Skip to main content Skip to Footer

埃森哲《展望》期刊


挖掘3D打印的颠覆性潜能

3D打印技术是数字化商业版图中重要的一块拼图。

如今,企业运营处处都离不开数字技术。商业大师杰里米·里夫金(Jeremy Rifkin)认为数字技术是“第三次工业革命”的一个重要支柱1。数字技术不仅是传统商业模式的颠覆者,也是新商务渠道和客户关系的缔造者。据思科系统公司(Cisco Systems, Inc)估计,从现在到2022年,“数字化颠覆技术”将创造约14.4万亿美元的潜在价值2。

埃森哲认为,全球性数字化网络简化并加快了产品、材料、零部件以及更重要的一点——信息之间的流通,从而构成了一种新的生态系统,而数字化供应网络(DSN)正是这种新生态系统的支柱(见图1)。

图1 线性供应链正在向环状数字供应网络转变,从而让运营流程更灵活

数字化供应网络不仅能帮助企业更快、更有效地合作,还能让企业随时随地调用大量信息。依托于数字化供应网络,3D打印技术可以显著提高产品迭代速度;并以经济可行的方式实现商品及零部件的大规模定制;而所有这些都会促使企业以全新的角度思考制造、供应链管理和客户服务。

本文将从三方面探讨3D打印技术如何借助数字供应网络推动创新、创造价值以及颠覆传统商业及运营模式。

1 第三次工业革命。
2 思科公司报告:《拥抱万物互联,抓住14.4 万亿美元的潜在机遇》。

3D打印技术入门

3D打印机利用增材制造技术,而传统制造基本采用的是减材工艺,在铸造、塑模、成型、抛光和组装部件的过程中通常会产生废料,而相同的部件使用3D打印机可以一次性流畅成形,基本无废料。

3D打印最常见的方法是熔融沉积成型法(FDM),即用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)和聚乳酸(PLA)等塑料打印出不同的形状。将材料加热至熔融态后,随着喷嘴沿着XY轴的机械移动,分层向下挤出。随后,喷头略微上升高度,重复操作。

对于带悬垂结构的物体,制造商可使用多种打印材料。其中一种材料可以起支撑作用,并且在后续处理过程中可以轻易去除。其他技术,如立体平板印刷和激光烧结,则是利用激光将合金或粉末精确加热,再使其固化。这些激光技术可有效使用FDM无法处理的金属材料。无论是塑料还是金属材料,3D打印机的压力和温度阀值都会越来越高,而且由于无需焊接,许多产品比之前通过工程设计生产出来的产品还要坚固。

过去,3D打印机主要用于模型制造,所以市场较小。不过,随着新应用不断涌现,市场需求逐渐增加,也带动了价格下跌。预计未来,企业的3D技术投资会侧重在速度、精确性和输出能力提升方面,从而使3D打印机更大批量地制作更复杂的产品。

最近,美国能源部橡树岭国家实验室(Department of Energy's Oak RidgeNational Laboratory)和辛辛那提机床制造商宣布了一项合作。双方将研制一种新型3D打印机,其速度是目前大多数打印机的200至500倍,体积是现有打印机的10倍。此外,随着激光烧结等技术专利的到期,预计未来将涌现出更多的创新。3D打印机与传统减材制造工具相结合,制造出的金属零部件不仅可以媲美甚至能超越传统技术生产出的产品。而采用3D打印技术,用料更少,产品形态各异而且更轻巧。例如,通用电气正在“打印”的喷气发动机托架,重量上较之前轻84%。

3D打印改变制造业格局

史泰博公司(Staples)和亚马逊公司已经推出了初级3D打印服务,实现了消费产品的即时生产。通用电气油气部门计划用3D打印机试生产燃气涡轮的金属燃料喷嘴。福特汽车公司用3D打印技术制作汽缸盖、刹车片、换挡手柄和排气口等汽车零部件的模型。加利福尼亚州的一家公司甚至尝试用3D打印机建造房屋。除此以外,3D打印机还被用于打印医用移植体、珠宝、根据球员脚型定制足球靴、灯罩、赛车零部件、固态电池以及定制化手机等。

