吉宁讲师观点 / 培训讲师谈管理 / 培训讲师谈管理:3D打印革命

培训讲师谈管理:3D打印革命

企业培训师吉宁 2015年12月12日 培训讲师谈管理

在2014年普华永道面向百余个制造业公司开展的一项调查中,3D打印革命初现端倪。当时受调查公司中已有11%转为大批量生产3D打印产品元件。根据高德纳分析师的说法,某项技术采用率达到20%便是“主流”。

2014年初PwC公司进行的相关调查已预示3D打印革命的到来,参加调查的100多家制造企业中,有11%已经大规模采用3D打印技术生产配件或产品。根据盖特纳(Gartner)公司的分析,当一种技术的采用比例达到20%时,它就已经成为主流。

如今许多企业开始利用3D打印技术提高生产力,其中有着几个业界巨头的身影:通用电气(GE)用3D打印制造喷气式引擎、医疗器材和家用电器零件,洛克希德·马丁(Lockheed Martin)和波音(Boeing)将其用于航空航天与国防,极光飞行科学公司(Aurora Flight Sciences)运用3D打印制造无人飞行器,隐适美(Invisalign)用于口腔设备生产,谷歌用其制造消费性电子产品,荷兰公司LUXeXcel将其用于LED灯透镜。有鉴于此,麦肯锡最近发布报告称,3D打印“即将从狭窄的利基市场冉冉上升,在越来越多的方面成为传统制造业的一个可行替代选项”。2014年工业级3D打印机在美国的销量已达到工业自动化机器总销量的三分之一。部分预测显示,该比例到2020年会上涨到42%。

随着可打印材料的范围逐渐扩大,必然会有更多企业转向3D打印。现在可打印材料除了基本的塑料和感光树脂,还有陶土、水泥、玻璃、多种金属及合金,乃至加入了碳纳米管和纤维的新型热塑性复合材料。踟蹰不前者终将被3D打印的显著经济效益打动。虽然运用新方法和新材料往往使得商品直接成本升高,但增材制造技术(additive manufacturing,是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除-切削加工技术,是一种“自下而上”的制造方法。近20年来,该技术取得了快速发展,“快速原型制造”、“三D打印”、“实体自由制造”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点——编者注)带来的高度灵活性可以让总成本降低。

革命性转变已然发端,管理者须关注三个层面的战略性问题:

其一,实体产品销售方须探寻产品改进之法,若不思进取,改进产品的便是竞争对手。将电子“蓝图”下载到打印机,层层打印出成品,这种制造方法不仅为客户定制提供了无限可能,也为更加复杂精细的设计提供了空间。

其二,工业企业必须重新审视公司运营。产品和原件如何、何时、在何处制造?建制怎样的供应链网络最理想?怎样结合新旧生产流程?增材制造带来了无数新的选项。

其三,以3D打印这一新现实为中心开始形成一整套商业生态系统,领导者须考虑这一图景的战略内涵。不少人看到3D打印有潜力将庞大制造业分裂为不计其数的小“制造者”,但这样的预见使他们忽略了另一种更必然、更重要的发展——要让设计师、制造者和货物运输方的活动相互融合衔接,必须建立电子平台。平台运营之初便可实现“即时设计,即时制造”,亦可让人们得以分享并便捷地下载设计师作品。用不了多久,平台就会响应需求的变化,配置上打印机操作和质量管理,并对打印机网络进行实时优化,以及提供产能交换等各项功能。平台提供方若能制定标准,提供一个让这套复杂生态系统得以回应市场需求的环境,那么将会大获成功。这样的平台崛起会影响到所有企业。业内元老与行业新秀之间将会展开明争暗斗,争夺3D打印这一新技术创造出的巨大价值。

以上问题就会引发一系列战略层面的思考,还有另一个问题是,这一切何时发生?以下实例可说明这一切发生的速度之快。我从一位业内CEO处得知,美国助听器行业用时不到500天就转变为100%增材制造,而且坚持传统制造方法的公司全军覆没。等待这一迅速演进的技术完全成熟后再做投资是否明智?按兵不动所要承担的风险是否过高?这些问题有待管理者决断。不同管理者会给出不同答案,但他们一定都明白,现在是进行战略性思考的最佳时机。

