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未来不会再像过去那样:改变世界的3D打印技术

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发表于 2018-2-2 10:59:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 聊大聊天 于 2018-2-2 11:17 编辑

未来不会再像过去那样:改变世界的3D打印技术
未来不会再像过去那样。—约吉·贝拉

对于通用电气(GE)这家由托马斯·爱迪生创办的全球标志性工业企业来说,这场大颠覆(Great Disruption)始于2013年的年底。谁也没想到,宣告它到来的信使是一个名叫阿里·古尼阿弯(Arie Kurniawan)的小伙子。

他正在印尼雅加达城外的一间狭小的房间里,光脚坐在一部双屏幕电脑前工作。前不久,他在一个工程网站上看到一则消息,说通用电气公司航空部正在举办一个“公开创新挑战赛”,要求参赛者重新设计飞机的一个关键部件。

比赛看起来不大靠谱:获奖者要为一个看似简单的支架设计出最佳的新样式。但这个支架非同小可,它直接与重达8 000 磅的飞机发动机相连。要把发动机牢牢固定在机翼上,这个支架至关重要。通用电气公司要重新设计的这个部件已经用了几十年,虽然非常笨重,但不难想象它有多么的可靠耐用。

夜已经很深了,但阿里还是不知疲倦地进行设计。他采取的方法并不是改进这个关键部件,而是彻底重新构思。黎明时分,阿里按下发送键,提交了他的参赛作品。虽然他对自己的作品很满意(一个工程师对自己的作品能有多满意,他就有多满意),但也并没抱多大希望。

事实上,他都怀疑通用电气公司评选委员会里的那些资深工程师看都不会看他的作品一眼。

可阿里万万没有想到,几个月后,通用电气公司从将近1000件参赛作品中选中了他的设计。阿里的成功引起了轩然大波,波及的范围远远超出了他所在的印度尼西亚的那间小房子。

首先引起关注的是,人们发现原来阿里没有任何从事工业制造的经验,从来没有设计、制造过体积大、耐用度高的机器。实际上,他仅有的一点儿正式学习设计的经历,还是几年前在老家镇上的一所职业高中里。那所学校有一句口号—“培养信念坚定、具有全球竞争力的毕业生”。

过去几年来,他一直在设计手套和电脑桌,而不是高应力工业设备。虽然没有丰富的制造业经验,但他却打败了一些强劲的对手。这些对手当中有为萨博(Saab)和通用汽车公司工作的瑞典博士,还有一位来自英国的应力工程师,在空中客车公司(Airbus)工作—那可是全球最大的商用飞机制造商。

不过阿里的故事令人吃惊的还不止这些—他的新颖设计是用一种新型的工业3D打印技术做出来的。直到那时,所有的发动机支架(和组成飞机的其他数百个关键部件一样)都是用传统方法制造的,要么是把液态金属倒进空心铸模,要么是把熔矿弯曲成形。

阿里在他那间小办公室里设计出来的支架样子虽然古怪,但性能十分出色。通用电气公司用尚处于初期阶段的3D 技术把支架打印出来,结果通过了耐力、压力和可靠性等每一项严格的测试。而且它比原支架轻了83% !

与此同时,在世界另一头,通用电气公司的一位名叫戴维·乔伊斯的高管正沿着过道走向一台3D 打印机。这台机器是一个冰箱大小的盒子,可以通过一扇侧边的门来打开。机器内部,激光正一层又一层地“打印”着,毫厘不差地把金属粉末熔成一个具备工业强度的零件。

在整个职业生涯里,戴维几乎一直在通用电气公司的航空部工作,已经有30 多年了。他几十年如一日,不知疲倦地钻研工程设计,不断追求提高生产力和生产效率的办法。这项工作既辛苦又枯燥,即便有了一些成效,也是微乎其微。

