為什麼工業4.0不是革命，而3D列印是

為什麼工業4.0不是革命，而3D列印是

作者Koch Werner先生曾就職德國知名企業西門子多年，在工業界積累了相當豐富的工作經驗，並因此對德國工業4.0有著最直觀的觀察和深刻獨到的見解。其在2016年創立德國3D列印網路聯盟3D Netzwerk，並致力於3D列印技術在德國工業界的推廣以及與傳統工業的結合。作為三迪時空的德國合作夥伴之一，我們榮幸獲得Koch Werner先生的授權，分享他的此篇文章，以及他對德國工業4.0和3D列印技術的深刻見解。

摘要

·工業4.0隻是所謂的第三次工業革命的繼續。

·在工業4.0中，批量化和個性化大量生產只能通過3D列印技術來實現。

·3D列印改變了生產產品的方式——何時何地由誰如何來生產，因此增材製造才是下一次工業革命。

·使用新的高性能、超快速和低成本的3D列印工藝的工業革命正在進行中。

最近7年間「工業4.0」這個詞被廣為流傳。實際上是聯邦政府在2011年創造的辭彙，意思是「第四次工業革命」。但是，它真的能被稱為革命嗎？

或者這麼說，早在7、80年代工業生產中就已經開始採用例如區塊鏈等新技術的背景下，工業4.0「僅僅」代表了流程和環節的加速優化，那麼我們究竟能否將工業4.0稱作一個革命性的里程碑？而從根本上改變了人們製造產品的方式、地點、時間的3D列印增材製造工藝會不會更加符合「革命」這個詞？越來越多的新型、快速、低成本、高性能的3D印表機正在進入快速發展的市場，然而依然有很多人並不了解它的影響力。

這篇文章第一部分的主題為「為什麼工業4.0不是革命，而增材製造（3D列印）是」，第二部分的主題為「如何以及為什麼目前以新的3D技術為代表的製造業革命發展如此迅猛」。

上圖顯示了3D列印平台3D Hubs上全球3D列印服務提供商的數量 ? 3dhubs.com

為什麼「增材製造（3D列印）」比「工業4.0」更值得被稱為「革命」

以200多年前的第一次工業革命中蒸汽機的發明為開端，第二次工業革命的成果是流水線生產的引進，第三次工業革命的成果是計算機輔助機器和工業機器人的使用。而工業4.0作為第四個大事件，以工業生產與現代化的網路化信息通信技術的融合為標誌。

根據維基百科，智能和數字網路系統構成了工業4.0的基礎，其中包括了強大的處理器，數字感測器和實時網路的完整流程。在這些科技的幫助下，使自組織生產成為可能：「在工業4.0中，人員、機器、工廠、物流和產品能夠彼此直接溝通和合作。網路化能夠實現優化不僅僅是一個生產步驟，而是整個價值鏈。網路還應覆蓋產品生命周期的所有階段。「（見維基百科）

諮詢公司德勤（Deloitte）認為現今的企業正被迫快速實施工業4.0。隨著個性化趨勢和快速變化的需求（即不穩定的需求），企業必須通過提高生產靈活度和新的商業模式來應對。

3D列印使工業4.0飛躍

德勤認為，靈活、動態和數字化，是新產品的第一原則，應當使其直接滲透到最終用戶。某些物品可能已經實現了在購買時客戶以前所未有的方式根據個人需要定製，同時伴隨著智能工廠的機器優化和低能耗。使用最先進的感測器，自動監控磨損情況，完善機器維護：工業4.0意味著通過預測性維護使所有系統達到最高效率，實現「零停機時間」。

舉個例子，通過互聯網的在線配置工具來實現鞋子的個性化。

用3D印表機製作Adidas跑鞋的鞋底

現在甚至「批量化」也是可行的。就在不久前，這種做法還被認為是不經濟的。然而，廣泛的數字化應用和智能機器已經使得單個產品的生產從多個組件發展到直接產出樣品，比如說使用個性化生產的3D印表機。 （詳見德勤，工業4.0：生產的里程碑！）