可见,3D打印技术的应用不断扩展,并呈快速增长之势。根据沃勒斯联合公司(Wohlers Associates)和德意志银行的研究,2010年到2014年,3D打印市场翻了一倍多,且年复合增长率高达27%。杰弗瑞投资银行(Jefferies LLC)预计,至2021年,3D打印市场的年复合增长率将超过22%;沃勒斯估计,到2021年,3D打印市场的规模将达到60亿美元。

同个人电脑和互联网刚刚问世时一样,虽然3D打印技术潜力无限,但现阶段还无法完全释放出来。不过,在某些领域,3D打印技术确实带来了潜在机遇,比如制造业。因为3D打印技术令数字世界和现实世界之间的界限变得模糊,而在埃森哲看来,这正是颠覆了很多产业的主要力量。

快速模型制作与批量定制

制造业的传统优势是快速、高效、大批量地生产相同或相似的产品;而小批 量和定制化生产却一直是个难题。3D打印技术彻底改变了这种模式,虽然3D打 印目前还不适合进行大批量生产,但它在生产过程中无需特殊的模具、夹具等工 具,因此可以解决小批量生产的经济性问题。3D打印机收到产品的数字化参数后 便可以进行制作,还可以根据实际需要随心所欲地调整数量。因此,3D打印技术 将改变模型制作流程,把批量定制带到一个全新水平。

许多行业都已将3D打印机用于模型制作——3D打印机不仅为他们节省了时 间和大量开支,还能生产出更好的产品。以某消费品公司为例,该公司以前在 一个地方生产一件样品要4天时间,然后还需要把这些样品运送到各个工厂。如 今,给设计师和工程师配备了3D打印机之后,借助成熟的数字化网络,该公司旗 下每家工厂都可以在当地打印出一样的样品,然后及时有效地沟通设计意见,并 基于反馈意见做出修改。结果,模型制作时间减少了75%,现在设计人员可以将 大部分精力集中在产品设计上,而不是像过去那样花在反复沟通、修改模型和协 调运输方面。

在批量定制方面,3D打印技术同样大有可为。假设一个消费者要买一把新 的门把手。在过去,他的选择局限于已经设计好的成品,因为这种方式对于生产 者而言是最经济、最高效的,但对于消费者而言,这些产品有时却无法满足自己 的特殊需要。

借助3D打印技术,批量定制变得可行。比如,专业设计师可以把自己的设 计上传到类似于苹果应用商店的地方,这样只要有3D打印机,消费者就可以查看 各种设计,然后基于个性化需求制造出特定款式的产品。这个过程正是3D打印技 术和数字供应网络大显身手之处;数字供应网络可以存储、传送和促进信息的解 读,而3D打印技术可以把这些数字信息变成实物。

归根结底,3D打印机帮助企业缩短了制作零件模型和改进设计的时间,并 节约了相关成本,还能以更经济的方式为每类产品分别制作模型,从而兼顾到不 同的尺寸和配置要求,最终推出多个产品线。随着更多的公司搭建起自己的数字 供应网络,未来将有更多的产品设计方案轻松地在企业间分享,从而汇聚设计 师、供应商、制造商、物流人员、商业伙伴甚至客户多方力量,以更低的成本生 产出更好的产品。

打造数字化新生态系统 满足3D打印技术需要

数字技术正在改变产品设计、制造、评估、购买和消费方式,这点已经成为 共识。然而,数字技术对企业战略、产品质量、信息安全、售后支持甚至商品化 究竟会有怎样的影响?目前还没有明确的答案。

