3D打印：让灵活制造更好、更快、更省

　　大规模生产往往涉及隐性成本，还可能延迟交货。如果你从企业全局的角度考虑而不是从消费者的角度考虑，大规模生产成本并不低。将设计概念转化为大规模生产的产品，这一过程也不是特别快。如果你想要的并不是万金油似的各种场合都可以使用的产品，那么大规模生产的产品也不是特别好。

　　破解规模与个性化之间的困局

　　小批量地大规模生产?矛盾!销售给消费者的最终产品价格越低，对企业来说批量销售就越重要。这就是为什么牙刷厂为了收回小批量生产的投资，大批量销售其大规模生产的产品，最小的订购量高达28000把牙刷。

　　另一个隐性成本是产品的设计过程。工厂的生产是残忍的，将设计概念转换成可以大规模生产并获得收益的难度与将一部复杂的小说改编成电影差不多。即使是一把简单的塑料牙刷的设计(在计算机上看起来很好)，在塑料成型过程中承受工业强度的压力时，结果也难以预测。经济规律同样无情，新的设计理念被迫在产品质量和制造成本之间进行权衡。

　　工厂和生产线是大规模生产相同产品的理想方式。然而，这样生产的成本并不低，甚至简单的塑料制品大规模生产的背后也存在很多看不到的成本。企业必须雇用技术精湛的技术人员和工程师，准确地将设计转变为实际的产品，校准工厂的机器和监督装配生产线。

　　想又好又快地生产产品，又想压低制造成本，这是一个困境，核心在于被称为“规模经济”的基本经济规律。规模经济是支持现代工业经济的无形力量，是使大规模生产有利可图的经济规律。

　　规模经济在降低大规模生产产品消费价格的同时增加了企业利润。然而，为了收回前期在设计和生产中的投资，企业必须出售大量相同的产品，只有这样才能从最初的投资中获益。

　　大规模生产极大的隐性成本之一是牺牲产品的多样性。为了获取规模经济收益，企业必须经得住改变产品设计的诱惑，除非有大量的市场机会能够确保投资有利可图。每一次设计的改变，每个小小的升级或变化，都会触及底线。

　　大规模生产不能同时为企业和消费者提供又好、又快并且便宜的产品，那么工匠生产又会怎样呢?熟练的工匠小批量生产定制的产品，无须装配线也不必投资建设所需要的工厂，工匠也不雇用熟练的设计师、工程师和技术员。如果一个设计概念在制成产品后被证实存在致命的缺陷，工匠可能需要承担材料浪费的成本。然而，由于只生产了一个有缺陷的产品，工匠能够快速调整最初的设计，这就避免了扔掉上百个(或者上千个)有缺陷的产品所导致的经济损失。工匠生产的缺点是不具规模。

　　兼具大规模生产和手工生产的特征

　　大规模生产具有高效优势，能够增加企业利润、降低消费价格，然而规模经济也对产品的多样化和定制化产生了负面影响。相反，工匠能轻松生产多样化和定制的产品，但是产出量比较小。3D打印技术提供了一条融大规模生产和手工生产于一体的新途径。

　　当首次发现鸭嘴兽时，探险家们认为这是一个骗局，他们以为这是一个爱开玩笑的人在一只毛茸茸的动物身上粘贴了鸭子嘴、有蹼的脚和袋鼠的育儿袋。3D打印就是制造业的鸭嘴兽，将精准的数字技术、工厂的可重复性和工匠的设计自由结合在一起。

　　就像工厂里的机器一样，3D打印机也是自动化的。数字设计文件会简洁地接收生产特定产品的指令，然后为3D打印机的各个步骤提供指导。这个过程可以保存下来或者通过电子邮件发送到其他任何地方。

　　就像工匠能生产多种产品一样，3D打印机具备多种用途。一台打印机可以制造出各种各样的产品，并且无须大量的前期投资。在3D打印机上打印1000个不同的产品与打印1000个相同的产品，成本是一样的，定制的成本几乎消失。

　　尽管具有这些优势，3D打印制造业并不具有规模经济。像任何极端的个性特征一样，事实上，3D打印未能提供规模经济是其最大的弱点，但同时也是其最大的优势。对于一个靠大生产规模获取边际利润的企业来说，达到规模经济非常重要。然而，如果一家企业的商业模式是销售少量独特的、不断变化的或者定制的、具有高边际收益的产品，那么3D打印产品代表了革命性的飞跃。

