2013年3D打印對制造業的影響探析
http://www.xibaipo.cc 2013-03-22 10:57 中企顧問網
本文導讀：在欠柔性生產條件下，企業產出與市場需求不匹配導致的綜合成本的增加。同時，生產柔性的欠缺也表現為企業產品創新周期過長，成本太高，導致長期競爭力下降。
一、有望創造以“個體創意+社區共建+云制造”為代表的新的商業模式
由于3D打印對于制造流程的簡化和數字化程度的提升，生產過程中的技術加工部分基本實現了的后臺化處理。這樣一來，制造技術在應用層面的門檻被降低，從而使非專業人員同樣可以實現產品的設計制造，激發更多地個性化設計。同時，借助網絡社區平臺的信息共享和交易功能，將個體創意轉化為可以創造盈利的實際產品，打開了專業制造向個人制造轉化的大門。
二、影響傳統制造企業的生產方式
基于這一技術的應用，微觀企業應對市場多元化需求和不確定性的柔性生產能力將會進一步提高。在經歷了以福特為代表的標準化制造，和以豐田為代表的精益生產（LeanProduction）之后，制造企業在未來可能會步入自由格式生產（FreedomFabrication）的階段。在制造業整體有望經歷一次從量化生產（MassProduction）到量化定制（MassCustomization）的轉變。
“自由格式制造”將給企業生產柔性帶來新的飛躍
柔性生產的價值在于高效率應對市場需求的多樣性和變化
生產的柔性程度，即企業動態適應市場需求變化的能力。表現為兩個維度：1）根據市場短期需求變化，動態調整產品結構的能力；2）高效的產品創新能力。
市場需求的快速變化，個性化需求擴張，使得單一產品的生命周期越來越短。這些因素的存在需要產品生產必須緊跟市場變化進行調整和應對。企業在規模經濟帶來的成本優勢和滿足多樣、多變化需求帶來的超額收益中尋求平衡。而在不確定性已成為常態的現實經濟中，企業面臨的最大風險和成本在于與市場需求不匹配產品產出帶來的資本運營效率的降低。
欠柔性生產條件下企業綜合成本的增加
在欠柔性生產條件下，企業產出與市場需求不匹配導致的綜合成本的增加。同時，生產柔性的欠缺也表現為企業產品創新周期過長，成本太高，導致長期競爭力下降。
在應對市場需求的多樣化和多變化的過程中，現代制造經濟經歷了一次生產方式的變革，從福特制的標準化生產轉變為以模塊化為核心特點的精益生產。
福特制生產與精益化生產示意比較
從圖中我們可以理解精益生產如何實現生產的柔性化。在福特制標準化生產的條件下，為實現最大限度的規模經濟，設備的專用性極強，生產流程的技術環節被完全固定化，任意環節的改變都需要其他環節作出相應的調整才能保證產線的正常運行。這種生產方式無疑適合于單一化大規模的市場需求環境。
精益生產將整個生產環節拆分，模塊之間技術關系被相對固定下來，但模塊內部可以存在多種變化，以變化組合形式的多樣性來滿足需求的多樣化。生產通過快速調整模塊之間的變化組合來應對市場產品需求結構的變化。由于模塊之間的技術關系相對固定，模塊組件之間的組裝可以實現較高程度的標準化和規模經濟。同時，單個模塊的角色可以由一個或多個企業承擔，模塊中的單一組件仍然可以實現規模化生產。
同時，由于單一模塊內部的創新，不會影響模塊間的技術關系，同時又可以給最終商品帶來性能上的改變。因此，相對于福特制標準化的生產方式，局部創新在精益生產條件下更容易實現。美國MIT汽車項目研究小組研究表明，與大規模生產相比，豐田的精益生產方式僅使用一半的人力資源，一半的制造空間，一半的設備投資和創新時間，卻實現了不足一半的庫存和更多樣化的產品。
3D打印提高生產柔性，打造自由格式制造
3D打印對生產柔性程度的提升，主要通過生產設備通用化水平的大幅提高來實現。即同一臺設備可以以較低成本實現不同產品加工的切換。設備通用化水平的高低，一方面表現為設備可容納的不同產品種類的多少，另一方面表現為不同產品間生產切換時所帶來成本的大小。
