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第三次产业革命 发表评论(0) 编辑词条

随着制造业的数字化,第三次大变革现正加快步伐。得益于新材料的应用以及诸如3D打印、易用机器人和网络协作生产服务等全新工序,小批量生产变得更加划算,生产也更灵活,所需劳动力的投入也减少了。未来工厂中的一切事务将由更为智能化的软件进行管理。数字化将对制造业带来的颠覆性作用与其对其他行业

A Third Industrial Revolution | Geography Education | Scoop.it

目录

1.第三次产业革命 

2.工厂与工作:重回制造业 

3.比较优势:回力棒效应 

4.材料:与时俱进 

5.叠加工艺:立体打印 

6.层层复层层:3D打印机的工作原理 

7.协同制造:现需要群策群力 

8.自动化生产:创造未来 

目录

第三次产业革命编辑本段回目录

第三次产业革命

保罗•麦基里(Paul Markillie)说,随着制造业步入数字化时代,整个领域将焕然一新。而部分制造业将重返发达国家。


规模庞大的法兰克福展览中心(Frankfurt Messe)是无数德国贸易展的举办地。该展览中心外矗立着一座高21米的动态雕像“拿铁锤的人”,正有规则地抡着锤子一上一下地敲击着一块金属。这一雕像的建造者艺术家乔纳森·博罗夫斯基(Jonathan Borofsky)说,是为了歌颂工人们用自己的双手和大脑创造了我们生活的这个世界。这个主题我们都很熟悉。而如今生产工具日新月异,将彻底改变制造业的未来。

欧洲模具展是在德国法兰克福举办的大型贸易展览会之一,展品包括各类制作产品原型的机器,投入生产所需的工具以及其他五花八门的制造装备。传统的工程师成天与车床、钻头、冲压机和制模机打交道。这些机器仍在使用,但欧洲模具展上的展品并非需要工人身穿工作服细心看管满是油污的机器。一个个展厅里摆满了来自美国、亚洲和欧洲的吱吱作响的机械工具。它们不但一尘不染而且高度自动化。操作者不管男女大都坐在显示屏前。不再会看到锤子的影子。

而去年11月份举办的上届欧洲模具展中,展出了一组新机器——3D打印机。无须因循守旧地敲打、弯曲及切削材料,3D打印机通过层层叠加材料生产产品。因此这个过程还被形象的称为叠加工艺。美国一家名为3D系统(3D Systems)的公司用3D打印机为本刊记者打印了一把锤,精致的锤柄有木纹效果,配有一个金属般质地的锤头。

这便是未来制造业的缩影。让今天的工厂制造一把你自己设计的锤子,得花上几千美元。制造者须先生产一个模具,浇铸好锤头,用机器抛光成相宜的光泽,削一根木制锤柄,然后再把各部分组装起来。那样制造一把锤子当然贵得令人不敢问津。但如果要生产成千上万个,得益于规模经济,每把锤子的成本将更大幅下降。然而,对于3D打印机来说,规模经济则没这么明显。3D打印机的软件可作随意调整,几乎能造出任何的东西。不管是单件产品的生产还是3D打印机容许的最大量生产,机器的设置成本都是一成不变的。这就好比二维的办公打印机,不论是打印一个字母,还是打印许多不同的字母直至墨匣和纸张需要更换为止,它会一直打印下去,而每个字母的打印成本不相上下。

叠加工艺仍有待完善,尚不能制造汽车或iPhone,但它已能制造专门的汽车配件和定制的iPhone手机套。尽管相对而言这一工艺仍处于起步阶段,但大多数人可能已拥有一些在3D打印机协助下制造的东西。可能是一双鞋子,在大批量生产前打印出立体的设计样板。也可能是一副助听器,按照用户耳朵的形状量身定制。还可能是一件珠宝,由3D打印机制造的模具浇铸而成或直接使用越来越多元化的打印材料制造而成。

然而,叠加工艺仅是引领工厂走向未来的众多突破口之一;而传统的生产设备正变得更智能化也更灵活。大众汽车(Volkswagen)已经制定了一项全新的生产战略——模块化横向矩阵,即MQB(Modularer Querbaukasten)。通过标准化某些部件的参数,比如发动机的挂载点,德国的汽车制造商希望能够在同一条生产线上生产所有型号的车。这一工艺今年开始实施,但随着未来十年新车型的不断推出,MQB的发展将如日中天。最终MQB能让美国、欧洲和中国的工厂因地制宜,生产出当地市场所需的任何一款汽车。


今时不同往日

由于自动化铣床在拥有视觉及其他感应系统的机器人的协助下,能自己调换工具,多角度切割原料,还能感知故障,工厂的生产效率正得到大幅提升。日产(Nissan)位于英国桑德兰(Sunderland)的工厂始建于1986年,是目前欧洲最具生产力的工厂之一。1999年,公司4,594名员工生产了271,157辆汽车。去年,日产仅凭借5,462名员工便生产了480,485辆汽车——高于此前英国任何一家汽车工厂的产量。

主要生产喷气式发动机及其他动力系统的英国劳斯莱斯公司,其工程技术总监科林·史密斯(Colin Smith)说:“你不可能用老掉牙的手工工具生产这些现代产品。那种大车间里人挤人的场面已经一去不复返。”

随着直接从事生产的操作工人逐渐减少,劳动力成本在整个生产成本中的比例也将随之下降。这将鼓励厂商将一些工作迁回发达国家,尤其是新的生产工艺使他们能更快地适应当地市场需求的变化,而且成本更低。

那些用来制造产品的原材料也开始更新换代。例如,在小至山地车大至客机的一系列产品中,碳纤维复合材料正逐步取代钢材和铝。而有时负责工作的不是机器,而将是通过基因工程改造后的微生物。

未来工厂中的一切事务将由更为智能化的软件进行管理。数字化将对制造业带来的颠覆性作用与其对其他行业,如办公设备、电信、摄影、音乐、出版和影视等,产生的影响一样巨大。 而且这种影响将不会只局限于大型制造商;确实,企业大鳄们可得要小心了,因为即将来临的变革将在很大程度上令中小企业和个体企业家如鱼得水。推陈出新将变得更容易更低廉。 那些类似于Facebook的提供3D打印和其他生产服务的社交团体已在网上小有气候——这种新现象也许可以称之为社会化制造。

该报告认为,所有这些变革都将成为第三次产业革命的导火索。第一次产业革命始于18世纪晚期的英国,以纺织工业机械化为起点。在随后的几十年里,机器生产取代手工制作的变革如星星之火传遍整个世界。第二次产业革命始于20世纪早期的美国,以 流水作业线的发明为标志,从此开创了规模化生产的时代。

随着制造业的数字化,第三次大变革现正加快步伐。得益于新材料的应用以及诸如3D打印、易用机器人和网络协作生产服务等全新工序,小批量生产变得更加划算,生产也更灵活,所需劳动力的投入也减少了。 整个局势又转了个大圈,不再注重于规模化制造模式,而是向更加个性化的生产模式看齐。继而一些在很久前被新兴市场夺走的生产岗位将重新回到发达国家手中。


底本:Shierzou 校审:Pandy 终稿:谁养鱼

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工厂与工作

重回制造业

制造业仍举足轻重,但就业图景正在变化。


一百多年以来,美国一直是世界制造业的领头羊,但如今中国已与其并驾齐驱(见图表一)。21世纪的第一个十年,美国制造业就业岗位削减了约三成。离岸外包和海外建厂的兴起以及精细化供应链的发展已使全世界的企业转向将中国、印度及其他低工资国家作为加工厂。受全球经济危机影响,一些西方政策制定者认为是时候让国家重回制造老本行上来了,这样既可以创造就业岗位,又可以遏制生产技术的外流。这说明了两件事:第一、制造业对一国及其经济仍是重要的;第二、制造业新兴方式将创造新工作。

已有大量研究表明制造业有利于经济发展,但近几年来,也有一些经济学家认为制造业并无特别,服务业同样具备生产力和创新力。设计、制造及销售产品的是人和公司,而不是国家。无论在制造业还是服务业,工作都有好坏之分。不过,据克利夫兰市凯斯西储大学的苏珊·赫尔珀(Susan Helper )为华盛顿布鲁金斯学会智库所做的一份报告中显示:制造业工人的平均工资的确更高些(见图表二)。

