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3D打印那些你不知道的事

| 3D打印,工业革命| 2012-12-26
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【导读】尽管3D打印技术本身已经诞生20多年,但是到了2012年仿佛一夜之间再次扑面而来,看起来,3D打印的春天要来了,但是3D打印也存在瓶颈。很多人说,3D打印将是第三次工业革命,但是第三次工业革命的本质是什么?3D打印在其中扮演着怎样的角色?本文将为您解读3D打印的真相。

王盛林,24岁,北京创客空间的创始人之一。

对于王盛林来说,所谓的创客空间就是一群产品DIY发烧友们闲暇时交流的平台。“创客”一词来源于英语,指不以盈利为目标,努力把各种创意转变为现实产品的人,目前全球范围内的创客空间有1000多家,但是在中国,这还是一个比较小众的群体,主要集中在北京、上海、深圳等少数城市。

王盛林们的创客空间每周定期举行2~3次活动,成员部分来自IBM、谷歌等企业,在这里,他们得以拾起工作中一闪而出却没机会实现的灵感,并在他人帮助下变成实实在在的产品。

对于这帮技术极客们来说,“创客空间”更像是一个港湾,让自己天才的想法和灵感不至于被公司中每天程序化的工作所拖累而烟消云散,至少能有一个机会,让他们通过一款自己亲手制作的产品来留存住大脑中那些一闪而过的思想火花。

在大多数创客眼中,这就是一个物以类聚的社区和圈子,多数人并没有太大的野心。即使在最有商业眼光的王盛林的规划中,对“创客空间”未来最商业化的设想也不过是成为连接制造厂商和投资的平台,将有市场前景的项目变为真正的商品。

但是王盛林们很快就发现,他们的业余爱好正让自己置身于一场更加宏大的制造业变革当中,并成为焦点。而这股风浪,来自大洋彼岸。

3D打印与工业革命

尽管3D打印技术本身已经诞生20多年,但是到了2012年仿佛一夜之间再次扑面而来。

2011年2月,英国《经济学人》杂志发表题为《3D打印如何改变世界》的封面文章,文章认为3D打印技术将使单品制造几乎和大规模生产一样便宜,影响堪与当年工厂的出现相提并论。

2012年4月,《经济学人》杂志再登封面文章《第三次工业革命》,再次强调了3D打印技术的重要性。在此前后,《福布斯》、《纽约时报》、《连线》等诸多西方主流媒体都先后在头版鼓吹3D打印,就连担任《连线》杂志主编11年的克里斯·安德森也按捺不住,选择辞职,亲自投身到3D打印领域进行创业。

这不仅是一场西方媒体人的狂欢,连美国政府都严肃地加入到了这场变革中去。

美国总统奥巴马在今年3月提议,将投资10亿美元建立15家制造业创新研究所,以带动制造业增长。8月,美国政府宣布首个研究所将在俄亥俄州建立,主要研发3D打印技术,首期投资3000万美元。

在政府的推动下,更多的创客空间也受到了鼓励。今年初,美国政府开展了一个新项目,计划未来4年在1000所美国学校引入创客空间,配备3D打印机和激光切割机等数字制造工具,以培养新一代的系统设计师和生产创新者。

与3D打印相关的消息个个都显得振奋人心,在国内外媒体的密集报道下,今年8月,就连国内A股市场也出现3D打印热,大族激光、中航重机、华中数控等相关概念股纷纷大涨。
 
看起来,3D打印的春天要来了。

根据美国消费者电子协会发布的年度报告,2011年全球3D打印的市场规模为17亿美元,其中消费品和电子领域约占20.3%,机动车领域占19.5%,医疗和牙科领域占15.1%。随着汽车、航空航天、医疗保健等市场需求的持续增长,它预计市场规模到2017年可达50亿美元。

北京隆源自动成型系统有限公司总经理冯涛对市场的增长速度颇为欣慰。他于1994年进入3D打印行业,见证了行业的徘徊与成长。他记得从2000年纳斯达克股灾开始到2005年左右,这个行业的全球市场规模一直停留在6亿美元左右,市场的迅速增长也不过是近5年的事情,50亿美元的规模放在10年前他想都不敢想。

