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1.2 全球第三次工业革命的导火索 |
3D打印跨越了虚拟的比特世界和实体的原子世界之间的鸿沟，其革命性的意义超越了之前个人电脑和互联网的出现。2012年，《经济学人》、《福布斯》、《纽约时报》等杂志都称3D打印将引发“第三次工业革命”，期望以此让制造业重新回流到欧美等西方发达国家。据预测，3D打印行业的产值将在2016年达到31亿美元。2012年8月，美国总统奥巴马拨款3，000万美元，在俄亥俄州建立了国家级3D打印添加剂工业研究中心，并计划第一步投入5亿美元用于3D打印，以确保美国制造业不再继续转移到中国和印度。但笔者在本章第1.6节中认为恰恰相反，3D打印相关技术将给新兴国家带来更多机遇，将使制造业——尤其是制造业的上游产业链，进一步掌握在中国等新兴国家手中。
第一次工业革命于18世纪从英国发起，它开创了以机器代替手工劳动的时代，典型特征为“机械化”。18世纪60年代，珍妮纺纱机（1765年）的发明和应用是第一次工业革命开始的标志。瓦特（1781年）改良的蒸汽机，将人类带入了“蒸汽时代”。因此，蒸汽机是第一次工业革命的主要标志。
第二次工业革命起始于19世纪70年代，它以电力的大规模应用为代表，典型特征为“自动化”。1866年德国人西门子制成发电机，1870年比利时人格拉姆发明电动机，电力开始用于带动机器，成为补充和取代蒸汽动力的新能源。电灯的发明以及电力工业和电器制造业迅速发展，人类跨入了“电气时代”。20世纪初，美国福特汽车公司大规模生产流水线的诞生成为了第二次工业革命的重要标志。
第三次工业革命是以智能数字化制造及新型材料应用为代表的一个崭新的时代，具体特点可描述为：智能数字化、分布式网络化、个性定制化、绿色可持续化，典型特征为“智能数字化”。20世纪80年代美国IBM公司推出世界上第一台个人电脑，20世纪90年代互联网开始大规模应用于商业领域，人类从此进入了“信息时代”。21世纪初3D打印的普及将引爆第三次工业革命。
3D打印、智能数字化、新材料，以及机器人技术的发展，将极大地改变制造业原有的投入模式，使得依靠较少的自然资源和人力资源投入，就能取得良好经济效益成为可能。可以预见，未来的生产制造将更有柔性（即灵活性），将远离产品千篇一律的大规模制造模式，向更具个性化的生产模式发展。
3D打印之所以具有革命性的意义，主要是集两大突出优势于一身。1）个人只需在计算机中进行智能化设计，然后将复杂作业流程转化为数字化文件，发送到3D打印机即可实现制造。整个过程中，用户根本无须掌握各种复杂的制造工艺和加工技能，这样大幅降低了制造业的技术门槛。2）由于3D打印的逐层加工、累积成型的特点，制造几乎不受结构复杂度的限制，结合智能数字化设计，可轻松实现产品的个性化定制。
过去各种实体产品的生产都必须依赖大型工厂的昂贵专业设备。随着在2008年至2009年间3D打印市场发生了重大转折，RepRap开源打印机以及各种衍生低价产品的出现（低于1，000美元），使得个人也完全可以拥有一台3D打印机。3D打印可以让人们只需动动鼠标就生产出各种东西，这大大缩减了一个想法到一件真实产品原型的距离。3D打印将虚拟世界的数字内容和物理世界的实体物品连接了起来。
对于个人创业而言，以前有两个门槛：创意和技能。但是有了3D打印技术之后，技能这个门槛已经越来越低。创业者只需要在计算机里做出创意的原型，然后不需要工厂的帮助（原本需要给工厂支付一大笔钱，比如开模的费用）就能用3D打印机做出原型。3D打印给了普通人以制造的能力，释放个体使用者的创新冲动，改变了过去发明创造只是少数人的特权。3D打印提前介入创意设计环节，让设计者能够白天设计，晚上用3D打印机打印出来，次日可以进行讨论修改，如此不断调整，最终的产品能够更好地体现设计者的构想和满足用户的需求。
