在往这个方向努力，虽然根据一些研报，似乎拓竹的最大的买家还是那些3D打印农场主，他们会大规模地购买拓竹的机器，然后去做一些批量打印的服务，在淘宝上卖。但在此之外，拓竹也针对普通消费者做了很多努力。 你想，你作为一个普通消费者，最大的想使用3D打印机打东西，最大的痛点在哪里？就是不会建模。所以如果我们能够用一种方法，比如构建一个社区，让大家能够分享我建出来的模型，甚至可以收费，盈利，那这对整个领域的活跃程度是一个很大的促进。也许我作为普通消费者，哪怕自己不会建模，我可以直接从社区上下载一个下来，哪怕交点小钱，然后再根据我自己的情况稍微改吧改吧，就能打出来了。这是他们打的一个如意算盘。 但是我试了之后呢，发现效果并不是很好，主要有以下几个原因。 第一个是，打印机还是个很难伺候的东西。尤其是比如一些不那么好打的材料，像TPU或者PETG，其实光是给一个模型把它正常地打出来这件事情就不是那么简单。 你需要学一些东西，失败率很高，对小白很不友好。 第二是，我们刚才提到精度是一个问题。 这一方面意味着打出来的手办之类的东西，它很丑，表面有很多层纹。 另一方面也意味着，比如你想要打印一个零件跟你现有的东西相配合，它也需要反复调好几次，没办法期待它一遍成功。 第三个是需求的疲软。其实适合打印机打的东西也就那几种。我打过的最离谱的东西也就是拖鞋了。其他的大都是生活中的小摆件，南瓜灯之类。 刚开始还有比较新鲜，打了几次之后就发现完全是个第一世界问题，然后打印机就在那吃灰。 我对这个还是比较悲观的，即使是作为一个很喜欢DIY的人，我的打印机利用率都不高。我很难想象普通人有什么理由需要比如每个月用一两次他的打印机。 ### 激光切割 聊了一段3D打印，下面我们来看激光切割。 总的来说，激光切割或者说雕刻在技术角度上和3D打印有着根本的不同。但如果我们看得再高层一些，在更抽象的角度上，和3D打印又有很多相似之处。 从技术的角度来说，激光切割和雕刻属于减材制造，和CNC或者说数控机床属于一类。3D打印属于增材制造。 减材制造指的是你拿一大坨材料过来，在它上面打孔、掏洞、雕刻，把它削成你想要的形状。 增材制造指的是刚开始你什么都没有，一点一点像做加法一样，把这个东西给糊出来。 所以你可以看见，它和3D打印之间是有本质的不同的。为什么要强调这个不同呢？ 这是因为制造的方式决定了能做的东西的种类和难易程度。 比如说你想在一个完全密闭的东西中间掏一个洞出来，CNC 是做不到的。 但这种 3D 打印可以做到。 但比如你想要做一个底部没有支撑的东西，在空中突然出一个结构，这个CNC就很容易做到，把下面削掉就行了，但3D打印就做不到。 又比如说，有些东西可能增材减材都可以做，但是难度不一样。像工件侧面有个螺丝孔，这个3D打印基本上打不出来，但是对CNC来说它就是钻一个孔的事情。 所以，因为这个最本质的不同，导致激光切割和3D打印所适合的场景、面向的市场，从制造的角度来说有着很大的不同，这个我们后面再细说。 但是从更抽象的角度来说，你也注意到了，激光切割机跟3D打印机的看起来的长相其实很像的。这就牵扯到另一个制造领域的基本概念，就是轴的概念。 如果你看xTool那种有两个皮带带着激光头在一个平面上来回动的那种型号的话，这种结构叫做CoreXY结构。 它的特点是X轴和Y轴各有一个马达，一个皮带，通过控制这两个马达就可以像打印机一样把这个激光头移到平面上的某一个位置。 而3D打印机无非就是在它的基础上再加了一个Z轴而已。 