同时,制造业公司比其他行业公司更乐于引进开发新产品。虽然制造业产值只占美国GDP的11%,但是国内用于研发的资金中有68%用于制造业。赫尔伯指出,总体而言,制造业与服务业相比,能提供更高工资的工作岗位、是创新的重要来源、有助于减少贸易赤字、而且还能为循环利用及绿色能源等新兴“清洁”经济产业创造机会。所有这些都是一国应重视发展制造业的理由。

尽管中国经济飞速发展,但美国仍保持着强大的生产力。麻省理工学院校长苏珊·霍克菲尔德(Susan Hockfield)说,美国制造业的产值以美元计已经与中国基本持平,而达到这一水平所用的劳动力仅为中国的10%。苏珊同时兼任奥巴马总统“先进制造业合作计划(AMP)”的主席之一,AMP是最近新创立的一个项目,旨在联合企业与高校一同创造就业岗位、提升竞争力。

“拿铁锤的人”的形象令人怀旧,可这在发达国家已不复存在。如今大多工厂车间看上去空荡荡的,而附近的办公大楼里聚集着设计师、IT高手、会计、物流专家、市场专员、客户经理,甚至厨师和清洁工,他们以不同的方式为工厂服务。而在工厂大门之外,还有更多不同职业的人为工厂提供补给。制造业工作的定义正变得越来越模糊。

诚然,美国生产力的大踏步前进带来一些问题,比如究竟会创造出多少(尤其像白领岗位)这样的制造业工作呢。现在,生产线上的技术突破正在进一步减少对劳动工人的需求量。“如果你看看麻省理工学院在生产技术方面产出的成果,你会发现其中很多工作都无需坐班或者说工作量很小。” 霍克·菲尔德女士说,“但这并不意味着已经没有理由在美国发展制造业了,因为为这些看上去轻松的工作流程提供资源本身就会形成一个巨大的供应链,而这恰好提供了大量工作也创造着巨大的经济效益。”

企业也对制造业复苏持乐观态度。通用电气(GE,世界最大制造商之一)全球研发部高级技术负责人迈克尔·伊德里克(Michael Idelchik)说:“我们正处在制造业大变革的前沿。”发起这场变革的导火线可以来自世界任何地方,因此迈克尔的实验室虽然总部设在纽约州北部的田原乡村尼什卡纳,但同时在班加罗尔、慕尼黑、里约热内卢、上海等地也设有分支。就可能创造的新工作而言,伊德里克先生认为人们目前对制造业雇佣关系所持视野过窄:“如果你顾及到所有出力的人,那么这就是一个容纳巨大工作量的产业。”


机器魅影

仍保留在车间内的工作岗位对人员技术水平要求很高,劳斯莱斯生产部老总斯密斯先生表示,“谈到制造业,我们要确保培训体系中务必有这类培训模块。”他也关心公司供应链培训体系,因为许多国家的供应商已经在经济衰退期削减了培训支出。为了得到公司需要的人才,劳斯莱斯已经开办了一所新的学徒培训学校,这样每年受训的人数翻了一番,已达到400人。

苏珊娜·伯杰是麻省理工学院一项新的研究项目“创新经济生产”的项目带头人之一,她认为,美国公司如此大幅地削减培训,将导致“学徒制安乐死”。“创新经济生产”项目研究公司竞争方面的课题。现在有很多公司觉得员工若离职,那么为别的公司所进行的的人员培训就很不值。伯杰和她的同事认为一种代替学徒制的可行方法是在社区院校与当地企业之间建立合作关系,发展培训项目。企业可以不时向院校捐赠生产设备。

数字化的制造业可简化培训。让全天24小时运转的生产机器停下来供学员参观学习,对任何公司都不现实。但是计算机可以在虚拟环境中模仿生产系统并生产产品。在英国华威大学,有一个装有多块大尺寸高清屏的虚拟实验室,在此可进行产品研发,比如将汽车进行3D立体演示以供研究。

如今一辆新款汽车实际生产出来之前,都会先制作成三维“数字模型”。人们可以环绕模型观看、坐进模型车内、甚至试驾,也可以将组件拆卸置于虚拟工厂进而制定出生产方案。汽车企业的其他部门也可以使用同样的软件,包括广告部员工进行市场策划。硅谷欧特克软件公司主管格兰·特罗谢尔(Grant Rochelle)说:现在通过数码打印出来的图样非常逼真,可在真车生产出来之前用来制作宣传册及电视广告。

工厂内大量人员所提供的服务工作对制造业来说至关重要。“将来更多的产品卖的是服务,” 华威大学华威制造集团董事长库马·巴特查里亚(Kumar Bhattacharyya)说,“如果你卖的车有十年的质保期,你就得确保它能用十年,而且你们能在这十年内随时提供配套的服务。”尽管失业率居高不下,但是工厂仍反映很少有人选择当工程师和从事制造行业。巴特查里亚预言3D打印等新兴技术将有助于改善这种状况。“如果你真能做出点东西,人们就会对制造产品感兴趣。然后他们就会去开办公司了。”


群集而广益

最成功的新企业孵化器之一是产业集群,而硅谷是最著名的例子,也是最被争相模仿的对象。企业聚集在一起的理由多种多样:专业技术、集中化的专业服务以及专业投资者的风险资本金。产业集群附近通常有大学和研究实验室,于是新点子以及将其转化为产品两者可紧密地联系在一起。新兴生产技术将使这一联系更加紧密。伯杰说:“我们现在有技术,但是只有当我们拥有在类似领域的创新生产能力,我们才能利用这些技术。”不出她的办公室,你就能找到这方面的例子。

波士顿的生物谷,聚集了大大小小的制药公司,很大程度上是被该地区医院及高校所开展的研究吸引而来。诺贝尔奖得主菲利普·夏普( Phillip Sharp)认为生物科技领域内制造能力的发展与产品开发是紧密相连的。夏普是马萨诸塞州Biogen Idec生物科技公司创始人之一,公司年收入达50亿美元。夏普说,目前该行业内最激动人心的课题是纳米技术,纳米即一米的十亿分之一。对材料在纳米水平下进行研究,它们通常会具备独特特性,其中一些可加以利用来造福人类。

纳米技术使得在微观水平上生产新型治疗物成为可能,该治疗物表层携带引导信息使之导入人体特定细胞。携带有此种物质的药物对于诸如癌症等疾病的治疗具有非常大的价值。夏普说,他们正在小批量生产该产品,现在面临的难题是一但完成临床试验,如何进行规模生产。他还补充道,同时还要依赖产品本身和生产创新两者的结合。

制药行业多半仍保持着传统的批次生产流程。整个流程包括从不同国家进口不同组分的原料,将原料在化工厂合成原料药,再将原料药运至药厂生产制剂,如片剂、液体制剂或膏剂等,药厂也有可能在另外一个国家。整个过程中要不停地搬转运输各种装药容器,同时又存有大量闲置库存,费时又费钱。


不过,在美国马塞诸塞州坎布里奇的一间实验室里,正在开发一种新的制药方法。工作人员将原料药放入一个满是管子、齿轮、皮带、电子元件的机器的一端,药丸就会从另一端蹦出来。这条实验性生产线是由瑞士诺华制药公司和麻省理工学院联合投资建设的,它为制药行业开创了一种前卫的连续作业的生产工艺。目前,这条生产线正在生产“诺华标准品”,而要实现商业运作还需要5到10年。它结合了化学和工程学,将一部分过程提速,而将另一部分减速,使之协同作业。

项目主管斯蒂芬·索芬(Stephen Sofen)说,成果令人鼓舞。制药流程中的独立工序由原来的22个减少为13个,生产时间(即便除去原料传送时间)也由300小时缩短到了40小时。而且,原先要对每批原料进行检测,现在就不用了,每粒药都是在确保药品符合质量标准的情况下进行的生产。

连续作业生产工艺将彻底改变制药行业。索芬说:“制药公司无需再特意建造巨型工厂以满足全球市场需求,在不同区域有几个小型工厂即可。”特别是在流行病突发时,这样的工厂能更迅速地满足本地需求。坎布里奇的生产线可以装入集装箱,能够在世界任何地方进行装配。生产线可日以继夜地不停运转,每年年产药品1000万粒。它还可以为特殊患者生产特定配方的药物。连续作业生产工艺可以使更多的疾病治疗实现商业化。