增材制造的优势

也许很难想象这种技术会取代当今大批量生产的标准生产方式。用传统的注塑加压法一小时能生产几千个小部件,而在技术爱好者的小市场里,亲眼见过3D打印机运行的人们,通常会发现通过层层叠加制造产品慢得出奇。不过,该技术近期的发展正在工业生产条件下迅速改善速度问题。

也许有人忘记了标准化制造速度惊人的原因。之所以能飞快地制造那些小部件,是因为投入了大量资金用以部署生产所需的机器设备。第一组生产设备耗资巨大,随后便可依例而行,成本直线下降。

增材制造毫无规模经济效益可言,然而却避免了标准化生产的劣势——缺乏灵活性。生产出的每个组件都是独立制造,因此增材制造具有可以为适应特殊需求,方便进行调整的特性,甚至可以说,其特性是方便改进且可适应多变的时尚潮流。与标准化制造相比,建立增材制造产品体系的初期要容易得多,因为涉及的步骤要少得多。这正是3D打印适于制作单个产品如样机、稀有备件的原因。如今增材制造也逐渐在较大规模的生产中发挥作用。买方可选择各种不同形状、尺寸和颜色组合,而制造方不必为这样的定制付出高昂成本,哪怕订单数量达到批量生产水平也无甚损失。

增材制造的一大优势在于,过去各自成型再行组装的多个零部件如今可以做为一件产品一次性完成。举个简单的例子,3D打印制作的太阳镜质地轻巧,可用不同材料制作镜架的不同配件:镜腿柔软可弯折,托举镜片的鼻托则质地坚硬,且全然无需组装。

打印部件和产品也让设计有更大的发挥空间,比如把钢板内部做成蜂窝状结构,抑或此前无法实现的精妙几何图形。复杂机械元件如相互嵌套的齿轮组将可直接制造,无需组装。增材制造法可用于组合元件,亦可实现精微复杂的内部构造。通用电气航空集团(GE Aviation)转而使用3D打印制造某些引擎的燃料喷嘴。同款的喷嘴一年要生产4.5万余个,人们也许认为传统制造法更适用于这种情况,但3D打印技术可以让过去用20个零件组装而成的喷嘴一次成型。通用集团表示,这将节约75%的制造费用。

增材制造亦可使用多个打印机喷嘴同时处理不同材料。因此光伏设备生产商Optomec及其他公司正在研发可将微型电池和电子线路直接打印在消费性电子设备内部或导电涂料及打印方法。除此之外,增材制造还可用于医疗设备、交通设施、航空航天器材、测量设备和电信基础设施等诸多高精尖领域。

另一极具魅力的特点是可免除组装工作。这使增材制造设备得到了前所未有的发展。眼下增材制造正处在风口浪尖,美国国防部、洛克希德·马丁公司、辛辛那提工具钢公司(Cincinnati Tool Steel)和美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)联手合作,力求以增材制造法打印出喷气式战斗机内外部的大部分元件,包括机身、机翼、内部结构面板、内置线路和天线,不久后还可打印中央承重结构。它们运用“大面积增材制造”技术,利用计算机控制大型起重架将打印机移动就位,实现了巨大物体的制造。这种方法已获批投入使用,所需组装工作仅仅是将打印完成的用于导航、通讯、武装和电子对抗系统等即插即用式电子模块安装起来。美军在伊拉克和阿富汗战场使用了极光飞行科学公司研发的无人驾驶飞机,机身完全由增材制造打印一体成型,一些飞机翼幅达到131英尺(约合40米)。

3D时代新战略

以上关于增材制造优势的简要讨论表明,各大企业皆对这项技术翘首以待,而该技术又能削减仓储、运输和设备成本,士气魅力倍增。显而易见,各行各业公司管理者都应考虑自己的企业如何在上文提到的三个战略层面进行调适。

产品的重新设计。产品战略回答的是商业最基本问题“我们卖什么”。企业须设想如何在增材制造时代更好地服务客户。有哪些以前无法实现的设计和特色如今成为可能?制约因素和运输造成的延迟消除后,哪些方面有了改进空间?