以豐田為代表的精益生產相對于福特標準化生產的柔性程度有明顯的提升。但這種生產方式仍然存在著較大的局限性：1）產品多樣化的局限性：通過模塊間組合來實現產品的多樣化會受制于每個模塊內部組件有限的變化形式。出于規模經濟和加工可能性的考慮，很多市場需要的組件會被排除在企業生產可能性之外。2）創新實現速度的局限性：以局部帶動整體變化是精益生產的創新的核心，但就模塊內部的單一組件而言，生產的技術流程仍然較為固定，任意形式的改變可能都意味著需要流程再造和新的加工設備的投入。改變越大，投入設備的成本也越高，失敗所需要承受的“沉沒成本”也越高。由于這一原因，很多企業通過降低設備的自動化水平，使用半自動化或手工工具來提高設備通用水平。本質上是犧牲制造速度來換取生產柔性的提高：降低轉產和創新的成本。
3D打印設備的出現在很大程度上消除了這些局限性。由于這一技術的特點：可以在成本幾乎不變的條件下，實現任意幾何結構的變化形式。因此，就部件的幾何結構而言，3D打印技術將每個模塊內部可能的變化無限增多了。從而提高了產品的多樣化程度。而最具革命的意義在于：在一些制造領域，3D打印技術，無需使用模塊組件的制造思路，通過一次成型即可以直接實現最終產品的多樣化。從而顛覆精益生產，走向自由格式制造的生產階段。
3D打印提高了產品創新速度，降低了創新成本。由于3D打印設備較高的通用化水平和數字化程度，只需修改設計，改變制造程序，而無需額外添加設備就可以新設計的產品或者零部件的制造。此外，從創新設計到推向市場，時間價值無疑是一個十分重要的因素，3D打印技術以數字化制造，快速成型的工藝特點，可以大量節省研發者制造的時間，加速設計創新實現的速度。
三種生產方式的比較
福特制標準化生產 | 精益生產 | 自由格式制造 | |
市場條件 | 需求規模大、穩定、單一可預測；賣方市場 | 需求規模的不確定性，多樣性，不可預測；買方市場 | 需求規模不確定，定制化需求比例上升，不可預測，買方市場 |
技術基礎 | 嚴格的標準化零部件；專用化技術和設備；固定的工業流程 | 使用模塊化組件，模塊之間技術邏輯相對固定，設備通用性提高 | 使用以3D打印為代表的高通用型設備，結合模塊化生產方式 |
生產過程 | 以規模經濟為基礎，同類產品大批量生產；大量緩沖庫存 | 以范圍經濟為基礎，同類產品小批量生產，差異性和彈性自動化，較少庫存 | 以量化定制生產為特點，產品個性化較強，幾乎沒有庫存 |
勞動管理 | 流水線作業，簡單的重復勞動，技術單一 | 多種技能合一的專業化工作，長期技術培訓 | 高頻率創意的設計工作與開源制造相結合；消費與生產者界限的模糊化 |
組織結構 | 高度縱向一體化；大企業 | 縱向分離，網絡化組織 | 網絡化組織 |
創新模式 | 突破性創新，創新與生產分離；較少的過程創新，忽視客戶需求，高成本，長周期 | 漸進性創新，創新與生產相結合；頻繁的過程創新，滿足客戶需求；低成本，短周期 | 漸進性創新，創新與生產分離，頻繁的原型設計創新，滿足個性化需要，低成本，短周期 |
運行模式 | 單品種、大批量、大規模、低成本、低價格 | 多品種，小批量、大規模、低成本、高價值而低價格 | 多品種，定制化，大規模，低成本 |
資料來源：中企顧問網整理
3D打印或引發個體創新浪潮，成就新的制造業模式
“長尾理論”始作于美國《連線》雜志主編克里斯•安德森。它的含義是指：市場中的大多數企業為追求生產與流通的規模效應，將供給定位于市場中的主流產品。而很多滿足個性化需求的“冷門商品”則被忽視。這些產品市場細分程度較高，且種類繁多，潛在市場規模的總量足可與主流市場匹敵，而且利潤豐厚。就像需求分布曲線中厚厚的長尾，這無數個高度細分的小市場被稱之為利基市場（nichemarket）。高效率滿足利基市場需求，以攫取商品長尾效應中的價值是未來實體商業模式發展的一種方向。而隨著3D打印技術的出現和不斷發展，個性化設計到制造的過程被大幅度簡化，以個體化創意到網路平臺化設計制造的商業模式將會得到有力的促進。
長尾效應模型
比特與原子的自由結合即將開始
