3D打印比工業(yè)4.0更能稱得上是革命

　　最近7年間“工業(yè)4.0”這個(gè)詞被廣為流傳。實(shí)際上是聯(lián)邦政府在2011年創(chuàng)造的詞匯，意思是“第四次工業(yè)革命”。但是，它真的能被稱為革命嗎？或者這么說，早在7、80年代工業(yè)生產(chǎn)中就已經(jīng)開始采用例如區(qū)塊鏈等新技術(shù)的背景下，工業(yè)4.0“僅僅”代表了流程和環(huán)節(jié)的加速優(yōu)化，那么我們究竟能否將工業(yè)4.0稱作一個(gè)革命性的里程碑？而從根本上改變了人們制造產(chǎn)品的方式、地點(diǎn)、時(shí)間的3D打印增材制造工藝會(huì)不會(huì)更加符合“革命”這個(gè)詞？越來越多的新型、快速、低成本、高性能的3D打印機(jī)正在進(jìn)入快速發(fā)展的市場(chǎng)，然而依然有很多人并不了解它的影響力。

　　這篇文章第一部分的主題為“為什么工業(yè)4.0不是革命，而增材制造（3D打?。┦?rdquo;，第二部分的主題為“如何以及為什么目前以新的3D技術(shù)為代表的制造業(yè)革命發(fā)展如此迅猛”。

　　為什么“增材制造（3D打?。?rdquo;比“工業(yè)4.0”更值得被稱為“革命”
　　以200多年前的第一次工業(yè)革命中蒸汽機(jī)的發(fā)明為開端，第二次工業(yè)革命的成果是流水線生產(chǎn)的引進(jìn)，第三次工業(yè)革命的成果是計(jì)算機(jī)輔助機(jī)器和工業(yè)機(jī)器人的使用。而工業(yè)4.0作為第四個(gè)大事件，以工業(yè)生產(chǎn)與現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)化信息通信技術(shù)的融合為標(biāo)志。
　　根據(jù)維基百科，智能和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成了工業(yè)4.0的基礎(chǔ)，其中包括了強(qiáng)大的處理器，數(shù)字傳感器和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的完整流程。在這些科技的幫助下，使自組織生產(chǎn)成為可能：“在工業(yè)4.0中，人員、機(jī)器、工廠、物流和產(chǎn)品能夠彼此直接溝通和合作。網(wǎng)絡(luò)化能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化不僅僅是一個(gè)生產(chǎn)步驟，而是整個(gè)價(jià)值鏈。網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)覆蓋產(chǎn)品生命周期的所有階段。“（見維基百科）
　　咨詢公司德勤（Deloitte）認(rèn)為現(xiàn)今的企業(yè)正被迫快速實(shí)施工業(yè)4.0。隨著個(gè)性化趨勢(shì)和快速變化的需求（即不穩(wěn)定的需求），企業(yè)必須通過提高生產(chǎn)靈活度和新的商業(yè)模式來應(yīng)對(duì)。
　　3D打印使工業(yè)4.0飛躍
　　德勤認(rèn)為，靈活、動(dòng)態(tài)和數(shù)字化，是新產(chǎn)品的第一原則，應(yīng)當(dāng)使其直接滲透到最終用戶。某些物品可能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在購(gòu)買時(shí)客戶以前所未有的方式根據(jù)個(gè)人需要定制，同時(shí)伴隨著智能工廠的機(jī)器優(yōu)化和低能耗。使用最先進(jìn)的傳感器，自動(dòng)監(jiān)控磨損情況，完善機(jī)器維護(hù)：工業(yè)4.0意味著通過預(yù)測(cè)性維護(hù)使所有系統(tǒng)達(dá)到最高效率，實(shí)現(xiàn)“零停機(jī)時(shí)間”。
　　舉個(gè)例子，通過互聯(lián)網(wǎng)的在線配置工具來實(shí)現(xiàn)鞋子的個(gè)性化。

