试析“3D打印技术”的优点与局限

发表时间:2014/12/24 作者:孙柏林 
关键字:3D打印 数字化 智能化 
2013年的两会上,代表委员热议"第三次工业革命”的话题,成为各行各业关注的焦点。人们对于什么是"第三次工业革命”?什么是"能源互联网”与"3D打印技术”?以及"第三次工业革命”对于各行各业业有什么影响?等问题十分关心,文章即针对"第三次工业革命”的"3D打印技术”以及可能对于装备制造业的影响等问题进行初步地探讨。

1  “第三次工业革命”的概述

  2008年金融危机之后,一个声音逐渐响亮——“世界正处在科技和产业革命的前夜”。在这种背景下,工业化问题再次成为世界舆论界关注的核心议题之一。欧盟重提“再工业化”问题。美国同样也提出了“再工业化”的问题。奥巴马总统新近提出,美国经济要转向可持续的增长模式,即出口推动型增长和制造业增长,要让美国回归实体经济,即重振美国制造业或“再工业化”。这可以看作是后危机时代美国的战略选择。美国的再工业化,其实质也是“第三次工业革命”的一个信号。美国的再工业化,绝不是传统意义上的制造业回归,它将催生了一种新的生产方式,而带有定制特征的智能设备被普遍应用,将成为一大趋势。

  面对世界变化莫测的现实,2011年9月,美国学者杰里米?里夫金(Jeremy.Rifkin)出版了《第三次工业革命》一书,预言一种建立在互联网和新能源相结合基础上的新经济即将到来。这可以说是,“第三次工业革命”一词的正式出现。“第三次工业革命”之所以首先发端于美国,绝非偶然现象,而有其客观必然性。这集中表现在两个方面:一是由于战后初期美国拥有雄厚的物质基础、众多优秀的科技人才、蓬勃向上的民族创新精神、优越的地理环境和巨大的市场容量等方面的优势,为“第三次工业革命”首先在美国兴起创造了前提条件和可能性;二是战后以来,美国政府高度重视科技,积极采取措施推动科技事业的发展,直接促成“第三次工业革命”首先在美国兴起。

  《经济学人》2012年4月发表《第三次工业革命:制造业与创新》的专题报道,描述了目前正在发生的由技术引领的制造业的深刻变化。而美国著名未来学者杰里米●里夫金的著作《第三次工业革命》的出版,也论述了由互联网与再生性能源融合导引的新一轮工业革命,引发广泛关注。“第三次工业革命”这个概念并不新鲜,早在20世纪70年代末、80年代初,就已经由西方提出。但最近,随着英国《经济学人》杂志4月期的专题讨论,在法兰克福举办的欧洲模具展上三维打印机现场打出锤子,以及杰里米?里夫金《第三次工业革命——新经济模式如何改变世界》一书在中国的出版,“第三次工业革命”成了一个热词。

  未来学家里夫金全面分析了“第三次工业革命”的全球性影响,他提出互联网、绿色电力和3D打印技术正引导资本主义进入可持续、分布式发展的“第三次工业革命时代”。杰里米●里夫金提出的“第三次工业革命”模式----互联网与可再生能源相结合---很有可能化解人类面临的资源困境,甚至改变世界经济发展模式。

  数字化、智能化是“第三次工业革命”的核心技术!“第三次工业革命”的设想是用信息技术推动新能源的发展,从新能源的开发到存储再到上网的过程。所以新能源可以说是“第三次工业革命”的根本。“第三次工业革命”是以数字制造技术、互联网技术和再生性能源技术的重大创新与融合为代表,从而导致工业、产业乃至社会发生重大变革。装备制造业亦不例外。

2  何谓3D打印技术?

  3D打印机又名:三维打印机、3D成型机、三维成型机、立体打印机、添加剂打印机等等,其在当今的工业应用中十分广泛,大大缩短了建模、浇铸等工序,提高了制作与生产的效率。

  亚洲制造业协会首席执行官、中国3D打印技术产业联盟副理事长罗军告诉《中国科学报》记者,3D打印技术的学术名称为快速成型技术,也称为增材制造技术,诞生于上世纪80年代。

  3D打印机(3D Printers),其实最早源自美国军方的“快速成型”技术。自美国Stratasys公司于1992首台商用3D打印机问世以来,该技术的发展之快令世界始料未及。数字技术的发展,正让3D打印机成为制造业的新宠,3D打印是“数字化制造”的缩影。3D打印技术质的飞跃,是在最近两年逐步发展起来的。

