3D打印与工业4.0 制造业革命已经来临

来源：中关村在线

全球制造业正在经历着一场蜕变，也就是媒体经常提到的工业4.0。导致这种转变的就是不断涌现的新的制造技术，例如人工智能（AI）、工业物联网（IIoT）、3D打印和基于云的平台。预计到2023年在智能制造技术上的支出将增加近3,000亿美元，年复合增长率达到12%。

工厂变得更“聪明”
简单地添加AI等高级技术和工具可实现不了“智能工厂”，它绝非想象中那么简单而且成本巨大。在过去的几十年中，制造业企业花费了数十亿美元来部署敏捷方法论、企业资源管理（ERP）和其他类型的IT系统，目的是改进流程、提高透明度并落实低成本、可执行的按需制造计划。不过这类投资的收益并不是立竿见影的，工厂的持续优化和效率提升绝非一朝一夕之事。

业务层和管理层的领导者互相制衡又共同决策，是制造业面临的众多挑战之一。他们在不同的供应商生态系统中运作，高级管理人员会收到顾问和其他专业服务公司的建议；然而运营负责人与工业技术供应商打交道。传统制造业注重成本、营收等眼前考核指标的现状必须改变，才能解放工厂的生产力，使智能技术方案得到更多的应用从而推进向工业4.0化升级。

有了这样的基础之后，工业4.0解决方案将通过提供更高的运营透明度，以及预测问题和控制结果的能力，帮助工厂和供应链大幅度提升效率。在5G网络普及之后，工业物联网IIoT设备和传感器将大量部署并成为工厂大数据的源头；IIoT生态系统生成的数据将由AI进行快速处理，生成机器人流程自动化（RPA）的优化方案。这样一来可以预测、发现工厂内的效率瓶颈，大幅度改进流程，提高生产效率。

安永EMEIA咨询市场与解决方案主管安德鲁·卡夫尼说：“工业4.0是要使工厂真正变得更智能而不仅仅是实现数字化。在这种转变中，管理者可能是最重要的因素。工业4.0技术并不淘汰现有的技术和设备，而是使工人、技师和设备能够以更佳的状态运行，从而实现卓越的制造方式。 ”

精细化和使用新的制造工艺仍然是工业4.0的重要组成部分。研究表明，全面实施精细化生产和工业4.0计划时，能够以较低的成本获得更多的协同效应，而不是将生产环节孤立化。最近的一项全球调查报告称，如果AI消除了繁琐的任务并改善了决策，那么将近三分之二的员工将对此表示欢迎；然而五分之三的雇主甚至尚未与其员工讨论AI的重要作用。因此高层的决策在很大程度上也将影响制造业变革的进程。

制造业变得更加分散
数字化的制造技术将逐渐改变传统的集中式大规模生产制造的现有模型，从而实现更加分布式的模型。传统的制造模式着重于集中化、低成本的批量生产以降低产品成本并获得劳动力优势，而分布式模型则依赖于数字化网络所连接的更小、灵活和可扩展的生产能力。分布式制造的模式减少了供应链的长度、复杂性和成本，并允许快速定制产品和增强本地市场响应能力。

3D打印更适应按需制造的趋势
安永全球增材制造主管弗兰克·瑟森说：“从数量和成本的角度来看，3D打印仍无法取代传统的大规模生产，但在重新设计零件以实现附加功能方面，或者将一组零件集成到一个更复杂的零件方面，3D打印有独到的优势，从而进一步推广量身定制的零件或应用。 ”

3D打印技术是分布式制造的核心。3D可打印材料的范围不断扩大，不仅限于塑料，还包括金属、树脂和陶瓷。与传统的成型、机加工和铸造工艺相比，3D打印技术可以实现更复杂的几何形状。尽管增材制造技术已广泛用于原型制作，但2019年的一项调查报告称，越来越多的制造商已开始使用3D打印进行全面生产。从数字文件直接3D打印原型或零部件的能力催生了新的制造即服务（MaaS）业务模型，使制造商可以拓展按需制造的服务以便来获得运营灵活性并降低业务成本。

3D打印不会取代现有的传统制造技术，但它将成为与传统减材制造方式并驾齐驱的新工艺。灵活的产品定制能力更适合不断变化的消费者需求、更低的库存和物流成本需求，并且具备更接近需求的生产能力以及更短的交货时间。而这些只是分分布式生产环境所提供的部分好处。

更清洁的材料和更少的浪费
客户、投资者、员工和其他利益相关者越来越希望制造商使用能够减少环境影响，节约能源和自然资源，并证明生产过程对于居民社区的安全性。而世界各地的制造商都在投资于可持续性的生产实践和产品，以取代传统的物理加工、高温加工等旧技术。这些更具可持续性的投资在成本节省和创收方面将创造大约20亿美元的价值。

清洁材料革命是其中的一部分。诸如碳之类的丰富能源的作用正在被纳米级工程减弱，以创造出诸如石墨烯之类的新材料，这些新材料可以替代稀缺而昂贵的金属。用石墨烯制成的超轻型飞机可以降低燃料成本。硼烯材料是各种结晶结构的硼原子，按照单一层的结构组成的新材料，有可能作为阳极材料用于制造更强大的锂离子电池，以及作为传感器检测微观的原子和分子。

超薄材料（其中一些可以在热、光或电的作用下发生变化或演化）可以延长电池寿命，使太阳能电池更高效，并使海水淡化。自愈材料可以延长产品的使用寿命，使它们从废弃物中转移出来。随着混凝土产量占全球二氧化碳排放量的7％，实验室科学家致力于处理纳米级颗粒或利用水泥中产生石灰石的细菌来制造更耐用、资源消耗更少的产品。

有一些研究表明，也许有一天我们可以操纵原子和分子，以达到原子级别的精度，构造更大、更复杂的物体，这是分子制造的梦想。在较高的层次上，分子制造的概念设想分子在特定的指令或环境下自组装、定位和生成分子的纳米级工具。

一些研究人员正在使用自组装技术来创造新颖的材料，并探索使用可编程纳米机器人进行分子操纵和合成。例如法国Femto-ST研究所的研究人员最近使用纳米机器人制造系统在光纤末端建造了一个仅20微米的小房子。在曼彻斯特大学，科学家建造了由150个碳、氢、氧和氮原子组成的纳米机器人，可以对它们进行编程从而使用微小的机械臂来移动和操纵单个分子。相关发明使得分子机器人将在10到20年内开始使用，在分子工厂的装配线上构建分子和材料。

制造业升级和工业4.0的推进是一项系统级的工程，而人工智能AI、工业物联网IIoT、大数据、3D打印、新材料、新型电池、纳米技术、分子制造等一系列新技术将逐渐成熟化、市场化，进入工厂和车间。传统制造业不会消失，而是更高效、更清洁、可持续、按需地生产我们所需要的商品。