3D打印與工業(yè)4.0 制造業(yè)革命已經(jīng)來臨
全球制造業(yè)正在經(jīng)歷著一場(chǎng)蛻變，也就是媒體經(jīng)常提到的工業(yè)4.0。導(dǎo)致這種轉(zhuǎn)變的就是不斷涌現(xiàn)的新的制造技術(shù)，例如人工智能（AI）、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）、3D打印和基于云的平臺(tái)。預(yù)計(jì)到2023年在智能制造技術(shù)上的支出將增加近3,000億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到12%。
簡(jiǎn)單地添加AI等高級(jí)技術(shù)和工具可實(shí)現(xiàn)不了“智能工廠”，它絕非想象中那么簡(jiǎn)單而且成本巨大。在過去的幾十年中，制造業(yè)企業(yè)花費(fèi)了數(shù)十億美元來部署敏捷方法論、企業(yè)資源管理（ERP）和其他類型的IT系統(tǒng)，目的是改進(jìn)流程、提高透明度并落實(shí)低成本、可執(zhí)行的按需制造計(jì)劃。不過這類投資的收益并不是立竿見影的，工廠的持續(xù)優(yōu)化和效率提升絕非一朝一夕之事。
業(yè)務(wù)層和管理層的領(lǐng)導(dǎo)者互相制衡又共同決策，是制造業(yè)面臨的眾多挑戰(zhàn)之一。他們?cè)诓煌墓?yīng)商生態(tài)系統(tǒng)中運(yùn)作，高級(jí)管理人員會(huì)收到顧問和其他專業(yè)服務(wù)公司的建議；然而運(yùn)營(yíng)負(fù)責(zé)人與工業(yè)技術(shù)供應(yīng)商打交道。傳統(tǒng)制造業(yè)注重成本、營(yíng)收等眼前考核指標(biāo)的現(xiàn)狀必須改變，才能解放工廠的生產(chǎn)力，使智能技術(shù)方案得到更多的應(yīng)用從而推進(jìn)向工業(yè)4.0化升級(jí)。
有了這樣的基礎(chǔ)之后，工業(yè)4.0解決方案將通過提供更高的運(yùn)營(yíng)透明度，以及預(yù)測(cè)問題和控制結(jié)果的能力，幫助工廠和供應(yīng)鏈大幅度提升效率。在5G網(wǎng)絡(luò)普及之后，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT設(shè)備和傳感器將大量部署并成為工廠大數(shù)據(jù)的源頭；IIoT生態(tài)系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)將由AI進(jìn)行快速處理，生成機(jī)器人流程自動(dòng)化（RPA）的優(yōu)化方案。這樣一來可以預(yù)測(cè)、發(fā)現(xiàn)工廠內(nèi)的效率瓶頸，大幅度改進(jìn)流程，提高生產(chǎn)效率。
精細(xì)化和使用新的制造工藝仍然是工業(yè)4.0的重要組成部分。研究表明，全面實(shí)施精細(xì)化生產(chǎn)和工業(yè)4.0計(jì)劃時(shí)，能夠以較低的成本獲得更多的協(xié)同效應(yīng)，而不是將生產(chǎn)環(huán)節(jié)孤立化。最近的一項(xiàng)全球調(diào)查報(bào)告稱，如果AI消除了繁瑣的任務(wù)并改善了決策，那么將近三分之二的員工將對(duì)此表示歡迎；然而五分之三的雇主甚至尚未與其員工討論AI的重要作用。因此高層的決策在很大程度上也將影響制造業(yè)變革的進(jìn)程。
制造業(yè)變得更加分散
數(shù)字化的制造技術(shù)將逐漸改變傳統(tǒng)的集中式大規(guī)模生產(chǎn)制造的現(xiàn)有模型，從而實(shí)現(xiàn)更加分布式的模型。傳統(tǒng)的制造模式著重于集中化、低成本的批量生產(chǎn)以降低產(chǎn)品成本并獲得勞動(dòng)力優(yōu)勢(shì)，而分布式模型則依賴于數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)所連接的更小、靈活和可擴(kuò)展的生產(chǎn)能力。分布式制造的模式減少了供應(yīng)鏈的長(zhǎng)度、復(fù)雜性和成本，并允許快速定制產(chǎn)品和增強(qiáng)本地市場(chǎng)響應(yīng)能力。
安永全球增材制造主管弗蘭克·瑟森說：“從數(shù)量和成本的角度來看，3D打印仍無法取代傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)，但在重新設(shè)計(jì)零件以實(shí)現(xiàn)附加功能方面，或者將一組零件集成到一個(gè)更復(fù)雜的零件方面，3D打印有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，從而進(jìn)一步推廣量身定制的零件或應(yīng)用。”