如图1-21左边所示，上大学时有过金工实习经历的读者会很清楚，这堆复杂的齿轮加工起来非常困难，而且它们之间的啮合还是活动的，而不是死的，这就要求特别高的加工精度。传统技术需要你去了解很多知识和技能，如使用数控机床做加工，你需要学习好多年才能成为一名熟练的操作工（实际上，即使你学徒8年也无法加工这个整体一次成型的齿轮组，因为只有3D打印才能做到）。作为对比，3D打印机的操作很快就可以上手，以我们的经验，快的人10分钟，慢的人1小时就可以学会。还有人会说3D打印只能制造一些小玩意，那请看看图1-21右边的这个大扳手！而且这个扳手还是个可调节开口宽度的活扳手哦。齿轮和扳手都是一次成型的，因此都无须任何组装。
图1-21 3D打印的滚动齿轮和可调节扳手，无须组装
（图片来源：Zach Walton）
有的读者会说，上面的齿轮和扳手都是塑料做的，结实吗？实际上，塑料在许多制造业内取代了金属，它的优势是重量轻、耐腐蚀、可塑性好等。如今越来越多的新型塑料研制成功，不仅具有非常高的强度，而且有的还具有很强的弹性和记忆属性，成本也都不高。当然，除了新型塑料，还有越来越多的新材料被研发出来，将掀起一股新的3D应用风潮。来自密西根理工大学的研究员Joshua Pearce，就对3D打印未来的普及程度进行了大胆预测，随着3D打印机和材料的廉价化、实用化和普及化，以3D打印为代表的个人智造将会像个人电脑一样，很快成为主流。
此外，除了刚才介绍的两个突出特点，3D打印技术还具有如下几大优势。
性能卓越
基于3D打印技术，设计人员可以对产品的内部结构进行精细控制以获得最佳效果。例如，用晶格或蜂窝状内部结构取代一个整块，可以在减轻产品重量的同时又不牺牲强度。
此外，研究人员正在研究一系列技术来控制打印件的性能，甚至能对金属的微观晶体结构精细控制，这将在本质上改变材料的底层原子和分子排列。例如，传统的金属铸锻技术（即 受压成型 ）需要金属从外至内冷却，而金属3D打印采用快速凝固，从而导致更均匀的微观结构。因此，工程师可以控制成品的强度、硬度、弹性、灵活性和耐压力。
就某些材料而言，3D打印不只是较好的选择，更是理想的生产方式。钛就是一个例子──重量轻、强度（密度）比钢强、比不锈钢更耐腐蚀。事实上，在许多应用场合，钛都是近乎完美的金属选择。然而，除了成本较高外，钛的主要缺点是：在切割过程中容易硬化，这导致刀具磨损严重；在焊接过程中，又容易受到污染，这导致焊接点容易脱落。而3D打印技术却可以很好地对钛进行驾驭──因为此时的钛已成为了一堆很细的粉末，只需不断地添加烧结即可，不存在任何加工问题，既不需要切割也不需要焊接。
成本优势
以前你要找个工厂，让它为你生产一把你自己设计的锤子，首先你至少要为此支付5～10万元的开模费用。如果产量低于一百，则单件的价格高达几百元。因此，如果仅做一把或几把锤子，成本将是无比高昂的。但是，对3D打印机而言，无论是生产一件产品还是一千件产品，设备成本都是一样的。
此外，3D打印和传统制造业的另一个区别在于产品的形成过程。传统制造过程通常使用消减的做法，包括研磨、锻造、弯曲、成型、切割、铣削、焊接、黏接、装配等。整个过程中会浪费很多原材料，同时在金属加热和再加热的过程中产生大量的能源消耗。
与此相反，3D打印技术在小批量打印方面已经表现出了显著的价值。首先无须采购各式各样的机床，如车床、铣床、磨床等，这就省去了一大笔设备采购、维护费用。同时，因为是有控制地一层层添加材料，加工废料也大大减少，可以留下90%的原材料。以国外某个制造厂为例，通过使用3D打印（采用熔融沉积成型方法，即FDM）定制注塑模型的某个特别部件，制造成本由10，000美元降至600美元，生产时间从4周减少到24小时，且重量减轻了70%～90%。
更重要的是，3D打印技术在样件设计制造上优势明显，省去模具制造的过程，在提升研发速度的同时，降低了研发失败的成本。当然，3D打印技术也可作为大规模生产的辅助工具，比如模具和其他工具的制造，用传统加工方法一般需要花费一个月的时间，而使用3D打印在48小时内就可以完成。
在产品直接制造方面，比如使用3D打印实现多层电路一次成型的整合制造，可具有明显的速度优势。
