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分类: 商业

潮流背后:3D打印的产业挑战

巴黎高科评论 / 编辑 / 2014-10-21

在所有靠生产和制造来累积社会财富的国家,任何可能降低生产成本的发现和创新都会引起极大关注。2007年开始,页岩气和石油的探明和开采让美国能源产业在拥有成本优势的对手面前重拾竞争力。对于时下越来越时髦的3D打印技术,要产生类似于页岩油田一样的强大产业影响,至少需要克服这样一些挑战:设备昂贵,材料和工艺对产品质地和结构形成限制,打印过程中产生的环境污染,无法规模化,潜在的知识产权风险等。

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从技术角度讲,3D打印看似拥有无限可能性。在过去的几年里,由于价格不断下降,只要1000美元,你就能买到一台性能良好的个人3D打印机,在自己家里“打印”出玩具、零部件、工具、首饰、家具甚至食物。利用以玉米为原材料的可降解塑料,越来越多的日常用品如鞋、眼镜框架等,都可以就地被“制造”出来。按照电脑中的程序指令,3D打印机把原料(一般是塑料,也可以是树脂、粉末或食物胶)一层层地连续堆叠起来,形成目标物体。

3D打印能带来大量节约。一个最典型的例子是用这种技术制作出的义肢(打印出部件然后组装),价格只有市场价的几分之一。手形义肢还可以进行整体打印。MakerBot(www.makerbot.com)公司将一系列免费的设计放在其网站上,很多软件都可以识别和处理。其中一件“机器手”的数字图纸在短短一年里被下载了5.5万次。当然,大部分的下载者可能只是纯粹出于好奇。但仍不难预见,发展中国家的专业团队将能够很快利用这些技术来改善那些低收入病患的生活。

3D 手臂

器官打印也已指日可待,我们只需要找到有效途径来夯实其“生物学基础”。日本横滨大学断言,它将在2014年用活细胞作为“墨水”,“打印”出3D肝脏,从而创造一种纯粹的功能性疗法。

生物学家们打印出“生物机器人”,这些微型机器人可以在人体内移动,对器官进行修复和施药。哈佛大学韦斯仿生研究所“打印”出的蛤壳状纳米机器人携带特殊基因链进入人体,遇到癌细胞时,“蛤壳”就会张开并释放出专门抗体来破坏这些癌细胞。

该领域不断的新发现,将为生命科技产业带来根本性变革。我们已经看到,麻省理工大学自组装实验室的4D打印技术,可以让被打印物体自己改变形状。方式是使用某些具有生物模拟功能的复合材料,当温度、光线和湿度发生改变甚至在震动和声音触发下,这些材料可以变形,从而让物体形状发生改变或实现“自我组装”。

或许,未来的迷彩服将可以根据光线强度来自动调节颜色,汽车则可以随着湿度调节车身表面以免受腐蚀,液体输送管道可以自动膨胀或收缩甚至震动来产生B泵效应。

系统性突破

3D打印并不是什么最新技术。它的发明实际上可以追溯到查尔斯·赫尔的立体光刻技术,这项技术在1983年被3D系统公司(3D Systems Inc)注册为专利。然而,这项技术壮举的商业应用,随着相关设备成本的不断下降,确实应被看作是一个重大的系统性突破。随着3D打印进入家庭、日常用品打印的前景变得越来越真实,它甚至可能极大地改变人们的消费模式。

 

从产业规模角度看,影响可能会更为深刻。利用一台3D打印机,设计工程师们只需要一个CAD软件包,就能比以往更快更便宜地制作出原型,这意味着可以试验更多的产品原型,甚至直接用3D打印机生产某些限量版产品。模型创新则可以通过连续迭代而实现。必要时候,同一台3D打印机可以制作出所有产品,形状从最简单的到最复杂的,而不用为每个产品的原型设计先铸造一套模具。3D打印最不怕的就是形状复杂。而且,它的工艺是将原料层层堆叠相加的过程,完全不同于注模所采用的车削方式,故而不存在材料浪费的问题。

 

传统制造要求具备大量配套因素:设备生产商、供应商、原型设计部门、仓储和运输。3D打印则使人们能够根据需求进行小批量生产,虽然某些部分成本更高,供应链条却被大大缩减,运输燃料等能源支出减少,并最终节省大量不必要的设备和仓储费用。

 

根据市场研究机构卢克斯研究(Lux Research)的报告,一种“新型供应链”正在到来:工业家们将不用再努力掌握所有的制造阶段,而是联合各个领域的专家,建立共生性合作伙伴关系。

 

可以肯定的是,产业专注焦点正在明显地向这个方向转移。在美国,国家航空航天局(NASA)正在考虑用3D打印技术来组装航空器的发动机。用金属合金打印出的喷油器已经成功通过测试。NASA希望以此来削减引擎组装的成本和时间,进而加速对整个太阳系的探索,将一些制造阶段转移到空间轨道上去完成!