　　用3D打印機(jī)制作Adidas跑鞋的鞋底

　　現(xiàn)在甚至“批量化”也是可行的。就在不久前，這種做法還被認(rèn)為是不經(jīng)濟(jì)的。然而，廣泛的數(shù)字化應(yīng)用和智能機(jī)器已經(jīng)使得單個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)從多個(gè)組件發(fā)展到直接產(chǎn)出樣品，比如說使用個(gè)性化生產(chǎn)的3D打印機(jī)。 （詳見德勤，工業(yè)4.0：生產(chǎn)的里程碑?。?br /> 　　只有3D打印機(jī)的增材制造才能夠?qū)崿F(xiàn)“批量化”
　　德勤在文章的論據(jù)中也提到了3D打印，然而并不符合整體背景。正確的應(yīng)該是：
　　只有3D打印能夠使企業(yè)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化量產(chǎn)（批量化）。
　　只要這些企業(yè)還在使用其他生產(chǎn)方法，使用削減法（例如銑削）或成型法（例如鑄造）生產(chǎn)，那么它將完全無法發(fā)揮靈活性，傳感器和網(wǎng)絡(luò)在“批量化”的成本效益方面也無法發(fā)揮很大的作用。制造一個(gè)新的工具需要時(shí)間和金錢。如果一個(gè)工廠必須經(jīng)常地適應(yīng)個(gè)性化需求，其安裝成本和時(shí)間則會(huì)顯著增加。傳統(tǒng)生產(chǎn)方式依然面臨這樣的困境：機(jī)器的優(yōu)化不再有顯著成效，工具和機(jī)器需要超載利用才能實(shí)現(xiàn)最大效益。這就是為什么至今大規(guī)模生產(chǎn)仍然集中在企業(yè)的中心據(jù)點(diǎn)進(jìn)行。比如說寶馬公司摩托車的生產(chǎn)，已經(jīng)超過50年只在德國(guó)柏林這個(gè)唯一據(jù)點(diǎn)進(jìn)行。經(jīng)濟(jì)學(xué)家們不必感到驚訝，因?yàn)樵缭?928年，會(huì)計(jì)學(xué)家休馬倫巴哈在維也納著名的講話中已經(jīng)指出了固定成本的性質(zhì)和影響。
　　3D打印正在改變大規(guī)模生產(chǎn)的規(guī)律
　　3D打印機(jī)在維也納演講時(shí)還沒有被發(fā)明。休馬倫巴哈的觀點(diǎn)是正確的。只有實(shí)現(xiàn)不使用工具和其他機(jī)器的情況下生產(chǎn)一般或加成產(chǎn)品，才能阻斷機(jī)器高利用率和大批量生產(chǎn)的必要性。而在使用3D打印機(jī)時(shí)，產(chǎn)品的同一性不再是成本高低的標(biāo)準(zhǔn)。
　　批量生產(chǎn)vs.大規(guī)模定制：

