2013年3D打印对制造业的影响探析
http://www.cction.com 2013-03-22 10:57 中企顾问网
本文导读：在欠柔性生产条件下，企业产出与市场需求不匹配导致的综合成本的增加。同时，生产柔性的欠缺也表现为企业产品创新周期过长，成本太高，导致长期竞争力下降。
一、有望创造以“个体创意+社区共建+云制造”为代表的新的商业模式
由于3D打印对于制造流程的简化和数字化程度的提升，生产过程中的技术加工部分基本实现了的后台化处理。这样一来，制造技术在应用层面的门槛被降低，从而使非专业人员同样可以实现产品的设计制造，激发更多地个性化设计。同时，借助网络社区平台的信息共享和交易功能，将个体创意转化为可以创造盈利的实际产品，打开了专业制造向个人制造转化的大门。
二、影响传统制造企业的生产方式
基于这一技术的应用，微观企业应对市场多元化需求和不确定性的柔性生产能力将会进一步提高。在经历了以福特为代表的标准化制造，和以丰田为代表的精益生产（LeanProduction）之后，制造企业在未来可能会步入自由格式生产（FreedomFabrication）的阶段。在制造业整体有望经历一次从量化生产（MassProduction）到量化定制（MassCustomization）的转变。
“自由格式制造”将给企业生产柔性带来新的飞跃
柔性生产的价值在于高效率应对市场需求的多样性和变化
生产的柔性程度，即企业动态适应市场需求变化的能力。表现为两个维度：1）根据市场短期需求变化，动态调整产品结构的能力；2）高效的产品创新能力。
市场需求的快速变化，个性化需求扩张，使得单一产品的生命周期越来越短。这些因素的存在需要产品生产必须紧跟市场变化进行调整和应对。企业在规模经济带来的成本优势和满足多样、多变化需求带来的超额收益中寻求平衡。而在不确定性已成为常态的现实经济中，企业面临的最大风险和成本在于与市场需求不匹配产品产出带来的资本运营效率的降低。
欠柔性生产条件下企业综合成本的增加
在欠柔性生产条件下，企业产出与市场需求不匹配导致的综合成本的增加。同时，生产柔性的欠缺也表现为企业产品创新周期过长，成本太高，导致长期竞争力下降。
在应对市场需求的多样化和多变化的过程中，现代制造经济经历了一次生产方式的变革，从福特制的标准化生产转变为以模块化为核心特点的精益生产。
福特制生产与精益化生产示意比较
从图中我们可以理解精益生产如何实现生产的柔性化。在福特制标准化生产的条件下，为实现最大限度的规模经济，设备的专用性极强，生产流程的技术环节被完全固定化，任意环节的改变都需要其他环节作出相应的调整才能保证产线的正常运行。这种生产方式无疑适合于单一化大规模的市场需求环境。
精益生产将整个生产环节拆分，模块之间技术关系被相对固定下来，但模块内部可以存在多种变化，以变化组合形式的多样性来满足需求的多样化。生产通过快速调整模块之间的变化组合来应对市场产品需求结构的变化。由于模块之间的技术关系相对固定，模块组件之间的组装可以实现较高程度的标准化和规模经济。同时，单个模块的角色可以由一个或多个企业承担，模块中的单一组件仍然可以实现规模化生产。
同时，由于单一模块内部的创新，不会影响模块间的技术关系，同时又可以给最终商品带来性能上的改变。因此，相对于福特制标准化的生产方式，局部创新在精益生产条件下更容易实现。美国MIT汽车项目研究小组研究表明，与大规模生产相比，丰田的精益生产方式仅使用一半的人力资源，一半的制造空间，一半的设备投资和创新时间，却实现了不足一半的库存和更多样化的产品。
3D打印提高生产柔性，打造自由格式制造
3D打印对生产柔性程度的提升，主要通过生产设备通用化水平的大幅提高来实现。即同一台设备可以以较低成本实现不同产品加工的切换。设备通用化水平的高低，一方面表现为设备可容纳的不同产品种类的多少，另一方面表现为不同产品间生产切换时所带来成本的大小。