但那已经成为过去了,如今3D 打印为通用电气公司提供了一套全新的工具。现在,他手下的工程师可以设计具有复杂几何构造的部件了,这在以前是不可能做到的。从本质上来说,一样东西只要能在电脑上设计出来,这些打印机就能把它制作出来,包括很多用其他制作方法根本做不出来的零件。

比方说,3D 打印机能在金属块上钻所谓的“曲线孔”,或者打印跟原物一模一样的复制品。它可以做出一个没有缝隙的空心钢球,或者在里面再套一个无缝的空心钢球,甚至可以一层一层不断地套下去。

钻曲线孔、嵌套钢球,太厉害了!但这些都还只是小把戏。戴维的团队正在生产一种精密的工业部件,不仅实用而且意义重大。3D打印机停了下来,戴维向里张望,通用电气公司全新的飞机发动机燃油喷嘴做好了!

这个新部件可不简单。首先,它是一整个儿地被做出来的。以前,一个喷嘴包含21个独立零件,每个零件都要由不同的供应商制造,做好后运到某个地点进行集中组装。其次,它不是在嘈杂的工厂车间里被做出来的,而是在实验室里制成的。而实验室随便设在哪里都行,既可以设在尼日利亚,也可以设在曼哈顿区一幢公寓楼的五楼。

它在实用性方面也有了很大改进。新的燃油喷射系统的强度和耐用度都是原来的5倍,重量还比原来轻了25%。更重要的是,它使燃油效率提高了15%,实在是太惊人了!

这两件看似毫不相干的事很快就在通用电气公司里传开了,甚至一路传进了首席执行官的办公室。当然,没有人指望这些部件能对公司的总体财务状况产生立竿见影的影响,但这两件事给人带来的启发非常明显:

• 如果一个没受过工业制造训练、才二十岁出头的年轻人设计出来的东西,比跨国大公司里的顶尖工程师设计的还要好,这对当今全球的工业设计从业者来说意味着什么?

• 如果这两个关键部件经过重新设计能有这么大的改进,那公司其他数以千万计的部件有没有改进的可能呢?

• 如果21 个零件能够一起整体生产,这对通用电气公司那些有长期合作关系的零件生产商来说意味着什么?

• 如果这项新技术能降低制造业成本并使制造业回流美国,这对全球供应链来说意味着什么?

但最重要的一点或许是:如果这些新技术不仅能够被用来重新设计零部件,还能被用来重新设计一整架飞机呢?我们能否设想把一架飞机的重量减轻5%、10%,甚至20% ?对通用电气这样的大公司来说,诸如此类的成果带来的可不仅仅是财务收益的提高,它还将改变整个行业的经济状况!实际上,它将改变每一个行业!

高难度,小批量,变化无穷

立马意识到3D 打印未来价值的不止是通用电气公司的高管。这项技术不仅正在改变企业的生产方式,还在改变产品的设计、运输和仓储方式。同时,3D 打印的出现,为产品创新的洪流打开了闸门。该技术甚至还影响了公司文化,创造出更富合作精神的工作氛围。

所有这些可能性都源于3D打印的两个特征。第一,这项技术有着无与伦比的高难度生产能力。一件东西只要能用数字化三维建模程序设计出来,3D打印就能把它制成实物。传统的生产工具可没有这样的本事。例如,没有3D打印,通用电气公司新的燃料喷嘴不可能做得出来。

第二,有了3D打印,企业就能进行小批量的定制生产—用目前的工业流程,这种生产是不划算的。大规模生产主导了传统制造业,原因只有一个—大规模生产下的产品单位成本非常低。拜它所赐,我们才能买到“白菜价”的袜子、电视和微波炉等。但大规模生产也有几个缺点。

首先,盈利靠多销。一家企业必须生产和销售一大批相同产品才能赚钱。其次,大规模生产还需要一大笔初始投资。企业往往要事先投入数万(有时甚至要数百万)美元,才能开始生产第一批廉价的相同产品。最后,大规模生产没有给设计多样化留下余地。你的确可以生产出便宜的平板电脑,但你做不到为客户提供个性化的定制机。