　　圖片來源：（左）Carlos Delgado，維基共享資源。（右）：Formlabs

　　在同一個(gè)制造平臺(tái)上可以生產(chǎn)出完全不同的模型，而不會(huì)造成每件產(chǎn)品成本的變化。當(dāng)然，3D打印機(jī)的機(jī)器成本也必須折算進(jìn)產(chǎn)品中，成為固定成本。只有在不需要把大規(guī)模生產(chǎn)同類產(chǎn)品的能力發(fā)揮到最極限的情況下，企業(yè)才不會(huì)收到經(jīng)濟(jì)上的壓力。
　　不是工業(yè)4.0，而是3D打印機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)“批量化”和定制個(gè)性化產(chǎn)品。之前三個(gè)所謂的工業(yè)革命都只涉及到削減法加工機(jī)床和工具的優(yōu)化，或者上游和下游流程的優(yōu)化。
　　從這個(gè)意義上說，至今為止并沒有四次，而只有一次工業(yè)革命。人們可以把之前的成果歸納為工業(yè)革命的第一階段。蒸汽機(jī)發(fā)明后工業(yè)領(lǐng)域取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步，之后便進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代，即大規(guī)模生產(chǎn)總是更加高效，即便在產(chǎn)品創(chuàng)新的時(shí)候。
　　古典經(jīng)濟(jì)學(xué)的創(chuàng)始人亞當(dāng)·斯密在他的主要作品《國(guó)富論》中給出了工業(yè)革命的第一階段的理論模型。在第一章中，他以生產(chǎn)大頭針為例，說明了分工的作用。如果不使用特定的機(jī)器來進(jìn)行大頭針生產(chǎn)中的某一項(xiàng)工藝，那么一個(gè)沒有接受過這門手藝培訓(xùn)的工人“肯定無法造出二十根針，甚至一根都無法完成”。然而，在一個(gè)小型的專業(yè)制造工廠里，總共十名工人可以在一天內(nèi)生產(chǎn)48000個(gè)大頭針，也就是每個(gè)工人每天生產(chǎn)4800個(gè)。 “而進(jìn)行勞動(dòng)分工的結(jié)果——所有行業(yè)的這種巨大的效率增長(zhǎng)，給國(guó)家?guī)砹朔睒s，這一點(diǎn)即便是最低階層的人民也能夠切身感受到”（《國(guó)富論》第一章，亞當(dāng)·斯密：關(guān)于國(guó)家繁榮：對(duì)本質(zhì)及原因的考察”，1776年，另見維基百科）。
　　而工業(yè)革命的第二階段，應(yīng)當(dāng)為增材制造和3D打印，因?yàn)樗勾笠?guī)模個(gè)人定制成為可能，并從根本上改變了生產(chǎn)方式、方法、時(shí)間、地點(diǎn)以及由誰生產(chǎn)。
　　隨著3D打印機(jī)的使用，傳統(tǒng)的勞動(dòng)分工的優(yōu)勢(shì)就顯得過時(shí)了。增材制造中，產(chǎn)品的同一性不再擁有節(jié)約成本的優(yōu)勢(shì)，而不同一性也不再成為影響成本的劣勢(shì)。在同一個(gè)制造平臺(tái)上，可以制作各種各樣的別針、紐扣或更多不同的東西。換句話說，在亞當(dāng)·斯密出版國(guó)富論的238年后的現(xiàn)在，是時(shí)候發(fā)展一種新的生產(chǎn)理論了。請(qǐng)看下圖。

　　3D打印帶來的變化比工業(yè)4.0更為根本
　　就像剛才描述的那樣，3D打印可以幫助工業(yè)4.0飛躍，實(shí)現(xiàn)所謂的個(gè)性化大量生產(chǎn)或大規(guī)模定制。但3D打印帶來的成果遠(yuǎn)不止于此。每個(gè)工業(yè)公司都有一個(gè)加工深度的問題。在決定“自己生產(chǎn)還是購(gòu)買”時(shí)，企業(yè)需要有更多的其他選項(xiàng)：除了這個(gè)問題“是自己生產(chǎn)還是直接購(gòu)買”以外，還有“能否通過增材制造過程來取代某些傳統(tǒng)的產(chǎn)品”以及“是否自己投資3D打印機(jī)或者使用外部的服務(wù)供應(yīng)商”的選項(xiàng)。如果一個(gè)企業(yè)能夠自己制造3D打印機(jī)，那么它將擁有更多的市場(chǎng)能力。這是一個(gè)復(fù)雜的組合，我們必須要從成本的角度考量所有單個(gè)產(chǎn)品的不同制造工藝的“盈虧平衡點(diǎn)”。