当然，激光雕刻机也是有Z轴的，但它这个Z轴只是用来对焦的，而在制造的过程中间不会移动。 像这种机械结构叫做CoreXY结构，它在很多低端CNC、3D打印机和激光切割上都有用到。 正是这种共享的机械结构导致了它们三个看起来很类似。 那回到刚才轴的话题，像这种CoreXY结构，你能看见它有两个自由度，X轴和Y轴，像这种叫做二轴制造。 也就是说它只能在平面上打印或者切割一些东西出来。这是一种限制非常大的制造方式。 在此基础上如果我们加上Z轴，这就变成了2.5D。像3D打印机就是属于典型的2.5D的东西。 那为什么叫2.5D而不是叫3D呢？ 原因是它有一个非常大的限制，就是它的Z轴始终是竖直往下的。 这就意味着，比如我要打印一个球体，我就没办法保证打印头和我要打印的形状的法向量永远一致。 它只能从一个非常诡异的角度把材料糊上去。这是为什么3D打印在打球的时候，靠近顶端的时候都会出现层纹的原因。 在这个基础上，如果我们加入一个旋转的机构，让工件可以转起来，这就引入了第四轴。 这个叫四轴，或者也叫三加一轴的，因为那个单独的旋转轴限制仍然很大。 举个例子，xTool的雕刻机可以切换成一个雕刻杯子的东西，它有个机械爪，把杯子抓住，旋转杯子，让激光头在上面进行雕刻，这个就是典型的三加一轴。 那如果再加入一个轴，让那个杯子不仅能沿着轴线旋转，还能沿着其他方向旋转，就变成了三加二轴，或者叫五轴。 这个在CNC里面非常常见，目前也有一些尝试想要把它引入到3D打印领域，但是在激光雕刻的领域还不是很常见。 它的好处是： 第一，可以保证在任何时刻切割头或者打印头跟法线量都是吻合的，没有层纹的出现。当然前提是刀头和工件不遮挡。 第二，很多时候它可以避免支撑的出现，这对于3D打印来说这是一个尤其诱人的地方。 但里面的算法也复杂很多，在CNC领域如何进行五轴编程是一个广阔的工业市场。类似的爱好者级别的软件，在市场上也需要几千美元一年。 ### 激光雕刻/切割的技术挑战 在了解了基本的技术层面之后，我们再来看看它和3D打印之间到底有哪些异同。 之前我们介绍了3D打印所面临的挑战，比如高速打印是一个挑战，不同材料的处理是一个挑战。 但这些对于激光雕刻都不是问题。 原因是，爱好者级别的激光器不太可能像工业生产那样搞个几千瓦的二氧化碳激光器。 它用的激光器功率比较低，这就意味着它需要更长的时间去烧蚀材料。 所以它的瓶颈往往不是在你能不能高速精确地移动打印头上（有例外，下面详细说）。 因为反正你要等这个激光慢慢把东西烧掉。 所以，高速控制对它来说就不是一个问题。 类似的，它也不需要对材料进行处理。 比如，3D打印机对不同的塑料有不同的熔融温度，需要有防潮，保证整个工作腔温度适宜，高度调平等等。 这些对激光来说都不需要，甚至Z轴精度对它来说都不是特别重要。 因为Z轴稍微差一点点对3D打印机来说可能就是翘曲、首层脱落的严重问题，直接导致打印失败。 但是对激光雕刻来说，它也就是光斑稍微大那么一点点，让它烧蚀的速度慢一些，但并不是什么致命的问题。 所以，从技术难度的角度来说，3D打印厂商它的竞争优势没有办法直接地移到激光雕刻领域。 但是激光雕刻领域并不是说它就很简单，它有自己独特的挑战。 首先是光源。 这个主要问题在于，不同材料对于不同波段的光的响应是不一样的。 比如现在最便宜的435纳米左右的蓝紫色激光，它对木材等材料吸收率特别高，所以它很适合用来做木材、三合板之类的雕刻与切割。 但如果对金属来看，它的反射率特别高。所以要不然你就得把它的功率加到巨大无比，要不然就得用其他的波长，比如说1064纳米的红外激光来做。 