举例来说,在航空航天和汽车领域,3D打印常用于追求效能增益。此前通过减轻重量,喷气式战斗机和汽车的燃料效率得以提高,但这通常以削弱产品结构牢固程度为代价。使用新的增材制造技术可以制造空心部件,让机体和车体变得更轻,从而提升燃料效率,与此同时还能合并内部结构,提高抗拉强度、耐久度和抗冲击强度,此外还可以在产品不同部位按需使用耐高温、耐化学品的新材料。

在其他领域,运用增材制造技术生产更为定制化、演进速度更快的产品,这将影响到对产品营销的方方面面。传统制造业的升级换代是剧烈的跨越式的,并需要花费模具成本和安装时间,而3D打印的产品升级换代则是通过打印技术的逐渐变化是渐进式升级。如果产品升级换代的方式发生了转变,那么产品换代的概念也将随之改变,那么新产上市前的宣传攻势自然会发生改变。想象一下,在不久的将来,增材制造技术利用基于云端的人工智能进一步发展,无须改换设备便可修改或增加产品。产品战略如产品组合与设计将可实现实时修改。变化如此之快,品牌承诺的核心新优势又该如何确定?市场营销部门如何在不减少销量的同时避免品牌走偏?

运营的重新优化。运营战略囊括了关于公司如何购买、制造、运输和销售商品全程的所有问题。有了增材制造,答案将大不相同。目标始终是提高运营效率,但实现的途径有很多种。如今考虑使用增材制造技术的公司大半在为更换3D打印设备的时机和能够减少直接成本的设计方案做着锱铢必较的财务分析。倘若这些公司能拓宽分析视野,想想总的制造成本和总开销,就会有更多收获。

省去组装步骤能省下多少钱?按需生产,又能省去仓储费用?变更销售渠道,比如通过能让客户指定各种产品配置的界面直接进行销售,能省下多少渠道费用?当今新旧制造方法共存,制造方有许多选择,必须有所取舍,决定从何种元件或产品入手以何种顺序转向增材制造。

设施选址方面也会产生其他问题。应当靠近哪些客户?与客户的适宜距离?如何像制造产品一样便捷地运输高度定制化产品?打印应当集中在厂房进行,还是分散至经销商、零售店、移动销售点乃至客户所在地的各个打印机?或许这些地点都可以。以上问题的答案会随着汇率、人工费用、打印效率及能力、材料成本、能源成本和运输成本上的变化而随时变化。

产品或部件运输距离短,不仅节省资金,也能节约时间。如果你曾被迫将自己的车留在汽修店等待配件,你就能理解这一点。在汽车制造商中,宝马和本田率先使用增材制造在工厂和经销店加工工程设备和汽车配件,特别是在新金属、复合塑料和碳纤维材料可用作打印材料后,许多设备及配件皆可通过3D打印制造。许多行业分销商都在留意,迫切希望帮助商务客户将这种新的效率转为资本。举例来说,联合包裹服务公司(UPS)正在其现有第三方物流业务基础上将机场枢纽仓库转为小型工厂,意在按客户需求制造并运送定制部件,以此取代大规模仓储。如果说我们已经生活在一个及时仓储管理(即在有需要时才将部件或材料送至厂房——译者注)的世界,那么现在我们可以看见这个“及时”程度达到了多高的水平——欢迎来到即时仓储管理的世界。

的确,高度集成的增材制造有着如此之多的潜在优势,也许业务流程管理将成为最重要的相关能力。一些精于此道的公司会建立专用协调系统,保住自身竞争优势。其他公司会在调整适应的同时,尽力完善大型软件公司制作的标准流程套组。

生态系统的重新配置。最后是企业在何处、如何适应更广大商业生态环境的问题。管理者在这个层面面对着“我们是谁”和“我们需要具备什么素质来成为自己”的谜题。有了增材制造,企业可拥有能制造多种产品的打印机,亦可将闲置生产力转让给其他生产不同产品的公司,在这种情况下,以上两个问题的答案越发不清晰。设想你的厂房配备了多台打印机,今天生产汽车零部件,明天生产军事装备,后天生产玩具,那么你究竟属于哪个行业?传统的行业边界会变得模糊。管理者需对企业定位保有清晰的认识,并以此为基础做出资产投资或放弃的决定。

或许管理者会发现自己的组织正朝着截然不同的方向演进。企业一旦脱离标准化制造业那种繁杂后勤需求的束缚,就不得不重新审视自身生产力和其他资产的价值,重新思考自身价值如何与其他企业的价值相互补益或相互竞争。

