3D打印與工業4.0 制造業革命已經來臨
時間：2019-10-28 13:45 來源：中關村在線 作者：中國3D打印網 閱讀：次
全球制造業正在經歷著一場蛻變，也就是媒體經常提到的工業4.0。導致這種轉變的就是不斷涌現的新的制造技術，例如人工智能（AI）、工業物聯網（IIoT）、3D打印和基于云的平臺。預計到2023年在智能制造技術上的支出將增加近3,000億美元，年復合增長率達到12%。
工廠變得更“聰明”
簡單地添加AI等高級技術和工具可實現不了“智能工廠”，它絕非想象中那么簡單而且成本巨大。在過去的幾十年中，制造業企業花費了數十億美元來部署敏捷方法論、企業資源管理（ERP）和其他類型的IT系統，目的是改進流程、提高透明度并落實低成本、可執行的按需制造計劃。不過這類投資的收益并不是立竿見影的，工廠的持續優化和效率提升絕非一朝一夕之事。
業務層和管理層的領導者互相制衡又共同決策，是制造業面臨的眾多挑戰之一。他們在不同的供應商生態系統中運作，高級管理人員會收到顧問和其他專業服務公司的建議；然而運營負責人與工業技術供應商打交道。傳統制造業注重成本、營收等眼前考核指標的現狀必須改變，才能解放工廠的生產力，使智能技術方案得到更多的應用從而推進向工業4.0化升級。
有了這樣的基礎之后，工業4.0解決方案將通過提供更高的運營透明度，以及預測問題和控制結果的能力，幫助工廠和供應鏈大幅度提升效率。在5G網絡普及之后，工業物聯網IIoT設備和傳感器將大量部署并成為工廠大數據的源頭；IIoT生態系統生成的數據將由AI進行快速處理，生成機器人流程自動化（RPA）的優化方案。這樣一來可以預測、發現工廠內的效率瓶頸，大幅度改進流程，提高生產效率。
安永EMEIA咨詢市場與解決方案主管安德魯·卡夫尼說：“工業4.0是要使工廠真正變得更智能而不僅僅是實現數字化。在這種轉變中，管理者可能是最重要的因素。工業4.0技術并不淘汰現有的技術和設備，而是使工人、技師和設備能夠以更佳的狀態運行，從而實現卓越的制造方式。 ”
精細化和使用新的制造工藝仍然是工業4.0的重要組成部分。研究表明，全面實施精細化生產和工業4.0計劃時，能夠以較低的成本獲得更多的協同效應，而不是將生產環節孤立化。最近的一項全球調查報告稱，如果AI消除了繁瑣的任務并改善了決策，那么將近三分之二的員工將對此表示歡迎；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變革的進程。
制造業變得更加分散
數字化的制造技術將逐漸改變傳統的集中式大規模生產制造的現有模型，從而實現更加分布式的模型。傳統的制造模式著重于集中化、低成本的批量生產以降低產品成本并獲得勞動力優勢，而分布式模型則依賴于數字化網絡所連接的更小、靈活和可擴展的生產能力。分布式制造的模式減少了供應鏈的長度、復雜性和成本，并允許快速定制產品和增強本地市場響應能力。
3D打印更適應按需制造的趨勢
安永全球增材制造主管弗蘭克·瑟森說：“從數量和成本的角度來看，3D打印仍無法取代傳統的大規模生產，但在重新設計零件以實現附加功能方面，或者將一組零件集成到一個更復雜的零件方面，3D打印有獨到的優勢，從而進一步推廣量身定制的零件或應用。 ”
3D打印技術是分布式制造的核心。3D可打印材料的范圍不斷擴大，不僅限于塑料，還包括金屬、樹脂和陶瓷。與傳統的成型、機加工和鑄造工藝相比，3D打印技術可以實現更復雜的幾何形狀。盡管增材制造技術已廣泛用于原型制作，但2019年的一項調查報告稱，越來越多的制造商已開始使用3D打印進行全面生產。從數字文件直接3D打印原型或零部件的能力催生了新的制造即服務（MaaS）業務模型，使制造商可以拓展按需制造的服務以便來獲得運營靈活性并降低業務成本。