这是为什么你看市场上的激光雕刻机，它的适应材料往往要不然是针对金属的，尤其是不锈钢的，要不然是针对其他材料的，包括石材、亚克力和木材。 当然，最新的有一些型号出来了两种光源混合的，这个我们后面再说。 第二个挑战是，如果你真的用激光切割机用过的话，会发现它看起来好像很好用，但实际使用的时候全是坑。 一个例子是，当你试图去切割木材的时候，它会冒烟，而且烟特别大。 这烟会带来两个问题。 第一个是，如果你不排出去的话，它在腔室里面累积，会挡住激光，让它的功率急剧降低，作业就失败了。 第二个问题是，如果你排出去的话，在室内的话又会触发火警，在室外的话需要很长的通风管道，包括大功率的风机。不是一件简单的事情。 所以，如何设计这样的工作流也是激光雕刻机的一个挑战。尤其是如果它想从To B走向To C的话，这是一个必须要解决的问题。 ### 技术趋势和市场困境 除此之外，还有三个因素是现在各大厂商在卷的东西。 第一个是卷雕刻速度。注意这个速度指的不是切割的速度，而是雕刻的速度。 这是因为在激光雕刻里面有一个细分市场，比如皮具或者木头的雕刻，它用来做一些纪念品或者企业定制。 它不需要靠激光一点点把材料切开，而只要在上面留一个印子就可以了。在这种情况下，速度确实是变成了一个非常重要的指标。 激光切割/雕刻厂商是怎么解决的呢？它用的是另外一种技术，它不再是那种传统的 Core XY 机构，而是用两个镜子来控制光斑的移动。 控制镜子的偏转比控制一个机械头到处跑要快多了，所以它可以实现数量级上的速度突破。这种激光叫做振镜激光。 但它也有自己的缺陷。第一是它的功率往往限制得比较小。第二是它的打印范围也不会很大。第三是在打印的边缘，激光的入射角度也不再垂直于物体的表面。 这可能会造成功率的降低，或者切割的时候会造成整个切痕的方向不对。 所以，振镜激光有自己的优势和劣势，目前看并没有主导市场，而只是在一个非常细分的雕刻市场中间存活。 第二个潮流是把颜色给打出来。这件事情是个很有意思的东西，因为减材制造一般大家并不会期待会有颜色。 但它的主要原理是，如果你用特殊波段的激光在特定的金属上烧蚀的话，它会形成氧化层。 这个氧化层的厚度不同的时候，它会产生跟光不同的干涉，从而显现出不同的颜色。 这有一些厂商已经发布了一些试验性的功能，但是还没有大规模的铺开，原因是它非常依赖于具体的材料特性，需要很多 trial and error。 第三个潮流是卷智能。传统的激光雕刻的工作流程是这样的：它会用低功率的激光把要打印的位置给画出来，然后你自己拿着要雕刻的工件凑过去，两边对准之后按开始。你也可以看到这个非常低效，尤其是对于 to B 的用户来说，他一下要雕刻十个、二十个，比如小皮具，一个一个对过去太慢了。 所以现在加入了人工智能，智能识别每个工件的位置，以及我们可以用怎样的方式把它放上去。这也是一个卖点。 但不管怎么说，激光雕刻机从市场的角度来说，面临着和3D打印一样的挑战，就是目前主要还是to B市场，to C市场一直打不开。 但是一旦说到to B市场的话，它的竞争对手完全就不一样了。 比如工业生产里有几千瓦水冷的二氧化碳切割机，我为什么要买你这种玩具级别、也没有足够成熟的软件支撑的激光雕刻机呢？ 但如果to C的话，就只能面向比如定制公司纪念品的淘宝店家，而没办法面向最广大的消费者。 因为我作为一个最普通的消费者，没事我在家雕个石头干啥？这是一个我到目前为止还没有看到出路的难题，不论是对激光切割、桌面CNC还是3D打印机都有这样一个问题，它的市场到底在哪里？