　　對(duì)于比如AUMAT公司（索林根）等機(jī)器制造商來說，每天都面臨著自己制造還是外部購(gòu)買的問題。事實(shí)上，機(jī)器中的部件正越來越多地來自他們自己的3D打印機(jī)。
　　我又要舉這個(gè)例子：兩年前，空客的子公司Apworks用金屬3D打印技術(shù)制造出了一款重達(dá)35公斤的電動(dòng)摩托車——Light Rider，驚艷了世界。我之前提到過，寶馬曾經(jīng)是德國(guó)50年來唯一的摩托車制造商。而現(xiàn)在，一家飛機(jī)制造商，就能夠使用3D打印技術(shù)制造摩托車，打印能力達(dá)到500份。

　　曾經(jīng)這是摩托車制造商的專利，如今空客公司能用3D打印機(jī)制造出500臺(tái)。

　　3D打印的摩托車展示了這種新型制造技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中的影響范圍。即便以前不是此行業(yè)的供應(yīng)商現(xiàn)在也可以利用3D打印機(jī)的多樣性優(yōu)勢(shì)，來征服全新的市場(chǎng)。然而，3D打印的優(yōu)勢(shì)不僅是能夠個(gè)性化生產(chǎn)，它還能夠給設(shè)計(jì)師和建模師提供更多的自由來制作更好的產(chǎn)品。由鋁合金制成的Light Rider車架僅重5公斤。3D打印實(shí)現(xiàn)了車輛行業(yè)的節(jié)源與輕量化。像空客這樣的飛機(jī)制造商明白這一點(diǎn)，所以他們并不只是簡(jiǎn)單的“增材制造先驅(qū)者”。更加長(zhǎng)遠(yuǎn)的想，上述“摩托車”很快就會(huì)被經(jīng)銷商應(yīng)用到打印符合每個(gè)騎手身材的機(jī)車。3D打印可以使產(chǎn)品生產(chǎn)在任何你需要的時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行。甚至在擁有一臺(tái)3D打印機(jī)的國(guó)際空間站ISS里，當(dāng)宇航員需要某種工具時(shí)，只需要打印出來。

　　這個(gè)工具模型是被美國(guó)航空航天局NASA發(fā)送至國(guó)際空間站ISS，并通過車載3D打印機(jī)現(xiàn)場(chǎng)制造的。 

　　通過這個(gè)例子顯示，倉(cāng)儲(chǔ)和長(zhǎng)途運(yùn)輸已成為歷史。3D打印機(jī)可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)生產(chǎn)。運(yùn)動(dòng)鞋制造商阿迪達(dá)斯通過3D打印機(jī)把生產(chǎn)線帶回德國(guó)：在阿迪達(dá)斯的Speedfactory工廠里，能夠基于客戶腳部的3D掃描生產(chǎn)出適合這個(gè)客戶的鞋底。這又是“批量1”的要求。
　　這些巨大的變化正在改變整個(gè)行業(yè)、市場(chǎng)以及基本的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。如今，在諸如Thingiverse或MyMiniFactory這樣的3D模型平臺(tái)上，顧客可以從幾百萬個(gè)3D模型中選擇自己想要的模型，在幾秒鐘內(nèi)就能下載并用自己的打印機(jī)或是服務(wù)供應(yīng)商打印出來。您可以從例如3Dhubs或Treatstock這樣的3D打印平臺(tái)上尋找服務(wù)供應(yīng)商，全球有數(shù)以萬計(jì)的私人工廠和大公司提供這樣的3D打印服務(wù)。如果增材制造的技術(shù)繼續(xù)發(fā)展下去，如果3D打印機(jī)變得更便宜、更快、更好，那么所謂“民主化生產(chǎn)”將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。
　　如何以及為什么制造業(yè)革命通過新的3D技術(shù)獲得動(dòng)力？
　　新的3D打印技術(shù)必須符合下面三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：更好、更便宜、更快。許多跡象表明，這些標(biāo)準(zhǔn)可以比人們所期望的更快實(shí)現(xiàn)：
　　創(chuàng)新的3D打印工藝和材料帶來更好的結(jié)果
　　增材制造一直具有能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)工藝無法生產(chǎn)的幾何形狀的優(yōu)勢(shì)，但也總是收到批判，例如組件的強(qiáng)度、外觀以及生產(chǎn)的可重復(fù)性。如今越來越多的新的3D打印工藝、新材料和新軟件上市，這一方面意味著上述要求的相比追趕，另一方面也使整體的技術(shù)進(jìn)步成為可能。比如說在材料領(lǐng)域，美國(guó)制造商Markforged公司的3D打印機(jī)可以處理碳纖維或凱夫拉爾（Kevlar）等復(fù)合材料，并且具有類似鋁的穩(wěn)定性?；蚴堑聡?guó)制造商Apium公司，該公司可以提供高性能聚合物PEEK的3D打印機(jī)。這種材料耐熱達(dá)300度以上，可用于人體植入。