只有3D印表機的增材製造才能夠實現「批量化」

德勤在文章的論據中也提到了3D列印，然而並不符合整體背景。正確的應該是：

只有3D列印能夠使企業實現個性化量產（批量化）。

只要這些企業還在使用其他生產方法，使用削減法（例如銑削）或成型法（例如鑄造）生產，那麼它將完全無法發揮靈活性，感測器和網路在「批量化」的成本效益方面也無法發揮很大的作用。製造一個新的工具需要時間和金錢。如果一個工廠必須經常地適應個性化需求，其安裝成本和時間則會顯著增加。傳統生產方式依然面臨這樣的困境：機器的優化不再有顯著成效，工具和機器需要超載利用才能實現最大效益。這就是為什麼至今大規模生產仍然集中在企業的中心據點進行。比如說寶馬公司摩托車的生產，已經超過50年只在德國柏林這個唯一據點進行。經濟學家們不必感到驚訝，因為早在1928年，會計學家休馬倫巴哈在維也納著名的講話中已經指出了固定成本的性質和影響。

3D列印正在改變大規模生產的規律

3D印表機在維也納演講時還沒有被發明。休馬倫巴哈的觀點是正確的。只有實現不使用工具和其他機器的情況下生產一般或加成產品，才能阻斷機器高利用率和大批量生產的必要性。而在使用3D印表機時，產品的同一性不再是成本高低的標準。

批量生產vs.大規模定製：

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

在同一個製造平台上可以生產出完全不同的模型，而不會造成每件產品成本的變化。當然，3D印表機的機器成本也必須折算進產品中，成為固定成本。只有在不需要把大規模生產同類產品的能力發揮到最極限的情況下，企業才不會收到經濟上的壓力。

不是工業4.0，而是3D印表機能夠實現「批量化」和定製個性化產品。之前三個所謂的工業革命都只涉及到削減法加工機床和工具的優化，或者上游和下游流程的優化。

從這個意義上說，至今為止並沒有四次，而只有一次工業革命。人們可以把之前的成果歸納為工業革命的第一階段。蒸汽機發明後工業領域取得了巨大的技術進步，之後便進入了一個新時代，即大規模生產總是更加高效，即便在產品創新的時候。

古典經濟學的創始人亞當·斯密在他的主要作品《國富論》中給出了工業革命的第一階段的理論模型。在第一章中，他以生產大頭針為例，說明了分工的作用。如果不使用特定的機器來進行大頭針生產中的某一項工藝，那麼一個沒有接受過這門手藝培訓的工人「肯定無法造出二十根針，甚至一根都無法完成」。然而，在一個小型的專業製造工廠里，總共十名工人可以在一天內生產48000個大頭針，也就是每個工人每天生產4800個。 「而進行勞動分工的結果——所有行業的這種巨大的效率增長，給國家帶來了繁榮，這一點即便是最低階層的人民也能夠切身感受到」（《國富論》第一章，亞當·斯密：關於國家繁榮：對本質及原因的考察」，1776年，另見維基百科）。

而工業革命的第二階段，應當為增材製造和3D列印，因為它使大規模個人定製成為可能，並從根本上改變了生產方式、方法、時間、地點以及由誰生產。

隨著3D印表機的使用，傳統的勞動分工的優勢就顯得過時了。增材製造中，產品的同一性不再擁有節約成本的優勢，而不同一性也不再成為影響成本的劣勢。在同一個製造平台上，可以製作各種各樣的別針、紐扣或更多不同的東西。換句話說，在亞當·斯密出版國富論的238年後的現在，是時候發展一種新的生產理論了。請看下圖。

3D列印帶來的變化比工業4.0更為根本

就像剛才描述的那樣，3D列印可以幫助工業4.0飛躍，實現所謂的個性化大量生產或大規模定製。但3D列印帶來的成果遠不止於此。每個工業公司都有一個加工深度的問題。在決定「自己生產還是購買」時，企業需要有更多的其他選項：除了這個問題「是自己生產還是直接購買」以外，還有「能否通過增材製造過程來取代某些傳統的產品」以及「是否自己投資3D印表機或者使用外部的服務供應商」的選項。如果一個企業能夠自己製造3D印表機，那麼它將擁有更多的市場能力。這是一個複雜的組合，我們必須要從成本的角度考量所有單個產品的不同製造工藝的「盈虧平衡點」。