　　3D打印和设计技术使得设计与制造更灵活，小企业也能获得之前只能由全球性企业掌握的强大工具。财力雄厚的企业配备一台3D打印机和设计软件，就能够提供此前只有大企业内部的设计和工程部门才能提供的高端服务。

　　我们了解到，3D打印正在之前的制造地区(纽约州北部和部分中西部地区的经济衰退地区)萌芽。那里的企业员工很多是以前解散的地方制造工厂的工人，当在外包生产和工厂自动化双重冲击下失去工作的时候，这些失业的工人面临着一个艰难的选择：是去其他地方寻找工作，还是留下来设法工作?

　　过去，没有哪一家小企业能够买得起一台工业用3D打印机和一台强大的、能够运行工业设计软件的计算机。这种情况正在改变。我们参观的一家小公司由一个经历了西部制造业辉煌的人建立，我们叫他“迈克”(这不是他的真名，因为他的家庭不想他们的企业被别人认出)。迈克的公司为当地提供工程设计、快速成型和3D打印服务。

　　为了了解更多，我们拜访了迈克。经过几个小时的车程，我们到达了迈克公司的总部。迈克在门口迎接我们，把我们领进了地下室的车间和设计工作室。在这个半车间半办公室的地方，这家小公司的总部看起来并没有仓储式生产的嘈杂和规模。房间里灯火通明，几台计算机放置在房间角落的桌子上。靠墙放着一张台球桌，像大多数台球桌一样，上面堆了一些盒子和未使用的产品。

　　迈克于20世纪70年代初高中毕业，他的第一个老板将他培养为了一名制图员。今天，很难相信，制造业曾经是一个繁荣的行业，对于年轻人来说是一个前途光明的行业。曾经，一个人通过在当地制造业企业工作就能获得很好的生活条件。

　　几十年过去了，迈克被解雇了，这家企业将其制造业外包了出去，并将专业人员派到国家的其他地方。大约15年前，迈克和他的家人决定继续留在他们的家乡，尽管由于地区经济的不景气，工作很难找。

　　因为现在迈克的公司能够实现灵活制造，类似的小型服务公司能够买得起他们自己的设备和软件。我们问迈克能否看看他制造业务的核心——3D打印机。他带领我们走上一段楼梯，期间我们小心翼翼地不断绕过那些围着我们、在我们脚边嗅来嗅去的狗。在他的客厅里，我们看到了墙角趴着一只懒洋洋打瞌睡的猫。在车库里，一台3D打印机正在等待下一项任务，样子比一台豪华冰箱更高一些，也更宽一些。

　　迈克告诉我们，3D打印机是使他的公司在客户产品开发过程中提供增值服务的关键设备，是设计者和工程师在现实生活中测试设计理念的高效而精准的生产设备。像迈克指出的：“拥有自己的3D打印机是我作为设计工程师实现增值的因素之一。”

　　迈克解释说他的工作是提供给企业一个“产品不同部分是如何连接在一起的高技能和高精确预测”，拥有一台3D打印机将使它成为可能。当迈克完成产品设计后，他首先用自己的3D打印机测试。设计打印出来以后，需要的话，再修改它。当设计满足他的要求后，他再给客户最终的设计文件。

　　在我们访问结束时，我们问迈克作为设计工程师，计算机和3D打印机是否改变了他的工作。迈克毫不犹豫地说：“绝对的。消费产品的设计过程以前需要1年，现在只需3个月。3D打印机的作用巨大。现在，我们能够为我们的客户生产越来越多的产品。”

　　缩短从设计到产品交付的时间

　　随着我们的世界加速发展，企业越来越渴望缩短它们从设计到产品交付的时间。产品的生产时间是企业效率的关键衡量指标，即设计与完成最终产品之间的时间越短越好。3D打印机通过使设计师和工程师现场低成本、高效地生产产品原型缩短了产品交付时间。

　　原型是产品的初稿，它有助于设计师、工程师、营销团队和制造商进行多重检查，看一看设计变成最终产品时的外观、感觉如何。3D打印通常为汽车制造商提供产品快速成型服务。

　　汽车制造商通过使用3D打印机打印出设计理念，并且把它们提交给项目团队，这就节省了时间，甚至节省了消费者的时间。迈克向我们解释了快速成型的过程：“我们通常为汽车制造商的市场部门提供我们快速成型产品的照片和汽车部件的实物样本。我们给他们几个用3D打印机打印的部件，而这些用CAD模型很难有直观感受。”

