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从产品附加值的范式转移看全球制造业的变迁规律

时间:2019-03-17 20:41 来源:3D科学谷 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃

      贸易战,制造业回归西方,这些“恼人”的话题似乎挥之不去的在增加人们的危机感。殊不知,长久以来,西方国家呼吁的制造回归,此制造非彼制造,那些曾经流出去的低附加值制造他们未曾挽留,也无心收回。而另外一场制造回归,关于附加值创造的制造,正在进一步升级国家与国家之间的竞争。面对新的全球制造业变迁,我们国家将如何认清其中的规律?我们国家是否具备自身的核心优势?我们应该如何应对以抓住机遇?

     这篇文章中,让我们开启一场不同寻常的旅程,这个旅程有两条主线,一条是围绕着每一次制造中心的转移过程,产品附加值变迁这条主线。另外一条主线是3D打印如何在产品生命周期的整个范围内深化产品附加值的升级。最后这两条主线将相交在一起,我们来感受附加值创造这条主线将如何深度影响制造业的变迁规律。

制造变迁

      借助《智能制造》的网络资料,我们先来看全球制造业的变迁背后的产品附加值创造的国家间的转移。第一次制造业大迁移发生在20世纪初,由美国接棒英国承接全球制造业。第二次制造业大迁移发生在20世纪50年代,由日本接棒美国承接全球制造业。(在美国的支持下,日本的制造业以年均13.2%的速度发展,这个速度是德国和法国的2倍,英国和美国的3倍。)第三次制造业大迁移发生在20世纪70年代,由亚洲四小龙接棒日本承接全球制造业。(韩国成为世界上造船业最发达的国家;台湾承接了美日相当一部分劳动密集型的产业,逐渐成为电子代工业的巨头;香港的纺织业、塑胶、钟表、灯泡等制造业得到快速发展;新加坡快速成为全球集成电路、芯片和磁盘的重要生产基地,同时也是世界第三大的炼油中心。)第四次制造业大迁移发生在20世纪90年代,由中国接棒亚洲四小龙承接全球制造业。

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图片:美国、英国、非洲的贸易三角形中的价值流动。英国生产高附加值的产品换取美国大量的低附加值资源类商品,并将枪支、服装等商品贸易到非洲换取大量的资源类商品。非洲大量的奴隶被贸易到美国用来进行体力劳动以满足英国当时对美国的榨取需求。

     制造业附加值,指在产品的原有价值的基础上,通过生产过程中的有效劳动新创造的价值,即附加在产品原有价值上的新价值。

而制造转移创造了今天的制造业附加值全球格局:

英国在航空、汽车和芯片等行业占据全球前三的地位,著名品牌如劳斯莱斯汽车、ARM芯片。

1980年到现在,美国将大部分的劳动密集型产业都外包出去,仅保留价值链高端的制造业如汽车、航天航空、芯片等,而信息技术和金融作为新的增长点占GDP的比重越来越高。以制造业附加值来看,美国目前仍是世界第一,并且在汽车、航空航天、医疗器械、芯片、制药、工程机械等处于绝对领先位置,著名品牌有福特、波音、英特尔等。

日本除了汽车,在打印机、数据相机领域也占据领先地位,佳能在全球数码相机和打印机市场分别占据30%和27%的份额。在某些看不见的地方日本的制造业也能做到极致,比如图像传感器,轴承等一些关键配件其他国家都要依赖日本进口。

     根据《智能制造》,中国目前面临的形势较严峻的是,一方面劳动密集型制造业的订单被印度、越南、印尼等人工更低的国家抢走,一方面机器人和自动化发展速度很快,欧美和日本等国家开始让制造业回归本土。

不管是主动还是被动,我们从模仿西方国家的产品设计也走到了一个走向高层次的民族创新和正向设计的路口。所以说是新的发展模式和发展机遇降临了,只是我们还未曾熟悉,这或许是恐惧的来源,但也是希望的新起点。

block 价值与赋能逻辑

        3D打印的确给中国带来了历史机遇。为什么这么说呢?首先我们来了解3D打印的赋能逻辑。“关于3D打印领域的五大赋能逻辑: 3D打印赋能产品性能提升;材料赋能3D打印应用场景与发展潜力;软件赋能3D打印产业化发展;工业互联网赋能3D打印制造、商业和发展模式重塑;工业正向设计赋能3D打印发展前景。— 《3D打印与工业制造》”目前社会上绝大多数人一看到3D打印就以为是一种快速制造工具,而没有看清这个技术的颠覆价值不仅仅在于快速制造(无模具),更在于以(Functional-driven design)功能导向的产品设计实现,制造传统加工工艺无法制造的产品,这正是产品附加值的核心。

