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麻省理工學院(MIT)Neri Oxman教授與Craig Carter教授合作製作了一個雕塑作品,作品展示了3D印刷的發展潛力,使用的一些技術是傳統製造技術無法採用的。該雕塑是一個立方體,在一側印有文字“Making the Future”。研究人員依靠熱力學和材料動力學方程來開發這些結構。定義雕塑形狀所採用的演算法,是基於高溫下兩種混合流體會完全溶合,但冷卻時兩種流體就開始分離的自然過程。而為了刻這些字母,Craig Carter引入其他方程,使一種“液體”被吸引到字母上,而另一種“液體”被排斥。通過調整演算法,直至形成所希望的式樣,再送到一家名為Objet的3D印刷公司,製成6英寸的立方體。

工研院南分院執行長徐紹中表示,積層製造技術被預測為新一波的製造革命,雷射金屬積層製造技術採用逐層堆積製造方法,由傳統減法式製造改變成加法式3D製造,由塑膠材料進展到金屬材料,也從原型製作進化成實際產品製作運用3D列印產業,可大幅縮短複雜工件之製作工期,免除多道製程以及轉換加工機所需的時間,使製造方式進入批量客製化,大幅提升製造效率,該列印新技術在全球不景氣中市場逆勢快速成長。

(1) 客製化生產
 
一次性樣品的生產成本可能高得驚人,而3D印表機可將成本大幅降低。現在很多生活消費品、機械零件、鞋子和建築模型在繼續進行投產之前,都以3D列印形式出現,供工程師、設計師和客戶評估。任何變動可以在幾小時或一個晚上的時間內快速被重新列印,但一種新樣品進入機械商店要花上幾個星期的時間。

 由於在疊加式製造技術中很少有規模性經濟,該技術最理想的是應用在低量生產領域。但也允許成品部件的大規模定制化。已經有很多牙冠和助聽器外殼都是用獨立的3D印表機生產的。 

(2)克服技術瓶頸
  

 擺脫傳統工藝的限制,疊加式製造技術可以幫助設計人員經濟實惠地將之前被認為太過複雜的物品生產出來。這可能是出於美學方面的原因,但工程人員也發現了實際應用之處。例如,液體在圓形槽內比在鋒利邊角周圍的流動速度更快,以傳統方法很難在一個固體金屬結構中設計出圓形槽,但是對3D印表機來說輕而易舉。3T RPD,一家提供添加材料製造服務的英國公司,列印出用於賽車的齒形箱,帶有液壓用油光滑內部通道,替代了鑽出型直角彎管。據該公司總裁伊恩·韓禮德(Ian Halliday)介紹,該箱子不僅實現了齒輪速度變化更快,同時也將重量減輕了30%。基於相似原理,一架波音F-18戰鬥機包含了很多列印部件,如通風管。


重量減輕是3D列印部件的一部分吸引力所在。物體一層層疊加,僅用足夠的材料來實現部件的運作是可能的。用傳統工藝進行建築物構造,需要添加翼緣和支架,才可以利用機械工具對物體進行處理、打磨、建模,為待鉚接或焊接的部件表面做好準備。3D印表機可能對物品作為整體進行列印,不需要組裝。它甚至可以一次性製作出帶有可活動部件的機器。

美國通用電氣就是一個例子,該公司正在探索如何將3D列印技術應用到其所有運營活動中。已經有一種產品正在醞釀中,即小型超聲掃描器。這類掃描器被醫生用來製作人體內部特徵成像,如胎兒。成像控制器的尺寸、重量和成本都縮減了,但放置於人體上的換能器探針依然沒有得到很大改觀,而換能器探針的成本是該系統最貴的一部分。探針將高頻聲波的脈衝波進行傳輸,並接收回饋信號,利用回聲來產生圖片。它包括一種微型壓電結構,該結構需要對一種易碎陶瓷材料塊進行煞費苦心的微加工才能得到。

目前通用電氣公司已經開發出一種疊加系統來列印感測器。這將極大降低生產成本,並促成全新而低成本的可擕式掃描器的誕生,不僅可用於醫療,也可用於檢測重要的航空結構和工業製品結構的缺陷問題。

 (3)快速複製免去物流與庫存
 
複製器,由英國的賽寶曼科技公司(Cybaman Technologies)製作的一種機器人快速製造系統已經完成。其大小相當於一個大冰箱,可以實現去除材料加工,也可實現添加材料加工。使用一種基於雷射技術的沉積系統來塑造一種基本形狀,由加工完成。恰如其名,該複製器也可以對放置在其內部的物體進行數位掃描,實現反向工程,產生一個精確副本建立所需的資料。 

優比速的試驗計劃提供uPrint SE桌上型列印機;列印機將裝設於優比速在美國的其中6間店面,客戶可以帶著他們的設計,在店面中印製物件,就和帶著數位二維文件到店裡印成紙本文件差不多。優比速預期,想製作模型的設計師、創業家、新創企業、建築師,都會是這項3D列印服務的客戶。有些人也可能會利用此服務製作替換零件,因為有許多產品常因為一塊小小的塑膠零件毀損而無法使用,但尋找這類零件可能會相當困難昂貴。部分工業級3D列印機也能印製金屬零件。
 
