为什么工业 4.0 不是革命,而 3D 打印是

最近 7 年间“工业 4.0”这个词被广为流传。实际上是联邦政府在 2011 年创造 的词汇,意思是“第四次工业革命”。但是,它真的能被称为革命吗? 或者这么说,早在 7、80 年代工业生产中就已经开始采用例如区块链等新技术的 背景下,工业 4.0“仅仅”代表了流程和环节的加速优化,那么我们究竟能否将 工业 4.0 称作一个革命性的里程碑?而从根本上改变了人们制造产品的方式、地 点、时间的 3D 打印增材制造工艺会不会更加符合“革命”这个词?越来越多的 新型、快速、低成本、高性能的 3D 打印机正在进入快速发展的市场,然而依然 有很多人并不了解它的影响力。 这篇文章第一部分的主题为“为什么工业 4.0 不是革命,而增材制造(3D 打印) 是”,第二部分的主题为“如何以及为什么目前以新的 3D 技术为代表的制造业革 命发展如此迅猛”。

上图显示了 3D 打印平台 3D Hubs 上全球 3D 打印服务提供商的数量 © 3dhubs.com

 

为什么“增材制造(3D 打印)”比“工业 4.0”更值得被称为“革命”

以 200 多年前的第一次工业革命中蒸汽机的发明为开端,第二次工业革命的成果 是流水线生产的引进,第三次工业革命的成果是计算机辅助机器和工业机器人的 使用。而工业 4.0 作为第四个大事件,以工业生产与现代化的网络化信息通信技 术的融合为标志。 根据维基百科,智能和数字网络系统构成了工业 4.0 的基础,其中包括了强大的 处理器,数字传感器和实时网络的完整流程。在这些科技的帮助下,使自组织生 产成为可能:“在工业 4.0 中,人员、机器、工厂、物流和产品能够彼此直接沟 通和合作。网络化能够实现优化不仅仅是一个生产步骤,而是整个价值链。网络 还应覆盖产品生命周期的所有阶段。“(见维基百科) 咨询公司德勤(Deloitte)认为现今的企业正被迫快速实施工业 4.0。随着个性 化趋势和快速变化的需求(即不稳定的需求),企业必须通过提高生产灵活度和 新的商业模式来应对。

3D 打印使工业 4.0 飞跃

德勤认为,灵活、动态和数字化,是新产品的第一原则,应当使其直接渗透到最 终用户。某些物品可能已经实现了在购买时客户以前所未有的方式根据个人需要 定制,同时伴随着智能工厂的机器优化和低能耗。使用最先进的传感器,自动监 控磨损情况,完善机器维护:工业 4.0 意味着通过预测性维护使所有系统达到最 高效率,实现“零停机时间”。 举个例子,通过互联网的在线配置工具来实现鞋子的个性化。

用 3D 打印机制作 Adidas 跑鞋的鞋底

现在甚至“批量 1”也是可行的。就在不久前,这种做法还被认为是不经济的。 然而,广泛的数字化应用和智能机器已经使得单个产品的生产从多个组件发展到 直接产出样品,比如说使用个性化生产的 3D 打印机。 (详见德勤,工业 4.0: 生产的里程碑!)

只有 3D 打印机的增材制造才能够实现“批量 1”
德勤在文章的论据中也提到了 3D 打印,然而并不符合整体背景。正确的应该是: 只有 3D 打印能够使企业实现个性化量产(批量 1)。 只要这些企业还在使用其他生产方法,使用削减法(例如铣削)或成型法(例 如铸造)生产,那么它将完全无法发挥灵活性,传感器和网络在“批量 1”的 成本效益方面也无法发挥很大的作用。制造一个新的工具需要时间和金钱。如 果一个工厂必须经常地适应个性化需求,其安装成本和时间则会显着增加。传 统生产方式依然面临这样的困境:机器的优化不再有显著成效,工具和机器需 要超载利用才能实现最大效益。这就是为什么至今大规模生产仍然集中在企业 的中心据点进行。比如说宝马公司摩托车的生产,已经超过 50 年只在德国柏林 这个唯一据点进行。经济学家们不必感到惊讶,因为早在 1928 年,会计学家休 马伦巴哈在维也纳著名的讲话中已经指出了固定成本的性质和影响。