现状与瓶颈

作为资深的行业内人士,冯涛有理由为3D打印市场的增长而欣慰,但是如果用“掀起工业革命”这样宏大的预期来看待3D打印,这个市场显然还处在幼年时期。

和庞大的制造业相比,17亿美元实在算不上是一个大数字,要知道,2011年中国服装纽扣市场的规模就已达到130亿元人民币,2012年英国螺丝机械市场规模将超过8亿欧元。哪怕与这些“又土又旧”的小零件制造行业相比,3D打印也显得发展过慢。更何况,它可是一个已经出现20多年的技术。

最初的3D打印可以追溯到20世纪80年代,它发端于美国军方的快速成形技术,与传统成形方法截然不同,它通过电脑创建的三维设计图将材料分层“打印”叠加,最终整体成形,因而也被称为“增材制造”技术。形象点说,如若以“捏泥人”或“雕刻”来考虑传统制造方法,3D打印则类似以一块块砖垒砌高楼大厦的过程。

它在实体制造中的优势显而易见:省去了冗长而昂贵的模具制造过程—— 一般的,一个塑胶模的开模周期在30~35天,而一个结构简单没有花纹的手机硅胶套开模价格则可能达到4000元;它受控于电脑三维设计图形,能够制造出传统方法无法企及的形状。

但是3D打印由于技术与材料发展的限制,它目前的作用还主要集中于模型制作与修改,待模型确定后,依旧离不开开模量产的传统制造方法。

制造业的革新与升级是一项漫长复杂的工程,如果认为单靠3D打印就能带来第三次工业革命,显然有些过于乐观了。

在一再追问之下,克里斯·安德森显得有些不耐烦。他的手指在空气中左右划动,语气却显得坚定不移:“我再说一遍,3D打印技术并不能制造一切,有些东西它造不出来,并且,它不等于第三次工业革命,它只是推动第三次工业革命发生与前进的技术之一。”

这位52岁的美国人曾于2004年提出“长尾理论”,在知名科技杂志《连线》做了11年的主编之后,今年11月初,他宣布离开《连线》,转而担任一家名为3D Robotics的公司的CEO。

安德森创立的3D Robotics是一家机器人技术公司,而非3D打印机制造公司。它通过网络提供平台,让极客上传DIY的3D图像,再用3D打印机帮他们做出模型,而最终组装成实物的硬件零件,还需要借助其他方法来生产。他希望公司能够扮演连接消费者和产品的桥梁角色。

安德森的创业路线与不少创客空间做的事情异曲同工:借助3D打印技术快速、少限制的模型制造能力激发极客们的设计能力,这无疑是令人兴奋的,不过在更加庞大的制造业领域中,现状却并不如此浪漫。

据冯涛介绍,去年全球3D打印市场17亿美元的规模中,有接近10亿来自于设备和材料的直接销售,剩下8亿多则来自3D打印的相关服务。设备的销售与3D打印的相关服务是当前3D打印商业化的两个主要方向。

以冯涛的隆源公司为例,他们主要提供的3D打印服务。它打印发动机的沙模或蜡模,其后通过灌注的方法生产出实体产品,为汽车与航空航天业优化研发流程。它今年的营收在2000万人民币左右。

北京太尔时代科技有限公司则是典型的3D打印设备的销售公司。该公司总经理郭戈师从清华大学第一任材料成形制造自动化研究所所长颜永年教授,他从2003年加入太尔时代以来,一直从事3D打印设备的研究与制造,公司目前在北京郊区拥有制造车间。

太尔时代的3D打印机分为工业级和消费级两个档次。前者价格最低10万元人民币,今年的销量在200台以上,主要客户为国内各大高校;后者价格为6000元人民币,今年销售达到3000多台,颇让人意外的是,它大多销往国外,客户主要是小企业、工作室及学校。在国内,鲜有同行企业能在销售额上与其比肩。

尽管在国内同行中已属佼佼者,但是郭戈仍旧明显地感觉到他们所处的3D打印行业仍然是一个小众的生意。

在国内,3D打印材料的供给是产业发展的一个巨大瓶颈。事实上,国内有能力生产3D打印材料的企业并不多,它们主要依赖进口,特别是金属材料。造成这种局面的原因很好理解,国内企业本身技术水平有限,而中国的行业规模不过2~3亿元人民币,过小的市场导致它们缺少加大研发投入的能力与动机。

即便是在国外,传统制造业领域中成长出的3D打印公司情况也并不是太好。美国Stratasys公司和3D Systems公司是全球两大3D打印机巨头,二者同为纳斯达克上市公司,2011年营收分别为1.7亿美元和2.9亿美元。不过,同年,苹果CEO蒂姆·库克的薪资福利高达3.8亿美元。