 

理论上讲,3D打印技术能够做到在太空或月球上就地取材,组装飞行器。欧洲航天局(ESA)就正在研究月球3D打印的概念。最新一代的打印机已经被美国国防企业洛克希德(Lockhead Corporation)用来制造望远镜零件,这个望远镜将在2018年被送往太空。3D打印在航空领域也可以有很多应用。2014年1月,英国BAE系统公司(BAE Systems)的一架“狂风”战斗机( Tornado)上的某些金属部件就是由3D打印机生产。

 

2012年,两家3D打印机制造商——Stratasys 和Optomec首次打印出整个机翼,包括布线槽,为“加成工艺”(Additive Produce)和电子设备打印打开了新路。目前最好的3D打印设备精度是1微米,对很多电子设备的生产都已足够。在未来,传感和通讯设备需要在开始阶段就被集成进入飞机,用传统塑模方式是不可能实现的,这也凸显了3D打印的优势所在。然而,我们可能还需要先发明一种机器,能够在打印物体的同时生产出需要被集成的电子设备。

 

汽车制造是航空航天之外3D打印大有可为的又一领域,但卢克斯研究的报告让我们看到二者的主要区别。在快速制模方面,汽车制造在3D打印技术上所能获得的附加值要低于其在航空或航天领域的应用。原因主要有四点:汽车零部件的形状要简单得多;新材料的应用缓慢;对重量的要求不高;规模化程度高从而使3D打印很难与塑模法竞争。

 

一大趋势造成了3D打印的火热:定制化和个人化产品的流行。在法国,邮局建议在一些网点设置3D打印机,客人可以从目录中选择或自带设计方案,打印出简单的商品。

 

医疗器械如义肢、听觉植入物和牙科设备,都可以用3D打印机在医院里打印。这可为患者节省时间和大量金钱。一些医院已经开始用3D打印结合超声波技术,在产前为父母打印胎儿“塑像”。

 

最让人兴奋的是,3D打印将会使传统制造概念过时,遭受同样命运还有工厂,尤其是在过去20年里发展起来的高度集约化的大规模生产基地。这种变化可能会重新划分全球制造业的地理版图,但具体方式如何,今天还无法预知。

 

举个例子,现在有很多关于巨型3D打印机的讨论。荷兰公司KamerMaker已经能够打印出一座房子!中国北京航空航天大学设计的模型据说可以生产大型飞机部件,这些部件一直以来主要由欧洲生产,价格高昂,交付日期极长。在这些部件的质量得到严格认证后——目前还做不到——3D技术将重新定义整个价值链,一些重要角色将更加强大,尤其是高附加值部件的供应商。在这样的条件下,欧洲的日子将会变得难过,而在3D技术的武装下,中国的制造部门将会重新“起飞”。

 

KamerMaker: 正在工作的3D打印机

 

但也要看到的是,中国当前的竞争优势很大程度上源自于低廉的劳动力,在未来这种优势将受到侵蚀,因为一旦产品可以在任何地方制造,节省下来的越洋集装箱运输费用就足以抵消高出的工资成本。当然,仍然会有一些产品的制造要依赖于传统方式。但“定制化”趋势很明显,即那些产自世界某个角落的单一产品或小批量产品系列,或某个设计师的电脑文件夹开始变得越来越值钱起来。

 

产业化障碍

然而,在现实中,这个被它的“先知”克里斯·安德森(Chris Anderson)称作“创客革命”(Makers Revolution)的新工业时代的真正到来,正面临着若干阻碍。除了高端设备造价动辄几百万美元,3D打印的产品也往往没有传统铸模制品“结实”。

 

层层堆叠的工艺导致了产品在垂直维度上的结构弱点。这种材料缺陷影响到了最先进的工艺——比如选择性激光烧结工艺——的发挥水准。物体表面相对粗糙。安全性也达不到发达国家的标准。

 

在各种材料中,ABS塑料(Acrylonitrile Butadiene Styrene)和PLA(聚乳酸)可以迅速冷却,但更复杂的材料,如树脂或粉末则可能导致污染。

 

3D打印技术的另一缺陷是无法获得规模经济的益处。当然,打印一件物品的时间将取决于需要材料堆叠的“层数”,这可能会持续几个小时,甚至几天。对于原型设计来说或许还可以接受,但必须承认,“批量生产”或系列产品确实勉为其难。打印速度在未来将继续严重依赖于打印头“吐”出原材料的速度。这在某种程度上是因为产品要求的纯度和均匀性,但同样的,昂贵的价格也反映出3D打印机设备商强迫买家购买其专用原料以获得高利润的事实,和喷墨打印机厂商靠卖墨盒赚钱是同一个道理。

 

最后,3D打印将会引发一系列法律风险。比如说一个安全头盔制造商出售了一个CAD设计文件,结果利用3D打印出的这个产品的某个缺陷导致了交通事故的发生,这应该由谁负责——是头盔的设计者还是打印机的主人?这类风险使媒体和制造商采取审慎态度,反过来影响到私人从事微型创客生意的热情。对于这些私人打印产品而言,那些被称作“质量控制”的行业协议是难以想象的。

 

眼看3D打印逐渐远离原型设计领域而加入大批量生产,也引起了一些知识产权工作者的担忧。 很可能人们只是买一件物品,对其进行3D扫描、打印再卖回到市场上。显然,这些拷贝几近“完美”。但产权所有者将为保护商标而予以回击。有一些方法和手段能够帮助进行商标防伪,比如植入特定的 ID电路板,或在电脑设计文件阶段就采取一些特殊的保护措施。但抄袭始终存在,实体产品制造很可能将不得不面对音乐、电影和AB领域所遭受的困境。相关的数字也将很惊人:影响力巨大的技术评估机构Gartner预测2018年后,每年和3D打印相关的知识产权损失将不低于1000亿美元!



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