以丰田为代表的精益生产相对于福特标准化生产的柔性程度有明显的提升。但这种生产方式仍然存在着较大的局限性：1）产品多样化的局限性：通过模块间组合来实现产品的多样化会受制于每个模块内部组件有限的变化形式。出于规模经济和加工可能性的考虑，很多市场需要的组件会被排除在企业生产可能性之外。2）创新实现速度的局限性：以局部带动整体变化是精益生产的创新的核心，但就模块内部的单一组件而言，生产的技术流程仍然较为固定，任意形式的改变可能都意味着需要流程再造和新的加工设备的投入。改变越大，投入设备的成本也越高，失败所需要承受的“沉没成本”也越高。由于这一原因，很多企业通过降低设备的自动化水平，使用半自动化或手工工具来提高设备通用水平。本质上是牺牲制造速度来换取生产柔性的提高：降低转产和创新的成本。
3D打印设备的出现在很大程度上消除了这些局限性。由于这一技术的特点：可以在成本几乎不变的条件下，实现任意几何结构的变化形式。因此，就部件的几何结构而言，3D打印技术将每个模块内部可能的变化无限增多了。从而提高了产品的多样化程度。而最具革命的意义在于：在一些制造领域，3D打印技术，无需使用模块组件的制造思路，通过一次成型即可以直接实现最终产品的多样化。从而颠覆精益生产，走向自由格式制造的生产阶段。
3D打印提高了产品创新速度，降低了创新成本。由于3D打印设备较高的通用化水平和数字化程度，只需修改设计，改变制造程序，而无需额外添加设备就可以新设计的产品或者零部件的制造。此外，从创新设计到推向市场，时间价值无疑是一个十分重要的因素，3D打印技术以数字化制造，快速成型的工艺特点，可以大量节省研发者制造的时间，加速设计创新实现的速度。
三种生产方式的比较
福特制标准化生产 | 精益生产 | 自由格式制造 | |
市场条件 | 需求规模大、稳定、单一可预测；卖方市场 | 需求规模的不确定性，多样性，不可预测；买方市场 | 需求规模不确定，定制化需求比例上升，不可预测，买方市场 |
技术基础 | 严格的标准化零部件；专用化技术和设备；固定的工业流程 | 使用模块化组件，模块之间技术逻辑相对固定，设备通用性提高 | 使用以3D打印为代表的高通用型设备，结合模块化生产方式 |
生产过程 | 以规模经济为基础，同类产品大批量生产；大量缓冲库存 | 以范围经济为基础，同类产品小批量生产，差异性和弹性自动化，较少库存 | 以量化定制生产为特点，产品个性化较强，几乎没有库存 |
劳动管理 | 流水线作业，简单的重复劳动，技术单一 | 多种技能合一的专业化工作，长期技术培训 | 高频率创意的设计工作与开源制造相结合；消费与生产者界限的模糊化 |
组织结构 | 高度纵向一体化；大企业 | 纵向分离，网络化组织 | 网络化组织 |
创新模式 | 突破性创新，创新与生产分离；较少的过程创新，忽视客户需求，高成本，长周期 | 渐进性创新，创新与生产相结合；频繁的过程创新，满足客户需求；低成本，短周期 | 渐进性创新，创新与生产分离，频繁的原型设计创新，满足个性化需要，低成本，短周期 |
运行模式 | 单品种、大批量、大规模、低成本、低价格 | 多品种，小批量、大规模、低成本、高价值而低价格 | 多品种，定制化，大规模，低成本 |
资料来源：中企顾问网整理
3D打印或引发个体创新浪潮，成就新的制造业模式
“长尾理论”始作于美国《连线》杂志主编克里斯•安德森。它的含义是指：市场中的大多数企业为追求生产与流通的规模效应，将供给定位于市场中的主流产品。而很多满足个性化需求的“冷门商品”则被忽视。这些产品市场细分程度较高，且种类繁多，潜在市场规模的总量足可与主流市场匹敌，而且利润丰厚。就像需求分布曲线中厚厚的长尾，这无数个高度细分的小市场被称之为利基市场（nichemarket）。高效率满足利基市场需求，以攫取商品长尾效应中的价值是未来实体商业模式发展的一种方向。而随着3D打印技术的出现和不断发展，个性化设计到制造的过程被大幅度简化，以个体化创意到网路平台化设计制造的商业模式将会得到有力的促进。
长尾效应模型
比特与原子的自由结合即将开始