翻译:Pandy 校审:谁养鱼 终稿:yanggege




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比较优势

回力棒效应

随着中国劳动力成本的攀升,一些制造业重回发达国家。


30年前,深圳不过是个毗邻香港新界的小渔村。上世纪80年代初,中国在这里建立了全国第一个经济特区,此后,各式作坊如雨后春笋般涌现,绚丽的摩天大楼拔地而起。现在深圳约有1200万人口,其中包括600万左右的外来务工人员。这些工人一般住在工厂附近的宿舍里,而正是这一座座工厂使深圳成为中国最富裕的城市之一。

富士康城便是其中之一,隶属于台湾鸿海精密工业公司。富士康是中国最大的制造集团之一,员工人数达23万。部分苹果Iphone手机和iPad都在这里组装。苹果公司在一次外部审计中发现富士康违反了多项劳动法令,包括令工人严重超时工作,今年三月苹果公司同意改善其中国工厂的工作条件。

劳动力成本较低的国家经常会被人指责为经营血汗工厂,而中国的劳动力成本无疑是廉价的:这也正是香港的制衣厂和玩具厂搬入内地的原因。然而,随着中国经济的繁荣,中国工人开始要求提高工资、缩短工时、改善福利,这与曾经台湾、日本及南韩的情况如出一辄。近年来,中国劳动力成本正以每年20%左右的速度增长。

现在一些劳动密集型公司逐渐从沿海地区搬往内陆,尽管内陆地区的基础设施可能并不达标,但那里的劳动力成本要更低。大批公司,尤其是服饰鞋业制造公司,已经转移阵地,将工厂迁往孟加拉国、柬埔寨、印尼和越南。以耐克为例,耐克品牌大多数的运动鞋曾经都是中国制造,但现在它的许多大型供应商都已经迁往别处。2010年,越南成为耐克公司全球最大的生产基地。除非不再需要人工来制衣制鞋(有关这一点,接下来的文章中会提到,将是完全可能实现的),否则将来这些工厂还会再一次迁移;如果发生在缅甸的变革持续进行,那么缅甸会是很有诱惑力的目的地。

然而对于一些制造商来说,低工资成本变得没那么重要,因为在整个制作和销售产品的成本中,劳动力成本只占很小的比例。加州大学欧文分校“个人电脑行业中心”的研究人员对iPad进行成本拆分,分析iPad内部各个元件的来源并计算出制造、组装成本(见表3)。研究发现一台零售价为499美元的2010款16GiPad,其中来自美国、日本、韩国、欧洲供应商原材料和零部件价值共计154美元(苹果公司在全球共有超过150家供应商,其中有许多是在中国进行生产或完成组装的)。研究人员估计,全球范围来说,制造一台iPad的全部劳动力成本为33美元,而中国只占其中的8美元。由于苹果公司不断地对产品做调整,所以这些数据也在不停地变动,不过变动幅度并不很大。


假若中国仅占全部劳动力成本中这么小的一部分,那么苹果公司就能花得起钱在美国生产iPad了吗?事实证明,低薪资并不是中国吸引外商的唯一因素。深圳具备的最首要的资源就是它30年来生产电子产品的经验。这里的工厂早已形成产业网,具备高度发展的供应链,多元化设计及工程技术,娴熟的生产工艺,以及迅速投入规模化生产的意愿。

换句话说,深圳提供的是一个成功的工业产业群。它之所以能为苹果公司所用,是因为苹果产品中的许多电子元件都可以直接买到。可真正的创新在于产品设计及智能软件开发,而这正是另一个产业集群——硅谷的所长,苹果公司正座落于此。


中国的得分点

香港利丰公司是一家为企业寻找亚洲供应商的公司,在利丰最近发布的一份研究报告中称类似深圳这样的产业群是“构成中国制造业国际竞争力的重要组成部分”。它例数了中国100多个产业集群——其中提到浙江诸暨制袿产业群。在诸暨,有超过3000家与制袿相关的中小型公司。因此,只要中国的这些产业集群能够继续保持其特色优势,那么无论是iPad还是袿子的生产都不会迁回欧美地区。

不过还是有一些工厂正重返发达国家。随着中国劳动力成本不断上涨,美国产能的提高有利于弥补其缺少廉价劳动力的短板,特别是当美国公司加大在自动化生产上投入时。而事实上,全球任何地方都可以用机器人来降低劳动力成本。比如鸿海精密集团董事长郭台铭就曾经说过,他正打算用更多的机器人完成中国的组装工作。他也在中国内陆省份建立了一些工厂。

还是那句话,将生产从中国转回美国,劳动力成本并不是厂家考虑的唯一因素。起初,千诗碧可公司在美国市场销售的香薰蜡烛都是在中国制造运往美国的。自美国提高了中国制造的蜡烛的进口税后,公司又改去越南生产蜡烛。2011年6月,该公司在其马里兰总部附近开设了一家高度自动化的工厂,部分原因是亚洲地区劳动力成本以及海运费用日渐上涨,但也有另外的原因:拥有一家能够进行研发的美国工厂,有利于公司对市场新趋势做出更快的反应。

蜡烛制造商的中国工厂依旧在运转,以此来满足中国国内巨大的市场需求。许多公司都采用了这种“中国+1”式战略,通常在亚洲生产力成本较低的国家另设生产基地。现在这个思路正延伸为将生产设备都移回发达国家。这也有助于防范公司将所有鸡蛋都放在同一个篮子里带来的风险。近几年接连发生的自然灾害已显示出,单一的供应链会轻而易举地毁掉一切。

对于总部在伊利诺伊州奥罗拉的皮尔勒斯公司来说,它将生产基地从中国撤回是出于知识产权保护方面的担忧。皮尔勒斯公司制造适用于各类显示屏的金属支撑框架,小到办公室墙上或火车站上的信息显示屏,大到音乐或体育活动中巨大的“影视墙”。皮尔勒斯公司觉察到电子屏的发展趋势是越来越薄,为了生产出更轻盈更美观的屏幕支架,早在2002年,公司就决定用铝替代钢,生产一系列产品。但由于当时在美国找不到价位合适的挤塑及浇铸公司,皮尔勒斯公司把目光转向了中国。随着平板屏幕成为市场主流,公司销量激增——但紧接着,公司就发现其产品的仿制品已遍布全球。

据该公司的董事长迈克.坎帕纳(Mike Campagna)说,正是因为这些山寨仿冒品,让公司决定返回美国进行生产。其他益处不期而至。当时碰巧汽车制造业步入了萧条期,公司得以低价购进所需的制造机械,还设法找到一批有生产经验的工人。公司自1941年成立以来第一次负债:耗资2000万美元建造并装配了一座新工厂。工厂于2010年开工,至此公司得以将所有部门纳入“同一屋檐下”。

“中国制造业的总成本并不像看上去的那样便宜”,坎帕纳说。海运成本越来越高,集装箱也很贵,而且两边都需要维持运转的工作人员。另外,一旦市场风向有变,公司很难迅速做出反应。一般来说,供应链各环节库存时间共计约30天:供应商运送给中国工厂的原材料库存、工厂成品库存、运往美国的海运集装箱内的库存等等。过去,任何设计改动至少6个月后才能实现。现在,公司在两三周内就可将设计转化为成品送到消费者手上。

如果经济更景气点,坎帕纳会更开心,不过他也承认,将美国产商品比例从此前的65%提高到现在的95%,已经使公司的生意有所改观。公司之前在美国有250个工人,在中国有400个;现在它在美国有350个工人,并辅助有一批机器人负责熔铝浇灌和钢材切割等高温作业或者脏活儿。坎帕纳认为,新的安排“让我们很灵活”。这样不仅提高了定制框架的生产效率,还有利于确保产品质量。过去公司的标准产品有10年的产品周期,但随着新显示屏以从未有过的速度发展,现在它的支架和框架每18个月左右就需要更新。


决战"光硅顶"