得平台者得天下

在已然成型的新型商业生态系统中占得一席之地,将来必能掌握核心控制力。eBay、IBM、欧特克(Autodesk)、PTC、Materialise、Stratasys和3D Systems公司,这些增材制造业的最大玩家的管理团队都深谙这一点。它们争相研发互联平台,因为它们知道,平台提供方这一角色是自己所能角逐的最大战略目标,花落谁家还未可知。

互联平台是21世纪高度电子化市场的显著特征,增材制造市场也不例外。平台所有者较为强势,因为产品本身会随着时间而变得不那么重要。已有一些公司开始着手搭建契约性质的“打印机农场”,这会促使按需制造产品的有效商业化。就连对于可打印商品最具价值的设计也不能例外,因为设计稿是纯电子版,易于分享,而且3D扫描设施将能够扫描产品获取其设计信息。

在这个平台上,有产品正在生产,有储存的蓝图在不断改进,原材料供应通过平台追踪和购买,客户通过平台下达订单——平台存续对身在其中的每个人而言都利害攸关。这个电子生态系统的管控方则坐享其成,在海量交易中收集有价值的信息并进行销售。他们可以将工作外包给可信赖的团体,或是适时指派给内部人员。他们将在世界各地做打印机生产力和产品设计的交易,通过控制或重新定向“交易流”来影响价格。他们会像商品套利者一样,利用自己单方面从平台上数百万宗交易中得来的信息资助贸易,或是低价买入再高价卖出。

随着市场需求增长而将分散的生产力集中起来,这个责任会落到少数企业头上,而且整个系统要高效运作,就必须有人对其加以强化。看看谷歌、eBay、Match.com网站和亚马逊购物网站的先例,这些网站分属搜索引擎、商品交换平台、品牌销售网站,但它们同时也为增材制造打印机、设计师和设计资源库牵线搭桥。随着市场对交易衍生乃至未来对打印机生产力和设计的需求发展,以后或许还会出现自动化交易。

那么从本质上讲,依托打印机的制造资产所有者将与信息所有者展开竞争,争夺这一商业生态系统产生的利润。权力会在极短时间内从制造方转移到设立品牌平台、制定通用标准以协调和支持系统的大型系统整合方。整合方会开源并将达到较高质量水平的小企业并购或与之联合,以此促进创新。小企业大概可以继续尝试有趣的新方式以在边缘求生,但我们需要大型组织来对尝试进行监督,并协助推动小企业走上可操作、可扩大的方向。

重演因特网历史

看着正在演进中的增材制造革命,我们很难不联想到另一项伟大的变革性技术——因特网。放在因特网的发展历程中,增材制造目前尚处于1995年。那一年因特网被炒得火热,但没有人能预料到经济与生活在之后10年中会因为无线网络、智能手机和云计算而发生了怎样的变化。那时几乎没有人预料到基于网络的人工智能和软件系统,能够比人类更好地运营工厂乃至城市基础设施。

增材制造的发展也会带来相似的转变,站在未来回头看看也许是环环相扣,但在今日尚无法估量。生产力极高的新型打印机取代高级技工,使得整个企业乃至整个制造业大国的工业生产中人工减少。在“机器组织”里,人类的作用或许只是为打印机服务。

这样的未来并不遥远。企业一旦涉足增材制造,尝到灵活性的甜头,就会越走越远。材料科学研发出更多可打印材料,更多的制造商和更多的产品必然接踵而至。Local Motors汽车公司近日宣布,他们可以在48小时内打印出一辆漂亮的跑车,包括轮胎、底盘、车身、车顶、车内座位和仪表盘,只不过还没有动力系统。这辆跑车若装好动力系统上市销售,定价会在2万美元左右。3D打印使得设备和材料的生产成本降低,传统制造方式仅存的规模经济优势便随之成为次要因素。

我们可以充满信心地预测,接下来5年内会出现全自动、速度快、可大批量生产的增材制造体系,用于生产标准化配件亦可节约成本。由于增材制造体系的灵活性,多种产品的定制化、多元化将应运而生,使得传统大规模生产产品的市场份额进一步减少。

