2.2 3D打印面临的挑战
任何一项变革现在都会面临许多各种各样的困难和挑战，3D打印的未来可能未必会像本书中或者某些人所描绘的那样前途光明。虽然，由于3D打印自身的种种优势，让它得到众多关注，并认为是制造业的未来，但我们也必须清醒地在“未来”后面加上“之一”。
纵观人类整个科技史，还从来没有任何一项技术，自一诞生便让所有人都相信它会改变世界并带来变革。每次都是当一部分科技先驱解决了一个又一个问题，征服了一个又一个挑战之后，世界才会愿意为其而改变。
2.2.1 技术层面
3D打印技术虽然在近些年取得了巨大进步和长足发展，也得到了众多行业的接纳和肯定。但在技术层面，有关材料、工艺、设备和应用等方面的挑战及困难依旧存在。
2.2.1.1 工艺条件
工艺条件一方面是指工艺控制。即为使机器之间的连贯性、重复性和统一性得到显著提升，需要借助一系列内部过程监控和闭环反馈的方法。需要从整个工艺过程的角度，认真审查原位传感器，以此来提供无损性评估，并使之能够进行早期缺陷检测，特别是与热能控制有关的缺陷检测。一个好的流程控制将可以显著减少设备故障时间，而这是目前许多3D打印设备和工艺面临的主要问题。
工艺条件另一方面是指设计师在建模过程中便应全面掌握工艺，需要对设备参数和材料性能（如表面粗糙度和疲劳性能）有十分清楚的概念，这些都需要为3D打印工艺创建完整的物理模型。除此之外，还需要更好地理解基础物理学，将有助于创建预测性模型，使设计师、工程师、科学家和用户能够预估零部件在设计过程中的功能特性，并调整设计使结果达到预期。
对于直接零部件生产而言，依然面临4个方面的技术挑战（图2-3）。
图2-3 3D打印技术工艺不够完善
（1）变形开裂：导致其发生的原因主要是热应力控制不好、容易变形，控制变形又容易开裂。
（2）内部质量：力学性能低，无法承受住疲劳、高温等。
（3）技术标准：标准对任何一个新技术产业来说都是很重要的。
（4）成套装备：缺乏大型装备（如真空炉，目前欧洲已具有30t的真空炉），只适合做小型零件激光快速成型。
2.2.1.2 材料可用性
3D打印技术最关键的革新并不在于其技术本身的突破，而在于它对传统制造思想的颠覆。其发展的最关键因素不在于机械制造，而在于供打印原材料的研发。用于3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、丝化、粉末化，而打印后又必须能够重新结合起来，目前能稳定满足这些要求的材料很少，并且制造材料的工艺要求又极高。
现在可供人们选择的3D打印耗材非常有限，市场上常用的耗材多为石膏、塑料、可黏结的粉末颗粒、光敏树脂、沙土等，往往在精度、复杂性、强度和质感等方面都难以达到人们的理想要求。目前大多只能用于一些简单的制作，例如模型、玩具等轻工业民用产品领域，这离完全“打印”汽车、肾脏还有相当长的路要走。而且，即使耗材研发成功，规模化生产、材料配比等都是值得思考的问题，简而言之，耗材在3D打印技术应用和发展中的作用是至关重要的。
但许多企业和技术人员已经认识到并开始逐步解决这些问题。现今，材料的发展前景已渐渐清晰，可供打印的耗材开始逐步从树脂、塑料扩展到陶瓷、金属，乃至最新的金、银以及强度极高的钛和不锈钢等（图2-4）。在3D打印制造中，已出现大量的同质与异质材料混合物，但对于3D打印的巨大应用前景和市场的期待而言，这些还远远不够，仍然需要开发更多的材料。这其中，包括更好地掌握材料的加工、结构、属性之间的关系，以及各种优点和局限性。
图2-4 目前的工业产品大多由众多不同特性的材料构成
除此之外，为了帮助扩展可用材料的种类，还需要开发相应的质量测试程序和方法。另外，还需要为材料提供力学性能数据的规范性标准，以及由这些材料性能制成零部件更加详尽的规范信息。工程师和设计师在没有充分认识材料属性之前，是无法将其用于具体的实际应用的，所设计的零部件都只能停留在模型层面。目前为满足基本的使用，很多3D打印技术所需要的工艺和材料都已经开始着手研发，但相比传统工艺生产的成品仍有不小的差距。因此，需要研究机构和系统与材料制造商的共同参与，建立全面的规范标准需要细致地整合已有资源。
