物联网

用3D打印重塑未来

3D打印开启了制造业的无限可能——从低成本制造到设计和开发的精益方法。这篇文章探讨了这项技术的历程，以及它对我们的未来可能意味着什么。

在20世纪之交，制造业被视为“旧经济”。新经济似乎是一个全新的世界，居住着拥有数字DNA的企业。然而，开始工业物联网(IIoT)通过二进制和物理原子的融合改变了制造业格局，为“创客运动”铺平了道路。“而在这场运动的中心是三维打印或3D打印;改造制造、工程、工业设计和硬件。它有颠覆工业和改变生活的潜力——想象一下，消费者打印出具有特定热量的超级食品，或者医生打印假肢来矫正畸形!

3D打印技术正在小众领域取得进展，但在传统制造业还没有实现。大多数技术的发展轨迹都是一个未知的、但可以预测的过程:在多种催化剂的推动下，大量用户采用了该技术，该技术才成为主流。以个人计算机为例，当它作为大型机的替代品出现时，它的接受度很低。同样，在电动汽车运动开始时，电动汽车只吸引了一小部分消费者，而大多数汽车使用汽油。

“对我来说，‘引爆点’不在于有多少制造商改变了，而在于有多少人改变了思想。多亏了更容易获取的技术，我们现在接触到了一大批人，当他们思考如何制造东西时，他们会以不同的方式思考。你可以说他们在用3D的方式思考，”t·j·麦克库伊在《哈佛商业评论》上说。McCue领导了GoExplore3D项目，跟踪3D打印技术在美国的发展。

3D打印也被称为增材制造，随着物联网、人工智能、大数据分析、高级模拟和建模、工业生物学和量子计算的融合，3D打印正在取得快速进展。3D打印的范围包括物体，如飞机组件，音乐键盘，互动海报，人体器官，和更多。事实上，3D打印甚至挽救了我们的遗产:3000年历史的亚述艺术品和哈特拉雕塑在伊拉克摩苏尔博物馆被破坏，现在正在使用3D打印重建。

3D打印的影响让Charles (Chuck) Hull感到惊讶，他发明了立体印刷技术，并共同创立了3D系统，使这项技术商业化。“虽然我预计3D打印会受到制造商的欢迎，但我从来没有预料到3D打印今天会如此广泛，或者人们用它来做各种事情。在过去的30年里，我们非常高兴地看到我们的创新激发了更多的创新，”Chuck在获得美国机械工程师协会(ASME)的殊荣时说道。

数字交叉

3D打印机可以制造可移动的部件，并可以管理各种各样的物质——从回收材料、稀土金属到生物物质。该技术通过增强各个行业领域(包括航空航天、汽车、消费品、化工、国防、医疗保健、基础设施和公用事业)的多功能性来改变制造业。

在很大程度上，多亏了一个生态系统——一个网络的网络——在产品、制造系统、资产和利益相关者之间具有接近实时的接口，3D打印现在已经成为主流的一部分。今天，它重新定义了消费者和工业产品的设计、开发和交付方式。这项技术通过支持新材料、新颖的设计和创新的功能，极大地提高了产品性能。它通过在购买/消费点促进生产，稀释规模经济的优势，使组织与客户的距离为零。

分布式制造允许产品的极端定制和低批量生产。纽约初创公司Normal使用3D打印技术生产高级耳机。顾客在分享自己耳朵的图片并指定自己喜欢的颜色后，通过应用程序下订单。这些耳机在48小时内从普通的办公室、工厂和商店打印、组装并发货。

全球制造商都在采用3D打印技术来简化生产，提高产品质量。通用电气在宾夕法尼亚州成立了添加剂技术进步中心(CATA)，旨在跨业务领域创新，包括航空、医疗保健、石油和天然气、电力、可再生能源和运输。今天，它有一个“工业化实验室”来优化3D设计和模拟生产。

软件设计硬件

数据、模拟技术和算法是增材制造的核心。3D打印机从3D扫描图像和/或计算机辅助设计(CAD)文件处理复杂的设计，并呈现在不同的材料。软件可以调整，以个性化的设计为客户或调整产品以适应特定的市场/需求。更重要的是，3D打印机的灵活性使生产成本合理化，因为一台打印机可以用于打印不同的对象和不同的应用程序的部件。波音公司使用3D打印技术为不同型号的飞机制造零部件。