3D 打印正在改变大规模生产的规律
3D 打印机在维也纳演讲时还没有被发明。休马伦巴哈的观点是正确的。只有实 现不使用工具和其他机器的情况下生产一般或加成产品,才能阻断机器高利用率 和大批量生产的必要性。而在使用 3D 打印机时,产品的同一性不再是成本高低 的标准。

批量生产 vs.大规模定制:
图片来源:(左)Carlos Delgado,维基共享资源。(右):Formlabs

在同一个制造平台上可以生产出完全不同的模型,而不会造成每件产品成本的变 化。当然,3D 打印机的机器成本也必须折算进产品中,成为固定成本。只有在不 需要把大规模生产同类产品的能力发挥到最极限的情况下,企业才不会收到经济 上的压力。 不是工业 4.0,而是 3D 打印机能够实现“批量 1”和定制个性化产品。之前三个 所谓的工业革命都只涉及到削减法加工机床和工具的优化,或者上游和下游流程 的优化。 从这个意义上说,至今为止并没有四次,而只有一次工业革命。人们可以把之前 的成果归纳为工业革命的第一阶段。蒸汽机发明后工业领域取得了巨大的技术进 步,之后便进入了一个新时代,即大规模生产总是更加高效,即便在产品创新的 时候。 古典经济学的创始人亚当·斯密在他的主要作品《国富论》中给出了工业革命的 第一阶段的理论模型。在第一章中,他以生产大头针为例,说明了分工的作用。 如果不使用特定的机器来进行大头针生产中的某一项工艺,那么一个没有接受过 这门手艺培训的工人“肯定无法造出二十根针,甚至一根都无法完成”。然而, 在一个小型的专业制造工厂里,总共十名工人可以在一天内生产 48000 个大头 针,也就是每个工人每天生产 4800 个。 “而进行劳动分工的结果——所有行业 的这种巨大的效率增长,给国家带来了繁荣,这一点即便是最低阶层的人民也能 够切身感受到”(《国富论》第一章,亚当·斯密:关于国家繁荣:对本质及原因 的考察”,1776 年,另见维基百科)。 而工业革命的第二阶段,应当为增材制造和 3D 打印,因为它使大规模个人定制 成为可能,并从根本上改变了生产方式、方法、时间、地点以及由谁生产(见下 图)。 随着 3D 打印机的使用,传统的劳动分工的优势就显得过时了。增材制造中,产 品的同一性不再拥有节约成本的优势,而不同一性也不再成为影响成本的劣势。 在同一个制造平台上,可以制作各种各样的别针、纽扣或更多不同的东西。换句 话说,在亚当·斯密出版国富论的 238 年后的现在,是时候发展一种新的生产理 论了。请看下图。

3D 打印带来的变化比工业 4.0 更为根本

就像刚才描述的那样,3D 打印可以帮助工业 4.0 飞跃,实现所谓的个性化大量 生产或大规模定制。但 3D 打印带来的成果远不止于此。每个工业公司都有一个 加工深度的问题。在决定“自己生产还是购买”时,企业需要有更多的其他选项: 除了这个问题“是自己生产还是直接购买”以外,还有“能否通过增材制造过程 来取代某些传统的产品”以及“是否自己投资 3D 打印机或者使用外部的服务供 应商”的选项。如果一个企业能够自己制造 3D 打印机,那么它将拥有更多的市 场能力。这是一个复杂的组合,我们必须要从成本的角度考量所有单个产品的不 同制造工艺的“盈亏平衡点”。

对于比如 AUMAT 公司(索林根)等机器制造商来说,每天都面临着自己制造还是外部购
买的问题。事实上,机器中的部件正越来越多地来自他们自己的 3D 打印机。

 

我又要举这个例子:两年前,空客的子公司 Apworks 用金属 3D 打印技术制造出 了一款重达 35 公斤的电动摩托车——Light Rider,惊艳了世界。我之前提到 过,宝马曾经是德国 50 年来唯一的摩托车制造商。而现在,一家飞机制造商, 就能够使用 3D 打印技术制造摩托车,打印能力达到 500 份。

曾经这是摩托车制造商的专利,如今空客公司能用 3D 打印机制造出 500 台。

 

 