3D打印技术经过20多年的发展依旧“没长大”,显而易见的原因是由于价格过高,它在个人、小企业端市场没有普及,缺乏足够的用户量,而百万元价格的工业级设备对大型企业提供的价值有限,用于模型制造的设备需求量难有爆发性增长。

除了市场的发育需要时间和外力的推动之外,在现阶段,3D打印技术本身也存在缺陷。

北京航空航天大学材料科学与工程学院教授王华明带领自己的团队进行了近20年的研究,在飞机制造厂工程师的配合下,他“打印”的外部悬挂件成功地直接装配在了飞机上。不过即便如此,他依旧坚称:“3D打印不适合直接制造高精度的东西。”

3D打印由于是材质一层一层堆积成形,无论如何,每一层都有它的厚度,这决定了它的精度难以企及传统的减材制造方法。如若追求更高精度,则需不断降低每一层的厚度,这又意味着制造时间的大幅延长。同时由于难以克服的问题,它很难生产类似于轴承、滚珠类的产品。实际上,王华明制造的飞机悬挂件,依旧经过了人工的后期处理。

因而他认为,用3D打印技术制造可直接装配的零件,只适用于难加工的贵重材料,或用传统方法制作浪费大、甚至根本制作不出来的精度要求不高的复杂形状,比如飞机或F1赛车上某些抗压强度大、质量轻的部件。对于大多数传统制造业企业来说,3D打印的意义则更多体现在优化研发流程、降低研发成本上。正因为如此,王华明更愿意把它称为零部件制造技术的变革而非制造业的革命。
 
星星之火何处燃起

媒体的报道令人兴奋,但是制造业中3D打印从业者们的现状却又让兴奋回归现实。

传统制造业中的固有思维方式决定了它对待新技术难以脱离“产品-市场”的狭隘视角和经验主义的陷阱,当他们看待3D打印技术本身时,更多人只是把它当作用于优化生产流程的工具。然而,工业革命发生的前提正是对旧有体系的突破,当思维无法做到超越过往的经验和习惯时,无数新技术只能在人们的一声惊叹之后躺进历史的回收站。

3D打印咨询通讯公司T. A. Grimm & Associates总裁Todd Grimm认为,3D打印技术已出现20多年,但3D打印在很多方面仍被认为是小众行业——原因恰恰在于很多3D打印公司也这么认为。

在Todd Grimm看来,只有我们不再努力用传统的制模、机器加工、铸造及加工来复制已经存在的技术,作为生产过程的3D打印才会出现显著增长。用3D打印技术简单替换传统生产过程会使这个独特技术的价值大打折扣。

Todd Grimm相信3D打印技术今天遇到的市场瓶颈可以从历史中找到影子。在塑料刚刚发明的初期,它多被用来直接替换金属,因而很长一段时间内它只是既便宜又低劣的替代品而无法成为主流。直到生产商利用它的优势(质轻、防腐、易造型等)单独生产产品,塑料的地位才开始提高。

谈起3D打印,人们很容易联想到它可以在产品设计、设计变化频率及小批量生产领域中得到应用,但是Todd Grimm却认为,很多人都忽视了3D打印技术最有前途的属性——材料属性。

3D打印技术可以很好地模仿塑料及金属的机械或热能属性,这将在建筑、汽车、医疗等诸多领域得到广泛应用。

例如,以色列的一家3D打印机公司Objet最近与它的合伙公司一起,专门为外科医生研发出一台3D打印机,以帮助医生改变传统的膝盖手术流程。今年10月,英国的一位医生就利用这种打印机制造出的膝盖关节模型和图样,对外科手术进行了更加精准的规划。他成功帮助一名膝盖中枪的伊拉克战争老兵重建骨骼,而且在手术过程中无需替换整个膝盖关节。

又如,牙齿矫正中的牙套通常价格不菲且拆卸麻烦,全球顶尖的牙齿矫正实验室ClearCorrect就通过3D打印的牙套来改善患者的牙齿矫正体验。

要制造一个单独的透明矫正牙套,传统的方法需要做印模,首先铸成石制模型,然后把模型上的目标牙齿锯下来进行微调,然后再模型树脂进行固定。但与过去近乎手工业时代的制作方式不同,用3D打印机打印透明矫正牙套,数字化的程序有着无可比拟的速度和精准度优势,同时价格也更便宜,并且让患者完全摆脱了以前金属牙套所带来的问题。