2.2.1.3 设备要求
对于3D打印设备，一方面需要建立设备认证标准以及通用通信接口。设备认证标准可以帮助实现机器到机器以及部件到部件的可重复性。目前，3D打印行业在这一方面发展非常滞后，缺乏严格、完善的行业规范和技术标准，迫切需要政府或行业协会的资格审查程序来规范行业，以使得整个行业能够更加规范、健康地发展。因此，应尽可能对一些必要的程序和流程进行简化，以帮助不同行业的参与者都能够非常便捷地获取3D打印设备所需的各种标准数据。
另一方面是设备的模块化。在不同厂商的3D打印设备中，绝大多数都采用封闭式架构的控制器以及设备模块，这使得用户测试新的上游铸造程序、新型材料都变得非常困难。开放式的架构控制器和可重构设备模块将使制造和二次研究更加灵活，这方面可以参考计算机数控系统（Computer Numerical Control，CNC）的发展模式（图2-5）。
图2-5 除了3D打印机本身，还需要扫描仪等各种配套设备
2.2.1.4 设计工具及技能
3D打印技术在运用计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）工具上，相比传统制造和打印技术有广泛和更深刻的需求。对于零部件制造等专业领域，需要新的工具来优化形状和材料性能，并同时设计复杂的点阵结构，以最大化地减少材料的使用和浪费。而为了非专业性市场，最新出现一些基于网络的新设计工具为非专业人员提供了很大的便利，使其得以便捷地设计、获取满足其需求的产品。同时，全新的基于互联网的协同设计环境，也可以为专业设计师和初级用户协同工作提供技术支持，这些都将有助于开创新型的个性化设计协作模式。
人们对创造、创新的内在渴望恰好是3D打印的精神本源，而技能一直是“创客”成长过程中的最大障碍。因而，技术的推广必须要能够将少数人的技能，发展成为大多数人都能掌握的技能。所以，建模软件需要学习，对目标产品的了解，这些都是必须掌握的基础内容。而在设计环节之后，和相关人士建立联系、计算产品的市场需求也是需要的。要使每一位设计者都能够参与到漫长的产品链之中，这是非常困难的，因此一方面需要对制造业进行革新，另一方面参与人员的技能掌握也是一项重要的挑战。
2.2.1.5 知识产权的挑战
开源创新一直都是创客运动的标志性大旗，一项产品的设计从最开始便向大众开放，任何人都可对设计进行修改，这些都极度依赖集体自发奉献的智慧。而这同中国人推崇的山寨式生产不谋而合，这种生产方式也在客观上推动了我国的创客革命。但商业社会的现实却是，苹果、三星靠专利取胜，并获取整个行业99%的利润。而山寨机只能靠价格取胜，虽占据巨大的市场份额，但竞争力匮乏。创客所推崇的极端开源精神，跟商业社会注重知识产权保护的传统格格不入。
除此之外，开源的弊端和危险也是客观存在的，3D打印要想为整个社会带来变革式的发展，技术的创新和市场价值的赢得都是不可或缺的支柱。因而，通过合理的法律法规以及兼顾各方利益的平衡机制，来实现开源共享与产权保护，才能为整个行业的健康有序发展提供基础。
2.2.2 市场层面
不管你有什么突发奇想，只需使用三维绘图软件绘制出来，然后输入3D打印机进行打印便可以变成现实，这将是一种“或将无所不能”的神奇产品。也正基于此，国务院参事、友成基金会常务副理事长汤敏认为，“3D打印机是第三次工业革命最具标志性的一个生产工具，这种数字化的制造与新能源、互联网等构成了第三次工业革命。它将会取代传统制造业所用的各种各样的传统加工机械，颠覆性改变制造业的生产方式，最大的特点是不再需要大规模的流水线制造。”但要实现如此美好的愿景，被整个社会所接纳，面对的市场挑战也是巨大的（图2-6）。
图2-6 全球3D打印设备安装比例（数据来源于Wohlers Report）
2.2.2.1 消费集中，个性化需求未能释放
目前消费者对个性化产品的需求并未得到全面释放，消费行为比较集中，局限于几种，从而导致长尾理论的尾部商业价值不大。长尾要得以存在需满足以下三个前提。