对于那些已商业化的产品将生产迁回发达国家是否同样奏效呢?大约十年前,世界上绝大多数的太阳能电池板还都是由欧美和日本公司制造的。后来,中国厂商在政府各种激励政策的支持下涌入该领域。目前,使用最广的太阳能电池板中,中国已经占据了一半以上的世界市场份额,这种电池板依赖于晶体硅制成的光伏电池。但这种情况可能再次发生变化。

部分由于来自中国的冲击,处于底层的企业从市场退出:根据市场研究公司GTM的调查,太阳能硅板的价格从2011年初的每瓦1.80美元下降到年底的90美分。这给一些采用其他太阳能技术的企业以严重的打击。加州的Solyndra公司便是其中之一,该公司是以在透明管列内涂上薄膜涂料的技术来生产太阳能光伏板的。虽然比硅板更加昂贵,但这些透明管更高效,能全天候的从不同角度捕捉阳光。可是Solyndra公司无法与市场中充斥着的中国太阳能板相抗衡。该公司于去年依据美国破产法第十一章规定申请了破产保护,不过公司收到了5.35亿美元的联邦贷款担保(此笔款项的获得尚有争议)。

太阳能电池板生产商正在艰难维持,他们通常是入不敷出,期望着未来实现“市电平价”时,太阳能电池板将迎来巨大的市场。“市电平价”即太阳能发电成本将在去除补贴后与传统石化燃料发电成本相当。当今全球最大太阳能电池板生产商中国尚德电力的老板施正荣认为,太阳板电池市场正呈现出上升的迹象,而中国有望在未来三、四年内实现市电平价。

那么,对于欧美太阳能电池板生产商来说,会带来怎样的发展机遇呢?首先,这不是一个全或无的选择。制造太阳能电池板时,要将硅切割成晶片以制造光伏管,光伏管相互连接后,用框架固定并用玻璃将其覆盖。其中,在使用地将光伏管组装成电池板,可以节省运输成本,更经济。而将电池板安装在建筑物上一直是一项本地业务,这在太阳能发电成本中所占的比重最大。目前,美国的安装费大约为每户每瓦6.5美元。因此,西方国家虽然从中国进口太阳能光伏管,但可以在组装环节挣上一笔。不过,据麻省理工学院光电研究实验室负责人托尼奥·博纳西西(Tonio Buonassisi)说,由于流水线生产技术的进步,中美硅管的生产成本将会趋向同一水平。

从公开数据可推算出:美国生产一块完整电池板的成本要比在中国生产并运至美国西海岸的合计成本高出约25%。中国的成本优势大部分来自廉价的原材料,较低的工资和资金成本。光伏研究实验室研究员道格·鲍威尔(Doug Powell)正在对这两个国家进行详细的生产成本分析。在将生产线的生产优势考虑在内后,美国制造太阳能电池板的成本将在未来十年内下降一半以上,变为每瓦50美分左右(见图表 4)。价位在40-75美分每瓦的太阳能电池板预计可令美国实现市电平价。价格的地区差异取决于各地不同的日照量和电力价格。

没有什么能阻止中国采纳相同的制造技术突破,鲍威尔先生也在调查其影响。但有一点十分明了,目前正在进行的许多生产创新势必会削弱中国的优势。例如,新的生产技艺使用更薄的晶片,这就减少了硅的需求量。光伏管变得更高效,生产简化将降低资金成本而自动化也将减少劳动力成本。博纳西西说:“你只需要在各个创新领域进行一项突破,我们便可以重回市场。”

虽然Solyndra和其他的公司一路跌跌撞撞,但他们所使用的薄膜技术仍具吸引力。举个例子,通用电气正在信心十足地开展这方面工作。通用电气在太阳能领域投入6亿美元资金,其中包括正在科罗拉多州丹佛市附近建造的美国最大的太阳能电池板工厂。它将使用薄膜技术来制造更大、更轻的太阳能板,预计节省约一半的安装费用。仅雇佣350名工作人员,通用电气每年生产的太阳能板就足以惠及8万户家庭。


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材料

与时俱进

生产商正越来越多的采用全新的原材料。


它小到可以放在手心,就像是被打上小孔了的不起眼的金属块。然而这却是一项复杂艰难的工程。因为它必须在1600°C高温高压的环境下每分钟转12000圈,这个温度比该金属的熔点要高出200°C。而且在其被更换之前,能够扭转足够长的时间,推动客机航行2400万千米(1500万英里)而不损坏。劳斯·莱斯遄达1000(Rolls-Royce Trent 1000 )发动机后涡轮用到的这种短叶片共有66片。英国公司每年生产成百上千的这种叶片。

美国和欧洲的企业找到了出路,用高端制造模式来应对低成本生产商所带来的冲击。这就要求提供更具创新的原材料。本文将探讨一系列有关创新项目。包括为劳斯·莱斯涡轮机叶片特制的浇注系统、碳纤维的使用、再生塑料、新新电池技术等。

随着发展中国家经济的日益发展以及生产技术的不断成熟,飞机、喷气式引擎和高性能跑车也成为他们想制造的产品。在某些情况下,西方企业把部分产品的生产加工外包给那些努力提高自身工业生产力的国家,通常在这些国家下大订单的时候。但也有些东西是不能共享的,因为对保护产品竞争力来说太重要了。

对劳斯莱斯来说,涡轮叶片是他们的核心技术之一。造就这种技术的魔法取决于对材料科学和生产技术的深度理解之上。金属经过锻造固化之后,通常带有许多微小晶体。虽然这对于多数产品来说已经足够坚固,但对于涡轮叶片,这是一个潜在弱点。因此,劳斯莱斯通过独一无二的系统,用一种具有连续、完整晶体结构的镍基超合金铸造叶片。这确保了叶片不会有结构缺陷。

气流经叶片中空处从一个个精确定位的细孔穿过,这些细孔由特殊电子工艺制作而成,因为传统钻孔技术根本达不到这样的精度。细孔使叶片表面形成一层流动的气膜,防止叶片受热熔化。而同时,叶片表面也覆盖着耐热陶瓷涂层。制造者如此精益求精,是因为有了坚固、耐热的叶片,喷气式发动机才能更高热度地运转,提高燃烧率,减少燃料损耗。


切勿坐以待毙,大胆奇思妙想

劳斯莱斯在英国德比开了一家生产涡轮机叶片的新厂,同样与众不同。在这里,设计师、工程师及生产员工都在同一个屋檐下工作,而不是在好几个车间,抑或在不同的国家。劳斯莱斯认为近距离的工作关系可以促进对彼此角色的理解,提高创造力,所以把员工们召集到一起工作。劳斯莱斯工程制造部门主任哈米德·莫卧儿(Hamid Mughal)表示:“在接下来几年里这种模式将起决定性作用。生产技术是企业生存的关键,而卓越的制造是未来最大的机遇之一。只有这种结合才会有不断的突破。单靠在数量上的积累不可能做到这点。”

在通用电器公司(GE),我们同样可以找到这样的战略思考。同样生产喷气式发动机的通用,还涉足能源、照明、铁路和保健行业。研发部主任伊德里克 (Idelchik)说:“多年以前我们就开始认识到,我们需要将原材料研究同生产技术这两个部门合并。过去,新产品的诞生通常先通过设计,挑选材料,最后投入生产。而现在这几个步骤是同步进行的。”

这些努力所带来的一项成果是研制出了一款新型工业用蓄电池。当初研究项目是要做一种足够坚固可用于混合动力机车的蓄电池。这种蓄电池中的镍盐基化学物质可以提供所需的能量密度及强度。而蓄电池在实验室正常工作是一回事,而使复杂的工艺商业化,批量生产这种蓄电池则又是另外一回事了。因此,通用公司在办新厂前为了掌握如何将有价值的创意付诸实践,建立了产品生产线试点。在这阶段,创意有的被淘汰,有的则一炮打响

蓄电池就是其中一个成功的创意。除了混合动力机车,该款蓄电池还适用于其他混合动力车辆,例如起重叉车。另外,它还适用于数据中心备用能源的配套设备,也可以为偏远地区的长途通信电站(桅杆)提供电力。通用将在尼斯卡于纳(Niskayuna)附近建立一套价值一亿美元的新设备便于研究人员随即继续展开研发。这种蓄电池本身是由一系列标准元件组成,这些元件构成模块,相互连接在一起,可适用于不同的要求。通用实验室能源储备系统负责人格伦·默费尔德(Glen Merfeld)透露,这个模块仅相当于铅酸蓄电池的一半大小,而且只有其1/4重,它可以持续工作20年而不需要维修,并且可以在冰冻或是极热的环境之下正常工作。