對於比如AUMAT公司（索林根）等機器製造商來說，每天都面臨著自己製造還是外部購買的問題。事實上，機器中的部件正越來越多地來自他們自己的3D印表機。

我又要舉這個例子：兩年前，空客的子公司Apworks用金屬3D列印技術製造出了一款重達35公斤的電動摩托車——Light Rider，驚艷了世界。我之前提到過，寶馬曾經是德國50年來唯一的摩托車製造商。而現在，一家飛機製造商，就能夠使用3D列印技術製造摩托車，列印能力達到500份。

曾經這是摩托車製造商的專利，如今空客公司能用3D印表機製造出500台。

3D列印的摩托車展示了這種新型製造技術在工業環境中的影響範圍。即便以前不是此行業的供應商現在也可以利用3D印表機的多樣性優勢，來征服全新的市場。然而，3D列印的優勢不僅是能夠個性化生產，它還能夠給設計師和建模師提供更多的自由來製作更好的產品。由鋁合金製成的Light Rider車架僅重5公斤。3D列印實現了車輛行業的節源與輕量化。像空客這樣的飛機製造商明白這一點，所以他們並不只是簡單的「增材製造先驅者」。更加長遠的想，上述「摩托車」很快就會被經銷商應用到列印符合每個騎手身材的機車。3D列印可以使產品生產在任何你需要的時間和地點進行。甚至在擁有一台3D印表機的國際空間站ISS里，當宇航員需要某種工具時，只需要列印出來。

這個工具模型是被美國航空航天局NASA發送至國際空間站ISS，並通過車載3D印表機現場製造的。 ?照片來源：NASA

通過這個例子顯示，倉儲和長途運輸已成為歷史。3D印表機可以實現即時生產。運動鞋製造商阿迪達斯通過3D印表機把生產線帶回德國：在阿迪達斯的Speedfactory工廠里，能夠基於客戶腳部的3D掃描生產出適合這個客戶的鞋底。這又是「批量1」的要求。

這些巨大的變化正在改變整個行業、市場以及基本的競爭關係。如今，在諸如Thingiverse或MyMiniFactory這樣的3D模型平台上，顧客可以從幾百萬個3D模型中選擇自己想要的模型，在幾秒鐘內就能下載並用自己的印表機或是服務供應商列印出來。您可以從例如3Dhubs或Treatstock這樣的3D列印平台上尋找服務供應商，全球有數以萬計的私人工廠和大公司提供這樣的3D列印服務。如果增材製造的技術繼續發展下去，如果3D印表機變得更便宜、更快、更好，那麼所謂「民主化生產」將會成為現實。

如何以及為什麼製造業革命通過新的3D技術獲得動力？

新的3D列印技術助力工業革命

新的3D列印技術必須符合下面三個標準：更好、更便宜、更快。許多跡象表明，這些標準可以比人們所期望的更快實現：

創新的3D列印工藝和材料帶來更好的結果

增材製造一直具有能夠實現傳統工藝無法生產的幾何形狀的優勢，但也總是收到批判，例如組件的強度、外觀以及生產的可重複性。如今越來越多的新的3D列印工藝、新材料和新軟體上市，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進步成為可能。比如說在材料領域，美國製造商Markforged公司的3D印表機可以處理碳纖維或凱夫拉爾（Kevlar）等複合材料，並且具有類似鋁的穩定性。或是德國製造商Apium公司，該公司可以提供高性能聚合物PEEK的3D印表機。這種材料耐熱達300度以上，可用於人體植入。

多彩才是美麗的

新的3D列印工藝總是帶給人們驚喜。直到不久前，全彩印表機（ZPrinter， 3D系統）還只是用於聚合物石膏的領域。然而自去年開始，Stratasys的J750印表機使用了多色噴墨技術，能夠達到360,000種顏色，甚至可以組合列印不同的材料，提供了前所未有的質量。