3D打印不會取代現有的傳統制造技術，但它將成為與傳統減材制造方式并駕齊驅的新工藝。靈活的產品定制能力更適合不斷變化的消費者需求、更低的庫存和物流成本需求，并且具備更接近需求的生產能力以及更短的交貨時間。而這些只是分分布式生產環境所提供的部分好處。
更清潔的材料和更少的浪費
客戶、投資者、員工和其他利益相關者越來越希望制造商使用能夠減少環境影響，節約能源和自然資源，并證明生產過程對于居民社區的安全性。而世界各地的制造商都在投資于可持續性的生產實踐和產品，以取代傳統的物理加工、高溫加工等舊技術。這些更具可持續性的投資在成本節省和創收方面將創造大約20億美元的價值。
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工程減弱，以創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可以降低燃料成本。硼烯材料是各種結晶結構的硼原子，按照單一層的結構組成的新材料，有可能作為陽極材料用于制造更強大的鋰離子電池，以及作為傳感器檢測微觀的原子和分子。
超薄材料（其中一些可以在熱、光或電的作用下發生變化或演化）可以延長電池壽命，使太陽能電池更高效，并使海水淡化。自愈材料可以延長產品的使用壽命，使它們從廢棄物中轉移出來。隨著混凝土產量占全球二氧化碳排放量的7％，實驗室科學家致力于處理納米級顆粒或利用水泥中產生石灰石的細菌來制造更耐用、資源消耗更少的產品。
有一些研究表明，也許有一天我們可以操縱原子和分子，以達到原子級別的精度，構造更大、更復雜的物體，這是分子制造的夢想。在較高的層次上，分子制造的概念設想分子在特定的指令或環境下自組裝、定位和生成分子的納米級工具。
一些研究人員正在使用自組裝技術來創造新穎的材料，并探索使用可編程納米機器人進行分子操縱和合成。例如法國Femto-ST研究所的研究人員最近使用納米機器人制造系統在光纖末端建造了一個僅20微米的小房子。在曼徹斯特大學，科學家建造了由150個碳、氫、氧和氮原子組成的納米機器人，可以對它們進行編程從而使用微小的機械臂來移動和操縱單個分子。相關發明使得分子機器人將在10到20年內開始使用，在分子工廠的裝配線上構建分子和材料。
制造業升級和工業4.0的推進是一項系統級的工程，而人工智能AI、工業物聯網IIoT、大數據、3D打印、新材料、新型電池、納米技術、分子制造等一系列新技術將逐漸成熟化、市場化，進入工廠和車間。傳統制造業不會消失，而是更高效、更清潔、可持續、按需地生產我們所需要的商品。
工廠變得更“聰明”
簡單地添加AI等高級技術和工具可實現不了“智能工廠”，它絕非想象中那么簡單而且成本巨大。在過去的幾十年中，制造業企業花費了數十億美元來部署敏捷方法論、企業資源管理（ERP）和其他類型的IT系統，目的是改進流程、提高透明度并落實低成本、可執行的按需制造計劃。不過這類投資的收益并不是立竿見影的，工廠的持續優化和效率提升絕非一朝一夕之事。
業務層和管理層的領導者互相制衡又共同決策，是制造業面臨的眾多挑戰之一。他們在不同的供應商生態系統中運作，高級管理人員會收到顧問和其他專業服務公司的建議；然而運營負責人與工業技術供應商打交道。傳統制造業注重成本、營收等眼前考核指標的現狀必須改變，才能解放工廠的生產力，使智能技術方案得到更多的應用從而推進向工業4.0化升級。
有了這樣的基礎之后，工業4.0解決方案將通過提供更高的運營透明度，以及預測問題和控制結果的能力，幫助工廠和供應鏈大幅度提升效率。在5G網絡普及之后，工業物聯網IIoT設備和傳感器將大量部署并成為工廠大數據的源頭；IIoT生態系統生成的數據將由AI進行快速處理，生成機器人流程自動化（RPA）的優化方案。這樣一來可以預測、發現工廠內的效率瓶頸，大幅度改進流程，提高生產效率。