　　新的3D打印工藝總是帶給人們驚喜。直到不久前，全彩打印機(jī)（ZPrinter， 3D系統(tǒng)）還只是用于聚合物石膏的領(lǐng)域。然而自去年開始，Stratasys的J750打印機(jī)使用了多色噴墨技術(shù)，能夠達(dá)到360,000種顏色，甚至可以組合打印不同的材料，提供了前所未有的質(zhì)量。

　　J750：不同顏色和材質(zhì)的3D打印藝術(shù)。

　　現(xiàn)在已經(jīng)有了第一臺(tái)臺(tái)式多色3D打印機(jī)。電腦巨頭蘋果公司緊跟其后。
　　永遠(yuǎn)的關(guān)注焦點(diǎn)：金屬
　　金屬3D打印機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)是九十年代在亞琛被發(fā)明的基于粉末床的工藝（DMLM = Direct Metal Laser MelTIng）。除此之外也有全新的工藝。值得一提的是柏林Gefertec公司的3DMP工藝，采用電弧技術(shù)，用堆焊的方法生產(chǎn)出由不同金屬制成的大型工件。以色列制造商XJet和其專利NanoParTIcle JetTIng （NPJ）技術(shù)也是非常引人注目，該技術(shù)不僅可以制作金屬，還可以制作陶瓷。不僅如此，所謂的以前用于加工塑料如ABS和PLA的FDM（熔融沉積造型）工藝，現(xiàn)在也可用于金屬。Desktop Metal和Markforged這兩家制造商因此成為了有潛力的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。

　　使用FDM技術(shù)進(jìn)行3D金屬打印

　　即使在3D打印之后仍需要額外的工藝（比如燒結(jié)），這種工藝也將迎來3D金屬打印的新時(shí)代。而傳統(tǒng)金屬加工業(yè)則需要密切關(guān)注增材制造的發(fā)展。3D打印技術(shù)引起的工業(yè)革命并不止于金屬工業(yè)。
　　新的速度記錄
　　如果您使用3D打印機(jī)，通常會(huì)希望東西更快打印完成。大部分節(jié)約時(shí)間成本的嘗試都是以犧牲質(zhì)量作為代價(jià)的。與比如說注塑成型工藝相比，3D打印的速度就像一只“蝸牛”，盡管人們始終也知道，創(chuàng)造模具也需要成本和時(shí)間。盡管如此，快速的打印工藝對(duì)于個(gè)性化大規(guī)模生產(chǎn)來說無疑是一件幸事。
　　Carbon3D公司創(chuàng)始人約瑟夫·德·西蒙在2015年的TED演講中第一次提出了“速度噪音”，演講題目是《如果3D打印速度快100倍？》。在10分鐘的演講中，名為M1的3D打印機(jī)打印出了一個(gè)約10厘米的物體。與此同時(shí)，阿迪達(dá)斯今年已經(jīng)購(gòu)買了50臺(tái)設(shè)備，一年內(nèi)能夠生產(chǎn)10萬雙個(gè)人定制的運(yùn)動(dòng)鞋。