有了3D打印,一切都变了。首先,生产成本不再是头等大事。这意味着你不用靠生产成千上万相同的产品来营利。实际上,用它来生产一大堆相同的产品也省不了钱。没错,3D打印生产的东西,其单位成本要比大规模生产的产品高;但它的单位成本没有和产量挂钩,所以即便少量生产也不会亏本。比方说,如果通用电气公司想尝试设计发动机支架,他们可以打印出三种不同的设计样品,成本跟打印三个完全一样的差不多。

最重要的一点是,3D 打印技术不仅仅是一种新奇有趣的生产方式,也不仅仅是制造业的一次范式转变。归根结底,它是工业革命的第二次浪潮(Second Wave of the Industrial Revolution),将极大地推动今后250 年里制造业的发展。顺便说一句,这不是预测,而是规律。

你想想看,所有的技术转型都是从大规模生产开始的,从书籍(用谷登堡印刷术印制)、汽车(由亨利·福特的装配线组装)、耐用家电(如西屋公司的洗碗机)到先进的电子产品(像苹果智能手机、平板电脑等),种类繁多,不胜枚举。大规模生产以后,物质丰富了,而且价格也降低到了大部分人都能支付得起的水平。

但是,大众得到的只是批量生产的廉价品,而人们真正想要的却是定制品。这是基本的人性使然。首先,批量生产的商品,目标是一般消费者。但没人会认为自己是一般消费者。只要有机会,在价钱相同的情况下,我们总会挑选为自己特别制造的东西,而不要大路货。其次,定制商品还能实现一系列新的用途,这本身就有力地说明我们每个人的愿望和需要都千差万别。

定制人体

医学研究者和药品供应商是最早探索3D打印技术可能性的人,他们最初的创新成果令人震惊。借助3D打印技术,医生和研究人员能够修复和复制人体,这在十年前还是无法想象的。同样,秘诀在于复杂度和定制。

比如说膝关节置换术。每年都有几十万人需要进行这项手术。一般情况下,手术是这样操作的:医生在病人的膝部开刀,把周围的皮肤往后固定。在他的助手那里有几块不同尺寸的替换物,可以换掉膝盖上病变或受损的部分。医生把这几块替换物拿到病人膝盖上比量,然后挑出最适合的那块。接着,医生把这块替换物装进病人膝盖,尽量使它贴合病人的身体。最后,医生缝合刀口,病人被送去接受物理治疗。

这样的手术存在不少问题。没有一件现成的替换膝盖能完全贴合病人的身体。植入物缺乏几何精度,而膝盖又在人体中发挥着复杂而精密的作用。膝盖是人体最大的关节,比肩膀更复杂,还要承受体重。很多替代膝盖因为不能很好地贴合人体,失去了支撑躯体的作用。有的还和膝盖其他部位以及大腿相互挤压。结果令很多病人手术后非常痛苦,不少人不得不再次开刀,希望找到更适合的替换物。

3D打印为这些问题找到了新的解决办法。医生可以用3D技术扫描你的膝部,然后打印出一个精确的复制品—不是现有替换物里最适合的一个,而是和要置换的膝盖分毫不差的复制品。植入这些3D 打印替代膝盖的方法和先前一样,但病人术后的恢复情况要好得多。比起用现成的替换膝盖,他们住院恢复的时间缩短,痛苦减轻,术后初次下床活动的表现也要好得多。

用3D 技术打印其他身体部位的替代物也同样取得了成功。它做出来的一些敏感部位替代物同样具备几何精度,性价比相当高。其中有能够完全契合的颅骨骨块,用来修复头部创伤。而且在3D 打印的部位上还能做出错综复杂的沟槽,加强该部位与身体的融合。这些复杂的沟槽能使骨头围绕着3D 打印的部位生长。另外,3D 打印因为能够满足极高的设计复杂度,正被用于生产以前无法制造出的新的医疗用品。例如巴斯夫公司(BASF)正在为烧伤病人打印新的皮肤,不再依赖从身体别的部位移植皮肤。在3D 打印出现之前,生产这些医学创新品不是完全不实际,就是根本不可能。