有一种备受通用及其他制造厂商青睐的材料即碳纤维。这种材料已经应用到一些喷气式发动机前面的大风扇叶片中。这是一种十分柔软的原材料,但是一旦浸泡过环氧树脂,进行定型和固化后,就会像钢一样坚硬,而重量只有钢的一半。这种强度得益于碳原子之间强有力的化学键。碳纤维可以以不同的方向排列,工程师可根据这点特性精确地调节复合材料结构的强度和韧度。

最先大批量使用这种材料的是航空航天领域。空中客车公司(Airbus)和波音(Boeing)航空公司广泛地使用碳纤维代替铝。除了质地轻外,碳纤维还有一个巨大的制造优势:可以一次性制造像机翼主体一样的大部件,而无须将多块独立组件铆在一起。


聚焦全自动

坚固、轻盈以及节约劳动力的潜力等特性,使得碳纤维材料在许多产品中特别吃香。英国一级方程式车队迈凯轮(McLaren)是将碳纤维结构应用到F1赛车上的第一人。约翰·沃森(John Watson )驾驶着碳纤维赛车赢得了1981年英国大奖赛银石赛道冠军。戏剧化的是,那年晚些时候,在蒙扎(Monza)的一场赛车事故中约翰·沃森安然无恙的出现在人们眼前,见证了碳纤维材料的碰撞承受能力。几年之内,每一个F1车队都在开碳纤维材质的赛车。但要是主要通过手工来组装这些车的话,得需要3000个工时。

而现在,只需4小时就能生产出MP4-12C的碳纤维底盘和车身。为与劲敌法拉利(Ferrari )在赛道乃至公路上一决雌雄,迈凯轮在2011年推出了这款价值27.5万美元的跑车。 生产MP4-12C的是一座崭新的一尘不染的工厂,位于伦敦西部沃金市(Woking)迈凯轮基地的旁边。未来,该公司将把碳纤维材料应用到了一系列的汽车生产中。迈凯轮同奥地利一家专门从事复合材料研发的公司——卡博科技(Carbo Tech),联合开创的半自动化技术将大大地加快这一进程。这项技术可将材料压入模具中,并在压力的作用下注入环氧树脂。

像许多赛车运动中开创的新技术一样,碳纤维的使用正在从超级跑车一点点地渗透到日常用车的生产中。比如宝马(BMW)正在推出新型碳纤维车身的电动及混合动力系列车型。第一批产品——小型都市电动汽车宝马i3(BMW i3),将于明年开始在莱比锡(Leipzig)新厂下线装配生产。使用同样的蓄电池,比起笨重的钢制汽车,轻便的碳纤维汽车能行使更多的里程数。而且在碰撞测试中也更胜一筹。

另一种令人称奇的坚硬材料将来自于人们丢弃的垃圾中。黄谦智(Arthur Huang)是台湾小智研发(Miniwiz Sustainable Energy Development)的共同创立者之一,曾在美国攻读建筑设计师专业。他利用回收的垃圾改造成建筑材料。其发明的产品之一,宝特砖(Polli-Brick),外形像一个四四方方的瓶子,就是利用可再生PET塑料制成的,这种塑料随处可见,广泛用于制作食品及饮料容器。由于其形状特别,宝特砖可以在未使用任何粘合剂在情况下扣合在一起来堆成像墙一样的结构。黄谦智透露,这些堆起来的宝特砖相当坚固,可抵抗飓风,而同时又能出色地达到减碳之效,其造价约有传统建筑材料的1/4。另外,其半透明的特性,使其可在内部嵌入LED灯,组合使用。


绝对优势

黄谦智的另一种材料是从米糠中萃取而来的天然粘合剂。加入这种材料可有助于凝固。严格来说,这个点子不算新,黄谦智指出,用于建筑中国长城的砂浆中便混有类似的物质。他认为,大陆的房地产热又能为他的产品提供一个大的市场机遇。与其相似的一种材料是从酿造所遗留的大麦壳中萃取而来。黄谦智对这种系统的长远打算是运用到当地社会中去,变垃圾为宝。

渐渐地,产品工程将从纳米开始。纳米技术已经开始用来提高某些产品的性能。例如二氧化钛被用来制成建筑物上的自洁玻璃。这种玻璃薄薄的仅有几纳米厚,足可以透过看清东西,而且在光能作用下有效地去除有机污垢。它同时具有亲水性,吸收雨水形成水滴,从而洗掉污垢。英国一家名为皮尔金顿(Pilkington)的公司于2001年首次用这种技术生产自洁玻璃。

麻省理工学院的实验室里还有更多使用纳米技术的未来产品。克里帕•瓦拉纳西(Kripa Varanasi)和他的同事们正在研制防水性极强的材料。他透露道,这些材料可制成超疏水涂层,用于蒸汽涡轮机、海水淡化等设备上,将大大提高机器的效率和寿命。这种涂料也能应用到现有的为全世界提供大部分电力的蒸汽涡轮机。瓦拉纳西设想,这将成为一项巨大的翻新工程。

大自然早已将纳米结构的材料用到了极致。安吉·贝尔驰(Angela Belcher)正饶有兴趣地研究大约5亿年前的化石,当时海里的软体生物正逐步利用矿物质形成坚硬的贝壳和骨骼。贝尔驰小姐说,这些大自然产物含有精致的纳米结构,比如鲍鱼那闪光的贝壳。她推断,如果生物能够像那样用他们的DNA进行生成物质,那么就有可能效仿它。这就是她的麻省理工学院研究组通过基因工程,在努力实现的。

贝尔驰有个方案是利用病毒做成电池,这看上去可能很奇怪。那些感染细菌、对人体无害的病毒,在基因工程方面却是极为普遍的工具。首先,贝尔驰和她的同事利用基因工程技术使病毒和他们感兴趣的物质互动或结合。由于不能等上百来年,所以他们加速了达尔文的进化进程——一次制造十亿病毒,挑选那些有前途的病毒并不断重复进行操作,直到得到具备所需特性的病毒。

他们已经培育出可生产电池成分的病毒,比如阴极和阳极,并制成小纽扣电池,就像手表的电池,但该技术有望扩大规模。贝尔驰说,这项技术如此吃香,是因为成本低,使用的材料还无毒, 环保。

贝尔驰创建的两家公司已开始用病毒来生产产品了。寒武纪技术公司(Cambrios Technologies)正生产触屏上的透明涂层,而志留纪技术公司(Siluria Technologies )(贝尔驰喜欢用地质时代来命名她的公司)正在用病毒研发将天然气转换成油或者塑料的催化剂。同时,这些技术还有望用于太阳能电池、医疗诊断及癌症治疗等领域。而所有的这一切均源自一个贝壳产生的灵感。

在麻省理工学院与贝尔驰共事的格布兰德·塞尔达(Gerbrand Ceder),是一位电池专家,他觉得如今研发材料的工艺十分冗长,必须找到一种更简便的方法。一种材料十种不同特性的信息可能分散于十个不同的地方。为了将所有的信息集中在一处,塞尔达和他的同事们在劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的协助下,在去年年底推出了名为材料事业(Materials Project)的网上免费服务,把各物质的特性编成目录。截止到今年3月,该目录收录了将近20000种不同化合物的信息。

这个数据库可供科学家快速物色适合的新材料,预测它们相互间如何反应。这有望推进制造业新型材料的发展。一些新物质要花20年或者更长的时间才能进入市场。 塞尔达说:“因为需要花的时间太长,人们对该领域的投资十分谨慎。因此,我们必须加快进程。”


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叠加工艺

立体打印

3D打印机改变了制造业的游戏规则


在美国南卡罗来纳州(South Carolina)洛基山(Rock Hill)商业园区的一幢不高的建筑中,未来工厂的景象跃然眼前。数十台机器隆隆作响,控制室的玻璃窗后坐着两名工作人员,他们正对着电脑屏幕操控机器。有些机器的大小和汽车相仿,有些则如微波炉大小,不过每个都留有窗口供人查看。这些机器各有分工,有制作珠宝的,有制作电钻塑料把手的,有制作汽车仪表盘的,有制作精美的灯罩的,还有制作定制的义肢的。甚至有一台机器正在制作自己同胞身上用得着的零部件。