(4)打破規模經濟 - 去全球化 

這種新的製造方法具有革命意義,將徹底改變20世紀的的傳統製造方法。傳統的製造方法是基於規模經濟的簡單觀念,也就是擴大工廠規模,並且只生產同一種產品,從而提高生產效率。
3D列印技術推翻了規模經濟的概念。將成千上萬的3D印表機放在同一個地方並不能提高成本競爭力。未來的製造將是個非常分散的過程。3D印表機已經變得非常便宜(個人3D印表機的價格不到1,000美元),今後消費者甚至能夠在家裏或商店附近列印他們的鞋子、玩具和廚具。他們可以從互聯網上下載產品設計,然後按照自己的喜好進行修改,並改變產品大小來滿足自己的需求。未來的製造過程不再需要成千上萬的工人在同一個地方做著重複的工作。


3D列印很有可能就此徹底改變製造業供應鏈流程,但3D列印並不會取代大規模生產,而是強化大規模生產,讓工廠有能力以相對低廉的成本,生產一次性和小量產品。

3D列印技術在製造業的廣泛使用將導致製成品的去全球化【3D製造的本<大量製造的成本+運輸成本】。3D列印技術的使用將逆轉全球化進程,使製造業務從中國或其他發展中國家回到產品消費國。在添加製造技術方面處於領先地位的美國無疑將在這個過程中成為最大的贏家。美國公司不僅能夠在美國本地的列印商店裏列印產品,還可以在中國為中國消費者列印美國設計的產品。

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從經濟學人「製造業與創新」 2012/6/25 摘錄


2011年11月份舉辦的上屆歐洲模具展中,展出了一組新機器——3D印表機。無須因循守舊地敲打、彎曲及切削材料,3D印表機通過層層疊加材料生產產品。因此這個過程還被形象的稱為疊加工藝。美國一家名為3D系統(3D Systems)的公司用3D印表機為本刊記者列印了一把錘,精緻的錘柄有木紋效果,配有一個金屬般質地的錘頭。 

這便是未來製造業的縮影。對於3D印表機來說,規模經濟則沒這麼明顯。3D印表機的軟體可作隨意調整,幾乎能造出任何的東西。不管是單件產品的生產還是3D印表機容許的最大量生產,機器的設置成本都是一成不變的。疊加工藝仍有待完善,尚不能製造汽車或iPhone,但它已能製造專門的汽車配件和定制的iPhone手機套。

隨著製造業的數位化,第三次大變革現正加快步伐。得益于新材料的應用以及諸如3D列印、易用機器人和網路協作生產服務等全新工序,小批量生產變得更加划算,生產也更靈活,所需勞動力的投入也減少了。 整個局勢又轉了個大圈,不再注重於規模化製造模式,而是向更加個性化的生產模式看齊。繼而一些在很久前被新興市場奪走的生產崗位將重新回到發達國家手中。 

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瑞銀前首席經濟學家、現高級經濟顧問George Magnus懷疑亞洲經濟增長奇跡可能終結,提到了科技在其中發揮的作用及對亞洲市場走勢的影響。

以美國為例。美國在開採葉岩油氣資源獲得廉價能源方面佔有科技領先地位。它已經使美國開始將經濟的鐘擺再次撥回自己的方向。美國的企業因能源成本降低受益,化工業和能源基礎設施供應商尤其會蓬勃發展。而且,美國還因為能源更加獨立、成為能源出口商這些其他方式獲利。能源開發成本低會縮小美國的貿易逆差,為美國能源吸引到許多國外的直接投資。

美國在最高端的先進製造、智慧手機和智慧平板方面居於科技領先位置,並且有能力創造高明的公司。但對即將到來的全球製造業革命來說,它們可能就是前沿陣地。帶來這場革命的是疊加製造技術,即所謂的3D列印。預計這場革命會使經濟優勢重新偏向美國和其他西方國家的企業。
 
本地化和定制化製造業不會雇用很多勞動力。雖然在老齡化的社會,勞動力供應也會減少,或者停滯,但它將使接近市場、資源和出色技術的核心變得更重要,並且使漫長的全球製造業供應鏈和大規模製造過程變得不那麼重要。而後兩者是中國等亞洲國家在全球經濟中發揮的特色功能。而且,這種潮流只會加快中國這類國家的勞動力成本上升。
 
中國對西方企業的巨大吸引力沒有完全消失,但它已經在減弱,原因在於中國勞動力成本增加、傾向本土創新的政策有所限制、西方對知識產權的擔憂和西方企業訴稱遭遇歧視。然而,即使中國與美國、日本、德國、中國臺灣等在新製造業科技前沿可以匹敵,上述也都只是冰山一角。國外企業將不再有任何理由選擇到中國組裝產品,那意味著要長距離將原材料和零部件運到中國,然後將產品運走。

中國的專利申請量實際上已經全球領先,而科學論文的發表數量也僅次於美國,可能在2013年會超越美國。美國專利與商標局(USPTO)資料顯示,2009年中國在美註冊專利1655項,而1999年僅有90項。只有6%的中國專利得到全球專利保護,而美國的這一比例為49%,日本是接近40%。湯森路途的核心科技指標20顯示,如果按在頂級科學期刊上發表文章的人數算,中國距離美國和歐洲都差得太遠。中國的科學家與工程師發表文章可以得到豐厚利潤,這是一大動力,但這也導致他們的文章重量不重質,而且被指存在大範圍剽竊、重複發表及可能偽造資料。

中國的創新與科技缺陷源于社會文化體系,以及中國的激勵機制側重漸進而非激進的變化、重數量而不重品質和獨特性。它們突出表明中國並沒有持續的政治改革和強有力的制度創新,中國的技術前沿科技可能永遠會滯後于西方競爭對手。

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