　　我们访问迈克公司时，他正在设计一个新卡车的原型产品。之前原型产品需要一个内部的、专职的设计团队手工完成，而现在这种情况改变了。一些企业将它们的产品设计工作外包，只留下销售和市场部门。企业在国内生产某些汽车部件就比在国外生产成本低。

　　3D打印原型将慢慢取代手工泡沫或黏土模型。迈克的客户同时采用了这两种方法，他们雇用技工手工制作汽车部件的泡沫模型，同时使用诸如迈克这样的公司3D打印汽车部件的模型。迈克告诉我们，他的客户要求他先扫描泡沫模型，然后捕捉这些数据形成一个详细的设计文件。“今天我们将要携带扫描仪，还要去他们设计卡车的地方。”他说。

　　然而，在原型制作之前，无论该原型是手工制作的还是3D打印的，都先要由市场和技术部门进行卡车设计。经过几次头脑风暴会议，新卡车的规格与产品定位逐渐清晰，销售人员和工程师将信息提交给设计师，由设计师制作几份详细的、逼真的概念草图。“很多决定都是在事情真正发生之前。”迈克说。

　　一旦新的卡车概念草图获得批准，成型过程就开始了。原型为销售和设计团队提供了卡车各部分空间关系的总体感觉。在卡车的驾驶室里，仪表旋钮、车灯和其他部件的原型能够使产品经理体验到：对未来的消费者来说，这辆卡车的外观和感觉如何。卡车发动机的原型能够帮助机械设计师确保发动机是可以维修的。

　　以前原型成型是一个周期较长、成本高昂的过程，对于制造商来说，走捷径或者确信产品设计能够实现都是有风险的。“过去，我们的设计做得非常漂亮，但是当它们完成后，我们又会发现其他问题。”迈克说，“举例来说，如果你拥有一辆车，你就需要修理和加油。我们不能简单地在发动机上开一个洞加油，而且人的手也不合适。”

　　也许有一天，手工泡沫模型将成为历史。现在大多数企业完全跳过泡沫或黏土模型，直接采用3D打印原型。如果一家企业既使用手工也使用3D打印原型，手工原型通常要先做出来，然后，像迈克这样的高技能服务供应商，将使用光学扫描仪或坐标扫描仪捕捉它的物理尺寸。

　　手工原型是一种艺术。“一些老的泡沫原型真的是很美的东西。”迈克说。3D打印原型也是一种艺术，汽车或摩托车彩色的3D打印模型看起来与实际产品无异。3D打印机可以制造复杂的和不常见的形状，使得设计师能够实现梦想、完成新颖的设计。而且，3D打印的速度更快。

　　降低产品开发成本

　　一些3D打印原型被企业用来展示设计概念，其他的原型被用来测试产品生命周期的其他阶段，以搞清楚如何实现产品部件的批量生产。“测试和调试”的3D打印部件将设计复杂的产品的内在缺陷最小化。尽管我们能更轻松地运用数字技术，但是它并不能代替我们亲自用手掂量实物。

　　测试和调试的原型可以是工程师在模拟生产过程中使用的一系列没有组装的部件。微软宣布之前绝密的产品概念(混合型平板/笔记本电脑“Surface”)时，全世界都为之震撼，媒体想知道微软在保密的情况下如何成功地开发了这款产品。通常情况下，公司在第一次宣布推出一款全新、前沿的技术产品时，其制造工厂都会流出一些神秘的照片。微软公司的硬件部门在一所大学校园里3D打印了机器原型，确保了产品开发的秘密进行。

　　测试和调试的第二个目的是确保工厂的机器能够按照设计理念制成实物。在工程产品设计课程中，学生花费几周时间在伟大的设计思想和工厂的现实之间进行取舍。厚厚的教科书详细地描述了在生产线上哪些设计理念行得通、哪些理念行不通，常见的成型机或者切割成型机难以制造中空物品、互锁部分或者具有复杂的内部结构的产品。但是，并不是所有的生产挑战在教科书的指导下都可以避免。