曾幾何時，我們使用Photoshop，Flash等軟件設計和制作各種的電子圖片、動畫影像。盡管不具備專業的繪畫和影像技術，也不了解這些軟件的背后的程序邏輯，但并不妨礙我們實現各種設計和想法。之所以如此，是因為軟件開發者已經將我們無法掌握的技術環節，設計為計算機后臺的處理程序；而我們面對的是一個簡易化的操作界面，只需要調動相應的功能即可以實現我們的設計想法。類似的功能軟件在虛擬世界中司空見慣，可見，在比特（bite）的世界中，我們早已實現了完全意義上的個人制造。
同樣，3D打印設備基于同樣的思想：將非專業人員無法掌握制造技術納入后臺處理的范圍；生產者可以只關注于前端設計，通過設置參數來實現最終制造。這相當于在虛擬化的設計和現實的物質世界中建立了一個通用的轉化平臺。改變了之前受制于專業加工技術的高壁壘而無法在物質世界中實現個人制造的窘境。在這一過程中：創新與實現在設計環節中分離，在制作環節中結合，比特世界中的設計與原子世界中的制造，二者的自由結合或從此開始。
個體創意借助網絡平臺或實現新的制造業模式
在比特世界中，我們擁有迪士尼，夢工場這種標志性企業；但就整個動畫影像產業而言，這類企業的比重并不占據主導。網絡中充斥著大量個人制作的動畫影像；這些創作者或是小微企業，或是自然個體。他們的制作或許還未進入大眾流行的領域，但仍然有其自身的利基市場。這就像軟件領域中的微軟，和Appstore中眾多創意軟件開發者的關系。
比特世界中之所以形成這樣的市場結構和生產模式，可能源于兩個方面的原因：1）通用化的數字格式為交流和創新奠定基礎。無論是功能軟件、動畫或是游戲，它們都是基于通用化的基礎軟件平臺，或程序語言而開發制作，可以使用標準化的數字格式進行定義，方便制作者之間或是與使用者在網絡空間進行交流，修改并開發個性化的衍生產品。這種創新模式迸發出的潛力顯然不是專業化的大企業可以企及的；2）多樣化的人力資源需求。這種生產模式最大的成本是人力資源，而企業的人力資源管理模式，運行成本顯然高于網絡社區化的平臺。為發揮人力資本的規模效應，大企業一般會專注于市場規模較大的子領域。留下的是豐富的利基市場。
同樣的道理，如果物質世界也可以使用通用數字格式進行編碼，那么意味著以企業為主導的創新模式和生產模式在制造業領域或許也將發生改變。從現階段的CADmodel，以及可被3D打印設備識別的STL、OBJ、VRML、DXF、PLY等文件格式的發展中，我們已經看到了這種可能。這些文件可以在網絡上被自由傳輸，修改和再創造。而與比特世界唯一不同的是，制造領域的最終產品需要以一個物質化的形式出現。而將“設計編碼”轉化為物質產品的便是3D打印機。
通用化的制造程序文件和軟件平臺成就了個體交流的基礎，同時借助網絡的力量；我們認為：設計群體，消費群體，3D打印服務的提供商，以及交互平臺的提供者，有望共同為制造行業創造一種新的商業模式：個人創意、社區開源設計和“云制造”（cloudmanufacture）的結合。
基于3D技術和網絡平臺的新的制造業模式
如圖所示：一、個體創意提交到網絡平臺，供大家探討。討論主要設計兩方面的問題：設計的可行性和市場的需求。二、經過討論如果可行，會形成較為詳細的設計草案。為進一步進行產品制造研發，個人可以通過網絡募集資金。三、募集成功后，產品立項，進入研發階段。研發過程中的技術問題可以借助平臺的技術服務來找尋解決方案。四、產品研發成功后，可借助網絡平臺尋找打印服務商，進行打印制造。由于制造設備是通用的，只需要制造程序和標準材料既可以生產；因此，這一過程可以通過“云制造”來顯現。五、最終通過網絡平臺的交易功能實現產品銷售。 在這一商業模式中，個體創意借助網絡平臺中的5大功能模塊和與網絡存在邏輯聯系的打印設備，實現了創意到盈利的轉化。而與傳統制造企業不同的是：無需廠房建設，人員雇傭等大量的前期投入。更為重要的是：開源設計的方式使得產品創造過程中的人力資源使用范圍更廣，成本更低。從而降低了創新的整體成本。
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