更重要的是，3D打印具有“即需即印”的优势，当顾客下单后，定位一个距离顾客物理位置最近的云制造节点开始制造，然后迅速送货上门，这样省去了产品库存、物流的成本。
前面介绍了3D打印的诸多优点，正是这些优点才点燃了全球第三次工业革命的导火索。然而，3D打印的应用刚刚开始全面普及，肯定也存有很多不完善的地方，比如制造精度相对较低、制造简单结构部件的速度较慢等。如图1-22所示给出了3D打印技术的优势和劣势。
图1-22 对3D打印技术进行优势、劣势比较分析
（来源：华泰证券的行业调研）
从图1-22可以发现，当前的3D打印技术其实更适合于个性化定制需求较多、产品更新换代较快的市场环境，可使得从设计到推向市场的时间（包括样件制造、实验测试、模具制造）大幅缩短。3D打印将会越来越广泛地应用于产品开发设计阶段的原型（样件）制作、辅助工具制造（如模具）、直接生产高度定制或技术复杂的小批量产品。
3D打印需要依托多个学科领域的尖端技术，至少包括信息技术、精密机械和材料科学三大技术。通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了一定的应用，在工程和教学研究等应用领域也占有独特地位。具体应用领域至少包括以下几个。
生物医疗：用于制作人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等。
航空航天、国防军工：用于直接制造复杂形状、微细尺寸、特殊性能的零部件。
消费品：珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造。
文化创意和数码娱乐：通过设计形状和结构复杂、材料特殊的作品来进行艺术表达。3D打印的小提琴已接近手工艺的水平。
工业制造：用于产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证；制作模具原型、直接打印模具，甚至直接打印产品。3D打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。3D打印的家用器具模型，也被用于企业的宣传、营销活动中。
建筑工程：建筑模型风动实验和效果展示、建筑工程的施工模拟。
教育：打印模型来验证科学假设，用于不同学科的实验和教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校，3D打印已经被用于教学和科研。
如图1-23所示给出了3D打印具体应用于各个行业时的优势发挥和局限程度。
图1-23 3D打印具体应用于各个行业时的优势发挥和局限程度
（来源：华泰证券的行业调研）
新产品的原型制造是目前3D打印最主要的商业应用，约占70%的3D打印市场。原型使设计师（和他们的客户）可以在设计阶段早期触摸和测试设计理念或功能实现，从而避免了后续变更造成的昂贵代价，为新产品上市节省了大量的时间和金钱。以赤石（Akaishi）──日本的一家保健鞋和按摩设备制造商为例。该公司发现，通过3D打印原型，新产品从订货至交货的时间缩短了90%，并且使设计师在产品上市前就对功能有100%的信心。原型还有利于实验和创新，例如，使用3D打印技术，贝尔直升机公司可以在数天内完成新设计的测试，而使用传统方式需要花上数周。
在某些行业中，3D打印已经从原型制造发展为直接零件生产，也称为直接数字化制造。EOIR技术公司是一家领先的防御系统设计和开发公司，使用3D打印机制造坚固耐用的坦克外置设备。自从引入3D打印技术后，该公司的制造成本从原来的单件10万美元以上，下降到如今的40，000美元以下。再例如，在航空航天领域，空中客车通过3D打印来制造金属机翼支架，如图1-24所示，由于3D打印可以毫不费力地制造内部任意复杂中空的形状，使得部件重量较轻，飞机的重量也随之减轻，从而节省了燃料。
3D打印是一种数字化技术，而不仅仅是一种制造技术。 它所具有的开放性和大众性，为创新搭建了舞台。它使制造业的门槛降低，点燃了从公司到大众的创造力，为伟大的全球第三次工业革命的到来铺平了道路。