  3D打印是添加剂制造技术的一种形式,在添加剂制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。3D打印机相对于其他的添加剂制造技术而言,具有速度快,价格便宜,高易用性等优点。3D打印机就是可以“打印”出真实3D物体的一种设备,功能上与激光成型技术一样,采用分层加工、迭加成形,即通过逐层增加材料来生成3D实体,与传统的去除材料加工技术完全不同。称之为“打印机”是参照了其技术原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。

  以3D打印技术为典型代表的新型制造技术成为引领未来制造业变革的重要技术之一,该技术有可能从根本上改变生产组织方式。3D打印技术是通过电脑辅助设计技术完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到3D打印机上,后者采用分层加工、迭加成形,即将连续的薄型层面堆叠起来,直到一个固态物体成型。其工作原理与普通打印机基本相同,与电脑连接后,通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。

  新型制造技术可以极大的释放人的创造力和想象力,使创新经济商业模式成为可能。一台笔记本电脑和一个3D打印机便可完成产品的制造,同时将导致劳动力成本占总成本的比例会越来越小,新兴国家的低劳动力成本优势将急剧下降。靠廉价劳动力获得大量就业岗位的新兴国家,可能又要将这些岗位拱手让给发达国家,并改变世界产业格局。

  最近几年,3D打印机的价格已经能让中小企业负担得起,从而使得重工业的原型制造环节进入到完成环境,并且可以放入不同类型的原材料进行打印。因为快速成型技术在市场上占据主导地位,3D打印机在生产应用方面有着巨大的潜力。3D打印技术在珠宝首饰、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航天、牙科及医疗方面都能得到广泛的应用。


3  3D打印可能提升传统装备制造业的方面

  “第三次工业革命”实质就是以数字制造技术、互联网技术和再生能源技术的重大创新与融合为代表,从而导致工业、产业乃至社会发生重大变革,这一过程不仅将推动一批新兴产业诞生与发展以替代已有产业,还将导致社会生产方式、制造模式甚至生产组织方式等方面的重要变革,最终使人类进入生态和谐、绿色低碳、可持续发展的社会。这次科技革命不仅极大地推动了人类社会经济、政治、文化领域的变革,而且也影响了人类生活方式和思维方式,使人类社会生活和人的现代化向更高境界发展。

  对于装备制造业而言,3D打印可能提升传统装备制造业的方面主要有:


  ㈠ 量身定制产品:3D打印最大优势在于拓展设计人员的想象空间。发挥设计者和生产者的想象力、创造力。未来的装备制造业将更关注个性化定制。3D打印技术它使消费者能根据自己的需求,量身定制产品。大规模生产转向大规模定制。现有大规模生产方式追求的是生产成本的最低化,通过细化的劳动分工和规范化的作业流程,生产大量标准化产品,以获取规模效益,这一生产方式难以满足客户多元化的需求。区别于大规模生产,量身定制的基本思路是,在生产过程中强化产品内部结构的标准化,增加顾客可感知的外部结构的多样性。

  ㈡ 提高生产效率:效率为王,省钱省时间。3D打印机既不需要用纸,也不需要用墨,而是通过电子制图、远程数据传输、激光扫描、材料熔化等一系列技术,使特定金属粉或者记忆材料熔化,并按照电子模型图的指示一层层重新叠加起来,最终把电子模型图变成实物。其优点是大大节省工业样品制作时间,且可以“打印”造型复杂的产品。就目前来说,使用相同数量的耗材制造零件,3D打印机的生产效率是传统方法的3倍。因此专家认为,这种技术代表制造业发展新趋势。突破了传统去除加工方法的限制,无需零件毛坯和大型锻造、铸造设备及模具,可实现材料制备与成型的一体化,显著缩短零件制造周期、降低制造成本、提高材料利用率。

  ㈢ 降低生产成本:3D打印技术对于生产者来说,可大幅降低生产成本,提高原材料和能源的使用效率,减少对环境的影响,例如“打印”仪器仪表的轴承,由于既可以在目的地精准打印,又可以省去了物流、配送、上货等时间,因此生产成本将大幅降低。由于产业边界模糊化,如今,制造业和服务业之间的关系变得越来越密切。首先,制造业企业可以通过在线获取生产所需要的各类协作服务,使生产要素的配置成本降到最低。其次,在销售过程中,可以借助网络使最新产品在短时间内行销全球。第三是,今后制造业企业所提供的产品中服务价值的比重将超过实体价值的比重,不再是简单的产品销售,还提供与该产品配套的包括信息系统、配套软件、操作程序以及维护服务等在内的一个完整的服务系统。可以说,今后制造业和服务业之间不再是简单的分工关系,更多地表现为“你中有我、我中有你”的融合趋势,两者之间的组织边界也因此渐趋模糊。