精細化和使用新的制造工藝仍然是工業4.0的重要組成部分。研究表明，全面實施精細化生產和工業4.0計劃時，能夠以較低的成本獲得更多的協同效應，而不是將生產環節孤立化。最近的一項全球調查報告稱，如果AI消除了繁瑣的任務并改善了決策，那么將近三分之二的員工將對此表示歡迎；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變革的進程。
制造業變得更加分散
數字化的制造技術將逐漸改變傳統的集中式大規模生產制造的現有模型，從而實現更加分布式的模型。傳統的制造模式著重于集中化、低成本的批量生產以降低產品成本并獲得勞動力優勢，而分布式模型則依賴于數字化網絡所連接的更小、靈活和可擴展的生產能力。分布式制造的模式減少了供應鏈的長度、復雜性和成本，并允許快速定制產品和增強本地市場響應能力。
3D打印更適應按需制造的趨勢
安永全球增材制造主管弗蘭克·瑟森說：“從數量和成本的角度來看，3D打印仍無法取代傳統的大規模生產，但在重新設計零件以實現附加功能方面，或者將一組零件集成到一個更復雜的零件方面，3D打印有獨到的優勢，從而進一步推廣量身定制的零件或應用。 ”
3D打印技術是分布式制造的核心。3D可打印材料的范圍不斷擴大，不僅限于塑料，還包括金屬、樹脂和陶瓷。與傳統的成型、機加工和鑄造工藝相比，3D打印技術可以實現更復雜的幾何形狀。盡管增材制造技術已廣泛用于原型制作，但2019年的一項調查報告稱，越來越多的制造商已開始使用3D打印進行全面生產。從數字文件直接3D打印原型或零部件的能力催生了新的制造即服務（MaaS）業務模型，使制造商可以拓展按需制造的服務以便來獲得運營靈活性并降低業務成本。
更清潔的材料和更少的浪費
客戶、投資者、員工和其他利益相關者越來越希望制造商使用能夠減少環境影響，節約能源和自然資源，并證明生產過程對于居民社區的安全性。而世界各地的制造商都在投資于可持續性的生產實踐和產品，以取代傳統的物理加工、高溫加工等舊技術。這些更具可持續性的投資在成本節省和創收方面將創造大約20億美元的價值。
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工程減弱，以創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可以降低燃料成本。硼烯材料是各種結晶結構的硼原子，按照單一層的結構組成的新材料，有可能作為陽極材料用于制造更強大的鋰離子電池，以及作為傳感器檢測微觀的原子和分子。
超薄材料（其中一些可以在熱、光或電的作用下發生變化或演化）可以延長電池壽命，使太陽能電池更高效，并使海水淡化。自愈材料可以延長產品的使用壽命，使它們從廢棄物中轉移出來。隨著混凝土產量占全球二氧化碳排放量的7％，實驗室科學家致力于處理納米級顆粒或利用水泥中產生石灰石的細菌來制造更耐用、資源消耗更少的產品。
有一些研究表明，也許有一天我們可以操縱原子和分子，以達到原子級別的精度，構造更大、更復雜的物體，這是分子制造的夢想。在較高的層次上，分子制造的概念設想分子在特定的指令或環境下自組裝、定位和生成分子的納米級工具。
一些研究人員正在使用自組裝技術來創造新穎的材料，并探索使用可編程納米機器人進行分子操縱和合成。例如法國Femto-ST研究所的研究人員最近使用納米機器人制造系統在光纖末端建造了一個僅20微米的小房子。在曼徹斯特大學，科學家建造了由150個碳、氫、氧和氮原子組成的納米機器人，可以對它們進行編程從而使用微小的機械臂來移動和操縱單個分子。相關發明使得分子機器人將在10到20年內開始使用，在分子工廠的裝配線上構建分子和材料。
制造業升級和工業4.0的推進是一項系統級的工程，而人工智能AI、工業物聯網IIoT、大數據、3D打印、新材料、新型電池、納米技術、分子制造等一系列新技術將逐漸成熟化、市場化，進入工廠和車間。傳統制造業不會消失，而是更高效、更清潔、可持續、按需地生產我們所需要的商品。
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