　　Carbon3D：快100倍

　　UNIZ在美國(guó)的發(fā)布中顯示了光固化工藝目前取得的最快成績(jī)。在Kickstarter的推廣活動(dòng)中，采用LCD（SLA）技術(shù)的zSLTV-T能打印尺寸為52.1x29.3x65.1厘米，速度為7000cc/小時(shí)（固體）和56000cc/小時(shí)（包絡(luò)速度），可以在不到五分鐘的時(shí)間內(nèi)制造20個(gè)牙科模型。
　　如果這還不夠快，未來3D打印將不是在數(shù)分鐘或數(shù)小時(shí)內(nèi)完成，而是只需幾秒。勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室最近發(fā)布了一項(xiàng)新技術(shù)，可以在數(shù)秒內(nèi)用全息光場(chǎng)生成完整的三維形狀。研究人員通過照射在裝有樹脂的容器上的總共三束激光束，生成要打印的物體的3D光圖案（全息圖），然后在短短的10秒內(nèi)完成其結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建（閱讀更多...）。快速大批量定制不僅可以通過打印速度更快的打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)，也可以通過同時(shí)使用多臺(tái)設(shè)備以及通過設(shè)備的自動(dòng)化來實(shí)現(xiàn)。SLA-Desktop Pionier Formlabs希望通過他們的Form Cell打印機(jī)來做到這一點(diǎn)。

　　用于大規(guī)模定制的Form Cell

　　增材制造的成本正在全面下滑
　　專利權(quán)的過期往往是新競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手出現(xiàn)和打印機(jī)價(jià)格下滑的觸發(fā)因素。現(xiàn)在有許多3D打印工藝專利已經(jīng)過期，這帶來了顯著的后果：
　　剛剛文中引用的第一臺(tái)全彩3D打印機(jī)“達(dá)芬奇色彩”價(jià)格只要3600歐元，而能夠打印大型物品的FDM 3D打印機(jī)，在中國(guó)只需要幾百歐元就能買到。新型FDM 3D打印機(jī)也在金屬行業(yè)內(nèi)大幅降價(jià)。
　　新的3D金屬打印工藝也是如此，有一部分甚至比傳統(tǒng)的粉末床基工藝便宜許多倍。
　　在所謂的SLA（立體平版印刷）工藝領(lǐng)域，F(xiàn)ormlabs公司已經(jīng)使得SLA印刷成本不再高不可攀，這對(duì)于特別是牙醫(yī)和珠寶商來說是個(gè)令人振奮的好消息。
　　我之前提到的制造商UNIZ，其生產(chǎn)的快速設(shè)備不僅能提供良好的外觀質(zhì)量，而且使用起來非常方便。在5分鐘內(nèi)可以生產(chǎn)20個(gè)牙齒模型，且機(jī)器的價(jià)格低于10000歐元。生產(chǎn)專業(yè)，價(jià)格低廉，這個(gè)結(jié)果是顯著的。
　　到目前為止增材制造只有在一些行業(yè)中發(fā)展起來，在這些行業(yè)中，它們的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)非常明顯地體現(xiàn)出來了，比如說醫(yī)療行業(yè)（人體植入物，矯形器，助聽器）和航空工業(yè)（輕量化）。隨著打印成本的下降，未來3D打印將覆蓋大部分的制造業(yè)。
　　通過增材制造，必要的資本支出將會(huì)越來越少。但是，如果所有企業(yè)都能用更低的成本進(jìn)行生產(chǎn)，那么競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)將會(huì)體現(xiàn)在其他領(lǐng)域。未來產(chǎn)品的價(jià)值將更多地取決于產(chǎn)品理念、功能、設(shè)計(jì)和材料。