（1）热卖品向窄众、细分、利基市场的转变。
（2）经济发展到富足阶段。
（3）众多小市场聚成一个大市场。
但不管在网店还是实体店铺，消费行为在大多数时间内都是趋同的，每个卖家都希望其产品成为热卖商品，而不是处于长尾的尾部。并且实体世界并不存在“无尽的货架”，中间商或许可以通过大量的尾部商品实现利润，但对于生产商而言却不是如此。同时，即使在长尾形成后，也会面临选择过多的困难，要在鱼龙混杂的市场里为每个消费者挑出合适的商品，此时需要一个强力过滤器来筛选。
长尾面临的最大挑战是：消费行为过度集中，导致长尾的尾部缺乏商业价值。长尾并不能帮助商家很好地获得利润，因为尾部可能会极其扁平，里面充斥着各种冷门产品，而这些产品不过是消费者偶尔的消遣，并不是消费的主流。事实上，消费者在消费时往往会有从众心理，对热门产品的热情总是持续上升的。
2.2.2.2 生产率低，成本高
3D打印机的成本相对而言已经降低了很多，但单个商品的制造成本却依然没有得到很好地解决。使用3D打印机制造商品，一个跟一万个成本没太大的差别。单独制造一件商品的成本，要比大生产企业制造一万件商品后均摊到每一件商品的成本高出很多。消费者都是喜欢价格低的，如何说服他们不去选择价格更低且质量更有保证的那个，这是一个艰难的问题。
再者，3D打印前期需要大量投资，但是利润却不尽如人意，并且也无法规模化，这些条件使得吸引资本力量大规模加入变得很困难。在可预见的将来，3D打印技术也不可能在短时间内取代传统的机械加工。
2.2.2.3 卖家缺少参与动力
重复制造与标准化是大规模生产的内在优势，而3D打印技术却恰恰相反，更适合于个性化与定制化生产（图2-7）。这一生产方式同现今互联网商业模式中的C2B非常相似，都是以聚合消费者需求为导向的反向商业模式。但这一模式面临用户需求不可控制等特点，如果总是无法获取大规模的需求，企业很容易因为资金断裂而破产。而且，普通企业和个人想在C端组织和完成需求的聚合，也是十分困难的。
图2-7 个人和商用3D打印机对比（数据来源于Wohlers Associates）
虎嗅网曾在《垂直电商对C2B说NO》一文中指出，C2B模式要获取成功必须具备以下三个前提条件。
（1）有利润支撑，依行业而定。
（2）核心是控制供应链。
（3）客户获取成本一定要低，因为C2B会损害卖家利益。
目前众多的3D打印应用中，都没有发现存在很好地满足这些先决条件的情况，因而要想获取商业上的成功、市场的认可，还有许多工作要做。
2.2.2.4 缺乏大平台
《连线》杂志前主编安德森认为，定制和小批量生产才是制造业的未来，这恰恰和马云希望平台上企业“小而美”的理念不谋而合。早在2008年，马云就提出了个性化定制这一概念，其中的潜在含义就是小批量、多品种。阿里巴巴也如马云所说，一直是国内最积极宣传C2B预售概念的电商。阿里旗下的天猫以预售的模式，以销定产、零库存，先聚合需求完成销售，之后再围绕目标进行高效的供应链组织。
但市场貌似尚未准备好，例如淘宝双十二C2B试验就是一个证明，1403万买家向110万卖家发出优惠信号，1012万个宝贝响应，双十二当天有1.5亿买家来淘宝，但是阿里却未按照惯例披露最终成交额。从事前的公关稿满天飞到现在的冷处理，说这是一场虚张声势的C2B也不为过——结果太散，营销点不足，没能真正大面积触动消费者。
工业社会的一个特点就是规模经济，但C2B却反其道而行之，现今也只有淘宝天猫这样拥有庞大用户和雄厚资源的大平台才有机会参与。因此，在有限的商业想象力、缺乏大平台的支持之下，要想将3D打印做成一个大产业是很困难的。
2.2.2.5 消费体验差
消费大多是冲动性的，但3D打印的缺点之一恰恰就是速度慢。在制造之前需要建模，使得设计离生产太远，这个漫长的生产周期就会使一大群消费者失去兴趣。即使可以快速响应，与同类产品相比，其高昂的成本和粗糙的精度也是另一群消费者放弃它的原因。另外还有一个值得关注的点是，消费者大多数情况下可能并不知道自己真的想要什么，配合设计和制造公司完成个性化定制就更是扯远了。