这里是查克·赫尔(Chuck Hull)创建的三维系统公司(3D Systems)的总部。他在1986年申请专利时将其发明的制造三维物体的系统称为“立体平版印刷”。其工作原理为:使用一束紫外线凝固一层薄薄的液态塑胶(有点儿像墨水),并不断重复这个过程,一层层增加塑胶其他形式的3D打印机已面世,但全都是运用叠加工艺一层层地把东西浇筑出来。

起初3D打印被认为是一种制作一次性样品的方式。但是,随着科技的不断进步,更多的东西以成品的形式被打印出来(即广为人知的叠加工艺制造过程)。据一家专门研究该领域的公司负责人特里·沃勒斯(Terry Wohlers)说,当前成品打印约占3D打印份额的28%。他预计至2016年,这一比例将超过一半,2020年将超过80%。但他认为永远不可能达到100%,因为快速且廉价地打印样品仍然是3D打印众多用途里重要的组成部分。


独一无二

一次性的样品制作成本有可能出奇的高,但3D打印机可大幅降低成本。现在许多消费品、机械零件、鞋子和建筑模型在进一步开发前以3D打印的形式,供工程师,设计师和客户评估效果。任何的改动可在几个小时后或一夜之间重新打印出来,而不用花上几周时间等着工厂把新模型制造出来。有些设计师已在使用塑料和尼龙材料“打印”出现成的鞋和衣服。荷兰时装设计师爱丽丝·范·赫培(Iris van Herpen)则设计出令人耳目一新的3D时装系列并走向T台。至今尚无人能打印出皮革,但科学家们正在想办法攻克这一难关。

叠加工艺中几乎没办法以大规模生产获得经济效益,因而这一技术对于小批量生产来说是“天作之合”。它也适用于大规模定制成品。目前成千上万的牙冠和助听器外壳就是用3D打印机量身定制的。

摆脱了传统工厂束缚的叠加工艺可让设计师生产出一些以前被认为制作起来太复杂而不经济的产品。这种技术可满足审美需求,但工程师们也发现了其实际应用价值。例如,液体流经弧形通道比通过尖形拐角时更流畅,但是用传统的方法在固体金属结构中造一个弧形通道则难于登天,而这对于3D打印机来说不过是小菜一碟。3T RPD是一家提供叠加工艺服务的英国公司,他们为赛车“打印”了一种变速箱,这种变速箱输送液压油的内部通道很平滑,取代了用钻机钻出的直角弯道。该公司首席执行官伊恩·哈利迪(Ian Halliday)表示,这种变速箱不仅换挡更快,而且重量减轻了30%。基于类似原因,波音公司(Boeing)F-18型战斗机上安装了许多诸如通风管“打印”的配件。

减轻重量是3D“打印”出来的零部件的一大魅力。3D打印中,物品是一层一层地浇筑上去的,这就可能做到物尽其用地进行生产。在传统的工厂中,生产物品时需要增加侧翼和支架,以便机器能将物品搬运、研磨、铸模等,还要提供一个平面将零部件用螺栓栓住或焊接在一起。3D打印机有可能打印出整个物品,从而省去了组装这一步。这种打印机甚至可以一次性制作出带有可活动部件的机器。

这会省下一大笔的原料成本。在航空航天业,金属零件常由优质的昂贵的钛固体坯加工而成。这可能意味着90% 的材料被砍削掉,而且这些碎屑对飞机的制造已毫无用处。 然而,钛粉可用于“打印”像飞机门上的支架或卫星部件的东西。空客公司(Airbus)的母公司,欧洲宇航防务集团(EADS)研究人员指出,这些“打印”出来的部件与机器制造的零件一样结实耐用,但只用去10%的原材料。

强大的电脑软件生成极其复杂的设计,并用3D打印将其转变成实物,催生出一种全新的设计语言。3D打印出的物品常呈现出有机且天然的外观。比利时公司Materialise的副总裁维姆•麦启(Wim Michiels)说:“大自然创造出了一些非常高效的设计,而模仿自然很多时候是个好主意“。这家公司使用加法工艺生产包括医疗设备在内的一系列产品。例如,在金属植入体中注入健康的、晶格状的天然骨骼内部结构,生产出的产品比机加工品更轻便,强度却不会有任何降低;且更易与病人自身的骨骼接合;而且能按患者的预期设计出精确吻合的产品。去年荷兰的外科医生为一名慢性骨感染的妇女“打印”了一副全新的钛制下巴。

许多公司现正在琢磨叠加工艺对其业务的影响。有些公司十分重视科技,例如通用电器(GE)正在探索如何将3D打印机应用在所有的业务操作中。该司正在酝酿中的产品为小型的超声扫描仪。此类扫描仪供医生使用以生成人体内部的特写图像,比如说胎儿。成像操纵器的尺寸下降了,重量减轻了,成本也降低了,但是放在人体上进行检测的传感器探针基本上仍原地踏步,而且现在该系统中最昂贵的部分就是传感器探针。探针传送高频声音的脉冲并接收返回的信号,利用回声成像。探针内的微型压电式结构是由一块易碎的陶瓷材料以显微机械加工工艺精心制成的。

现在通用公司已开发出一种加法制造系统用于“打印”传感器。这将大大减少产品成本,并便于开发廉价的新型便携式扫描仪。这些扫描仪不仅适用于医学领域,也可用于检测重要的航空航天业及产业结构中的漏洞。


跟着复制

不知这项技术能有多大作为?通用全球研发中心的埃德戚克先生(Mr Idelchik)高瞻远瞩:“总有一天我们会“打印”出发动机。” 但是,一些制造商如通用(GE)和劳斯莱斯(Rolls-Royce)认为某种混合型打印系统将会面世。该系统会生成形状的大致轮廓,然后被用以精加工,这样一来便节省了材料。

英国的赛宝曼科技公司(Cybaman Technologies)研制的自动化快速生产系统“复制者(Replicator)”已十分接近这个目标。“复制者”足有大冰箱那么大,可同时用于叠加工艺和切削工艺。它使用基于激光的沉积系统来确定一个大致形状,这一工序由机器完成。“复制者”也能够反向开发,通过数字扫描放置其内的物体,生成所需的数据以制造出一模一样的复制品,真是名副其实。

“复制者”所使用的现代技术已经很接近科幻小说中的空间传送器。它可扫描某地物体,并告知世界另一端的机器如何生产出复制品。举个例子来说,这意味着急需的备件能够在偏远的地方生产,而不需要运输。这一机器也可化腐朽为神奇,即便是不能再用的零件也可以复制。通过扫描破损的物件,进行虚拟修复之后,便可“打印”出一个全新品。尽管有些书本残缺不齐,再也无法读取,可能的情况是,会出现收集这些不再通用的零部件资料的在线图书馆。就像电子书的兴起意味着书本大概永远不会绝版,各章节总能被保存下来。客服修理工可能会在其货车上放置便携式3D打印机,五金店也或可能提供零部件打印服务。

3D打印机在偏远地区也将起到无可估量的作用。南非约翰尼斯堡(Johannesburg)附近的瓦尔河科技大学(Vaal University of Technology near )的迪恩·德贝尔(Deon de Beer)教授正在实施一项名为“产品实验室创意”( Idea 2 Product Lab)的项目。该项目旨在将低端的3D打印机用于学生培训,并点燃学生对设计和制造的兴趣。该大学的卫星校区之一也设立了一个类似的实验室,这个校区位于北开普省(Northern Cape)大半是农村地区的乌平顿(Upington)。实验室成立之初,德贝尔先生的团队发现少了一种特别型号的扁平扳手。他们并没有苦等着符合要求的工具到达后再开工,而是用3D打印机把工具“打印”出来,并如愿以偿完成了工作。

德贝尔先生说,除了打印扳手外,也能“打印”出小塑料部件,可能用于修理当地医院的一件设备或用于修理农用机器。他相信3D打印机能“培养出新生代的机械工程师”,尤其在农村地区更有发展前景。

