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3D技术的增量制造

更新日期:2013-01-05

GE公司的医疗部采用3D打印技术打印超音波医用扫描器,而它的航空部则收购3D打印企业Morris Technologies,采用激光烧结技术(laser sintering)为它的喷气发动机打印部件,并计划在将来打印出整台发动机。其他如空客则用它打印风洞测试的部件,而波音的F-18战机上也采用若干打印的部件。据专家预测,到2020年,打印出的成品将占产品生产总量的50%。

在技术创新上,2012是很特殊的一年。在这一年里,3D打印和云计算这两大技术革命开始进入主流市场。它们将从根本上颠覆现有的市场格局和技术惯例,就如同当年个人电脑和互联网的出现一样,引起翻天覆地的朝代变革(paradigm shift)。所有企业都会直接或间接地受到这两大技术浪潮的冲击。

所谓技术朝代(technology paradigm)就是围绕某个核心技术平台而形成的企业与用户群。它有宏观和微观两个层面。以电脑技术的发展为例,从1970年代到现在经历了四次宏观朝代变革,如主机,个人电脑,网路(network)和内容(content)。微观层面的变革就更加频繁,如DOS操作系统到视窗,桌面电脑到移动平台,英特尔诸多升级版的微处理器等。

每次朝代变革都会引起一个产业的重新洗牌。因为这种变革都会造成产品核心效能的根本变化(如主机的核心效能是功能强大和速度快,而个人电脑则是低价易用)。现有企业虽在传统效能上可继续保持优势,但在提供主流用户需要的新效能上却远远落在新兴企业的后面,而最终被边缘化甚至被淘汰。新一代企业也从此崛起,开创一个新时代。

正因为此,企业的兴衰往往都直接和朝代变革相关,在高科技产业更是如此。曾经称霸天下的黑莓,惠普,诺基亚,微软和思科等在近年的平庸表现及百年老店柯达的覆灭,都是因为没能有效应对朝代变革带来的挑战。但与此同时,亚马逊,苹果,谷歌及新兴企业如ARM和Salesforce.com等也正是准确地把握住了朝代变革的脉搏而变得更加强大。所以,朝代变革从来都是一把双刃剑,给企业同时带来了危险和契机,而如何应对朝代变革决定企业的兴衰。

“点击”制造

毫无疑问,在2012年大行其道的云计算不但会颠覆现有IT产业的格局,而且会给人类生活带来深刻变化。此项技术将计算及存储能力放置于云端,即互联网平台,而不再依赖于特定硬件平台,从而极大地降低了IT资源的成本,同时将它的运算存储能力几乎无限地扩大,而且在不远的将来还可以随时随地借助任何平台如桌面墙壁等使用之,比水电还方便。现有技术朝代的主流企业,如微软,甲骨文,SAP,IBM,惠普,思科等都会首当其冲,被这一新技术浪潮冲击甚至摧毁,而新一代企业则会蓬勃崛起。

和云计算相比,3D打印对于全球经济格局的颠覆性更为巨大。3D打印,又称为增量制造(additive manufacturing),就是通过打印机打出而非加工出各类日常与工业产品。其实,这种技术在工业界早有应用,用于打印样品等。但因为它成本高(工业打印机价格可高达100万美金),而且在应用范围和性能上和传统制造方法仍有不小差距,一直都在前卫的小众空间如大工厂,科研院所或若干个人技术发烧友中默默存在。但近年来,此项技术飞速发展,性能显著提高,而且成本大幅降低,已有走出小众空间向主流市场扩散的势头。

目前这项技术已被用于打印玩具,鞋具,珠宝,体育用品,医疗用品,电池,汽车部件等。3D技术能够颠覆现有加工制造业是因为它无可比拟的优良性能。首先,成本低,可将材料使用率降低到10%。其二,速度快,不需加工和安装环节,可一次成型为原样整机(original machines)。其三,真正实现大规模个性化生产(mass customization)。其四,性能优化,因为没有加工制造的限制,可打印出真正优化的产品形状和结构。其五,灵活度极高,可随时按照需要改变设计。其六,轻便而节能,实现绿色加工。其七,门槛低,任何人都可以介入产品生产领域,而且开发新产品风险低。其八,管理方便,不需库存和生产线,而且不再需要物流和运输。