目前数字技术可以将设计师、供应商、制造商、物流人员和消费者有效地连 接起来,很难想象未来数字供应网络还将如何演变。我们知道它拥有巨大的颠覆 性潜能。想想数字化给出版、音乐、摄影和电信等行业带来的巨大变化。例如, 过去音乐都存储在唱片、磁带或CD等实体介质上,而今,大部分音乐都转为数字 格式,于是诞生出一个完整的数字供应链:从作曲、录音、到发行再到消费,完 全颠覆了旧有模式。

对在位企业而言,数字化带来的机遇远远大于挑战。随着更多零部件有了数 字化文件存档,企业能够更好地在组织内外展开协作。以3D打印为例,一个统一 的平台能连接起原材料供应商、物流和制造商,它们之间可以共享设计文档,从 而加快决策进程,生产出新的、更好的零部件,加快生产和交付时间。而得益于 创新的零部件设计、更低的货运量和运输成本、更多的生产和外包机会以及大规 模定制的可能性,未来很有可能会催生出一种新的经济模式。

凭借适当的数字版权管理技术,新生态系统下的版权所有者也无需担心版权保护问题。一旦部件生产出来,先进的扫描技术可以保障产品品质。最终,数字 供应网络将成为上下游企业建立基于合同或临时性生产关系的渠道,从而降低企 业风险,使其能够快速应对需求变化。总之,3D打印简化了产品以及产品零部件 的制造,真正做到随时随地满足客户需求。

要想充分利用这些创新,需要建立一个全新的“制造业数字生态系统”,来 支持全新的产品设计和生产方式,从而共享设计内容,让生态系统中的企业甚至 客户都能够自行生产。在这种情况下,企业可以使用3D打印技术为顾客开发高度 定制化的产品。比如,某位顾客想把房子改建成西班牙历史上特定时期的某种风 格,设计师和承包商可以不受工作的地域限制与顾客无缝协作,共同制作模型, 完善并最终“打印”出窗户、门、五金部件等。

企业运营新视角

这种按需制作零部件及产品的方式能从根本上改变公司的内部运营模式。 在很多行业,3D打印都可以降低产品运输量,以及改变原材料运输本身及其目的 地。企业须明确哪些产品 (或零部件)可以打印,以及需要改造哪些制造、装 配和货运环节,而企业和第三方合作伙伴的关系也将大不同:物流服务供应商可 以在中央仓库为客户提供3D打印服务。这样,制造商就可以把数字模型的版权卖 给物流公司,后者只要在当地打印出产品后再交付给客户即可,而无需再将产品 从一个地方运到另一个地方。这一场景给商业教科书的 “延迟战略”提供了经 典案例。

3D打印和数字供应网络让人们可以从多个角度重新思考供应链管理中的延 迟战略。其中一个角度是制定“准时制部件替换”策略。随着生产设备的老化, 企业很难做到在仓库中储备充足的备件——尤其是鉴于供应商可能不会把原先的 设计和模具全部保存下来。但是通过数字供应网络,3D打印技术可以帮助企业 解决这一问题,让企业只有在需要时再去生产零部件,从而解决了备件断供的问 题,以及缓解库存的资金占用情况。

例如,要修理机器或是车辆故障,用户可以购买所需部件的CAD图纸,用3D 打印机自行制作,而无需找供应商特别定制。随着交付提速和成本降低,这可能 意味着:已经停产或者很难找到的零部件突然又能找到了。就像用DNA技术让已 经灭绝的物种复活一样,3D打印机可以通过扫描已经停产但仍有需求的零部件让 “恐龙”获得重生,“打印”出新的零部件。

这样做显而易见的优势是将停工期缩至最短。而在库存管理方面带来的益处 更大,因为几乎每个库存量单位(SKU)都有有限的存放期或是达到某个时点, 继续占用物理空间将不再划算。