有些人已在家配置了3D打印机。沃勒斯先生说,工业用的3D打印系统价格从1.5万美元左右起,最贵的要100多万美元。但是,更便宜的桌面3D打印机创造了一个全新的市场(见图5)。这种市场主要由业余爱好者,喜欢自己组装的发烧友,修补匠,发明家,研究者和企业家组成。有些3D打印系统可成套设制,并可使用开源软件。然而3D打印机的生产巨头也进入了个人消费市场。

生产各种样品和工业机械的三维系统公司现正推出一系列小型的个人3D打印机。这种名为酷比(Cube)的三维打印机,可生产出诸如玩具,棋子和装饰品等物品。他们也随之创建了同这种打印机配套开发的酷比化(Cubify)在线平台,能为社群中的用户提供服务。标价1299美元的酷比在打印的时候会将墨盒里五颜六色的薄层材料叠放在一起,就像加工硬塑胶。这种打印机可生产出边长达5.5英寸(140毫米)的立方体,所有材料的标准成本约为3.50美元。个人用打印机的效果尚无法与工业打印机相媲美,但对于许多人来说已心满意足了。更高质量的创意作品可上传至酷比化的在线打印服务中心。

3D系统公司的首席执行官亚伯• 雷切特勒(Abe Reichental)说,新产品所涵盖的范围不仅仅是“打印”东西,这也关系到简化产品制造过程,并能让人们利用互联网的力量分享彼此的见解。他说,“这是一场个性化生产的革命”。


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层层复层层

3D打印机的工作原理

使用3D打印机就像打印一封信:轻点电脑屏幕上的“打印”按钮,一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上,它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在3D打印时,软件通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到3D打印机上,后者会将连续的薄型层面堆叠起来,直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。

堆叠薄层的形式有多种多样。有些3D打印机使用“喷墨”的方式。例如,一家名为Objet的以色列3D打印机公司使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上,此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离,以供下一层堆叠上来。另外一家总部位于美国明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一种叫做“熔积成型”的技术,整个流程是在喷头内熔化塑料,然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。

还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层,然后由喷出的液态粘合剂进行固化。它也可以使用一种叫做“激光烧结”的技术熔铸成指定形状。这也正是德国EOS公司在其叠加工艺制造机上使用的技术。而瑞士的Arcam公司则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒。以上提到的这些仅仅是许多成型方式中的一部分。

当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时,介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸,最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。如今可用于打印的介质种类多样,从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质,令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。

科学家们正在利用3D打印机制造诸如皮肤、肌肉和血管片段等简单的活体组织,很有可能将有一天我们能够制造出像肾脏、肝脏甚至心脏这样的大型人体器官。如果生物打印机能够使用病人自身的干细胞,那么器官移植后的排异反应将会减少。人们也可以打印食品,比如康奈尔大学的科学家们已经成功打印出了杯形蛋糕。几乎所有人都相信,食品界的杀手级应用将是能够打印巧克力的机器。


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协同制造

现需要群策群力

众包的优势

曾几何时,纽约城(NEW YORK CITY)是美国制造业之都。1950年,有一百多万人从事制造业。而今天,这一数目已缩减至仅仅8万人,这些人主要受雇于家具、食品加工和曼哈顿(Manhattan)活力四射的服装中心区等专业生产商。然而,在城市企业精神的熏陶下,一个新兴产业破茧而出。这有可能被称之为社交制造。

该领域中一家公司——科为奇(Quirky),司如其名,引领科技潮流。该公司的新设计室设在哈德逊河(Hudson river)附近的一家改装过的仓库内。如下便是该公司的全部家当:一家小工厂加上两台3D打印机、一台激光切割机、几张铣床、一间喷漆房,及其他廖廖可数的设备。这种样机研究室是科为奇将其他人的创意转化成产品的业务中心。

在日益庞大的在线社区的帮助下,科为奇每周推出两种新的消费品。其运营流程如下:用户提交一个点子,若有足够多的人喜欢(如在FACEBOOK), 科为奇的产品开发团队便设计出原型。用户在网上对此点子进行评价并且可为其最终的设计方案、包装和市场营销出谋划策,也可协助定价。大功告成后,科为奇则 负责找到合适的制造商。在科为奇的网站上销售该产品,一旦需求上升,则推广至零售渠道。科为奇也负责申报专利且规范审批程序,而直销收入的30%返还给发明者及其他协助者。

迄今为止,科为奇最成功的产品蛇形插线板(Pivot Power),售价29.99美元,带有可调节插座的延长电线。顾客可在这种可变插座中插上不同类型的充电器,使用起来更加方便。 美国密尔沃基(Milwaukee)的杰克•子恩(Jake Zien)在提出这一创意时还是个高中生。把点子提交给科为奇后,在709人的协助下,该产品得以面市。今年4月初,该创意产品售出20多万个。子恩先生便从中获利12.4万美元。

通过利用网上社区这一智囊团为该司产品发展运筹帷幄,科为奇可快速确定产品是否有市场,并在投产前拟定合理的价格。该公司的许多产品的生产都外包给亚洲国家来生产,尤其是中国。科为奇公司的本•考夫曼(Ben Kaufman)说,这种将设计转化成产品的快速反应令其他地方的竞争者望尘莫及。他指出,添加制造现在尚未能大批量生产,但是这一状况会有所改观的。

科为奇希望能在美国制造出更多的创意产品,因为该司已品尝到了这一制造科技所带来的甜头。考夫曼先生说:“当你站在一台生产出几十万产品的机器旁所产生的创意比你在机器4,000英里以外凭空想象出的点子要多得多。你的大脑一刻不停地在思考,还有哪些东西可设计出来给这机器生产的?“


另一家经营在线生产社区并专门提供3D打印服务的公司——Shapeways——于2007年创建于荷兰(Netherlands)的埃因霍温(Eindhoven),这座仍旧保持着欧洲制造中心的城市。该公司把该司把总部搬至美国的纽约城后建立了第二个3D打印运营中心。去年,该司的发货量达到75万,而且呈几何式增长。Shapeways的用户通过上传自己的设计得到用许多种材料印刷的3D印刷报价单,这一报价单是系统即时自动生成的。用户可自行定价,在网上售卖他们的产品。有些产品设计可由买家定制,比如将姓名首字母打印在袖口处。

Shapeways的首席执行官Weijmarshausen说,轻而易举便能上网打印三维产品对制造业来说有三大意义。一,加快了产品上市时间,2010年在苹果首次推出iPad后仅四天之内Shapeways便生产出了与之配套销售的保护套。二,产品上市的风险系数几乎为零,因为企业家可在扩大生产规模前检验这一创意是否可行并可根据买家的反馈做出反应,并调整设计方案。Shapeways的某些产品一年内要反复修改二、三十余回。三,可生产些普通方式无法生产的产品,因为通常这些产品太过于复杂而无法使用机器加工。


你想象得到吗?

层出不穷的创意令人惊喜不断。比如最近荷兰艺术家(荷兰人似乎天生与3D打印有缘)西奥 • 詹森(Theo Jansen)设计了一款奇特的步行器,它像螃蟹一样是横着走的,其中一些由小型风力发动机驱动。这些都是一体打印的,所有的活动件一气完工。威吉玛舍森说:“一旦让人们接触到的创新技术,只要没被吓到,他们会将其利用至极致,创造出一些你连做梦都没有想到的东西。”而这种技术正变得越来越简单易行。Shapeways刚起步时,上传的文件有一半无法打印,不是有错就是故障。如今安装了自动修复软件,3D打印的成功率已大幅度提高,达到91%。

3D系统公司客户部负责人拉杰夫·库卡尼(Rajeev  Kulkarni)希望公司销售的第一代3D打印机简单到连小孩也会操作。公司的在线顾客服务酷比化也经营3D打印及电子商务,而且酷比化正与专业设计3D打印产品设计团体“自由创造”(Freedom Of Creation)等组织寻求合作。