3D打印技術(shù)是分布式制造的核心。3D可打印材料的范圍不斷擴(kuò)大，不僅限于塑料，還包括金屬、樹脂和陶瓷。與傳統(tǒng)的成型、機(jī)加工和鑄造工藝相比，3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的幾何形狀。盡管增材制造技術(shù)已廣泛用于原型制作，但2019年的一項(xiàng)調(diào)查報(bào)告稱，越來越多的制造商已開始使用3D打印進(jìn)行全面生產(chǎn)。從數(shù)字文件直接3D打印原型或零部件的能力催生了新的制造即服務(wù)（MaaS）業(yè)務(wù)模型，使制造商可以拓展按需制造的服務(wù)以便來獲得運(yùn)營(yíng)靈活性并降低業(yè)務(wù)成本。
3D打印不會(huì)取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)制造技術(shù)，但它將成為與傳統(tǒng)減材制造方式并駕齊驅(qū)的新工藝。靈活的產(chǎn)品定制能力更適合不斷變化的消費(fèi)者需求、更低的庫存和物流成本需求，并且具備更接近需求的生產(chǎn)能力以及更短的交貨時(shí)間。而這些只是分分布式生產(chǎn)環(huán)境所提供的部分好處。
更清潔的材料和更少的浪費(fèi)
客戶、投資者、員工和其他利益相關(guān)者越來越希望制造商使用能夠減少環(huán)境影響，節(jié)約能源和自然資源，并證明生產(chǎn)過程對(duì)于居民社區(qū)的安全性。而世界各地的制造商都在投資于可持續(xù)性的生產(chǎn)實(shí)踐和產(chǎn)品，以取代傳統(tǒng)的物理加工、高溫加工等舊技術(shù)。這些更具可持續(xù)性的投資在成本節(jié)省和創(chuàng)收方面將創(chuàng)造大約20億美元的價(jià)值。
清潔材料革命是其中的一部分。諸如碳之類的豐富能源的作用正在被納米級(jí)工程減弱，以創(chuàng)造出諸如石墨烯之類的新材料，這些新材料可以替代稀缺而昂貴的金屬。用石墨烯制成的超輕型飛機(jī)可以降低燃料成本。硼烯材料是各種結(jié)晶結(jié)構(gòu)的硼原子，按照單一層的結(jié)構(gòu)組成的新材料，有可能作為陽極材料用于制造更強(qiáng)大的鋰離子電池，以及作為傳感器檢測(cè)微觀的原子和分子。
超薄材料（其中一些可以在熱、光或電的作用下發(fā)生變化或演化）可以延長(zhǎng)電池壽命，使太陽能電池更高效，并使海水淡化。自愈材料可以延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命，使它們從廢棄物中轉(zhuǎn)移出來。隨著混凝土產(chǎn)量占全球二氧化碳排放量的7％，實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家致力于處理納米級(jí)顆?；蚶盟嘀挟a(chǎn)生石灰石的細(xì)菌來制造更耐用、資源消耗更少的產(chǎn)品。
有一些研究表明，也許有一天我們可以操縱原子和分子，以達(dá)到原子級(jí)別的精度，構(gòu)造更大、更復(fù)雜的物體，這是分子制造的夢(mèng)想。在較高的層次上，分子制造的概念設(shè)想分子在特定的指令或環(huán)境下自組裝、定位和生成分子的納米級(jí)工具。
一些研究人員正在使用自組裝技術(shù)來創(chuàng)造新穎的材料，并探索使用可編程納米機(jī)器人進(jìn)行分子操縱和合成。例如法國Femto-ST研究所的研究人員最近使用納米機(jī)器人制造系統(tǒng)在光纖末端建造了一個(gè)僅20微米的小房子。在曼徹斯特大學(xué)，科學(xué)家建造了由150個(gè)碳、氫、氧和氮原子組成的納米機(jī)器人，可以對(duì)它們進(jìn)行編程從而使用微小的機(jī)械臂來移動(dòng)和操縱單個(gè)分子。相關(guān)發(fā)明使得分子機(jī)器人將在10到20年內(nèi)開始使用，在分子工廠的裝配線上構(gòu)建分子和材料。
制造業(yè)升級(jí)和工業(yè)4.0的推進(jìn)是一項(xiàng)系統(tǒng)級(jí)的工程，而人工智能AI、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT、大數(shù)據(jù)、3D打印、新材料、新型電池、納米技術(shù)、分子制造等一系列新技術(shù)將逐漸成熟化、市場(chǎng)化，進(jìn)入工廠和車間。傳統(tǒng)制造業(yè)不會(huì)消失，而是更高效、更清潔、可持續(xù)、按需地生產(chǎn)我們所需要的商品。
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