企业储备数字打印机而不是零部件,同时配以数字系统,用于接收和存储相 关模型的文档,从而让企业以经济便捷的方式,获取大量不同种类的零部件,这 些零部件只有在需要时才会生产。设想一个制造商或物流服务供应商,经营一支由飞机、卡车和厢式货车组成的运输队。如果其中一个运输工具出 现故障,那么整个运输队的运输能力就会下降。然而,该公司若是 能与运输工具制造商达成协议,获得相关零部件的3D模型数据,就 能降低停工时间,只需付出“打印”和安装替换备件的时间。

建立内部零部件延迟项目的第一步是了解哪些零部件适合用 这种方式管理。方法是,从产品生命周期管理(PLM)系统中提取 “制造成本”和“制造所需时间”等数据,并进行打印机的可行性 评估。评估需要关注零部件规格以及3D打印机是否有能力复制这些 规格。关键参数包括尺寸、材料类型和必要的操作压力以及温度阈 值。至此,可以拿到一份初步可打印零部件清单。此外,若能量化 3D打印相对于减材工艺的优势(如加快交付速度,降低物流成本, 提高质量),进而探寻新材料的使用和设计,或可带来更多机遇。 通用电气就是很好的例子,该公司将喷气发动机喷油器作为一个单 独的组件通过3D打印再造,而不是像以前那样用20个零部件进行组 装。

3D打印技术的另外一个作用是促进可持续生产。比如,某零 售商一下子收到了一大批货物,零售商必须以较大折扣甩卖,否则 就得将货物再退给制造商,从而增加了某一方的运输成本。然而, 如能重新设计运营流程,由当地货运商或零售商将货物按需打印出 来,上述结果都可避免。此外还需要建立各种机制,确保可以随时 将原材料用于生产其他产品或销路更好的新设计。无论是哪一种情 况,都能避免浪费、降低货运量并减少环境负担。

名词解释

延迟策略是指尽量延迟产品的生产和最终产品的组装时间,就是尽量延长产品的一般性,推迟其个性实现的时间。延迟策略能将供应链上的产品生产过程分为“不变”与“变”两个阶段,将不变的通用化生产过程最大化,生产具有通用性的标准部件,当接到客户订单时,企业便能以最快的速度完成产品的差异化过程与

交付过程,以不变应万变,从而缩短产品的交货提前期,并降低供应链运作的不确定性。

让理想照进现实

只要谷歌一下“3D打印”,就能看到这种强大技术在当下和 未来不计其数的应用场景。3D打印技术目前在理论上拥有无限可能 性,这场景堪比20世纪下半叶计算机、智能手机和互联网带给人们 的遐想。

当然,遐想总是比实际行动容易得多。真正行动的话,企业需 要搞清楚如下的问题:什么样的想法真正切实可行?哪些考量指标 至关重要?哪些计划最值得仔细研究?需要哪个层面的战略和运营 改造?以上问题需要扎实的专业知识、审慎的研究和大量的工作。

一个简单但有效的思路可以指引企业对3D打印和数字供应网 络进行初步探索,这个思路是:

当前研究的这种技术能否帮助组织变得更……

互联? 是否有助于提高流程的实时可见性和无缝协作?

智能? 能否带来更多可执行的洞见、自动化执行和加速创 新?

可扩展?在何种程度上帮助公司提高效率,增加灵活度?

快速?能否帮助公司更主动,更快响应,并且提升延迟战略?

为帮助企业抓住3D打印技术带来的契机,埃森哲开发出一套 诊断工具,用于判断哪些零部件和产品可用于3D打印。该方法覆盖 多种商业价值杠杆,如备货周期和单位成本——从而有助于帮助企业建立起3D打印的商业项目(见图3)。

图3 将3D打印技术融合到现有业务的路线图

随着新应用的不断涌现,3D打印技术在推动增长、盈利和 提升竞争优势等方面似乎具有无限的潜力。希望通过本文的深入 分析,企业能对3D打印技术短期和长期影响有所了解,从而开 启您的3D打印之旅。

作者简介
罗斯·拉斯马斯,埃森哲战略咨询。
苏尼·韦伯,埃森哲技术实验室。
马修·肖特,埃森哲技术实验室。