有时候,这些定制的3D 打印人体部位还有一个优点:不仅性价比高,而且还比传统生产的替换物便宜得多。2014 年,中佛罗里达大学(University of Central Florida)的研究人员为一名6 岁男童打印了一件假肢。这个男孩右臂肘关节以下先天缺失。如果要购买传统生产的假肢,不仅他的家庭医疗保险不能报销,而且费用高达40 000 美元。而这仅仅只是一次的费用,今后的几十年里随着孩子不断长大,假肢需要不断换新。但3D打印的假肢只需350美元。

不可思议吧?可接着,更让人吃惊的事情发生了。研究人员把他们做出来的模型放到网上的开源文件里,希望其他人能对模型的设计进行改进。这完全打破了传统制造业的行规。从来没有药品生产企业会把原创的设计免费公布到网上。一年后,一位3D打印发烧友听说有个7岁的男孩需要一条手臂假肢,便决定为他设计一个,好让他戴上以后兴奋不已。他专门设计了一条跟《星球大战》里的卢克·天行者用的假肢一模一样的手臂。这条手臂的造价更便宜,只要300美元。一队《星球大战》中的帝国冲锋队员和其他的剧中角色把这条新手臂送到了小男孩手中。

在短短十几年的时间里,3D打印已经给医疗行业中的关键领域带来了巨大的改变。未来它的应用几乎没有界限,可能改善(或者挽救)亿万病人的生活(或生命)。没错,从某种程度上说,3D打印最早是为医药行业量身定制的,因为这个行业的产品开发预算和整体利润率都很高,也无须像生产一件《星球大战》主题的假肢那样组建新团队、提高知名度。但成就了这些奇迹的两个新的生产特点(自由设计、定制几乎零成本)却可以被应用于更加广泛的领域。能够大量打印设计极其复杂的定制产品,这样的技术任何行业都需要。

大规模定制

数十年来,“按需”进行规模定制的重要性已经显而易见。这在很大程度是受了互联网发展的推动,它为许多行业提供了灵活又有创意的定制服务,包括娱乐业。但规模定制的强大影响并不仅仅局限于基于网络的服务。那些最初看上去不可能会受定制化潮流波及的大公司,现在也开始跃跃欲试。

世界上最有价值的品牌—可口可乐,就是个典型例子。100 多年来,可口可乐一直是培育和管理大众市场品牌方面的革新者。公司成立于20 世纪初,是首家要求在产品瓶身上使用全国统一的标准化字体和颜色的公司。1915 年,它率先设计出了可口可乐瓶子的式样,并授权全国各地统一使用。

第二次世界大战后,可口可乐公司成为第一个真正的国际品牌,从圣保罗、东京到慕尼黑,卖的都是相同的产品。然而,即便是这样一家出类拔萃的大众市场企业,也在尝试着手进行规模定制。2014年,公司推出了个性化信息服务,包括把消费者的名字印到其标志性的商标中间。惠普公司新的打印技术能以前所未有的规模提供定制服务,借助这项技术,可口可乐公司制造了8亿条个性化标签。

这些标签上用15种语言、5种不同字母印了在32个欧洲国家中最常见的150个名字。在以色列,可口可乐公司更是把这个创意发挥到了极致。它用惠普公司研发的一则算法,打印出了200万种五颜六色的独特设计。每个罐子上的标签都不一样。这项定制计划获得了突破性成功,使可口可乐公司的销售额大增,实现了自20多年前可口可乐推出20盎司a装的经典塑料瓶以来的最高销量。

西夫韦(Safeway)和克罗格(Kroger)等大型连锁超市同样想在规模定制中应势而动。但它们的做法不是提供独特的定制产品,而是以个性化的价格销售全国性品牌。西夫韦公司利用收集到的顾客购物数据,通过手机应用程序向顾客发送个性化的商品价格清单。顾客收到的不再是批量发送的优惠券,而是自己经常购买的商品的优惠价。