一旦进入数字化,仿制变得易如反掌。这意味着和其他已数字化的产业一样,捍卫知识产权简直难上加难。库卡尼说,在线内容需要时刻警惕是否侵权。而且将会出现一些灰色地带。比如一名游客在佛罗里达的迪斯尼世界拍了几张灰姑娘城堡的照片,然后将其转换成3D数字文件打印出来在网上销售怎么办呢?库卡尼先生从容地回答道:“这些都是我们要考虑的事,但这不应当成为创新的障碍。”

互联网使从全球采购零配件成为可能,传统制造商运作起来更容易。总部在亚特兰大的MFG网络公司为全球50个国家超过20万客户提供各种各样的生产服务。通过上传数字设计方案,获得报价并为服务质量打分,企业可以利用这家网络公司进行沟通与合作。在某种程度上,此类在线生产社团将转变成为虚拟的产业集群。

随着在线服务和软件的不断普及,客户也将参与到生产过程中来。例如,法国软件公司达索系统公司(Dassault Systèmes)创造了 一种在线虚拟环境,雇员、供应商和消费者可在此协同工作将新的创意变为现实。它甚至提供逼真的人体模型用于尝试新产品。计算机可以对产品可能出现的故障、故障的排除以及最终的拆分处理进行模拟 。软件公司将此类服务称为“产品生命周期管理”,因为从概念的形成到产品的终结,计算机模拟贯穿始终,这在当下则意味着循环利用。

数字化将一部分人从办公室中解放出来,制造业也不例外。硅谷欧特克(Autodesk)软件公司的罗谢尔先生(Mr  Rochelle)表示,现在人们可以在个人电脑上完成产品设计和模拟过程,并使用智能手机等设备通过云端获取这些数据。这意味着无论身在何处,设计师和工程师都可以一同制造产品、交流意见。这对制造业有何影响呢?对此罗谢尔先生的看法是:“这意味着未来工厂可能把办公室搬到了家中。”


底本:Shierzou 校审:Pandy 终稿:谁养鱼

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自动化生产

创造未来

机器人和人类如何以新方式团结合作进行产品制造。

说回1980年代,那时美国汽车制造业正担忧会被日本竞争者超越,在底特律很多人展望以“熄灯式”生产打垮对手。意思是工厂高度自动化,灯关着,机器人自己在制造汽车。这种想法如空中楼阁。事实上,日本的优势不在于自动化生产,而在于精益生产技术,而精益生产在大多数情况下正依赖人力。

这场待发的革命带来的新生产方法,将使得所需的车间工人将减少。因为越来越聪明和灵巧的机器人,使得完全无人值守式生产成为现实。日本大型工业机器人生产商发那科(FANUC)已经将其部分生产线自动化至在无人值守下能自助运行数周的程度。另外许多工厂则使用了诸如激光切割与注射成型这些不需人工干预的生产方法。而能进行叠加工艺的设备则可以放在一旁,由它自己日以继夜地”印制“。

即便如此,制造业将来还是离不开人,但可能厂房所需要的不是那么多。自动化机器都需要有人维护,需要有人告诉它们做什么。未来,部分机器操作员将转型为机器维护员。这岗位对技能会有更泛的要求这岗位要求更博学多才的人来担任。而某些生产任务,例如配件组装,对于机器人来讲,仍然会太过精巧。这也是为何组装环节通常转包给劳动力廉价的国家。

工业机器人比起人类更善于组装,但价格昂贵,而且还需要人类的专家来安装它们(专家可能比机器人贵)。要在制造业取代人类的位置,还有很长的路要走。于大型制造商而言,投资机器人还是值得的,他们也一直是此类机器人的最大客户。但即便在高度自动化的汽车厂里,大部分的最后组装仍由人来进行。而对于小中型企业,机器人总体而言是价格过高,灵活度又不足。

但是下一代机器人就不同了。新型机器人不但造价更低、组装更容易,而且还会与人类一起工作(而非取代人类)。它们将负责搬运零件、承载东西、收拾工具、整理东西、清洁场所,在各方各面大显身手。

现在有很多人在以不同方式努力生产出这样的机器人,尤其是向小企业供应。例如德国弗劳恩霍夫研究所便参与到一项欧盟机器人研发计划,计划的目标是研发出安全度够高而能在工人身边一同工作的机器人(目前,大多数工业机器人仍被“囚禁”,以防意外砸伤人。),另外还能明白语音指令等简单的指令。

IRobot的创始人之一——罗德尼·布鲁克(Rodney Brooks)认为,现在的工厂机器人,就像早期计算机主机一样。IRobot是一家美国公司,主要产品包括Roomba,机器人吸尘器以及军用机器人。在个人电脑出现前,那些由专家操作的大型计算机,一直远离大部分用户。“但是个人电脑并没有取代办公人员,只是改变他们的任务“,布鲁克说。这通常意味着,完成更复杂的工作。2008年,罗姆尼·布鲁克(Rodney Brooks)成立Heartland Robotics,研发各类机器,充当机器人领域的个人电脑。

这些机器又会是什么样子?布鲁克斯绝口不谈。但从他就机器人学未来的观点,可一见端倪。因为丰田发现了精益制造,一旦给生产线工人机会,他们可以想出非常多的主意来提高生产效率。而布鲁克斯则说,假如为车间或工坊配备傻瓜机器人,工人便能变得更高产。这样的新一代机器人加上新创的生产科技,便可让制造业迎来涅槃。

这为创业者提供条件,但众所周知,扩大生产规模难度很大,因为通常装备一家工厂的高额资本成本,会使投资商难以消化;或是因为回报周期过长。“在某些商业领域,先进生产技术可以降低成本”,马丁·施密特(Martin Schmidt),麻省理工大学的电子工程专家说。施密特经营创立了多家公司,生产小型设备,如微型传感器。他认为这些产品的生产设备也可能会“瘦身”,甚至像桌子一样大小,从而降低成本。发生这些情况的领域,施密特说,“我认为我们会见证破坏性创新。”

即便自动化和灵活度不断增强,长期内,大批量生产的货物,将继续在工厂使用传统的切削法生产,就像大众化汽车制造巨头一样。同时也存在高水准的科技工厂,如通用电气公司和劳斯莱斯,小批量生产高度专业化产品,如喷射发动机。将会有大量中小型公司将得益于新材料、更廉价的机器人、更智能化的软件、大量在线服务和3D打印机,这些公司可以低成本进行小批量生产。更有无数的企业家,在小工作坊、家里和不可置疑的,在车库里,进行前所未有的生产活动。


胜利在望

制造业革命从不是一夜发生的,不过这次革命则已经启动良久。大量变革型研究发生在生物科学和纳米技术领域,催生出整个全新的工业如用细菌生产电池。如果碳纤维复合材料生产技术从跑车领域延伸到日常领域,那么,大型钢压模和机器人焊接生产将在汽车领域消失。

同其他数码科技一样,叠加工艺的造价正变得越来越低,效率越来越高。下一个重大突破可能会在制程上。现时的3D打印机是逐个或小批量地生产,但若能像诺华-麻工实验室的制药机一样连续生产,便可用于流水线上了。这里,目标在于生产得更快、更灵活,倒不是要实现规模经济。这样的一条生产线能够生产对于现时3D打印机而言体积过大的产品,同时,因机器是数控,各工作台可生产不同的产品,大规模的订做生产由此成为可能,到了那时,这项技术便能腾飞了。

这会实现吗?回到欧洲模具展,设在荷兰的独立研究团体TNO展示了一款新型机器,这台机器带着100张工作台,这些工作台如旋转木马般在循环转动,不同的3D打印机喷头在工作台经过时注射不同的材料,塑料、金属、陶瓷等等,一层一层地完成制作。扩大这个思路,把传送带拉直,不就是一个配备了多个打印喷头的生产线了吗?

法兰克福会展外的“拿铁锤的人”,继续捶打着他的金属片。但过多十年二十年,来参观彼时的产业会展的游客或许便会奇怪,这人在做什么。

> 翻译:Yiluxiehou > 审校:Lutz > 终稿:谁养鱼

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译者

本报告中文版透过协作翻译完成,参与翻译、审校的译者有:

Shierzou,pandychen, wingsu,wangtianlu ,yanggege,Yiluxiehou,猪的米,谁养鱼,豆芽蛋,Lutz

参考文献编辑本段回目录

http://article.yeeyan.org/view/231604/288315
http://www.economist.com/node/21552901

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