J750：不同顏色和材質的3D列印藝術。照片來源：?stratasys.com

現在已經有了第一台台式多色3D印表機。電腦巨頭蘋果公司緊跟其後。

永遠的關注焦點：金屬

金屬3D印表機的標準是九十年代在亞琛被發明的基於粉末床的工藝（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，採用電弧技術，用堆焊的方法生產出由不同金屬製成的大型工件。以色列製造商XJet和其專利NanoParticle Jetting （NPJ）技術也是非常引人注目，該技術不僅可以製作金屬，還可以製作陶瓷。不僅如此，所謂的以前用於加工塑料如ABS和PLA的FDM（熔融沉積造型）工藝，現在也可用於金屬。Desktop Metal和Markforged這兩家製造商因此成為了有潛力的技術領導者。

使用FDM技術進行3D金屬列印，照片來源：?Markforged.com

即使在3D列印之後仍需要額外的工藝（比如燒結），這種工藝也將迎來3D金屬列印的新時代。而傳統金屬加工業則需要密切關注增材製造的發展。3D列印技術引起的工業革命並不止於金屬工業。

新的速度記錄

如果您使用3D印表機，通常會希望東西更快列印完成。大部分節約時間成本的嘗試都是以犧牲質量作為代價的。與比如說注塑成型工藝相比，3D列印的速度就像一隻「蝸牛」，儘管人們始終也知道，創造模具也需要成本和時間。儘管如此，快速的列印工藝對於個性化大規模生產來說無疑是一件幸事。

Carbon3D公司創始人約瑟夫·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列印速度快100倍？》。在10分鐘的演講中，名為M1的3D印表機列印出了一個約10厘米的物體。與此同時，阿迪達斯今年已經購買了50台設備，一年內能夠生產10萬雙個人定製的運動鞋。

Carbon3D：快100倍，照片來源：?carbon3d.com

UNIZ在美國的發布中顯示了光固化工藝目前取得的最快成績。在Kickstarter的推廣活動中，採用LCD（SLA）技術的zSLTV-T能列印尺寸為52.1x29.3x65.1厘米，速度為7000cc/小時（固體）和56000cc/小時（包絡速度），可以在不到五分鐘的時間內製造20個牙科模型。（閱讀更多...）

如果這還不夠快，未來3D列印將不是在數分鐘或數小時內完成，而是只需幾秒。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室最近發布了一項新技術，可以在數秒內用全息光場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，生成要列印的物體的3D光圖案（全息圖），然後在短短的10秒內完成其結構的創建（閱讀更多...）。快速大批量定製不僅可以通過列印速度更快的印表機來實現，也可以通過同時使用多台設備以及通過設備的自動化來實現。SLA-Desktop Pionier Formlabs希望通過他們的Form Cell印表機來做到這一點。

用於大規模定製的Form Cell，照片來源：?Formlabs.com

增材製造的成本正在全面下滑

專利權的過期往往是新競爭對手出現和印表機價格下滑的觸發因素。現在有許多3D列印工藝專利已經過期，這帶來了顯著的後果：

剛剛文中引用的第一台全彩3D印表機「達芬奇色彩」價格只要3600歐元，而能夠列印大型物品的FDM 3D印表機，在中國只需要幾百歐元就能買到。新型FDM 3D印表機也在金屬行業內大幅降價。

新的3D金屬列印工藝也是如此，有一部分甚至比傳統的粉末床基工藝便宜許多倍。

在所謂的SLA（立體平版印刷）工藝領域，Formlabs公司已經使得SLA印刷成本不再高不可攀，這對於特別是牙醫和珠寶商來說是個令人振奮的好消息。

我之前提到的製造商UNIZ，其生產的快速設備不僅能提供良好的外觀質量，而且使用起來非常方便。在5分鐘內可以生產20個牙齒模型，且機器的價格低於10000歐元。生產專業，價格低廉，這個結果是顯著的。

到目前為止增材製造只有在一些行業中發展起來，在這些行業中，它們的優勢已經非常明顯地體現出來了，比如說醫療行業（人體植入物，矯形器，助聽器）和航空工業（輕量化）。隨著列印成本的下降，未來3D列印將覆蓋大部分的製造業。

通過增材製造，必要的資本支出將會越來越少。但是，如果所有企業都能用更低的成本進行生產，那麼競爭優勢將會體現在其他領域。未來產品的價值將更多地取決於產品理念、功能、設計和材料。

註：著作權歸屬原作者Koch Werner先生

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