3D 打印的摩托车展示了这种新型制造技术在工业环境中的影响范围。即便以前 不是此行业的供应商现在也可以利用 3D 打印机的多样性优势,来征服全新的市 场。然而,3D 打印的优势不仅是能够个性化生产,它还能够给设计师和建模师提 供更多的自由来制作更好的产品。由铝合金制成的 Light Rider 车架仅重 5 公 斤。3D 打印实现了车辆行业的节源与轻量化。像空客这样的飞机制造商明白这 一点,所以他们并不只是简单的“增材制造先驱者”。更加长远的想,上述“摩 托车”很快就会被经销商应用到打印符合每个骑手身材的机车。3D 打印可以使 产品生产在任何你需要的时间和地点进行。甚至在拥有一台 3D 打印机的国际空 间站 ISS 里,当宇航员需要某种工具时,只需要打印出来。

这个工具模型是被美国航空航天局 NASA 发送至国际空间站 ISS,并通过车载 3D 打印机
现场制造的。 ©照片来源:NASA

通过这个例子显示,仓储和长途运输已成为历史。3D 打印机可以实现即时生产。 运动鞋制造商阿迪达斯通过 3D 打印机把生产线带回德国:在阿迪达斯的 Speedfactory 工厂里,能够基于客户脚部的 3D 扫描生产出适合这个客户的鞋底。 这又是“批量 1”的要求。 这些巨大的变化正在改变整个行业、市场以及基本的竞争关系。如今,在诸如 ThingiverseMyMiniFactory 这样的 3D 模型平台上,顾客可以从几百万个 3D 模型中选择自己想要的模型,在几秒钟内就能下载并用自己的打印机或是服务供 应商打印出来。您可以从例如 3DhubsTreatstock 这样的 3D 打印平台上寻找 服务供应商,全球有数以万计的私人工厂和大公司提供这样的 3D 打印服务。如 果增材制造的技术继续发展下去,如果 3D 打印机变得更便宜、更快、更好,那 么所谓“民主化生产”将会成为现实。

如何以及为什么制造业革命通过新的 3D 技术获得动力

新的 3D 打印技术助力工业革命 新的 3D 打印技术必须符合下面三个标准:更好、更便宜、更快。许多迹象表明, 这些标准可以比人们所期望的更快实现:
创新的 3D 打印工艺和材料带来更好的结果
增材制造一直具有能够实现传统工艺无法生产的几何形状的优势,但也总是收到 批判,例如组件的强度、外观以及生产的可重复性。如今越来越多的新的 3D 打 印工艺、新材料和新软件上市,这一方面意味着上述要求的相比追赶,另一方面 也使整体的技术进步成为可能。比如说在材料领域,美国制造商 Markforged 公 司的 3D 打印机可以处理碳纤维或凯夫拉尔(Kevlar)等复合材料,并且具有类 似铝的稳定性。或是德国制造商 Apium 公司,该公司可以提供高性能聚合物 PEEK 的 3D 打印机。这种材料耐热达 300 度以上,可用于人体植入。

多彩才是美丽的

新的 3D 打印工艺总是带给人们惊喜。直到不久前,全彩打印机(ZPrinter, 3D 系统)还只是用于聚合物石膏的领域。然而自去年开始,Stratasys 的 J750 打 印机使用了多色喷墨技术,能够达到 360,000 种颜色,甚至可以组合打印不同的 材料,提供了前所未有的质量。

J750:不同颜色和材质的 3D 打印艺术。照片来源:©stratasys.com

现在已经有了第一台台式多色 3D 打印机。电脑巨头苹果公司紧跟其后

永远的关注焦点:金属

金属 3D 打印机的标准是九十年代在亚琛被发明的基于粉末床的工艺(DMLM = Direct Metal Laser Melting)。除此之外也有全新的工艺。值得一提的是柏林 Gefertec 公司的 3DMP 工艺,采用电弧技术,用堆焊的方法生产出由不同金属制 成的大型工件。以色列制造商 XJet 和其专利 NanoParticle Jetting(NPJ)技 术也是非常引人注目,该技术不仅可以制作金属,还可以制作陶瓷。不仅如此, 所谓的以前用于加工塑料如 ABS 和 PLA 的 FDM(熔融沉积造型)工艺,现在也可 用于金属。Desktop Metal 和 Markforged 这两家制造商因此成为了有潜力的技 术领导者。