增材制造通过消除对设计/产品专家进行原型设计的依赖，加速了产品开发。它将大规模定制和定制产品的成本降至最低。因此，通过公平竞争，它减少了资本投资，并降低了与新产品发布相关的风险。更重要的是，它鼓励产品公司服务于细分市场。

此外，3D打印最大限度地减少了产品设计和开发的复杂性。一辆3d打印汽车大约有40个零件，而一辆组装好的汽车有2万个零件。美国国家航空航天局(NASA)正在与硅谷初创公司“太空制造”(Made in space)合作，探索3D打印技术为载人航天任务生产食物。此前，国际空间站成功发射了“太空制造”零重力3D打印机，用于打印零部件。

“开放设计”的概念——类似于软件领域的“开源”——将被用于实体产品和组件的合作制造。设计将被共同创造和增强，确保优质和高性价比的产品。在一些领域，“开放设计”将使独立设计的产品过时，一个主要的例子是，维基百科比大英百科全书更受用户青睐。Shapeways是一家3D打印工厂，它依赖于“开放式设计”，客户可以创建自己的产品，从专家那里寻求独特的设计，或者从用户上传的设计列表中选择。Shapeways提供超过50种材料，包括砂岩和贵金属，打印有序的对象。

制造业生态系统的转变

3D打印将创造制造业的新范例。它将颠覆传统方法，并为早期采用者提供商业机会。此外，该技术将通过以下方式改变制造业及其延伸供应链的特征:

• 配送中心可能会被淘汰，因为让3D打印驱动的生产尽可能靠近消费地点更有经济意义
• 3D打印降低了制造业的入门门槛，避免了巨额的资本投资。它可能会刺激一种类似互联网的新型制造业企业的出现，创造出一种新的公司类型，比如亚马逊(Amazon)
• 制造过程将变得更加敏捷。一台3D打印机可以制造各种各样的产品，从飞机部件到汽车部件
• 制造商可以为每个产品实现高水平的定制。“工程师按订单”的概念将成为制造业的主流
• 众包设计或“开放设计”将为更高质量的产品铺平道路。通用电气正与法国飞机和火箭发动机制造商Snecma s.a.合作，通过增材制造开发喷气发动机燃油喷嘴。打印出来的燃油喷嘴比制造出来的更轻，更耐用
• 随着3D打印技术的广泛应用，一种新型的合作企业将会出现。例如，在线3D打印服务平台3D Hubs将3D打印机所有者与客户联系起来。该网络在全球2万多个地点提供服务。工程师和设计师根据距离远近和特定材料来选择服务供应商。该论坛使3D打印机的所有者最大限度地利用他们的产能，同时提供3D生产的访问

绿色设计

3D技术又向4D打印迈出了一大步。4D打印是由麻省理工学院自组装实验室主任斯凯拉·蒂比特(Skylar Tibbits)创造的。它涉及打印对诸如冲击、温度和湿度等刺激有反应的物体。对自行改造的印刷产品的研究可能会达到高潮，飞机机翼会根据空气动力学条件进行调整，鞋子会收缩，鞋底会对穿着者的步态做出反应。

尽管数字和计算技术的进步为3D打印技术带来了曙光，但为了成功、高效地组装3D打印零件，车间需要重新改造。“将所有功能整合到系统中需要很长时间，要达到人们期望的传统减法设备的健壮性和可用性水平;康明斯公司材料科学与技术、技术质量和知识产权主管Roger England在接受美国机械工程师协会(ASME)采访时表示:“这只是任何新技术正常的成长和学习阶段。”

在一个巨变的环境中，制造商需要解决一些基本问题，如:

• 当你交付数字化设计而不是最终产品时，产品安全的含义是什么?哪一方/利益相关者对产品的保修负责?
• 制造商是否将自己视为组装者而不是未来的制造商?未来的工厂会是3D打印零件的装配线吗?
• 交付数字设计而不是产品的商业含义是什么?制造商应该采用出版行业的模式，主要打印3D零件还是在接到订单后打印?
• 制造商如何为企业内外的设计协作创造一个生态系统?
• 投资的重点应该是什么?是建设生态系统，还是加强制造能力?