　　如果企业很迟才发现新产品的部件组装在一起不合适，那么先期投资就浪费了。3D打印测试和调试原型能够帮助手机产品设计者装配微小的硬件。助听器、汽车方向盘、剃刀、梳子和智能手机等必须具备舒适的手感，或者要非常贴合使用者。虽然设计软件和计算机模拟越来越先进，但即使最好的设计也不一定总是能够完全按照计划生产出实物。

　　生产出最佳的定制部件

　　定制的终端产品是3D打印增长最快的应用领域之一，定制的部件不是原型而是真正的产品。如果你登录社区论坛，家里拥有3D打印机的人可以交流想法、交换设计文件，如从门把手到浴帘环这样的标准的可替代部件。一些人用3D打印机打印门把手、齿轮、仿古品，或者手工制作成本极高的停产部件。

　　因为定制部件并不会从规模经济中受益，所以小规模、有技术的3D打印服务提供商开始寻找新的商机。汽车和摩托车制造商(甚至火星车制造商)都使用3D打印定制部件生产概念车或机器，毕竟价值百万美元的车辆用来试驾，代价实在是太大了。

　　3D打印终端产品广泛应用于医疗行业和牙科产业，因为这些行业的产品必须和身体更紧密、精确地结合。最适合患者的牙套和牙冠以前要靠定做，现在越来越多地使用3D打印。对患者耳道或者残留的肢体进行扫描，根据扫描数据就可以将助听器和假肢打印出来。

　　航空公司在商用飞机中也会使用3D打印定制部件。下一次你乘坐新飞机时，可以看看座位上方可以调整的导气管。飞机的导气管是一个需要高度定制、成本高昂且不能获得规模经济的完美案例，与牙刷尤其不同的是，每年新造飞机数量极其有限。

　　当我们参观位于中西部衰退地区的另一个小型服务提供商时，他给我们看了一个他一直拿着的半透明的、塑料的3D打印产品。这个产品看上去似曾相识，但是又让人难以准确认出来，它和大蒜压榨机大小差不多，由几个带有互锁孔和齿轮的圆环组成。

　　我们认不出这个外表看起来奇怪的小工具，他的设计师后来启发我们：“这个是3D打印的747飞机的通气孔。”飞机制造商非常渴望减少零件装配，3D打印的通气孔部分能够被单独制造，其中已经包含了一些零件。

　　确切地说，我们不知道有多少小企业已经被吸引到灵活制造服务市场中，然而存在大量的市场规模数据。

　　增材制造业顾问和分析师特里·沃勒斯每年都会发布《沃勒斯报告》(Wohlers Report)，这个报告的特点是市场和可用的数据，加上一些案例研究，这些案例是从全球范围内销售3D打印机或者提供或购买打印服务的前100家大公司中筛选出来的。《沃勒斯报告》洞察出增材制造业是一个金矿。对管理人员和记者来说，这个报告已经成为产业的非官方“国情咨文”分析评论。

　　特里·沃勒斯在采访世界领先的3D打印公司时，他提出的一个问题就是谁会购买他们的3D打印机或者3D打印服务。沃勒斯的研究显示，消费电子公司是3D打印产品和服务的最大用户，接下来的是汽车领域、医疗领域和牙科产业以及航空制造业。

　　购买3D打印机或者3D服务的公司往往具有很强的财务实力。然而3D打印产品和服务的市场规模仍旧微小，尤其是与主流制造业产品和服务市场年15万亿美元的销售市场规模相比。

　　特里·沃勒斯认为2011年3D打印市场总规模为17亿美元。如果主流制造业的全球市场相当于一个沙滩球的大小，那么3D打印的全球市场则相当于一个乒乓球的大小。

　　另外，尽管17亿美元的产业规模对世界经济来说很微小，但这一市场可能并不像最初看起来那么小，像迈克公司那样的与制造业相关的小公司散布于全球制造业。事实上，美国人口普查局的数据显示，约1/2的美国制造业企业的员工少于10人，1/4的企业员工少于5人。虽然目前3D打印每年只有几十亿美元的产业规模，但是可能对未来的发展非常重要，而很多小企业年规模几十亿美元的现状却要延续很多年。

　　(本文摘自《3D打印：从想象到现实》一书，中信出版社出版)

(本文不涉密)
责任编辑：

转载：感谢您对网站平台的认可，以及对我们原创作品以及文章的青睐，非常欢迎各位朋友分享到个人站长或者朋友圈，但转载请说明文章出处。