曾几何时，我们使用Photoshop，Flash等软件设计和制作各种的电子图片、动画影像。尽管不具备专业的绘画和影像技术，也不了解这些软件的背后的程序逻辑，但并不妨碍我们实现各种设计和想法。之所以如此，是因为软件开发者已经将我们无法掌握的技术环节，设计为计算机后台的处理程序；而我们面对的是一个简易化的操作界面，只需要调动相应的功能即可以实现我们的设计想法。类似的功能软件在虚拟世界中司空见惯，可见，在比特（bite）的世界中，我们早已实现了完全意义上的个人制造。
同样，3D打印设备基于同样的思想：将非专业人员无法掌握制造技术纳入后台处理的范围；生产者可以只关注于前端设计，通过设置参数来实现最终制造。这相当于在虚拟化的设计和现实的物质世界中建立了一个通用的转化平台。改变了之前受制于专业加工技术的高壁垒而无法在物质世界中实现个人制造的窘境。在这一过程中：创新与实现在设计环节中分离，在制作环节中结合，比特世界中的设计与原子世界中的制造，二者的自由结合或从此开始。
个体创意借助网络平台或实现新的制造业模式
在比特世界中，我们拥有迪士尼，梦工场这种标志性企业；但就整个动画影像产业而言，这类企业的比重并不占据主导。网络中充斥着大量个人制作的动画影像；这些创作者或是小微企业，或是自然个体。他们的制作或许还未进入大众流行的领域，但仍然有其自身的利基市场。这就像软件领域中的微软，和Appstore中众多创意软件开发者的关系。
比特世界中之所以形成这样的市场结构和生产模式，可能源于两个方面的原因：1）通用化的数字格式为交流和创新奠定基础。无论是功能软件、动画或是游戏，它们都是基于通用化的基础软件平台，或程序语言而开发制作，可以使用标准化的数字格式进行定义，方便制作者之间或是与使用者在网络空间进行交流，修改并开发个性化的衍生产品。这种创新模式迸发出的潜力显然不是专业化的大企业可以企及的；2）多样化的人力资源需求。这种生产模式最大的成本是人力资源，而企业的人力资源管理模式，运行成本显然高于网络社区化的平台。为发挥人力资本的规模效应，大企业一般会专注于市场规模较大的子领域。留下的是丰富的利基市场。
同样的道理，如果物质世界也可以使用通用数字格式进行编码，那么意味着以企业为主导的创新模式和生产模式在制造业领域或许也将发生改变。从现阶段的CADmodel，以及可被3D打印设备识别的STL、OBJ、VRML、DXF、PLY等文件格式的发展中，我们已经看到了这种可能。这些文件可以在网络上被自由传输，修改和再创造。而与比特世界唯一不同的是，制造领域的最终产品需要以一个物质化的形式出现。而将“设计编码”转化为物质产品的便是3D打印机。
通用化的制造程序文件和软件平台成就了个体交流的基础，同时借助网络的力量；我们认为：设计群体，消费群体，3D打印服务的提供商，以及交互平台的提供者，有望共同为制造行业创造一种新的商业模式：个人创意、社区开源设计和“云制造”（cloudmanufacture）的结合。
基于3D技术和网络平台的新的制造业模式
如图所示：一、个体创意提交到网络平台，供大家探讨。讨论主要设计两方面的问题：设计的可行性和市场的需求。二、经过讨论如果可行，会形成较为详细的设计草案。为进一步进行产品制造研发，个人可以通过网络募集资金。三、募集成功后，产品立项，进入研发阶段。研发过程中的技术问题可以借助平台的技术服务来找寻解决方案。四、产品研发成功后，可借助网络平台寻找打印服务商，进行打印制造。由于制造设备是通用的，只需要制造程序和标准材料既可以生产；因此，这一过程可以通过“云制造”来显现。五、最终通过网络平台的交易功能实现产品销售。 在这一商业模式中，个体创意借助网络平台中的5大功能模块和与网络存在逻辑联系的打印设备，实现了创意到盈利的转化。而与传统制造企业不同的是：无需厂房建设，人员雇佣等大量的前期投入。更为重要的是：开源设计的方式使得产品创造过程中的人力资源使用范围更广，成本更低。从而降低了创新的整体成本。
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