除了传统制造业内的人需要解放思想,极客们的创造性爆棚也将成为让3D打印技术燎原的星星之火。

目前在淘宝成交量最大的一款3D打印机售价5999元,由国内一家名为闪铸科技的公司生产。市场部经理陈铮铮介绍,公司成立于去年4月,今年2月开始,他们将产品上架淘宝,至今已卖出700多台,购买群体主要是个人爱好者和学校。

这款价格低廉的3D打印机功能有限,难以应用在工业生产中,但是依然有不少人愿意去购买和探索3D打印产品背后可能带来的商业想象,考虑到目前中国传统制造业所面临的困境,难保3D打印机在极客们和一些有心的小企业主手中不会玩出什么新的花样。

如果从一个宏大的视角来观察,克里斯·安德森认为,3D打印的星星之火一定会在互联网与实体制造业相融合的新领域中被点燃。

“3D打印技术本身并不新鲜,新鲜的是3D打印桌面级设备的出现,随着技术的发展,它的体积变小,价格也更便宜,它终于可以被普通人获得并使用,这将让互联网为实体世界带来真正的改变。”安德森说。

在安德森眼中,第三次工业革命的本质,是互联网与实体制造结合的新型经济模式,它以分享的姿态允许分散的普通人交换想法,设计并制造出充满个性化的小批量产品,这一切不再需要将大家集中起来,在传统的工厂中进行,制造的门槛被前所未有地降低。

在他的新书《创客》中,安德森还特别提醒读者,“互联网革命的真正意义不在于我们能够有更多选择,购买更多产品,而在于我们能够制造自己的产品供其他人消费。”

从这个视角来看,3D打印的懵懂在于它的不确定性,但同时也是它的无限可能性,尤其是当这种无限可能与无数“创客”们的创造力相结合,也许开创出的正是一个我们受时代局限所无法预见的未来。

如今,“创客运动”已经在世界范围内开始出现,无论是极客们的自发组织,还是美国政府的鼓励和推动,这也许将在未来数年内带动3D打印的真正星火燎原。

历史上,一些很新很酷的技术和产品,总是先在一小部分人中使用,然后才会扩散到大众手中。创客空间很难不让人想起20世纪70年代出现于硅谷的家酿计算机俱乐部。彼时计算机离普通家庭还很遥远,IBM的大型主机还象征着至高无上的“权力”。这个黑客组织致力于推动计算机走向民间,成员们毫无保留地交换着想法与零件。1976年,依靠俱乐部内自由共享的信息,史蒂夫·乔布斯和史蒂夫·沃兹尼亚克制作了第一台个人电脑苹果Ⅰ,使人们无需专业水平即可使用它,同年,苹果公司成立。后世对于该组织的最高评价,莫过于“如果没有它,计算机至今仍可能只是象牙塔里的高科技玩具”。创客空间也许便是下一个家酿计算机俱乐部。
 
“最后一块拼图”

其实以3D打印机为代表的桌面级数字制造工具还有更深一层的象征意义——它们成为第三次工业革命得以发生的最后一块拼图。以前只发生在工厂中、由专业人才主导的制造过程,借助此类工具与可随意分享的互联网,具备了被普通人所掌握的条件。基于此原因,克里斯·安德森认为第三次工业革命5年前才真正开始。

另一方面,一个时代的制造能力总是受制于这个时代的技术发展水平,而在技术之后的下一个瓶颈便是设计能力,这是不可更改的客观规律。这种泛化的“设计”能力,既属于设计师的创作,也属于工厂的产品研发,还属于学校的教育培训。3D打印机等制造工具将不可能变为可能,人类的想象力与生产力将再一次解放。

随之而来的,必将是一波庞大的创业机会。互联网创业的吸引力在于它的低门槛及长尾市场的广泛存在,各类细分业务总能找到自己生存的空间;而传统制造业限于场地及设备,过高的启动门槛将大部分人拒之门外,桌面级制造设备则大幅降低了进入门槛,理论上使人人都具备开展制造业务的能力。