规模定制服务也开始崭露头角。人人都想创立“下一个优步(Uber)”,这种渴望催生了一批手机应用程序创业公司,例如帮人找临时家务帮工的“便捷(Handy)”、帮人手写“亲笔”信件的“信诚(Sincerely)”和配送优质定制餐点的“火箭配餐(SpoonRocket)”,送餐速度比比萨外卖还要快。没错,很多创业公司都倒闭了;但总的来说,互联网为亿万人提供了可以定制的产品,这些产品已经对标准化生产的大众商品构成了威胁。

3D 打印的膝盖替换物、互联网和个性化的可乐瓶之间没有明显的联系。但它们其实都是同一个故事的不同版本。首先,一项新技术被应用到大规模生产中。结果,成千上万的人有了大规模生产出来的替换膝盖、有线电视和瓶装可乐。它们各有各的用处。

但最终,一件相同的事发生在不同的大规模生产的行业中—另一项新技术来了,除了带来同样的好处,还带来了定制化生产。膝盖还是照换,但替换的膝盖更吻合了;娱乐节目还是照播,但它更对我们的胃口了;可乐还是照喝,但装它的罐子已经因人而异了。这项技术的第二次浪潮带来了大规模定制生产。尽管故事的版本众多,篇幅各异,但它们的结局都一样—大规模定制取代大规模生产。

今天,同样的事情在制造业中发生了。工业3D 打印就是生产技术革命的第二次浪潮。它已经开始颠覆建立在大规模生产基础之上、产值达到14 万亿美元的全球制造业。但这只是一场伟大变革的开始,类似的故事已经上演了一遍又一遍。3D 打印是催化剂,一场对大规模生产的颠覆已经不可避免。这不是预测,而是规律。

新视角

3D打印的世界跟现在我们生活的世界大不一样。在那里,砖块能自己垒起来,电池只有一粒沙子那么大,钛球能弹起30英尺a高。我们甚至无法预测它将创造出什么样的奇迹。虽然我们不知道这场变革会持续多久,但我们能够知道它的结局如何。

我们的发现之旅将首先探讨的是,为什么唯独3D打印能在今天所有的先进生产技术中脱颖而出,成为引爆这场大颠覆的导火索。接着,我们将绕开天花乱坠的炒作宣传,看看这项技术现在真正能做什么,将来又能做什么。我们会更贴近地审视3D打印的世界,看看那里比钢铁还硬100倍的新奇材料;看看那里无需任何支撑,就能自行“飞架”运河两岸的一座座桥梁。

3D打印就是这么酷!但把它作为一种通用的工业生产方式还有着更为深远的影响。比如说,它可以减少50%的生产废料,有利于保护环境。发展中国家终于可以发展本地制造业,减少进口依赖。在医疗卫生领域,无论是药品生产还是器官移植,都会根据每一位病人独特的生理体征进行定制化生产。工作流程的协同性将会更强。设计局限也将消失。
总而言之,我想解答的是两个简单的问题,企业负责人、研究人员、生产商、消费者、父母、教师、商人和决策者也都想弄明白它们:一是这个3D 打印的世界将如何呈现在我们面前,改变我们的生活;二是我们现在可以着手做什么,才能最大限度地发挥个人和组织的优势,迎接不可思议的未来。

-----------------------------(以上节选自下面这本书:《大颠覆:从3D打印到3D制造》)

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作者简介
【美国】里克·史密斯(Rick Smith)
World 50创始人兼CEO。《华尔街日报》畅销书The 5 Patterns of Extraordinary Careers和The Leap作者。Fast Radius公司联合创始人,TED演讲人。

【美国】米奇·弗里(Mitch Free)
数字制造业专家,2000年创立MFG. com并任总裁兼CEO。2005年当选Inc杂志“2005年度企业家”。Fast Radius公司联合创始人。





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