正因为此,此技术将继蒸汽机,生产线后引领第三次工业革命。在不远的将来,消费者可从网上下载产品的设计,在家中或到当地专门的3D打印中心打印出来。大多数传统的工厂将不再需要。此技术也消除了人工和规模经济的优势,产品成功不再依赖成本和规模,而更靠质量和创意。留存的工厂也将彻底数字化(digital production plant),进入点击制造的时代(click to manufacture)。其实此技术不仅是打印产品,更重要的是,它将创造产品的过程极其简化,而使每个人都能够参与其中,并利用网络分享创意,让创新上升到一个前所未有的高度,因此又称为个人制造革命(personal manufacturing revolution)。

深度变革

在此技术革命中,旧的规则和力量将被摧毁,新的秩序和势力则会兴起。朝代变革不可避免。目前已有诸多新兴企业在积极开拓这个新领域,如3D打印机生产商,德国的EOS,美国的Stratasys,3D Systems和MakerBot,3D技术应用商,Within Technologies(医用人造骨骼等),Digital Forming(手机等),3T RPD(变速箱等),Harvest Technologies(软硬同体的橡胶材料等),Optomec(在玻璃塑料等材料上直接打印电路),和飞利浦的分离公司Shapeways(利用各种材料如不锈钢,塑料,石料等打印诸多产品)。还有专门开发3D打印软件的Geomagic等。传统大企业如理光也正在开发能够打印电子部件的新型打印材料。

我国是制造业大国,3D打印技术对中国诸多企业将是颠覆性的。我国企业必须未雨绸缪,积极为迎接此技术革命做好准备。首先,要摒弃消极保守的心态,不能安于现状,漠视危机,采取观望的态度,而要有眼光和魄力,敢于投身于此新产业,而且要马上开始投身于此。另外,要充分意识到应对朝代变革的唯一方法就是全方位进行深度变革。企业如同生物体,而朝代变革就是生存环境的根本变化,企业若不彻底改变则无法继续生存。所以,在应对此技术浪潮时,并充分做好放弃自身现有资源和技术的准备(cannibalization)。

具体来讲,对现有制造型企业而言,其一,要改变产品,如研发现有产品的数字版及3D打印所需相应的硬软件。其二,要改变制造过程和方法,首先将现有制造系统智能化自动化,并引入3D制造系统,形成复合体系。现有技术不会完全消失,杂交制造体系在今后将会长期存在。英国Cybaman Technologies开发的the Replicator就是一个复合系统,将3D的增量和传统的减量制造(subtractive manufacturing)结合。其三,要改变商业模式。这一新工业革命要求完全不同的价值获取与盈利模式,及相关的流程设计,资源配置和组织机构的形式。

而对新兴企业而言,首先要选择一个合理的产品空间打入。3D领域有应用,硬件,软件,打印材料,服务与设计等方面。单纯是打印材料开发就前景广阔,如碳酸纤维材料,微生物材料和低价且环保的塑料及其他回收材料等。另外,任何一个新技术朝代都要跨越鸿沟(cross the chasm)才能被广泛接受,而完成此跨越的桥梁就是核心应用(killer app),如轻而强,且有复杂的内部结构的人造骨骼是3D制造的一个核心应用。企业应尽快找到类似的应用领域,推出诸多的颠覆性产品,其次,这一新技术时代将需要新一代的工程师,他们将采用完全不同的思路和方法进行产品的设计开发和制造。中国各大院校要尽快开设相关科目,为新技术时代的到来准备人才。

3D打印是一股强大而汹涌的技术浪潮,它将彻底改变人类的生产方法和国家之间的强弱格局。根据麦肯锡全球研究所(McKinsey Global Institute)的一项报告,在此新技术时代,制造业将向发达国家回流,发展中国家的人力资源优势,规模经济优势和物流优势将会逐渐成为昨日黄花。今后发达国家在产品制造的总量上可能继续减少,但在总值上会持续增加。更重要的是,在开拓此新领域上,发达国家仍占有明显的优势。毫无疑问,此技术革命对我国将是一个严重的挑战,同时也提供了一个良好的契机。中国企业必须高瞻远瞩,快变敢舍,将产品创新,制造创新和商业模式创新紧密结合起来,实施三位一体的复合型创新。如果不如此,我们必将在这新一轮工业革命中被发达国家又远远地抛在了后面。