借助于Kickstarter等网络平台,产品制造的成本问题也将解决,于是,小型工厂大量出现,制造业的长尾市场被前所未有地开发与覆盖,每种个性化的需求都能找到制造者和消费者。围绕这些设备与工厂,又将诞生一系列的周边服务商业链条。第三次工业革命的美好图景在想象中渐次展开。

当然,比起如何推动制造业进行转型、带来多少创业机会、如何让设计能力更快地转化为生产力,对于我们这个时代,3D打印还有更让人兴奋的地方——它也许能打破存在于想法(梦想)与实现梦想(现实)之间的障碍。

想法是天赐的礼物,起初只是火花般的灵感迸发,但人类的惰性加上将想法变成现实的种种困难很容易使我们慢慢变得不再那么兴奋。最终,我们学会将想法扼杀于摇篮之中,压制它们,不沉溺于幻想之中,甚至不再容许这些幻想干扰到我们的日常生活。

这正是3D打印可改进的地方。只需按一下键,越来越多的想法能够成为现实,来自不同行业的越来越多的创新者将会引爆更多创新。这种创造力共振带来的影响或许将不仅限于工业革命层面,它甚至会引发一个智慧爆炸的时代。

对话克里斯·安德森

在过去的11年里,克里斯·安德森是引领互联网创新潮流的《连线》杂志主编,曾提出著名的“长尾理论”;今年11月初,安德森从《连线》辞职创业,成为机器人公司3D Robotics的首席执行官,亲自投身到3D打印领域的创业浪潮中。

他用数年的时间观察和思考3D打印技术在世界范围内引发的“创客运动”,在他的新书《创客》中,安德森明确提出3D打印技术将让DIY制造业成为潮流,这将意味着一场“再工业化”会在全球范围内兴起,这不仅意味着互联网开始在真正意义上深刻影响到了传统商业中最坚固的基石——制造业;同时,3D打印机为代表的桌面级数码制造工具与可共享的设计文件以及云工厂一起,将成为第三次工业革命的必备元素。

11月20日,记者在北京专访了《连线》前主编,3D Robotics公司CEO克里斯·安德森。
 
第三次工业革命的本质是什么?3D打印在其中扮演着怎样的角色?

第三次工业革命的本质是互联网与制造业结合的创新经济模式,它降低了制造的门槛,普通人借助互联网的分享和桌面级制造设备可以进行生产,同时通过互联网,他们又可以将这些小批量、个性化的东西销售出去,而这些长尾产品是传统制造业难以生产和销售的。3D打印是一种有潜力的技术,但它不能制造从高技术含量到低技术含量的一切产品,也不会单独带来工业革命,它只是第三次工业革命中的一种技术,跟激光切割技术、3D扫描技术一样。

第三次工业革命的开端在哪里?

桌面级数码制造工具、可共享的设计文件及云工厂是第三次工业革命的3个必备元素,互联网则是把它们串起来的关键因素。我认为第三次工业革命在5年前才真正开始,即当桌面级生产设备能够被普通大众获取之时。

创客运动将对制造业产生怎样的影响?

互联网上存在很多小公司,它们比大公司更快速、更灵活,现在创客运动将把这种趋势延展到制造领域。创客运动不会摧毁旧有的制造业模式,而是创造全新的制造模式,就像互联网至今仍没有摧毁所有传统媒体,而只是增加了一种媒介一样。创客运动能够普及桌面级制造设备的使用,于是人们用更少的劳动力、更低的成本就能创业,并且所承担的风险也更小,所以第三次工业革命不是关于劳动力的,而是关于创新和数字技术。

在这个过程中,大公司该怎么办?

创客运动能开发出越来越多的长尾市场, 但这不是大工厂的死期。大公司的业务会发生转变,部分产品依旧面向大众,还有一部分产品属于小众。在大规模制造中,传统制造业依旧占据优势,但小批量、个性化的生产则不是它们熟悉和擅长的,如果它们想和新兴的小型公司在这个市场进行竞争,就需要吸取创客运动的经验,加快自己的创新速度,比如建立一个开源平台,让顾客进来参观。

如何理解第三次工业革命让制造业重返发达国家?

全球制造业的趋势正在从关注劳动力成本转为关注高技术、高附加值的创新,这意味着一些制造业可以远离低成本劳动力聚集地,重返更靠近消费者的地方。让制造业重返发达国家,指的是让创新的小型公司回到发达国家,让它们更靠近市场,而大规模生产的大工厂依旧会向人力成本更低的地方迁移。

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