  ㈣ 重新定义工业生产:不再依赖人工,没有大规模生产,没有组装工厂,没有边角废料,3D技术的这一特点,将重新定义工厂,使微小企业获得重生。工厂化生产转向社会化(社区化)生产。前两次工业革命所产生的都是基于工厂范围的集中型生产方式,特别是第二次工业革命更是将此方式发挥得淋漓尽致,涌现了众多规模庞大的生产企业及厂房。本次工业革命中,信息技术的飞跃发展使大量物质流被成功虚拟化而转化为信息流,故此除必要的实物生产资料和产品外,生产组织中的各环节可被无限细分,从而使生产方式呈现出社会化生产的重要特征。

  ㈤ 生产模式的变化:以3D打印技术为典型代表的新型制造技术成为引领未来制造业变革的重要技术之一,该技术有可能从根本上改变生产组织方式。新型制造技术的单个产品生产成本与大规模生产的单位产品成本的无差将颠覆传统的规模经济理论。大规模产品生产优势的削弱使得中小企业甚至个体企业家变得更具有竞争力,并使集约式的生产模式向着分布式生产的方向发展。从历史上看,每项新技术的革新,势必带来原有生产模式的变革。关键是要看,怎样驾驭和利用新技术。就在前不久举行的夏季达沃斯论坛上,以3D打印为代表的“第三次工业革命”已经成为热议的话题。可以展望,工厂未来将彻底告别车床、冲压机等传统工具,而由3D打印引领制造业趋势。

  ㈥ 创新经济商业模式:新型制造技术可以极大的释放人的创造力和想象力,使创新经济商业模式成为可能。一台笔记本电脑和一个3D打印机便可完成产品的制造,同时将导致劳动力成本占总成本的比例会越来越小,新兴国家的低劳动力成本优势将急剧下降。靠廉价劳动力获得大量就业岗位的新兴国家,可能又要将这些岗位拱手让给发达国家,并改变世界产业格局。

  ㈦ 刚性生产系统转向柔性可重构制造系统。传统的刚性制造系统由专用自动化生产设备组成,系统设计在运行后配置固定,因而适应的是单一产品的生产。柔性制造系统适合于生产小批量、多品种的产品。这类制造系统以重排、重复利用和更新系统组态或子系统的方式,实现快速调试以及制造,具有很强的包容性、灵活性以及突出的生产能力。

  ㈧ 产业组织网络化和产业集群虚拟化。生产组织方式的变迁是伴随着生产技术的变迁而发生的。第一次工业革命将分散的家庭作坊、手工工场转向纵向一体化的工厂模式,第二次工业革命出现了许多大型企业集团,并因规模经济形成了产业垄断。本次工业革命中,为适应全新生产方式,无论是产业内部还是产业之间,都呈现出产业组织网络化的新趋势。再就是,产业集群虚拟化的新趋势。基于特定地理范围的产业集群是重要的产业组织模式,极大影响着产业的空间布局及竞争优势。而今后借助于发达的信息、通信手段以及网络平台,产业集群的集聚范围、内容和形式会快速变化,传统的地理集群的空间局限正被逐渐突破,并形成网络意义上的集聚,即产业集群发展的虚拟化。利用网络经济所创造的先进信息技术支撑系统,各类产品服务在虚拟环境下得以实现。

  ㈨ 工艺水平先进:在飞机、核电和火电等行业所使用的重型机械、高端精密机械装备及仪器仪表方面,传统的焊接和零部件加固的方法,使得部件之间的连接非常费工,而且牢固性还有待提高。但若使用3D打印技术,无缝连接是其最大亮点之一,结构之间的稳固性和连接强度将得到很大的提升。由于采用非接触加工的方式,没有工具更换和磨损之类的问题,无切割噪音、振动以及废水、废料等排放,符合现代绿色制造理念。

  ㈩ 产业发展差异化将会成为竞争的基石。技术基础、生产方式以及组织模式的更替,使得“第三次工业革命”中的产业发展呈现出差异化竞争的基石。

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