英明的商业领导者不会坐看形势自行发展。他们能够清楚地预见到,增材制造发展下去将会改变产品的设计、制造、销售和运输方式。他们尝试在重新设计制造体系的路上迈出第一步。他们正考虑着要把赌注押在这新生商业生态系统的何处。他们在制定多种分层决策,以期能在在3D打印新世界中为自己的企业锦上添花。蒋荟蓉 | 译 安健| 校 钮键军 | 编辑

理查德·达韦尼是美国达特茅斯学院塔克商学院策略管理学巴卡拉基金教授。

专利临界点

想知道3D打印的未来来得有多快?别只盯着3D打印在制造商中的普及程度,来看看研发者的创新速度吧。

2005年,世界范围内仅有80项与增材制造材料、软件和设备的专利获批,多个国家重复申报的不算在内。至2013年,全球已有约600项不重复的新相关专利获批。

这些专利是由谁研发的?毫无悬念,占据前两名的是Stratasys和3D Systems公司这一对在增材制造业内虎视眈眈的对手,各自手握57和49项专利。在打印方面颇有积淀的Xerox公司也投入了大量资金研发电子元件叠层生产技术,并且与3D Systems结成同盟。此外,松下电器、惠普、3M公司和西门子都拥有多项专利。

不过,令人惊讶的是,3D打印的最大使用方同样也是活跃的创新研发者。医疗器材制造商Therics公司拥有35项专利,位列第四。这些公司深知增材制造能够带来足以胜过竞争对手一筹的重要优势。

值得注意的还有,专利持有者中颇有一些跨界公司。通用电气和IBM都是大型制造公司,现正投资开发可优化其他公司价值链的平台。拥有11项专利的通用电气在建立工业互联网,而拥有19项专利的IBM已推出了“软件定义供应链”(software-defined supply chain)和面向智能制造体系的优化软件。两家公司都定位明确,在增材制造领域扮演相似的角色,并且都被看作身为行业龙头如何从一项极具颠覆性的技术中分一杯羹的范例。

大思路

 

------

进入3D打印世界的三种途径

未来战略中包括叠层打印技术的制造商必须对路线进行规划。一些企业正走在通往3D打印世界的路上,各自取道却有所不同,分为以下三种。

自上而下

一些企业从高端产品入手,因为它们知道最资深(同时也最敏感于价格)的客户懂得欣赏创新和灵活性。它们会让昂贵的新技术自上而下缓慢渗透各级产品,在此过程中这项技术也逐步成熟,变得不那么昂贵。举例来说,汽车生产商向3D打印转型时倾向于从赛车客户入手,制造一级方程式赛车专用的一次成型部件,而后设法推介高端赛车与豪车的创新版本,等工程师能够纯熟运用增材制造技术时,再把握机会将其引入大众市场汽车部件生产。

自小及大

另一种方法更为低调,先选定某个易于转为增材制造的产品,从该产品元件入手,由简单元件逐渐向复杂元件过渡,让组织员工关于3D打印的知识技能得以逐步发展。此法普遍见于航空航天领域。几家公司选定某个型号,例如F-35喷气式战斗机,从地面支架入手,而后过渡到内部面板和隔断,积累一定经验后再尝试打印外壳。到如今,航空航天领域正在进行运用3D打印制造飞机承重结构的试验。

打好根基

第三种方法是寻找多种产品共用的构成要素以做为3D打印技术的立足点。举例来说,就战斗机进行的设计改良可用于无人驾驶飞机、导弹和卫星,借由这样的跨产品改良使企业上下深入了解增材制造在重量、能耗及灵活性等关键维度上对产品性能的提升作用。

以上方法共通的一点是循序渐进。工程师首先面对的都是有趣的新谜题供他们解答,并未涉及颠覆他们世界观的尚在演进中的新方法、新材料,因此风险和抵触变革的情绪得以最小化。后续每一步中如何维持适度压力,交由更高一级的管理者来把握。在推动变革的过程中,管理者应当倾听反对者关于3D打印不适合某产品或某部件的意见,然后让反对者出力克服困难。保守的人总把3D打印做不到的地方挂在嘴边,而你要多看看3D打印能做到什么。

 

About 企业培训师吉宁

真正的实战派企业培训师,长期致力于人力资本、公司行为、市场营销、企业战略及领导力发展等组织实践与研究,数十年来参与及主持过的管理咨询项目累计逾千次;受邀主讲过的各类企业培训课程累计逾万次。吉宁老师还主导编写了12Reads系列等知名管理培训教材。