使用 FDM 技术进行 3D 金属打印,照片来源:©Markforged.com

即使在 3D 打印之后仍需要额外的工艺(比如烧结),这种工艺也将迎来 3D 金属 打印的新时代。而传统金属加工业则需要密切关注增材制造的发展。3D 打印技 术引起的工业革命并不止于金属工业。

新的速度记录

如果您使用 3D 打印机,通常会希望东西更快打印完成。大部分节约时间成本的 尝试都是以牺牲质量作为代价的。与比如说注塑成型工艺相比,3D 打印的速度 就像一只“蜗牛”,尽管人们始终也知道,创造模具也需要成本和时间。尽管如 此,快速的打印工艺对于个性化大规模生产来说无疑是一件幸事。 Carbon3D 公司创始人约瑟夫·德·西蒙在 2015 年的 TED 演讲中第一次提出了 “速度噪音”,演讲题目是《如果 3D 打印速度快 100 倍?》。在 10 分钟的演讲 中,名为 M1 的 3D 打印机打印出了一个约 10 厘米的物体。与此同时,阿迪达斯 今年已经购买了 50 台设备,一年内能够生产 10 万双个人定制的运动鞋。

Carbon3D:快 100 倍,照片来源:©carbon3d.com

UNIZ 在美国的发布中显示了光固化工艺目前取得的最快成绩。在 Kickstarter 的推广活动中,采用 LCD(SLA)技术的 zSLTV-T 能打印尺寸为 52.1×29.3×65.1 厘米,速度为 7000cc/小时(固体)和 56000cc/小时(包络速度),可以在不到 五分钟的时间内制造 20 个牙科模型。 如果这还不够快,未来 3D 打印将不是在数分钟或数小时内完成,而是只需几 秒。劳伦斯利弗莫尔国家实验室最近发布了一项新技术,可以在数秒内用全息 光场生成完整的三维形状。研究人员通过照射在装有树脂的容器上的总共三束 激光束,生成要打印的物体的 3D 光图案(全息图),然后在短短的 10 秒内完成 其结构的创建 。快速大批量定制不仅可以通过打印速度更快的 打印机来实现,也可以通过同时使用多台设备以及通过设备的自动化来实现。 SLA-Desktop Pionier Formlabs 希望通过他们的 Form Cell 打印机来做到这一 点。

用于大规模定制的 Form Cell,照片来源:©Formlabs.com

增材制造的成本正在全面下滑
专利权的过期往往是新竞争对手出现和打印机价格下滑的触发因素。现在有许多 3D 打印工艺专利已经过期,这带来了显著的后果: 刚刚文中引用的第一台全彩 3D 打印机“达芬奇色彩”价格只要 3600 欧元,而 能够打印大型物品的 FDM 3D 打印机,在中国只需要几百欧元就能买到。新型 FDM 3D 打印机也在金属行业内大幅降价。 新的 3D 金属打印工艺也是如此,有一部分甚至比传统的粉末床基工艺便宜许多 倍。 在所谓的 SLA(立体平版印刷)工艺领域,Formlabs 公司已经使得 SLA 印刷成本 不再高不可攀,这对于特别是牙医和珠宝商来说是个令人振奋的好消息。 我之前提到的制造商 UNIZ,其生产的快速设备不仅能提供良好的外观质量,而 且使用起来非常方便。在 5 分钟内可以生产 20 个牙齿模型,且机器的价格低于 10000 欧元。生产专业,价格低廉,这个结果是显著的。 到目前为止增材制造只有在一些行业中发展起来,在这些行业中,它们的优势已 经非常明显地体现出来了,比如说医疗行业(人体植入物,矫形器,助听器)和 航空工业(轻量化)。随着打印成本的下降,未来 3D 打印将覆盖大部分的制造业。 通过增材制造,必要的资本支出将会越来越少。但是,如果所有企业都能用更低 的成本进行生产,那么竞争优势将会体现在其他领域。未来产品的价值将更多地 取决于产品理念、功能、设计和材料。
摘要:

· 工业 4.0 只是所谓的第三次工业革命的继续。
· 在工业 4.0 中,批量 1 和个性化大量生产只能通过 3D 打印技术来实现。
· 3D 打印改变了生产产品的方式——何时何地由谁如何来生产,因此增材制造
才是下一次工业革命。
· 使用新的高性能、超快速和低成本的 3D 打印工艺的工业革命正在进行中。