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图片:以热交换器的案例来说明3D打印使得以功能导向的产品设计为制造业附加值赋能,来源:3D科学谷。

“在人类探索太空的发展历程中,一边是引爆行业竞争的可回收、低成本火箭,一边是起到四两拨千斤效果的3D打印技术,这其中的竞争规则,值得深思。— 《3D打印与工业制造》”

这其中,NASA于2012年就启动了AMDE-Additive Manufacturing Demonstrator Engine增材制造验证机的计划,NASA认为3D打印在制造液态氢火箭发动机方面颇具潜力。在3年内,团队通过增材制造出100多个零件,并设计了一个可以通过3D打印来完成的发动机原型。而通过3D打印,零件的数量可以减少80%,并且仅仅需要30处焊接。

当然,根据3D科学谷,3D 打印并非是一座孤岛,而必须与其他传统制造工艺相融合,才能成为创造制造业附加值的“利器”。

“3D打印只是制造的一环,将与其他工艺充分融合在一起,无缝衔接在制造流程环节中,将是3D打印进入制造业产业化的主旋律。— 《3D打印与工业制造》”

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图片:德马吉森精机的CELOS系统所集成的OPTOMET软件,这个软件的智能化程度很高,只需要输入粉末的参数和加工要求,系统会自动优化加工参数,这节约了大约4周的人工设置参数时间,并且避免了人工设置参数导致的大量报废零件产生。

     其实不仅仅是3D打印与其他工艺将要发生融合,根据3D科学谷的市场观察,机加工环节也在发生变化。拿欧特克公司的PowerMill Additive软件来说,将以往需要人工编程的CAM过程变得“自动化”,这使得混合增材制造过程3D打印与机加工的衔接更加顺畅,使得“增材”与“减材”成为融合在一起的解决方案。

“对于工业制造企业来说,并非要完全放弃传统制造工艺而采用3D打印直接制造最终产品,将3D 打印引入制造流程与传统工艺相结合,是实现数字化生产的一条道路。— 《3D打印与工业制造》”

而这个融合的过程,使得更多的“赋能”逻辑发生作用。在3D科学谷看来,抓住3D打印带来的制造业附加值创造机遇,必须深刻理解其中的“赋能”逻辑,必须将3D打印放在制造的一个环节中从全制造流程的角度去理解。

block 价值台阶

“3D打印对所占用的材料成本更加敏感,而对设计的复杂性并不敏感,也就是说3D打印适合制造复杂形状的产品,包括一体化结构、仿生学设计、异形结构、轻量化点阵结构、薄壁结构、梯度合金、复合材料、超材料等。— 《3D打印与工业制造》”

3D打印/增材制造工艺的好处可以从两个方向来理解-一个是生产效益,另一个是综合效益。生产效益专注于制造过程,包括减少材料消耗,缩短交货时间,最小的模具成本,降低装配成本和自动化的影响。而综合效益是指在使用通过增材制造出来的产品的过程中,来自如减轻重量带来的燃油效益,更高的性能和可靠性,更长的寿命收益,更快的新产品推出,市场相应速度,减少库存以及更好的适应性和更具吸引力的产品附加值等等。

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图片:3D打印/增材制造的价值台阶

而通常在谈到增材制造的时候,不论是制造业还是增材制造行业本身都容易过于关注生产效益,而忽略了综合效益。而增材制造的价值台阶:原型与模具,备品备件,复杂零件,创新产品,在不同的台阶中生产效益的价值或许相似,然而综合效益的价值却是随着台阶的升高而越来越大。

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图:空客与欧特克的The Living设计工作室合作,为空客A320飞机开发了一个大尺寸的“仿生”机舱隔离结构。新型隔离舱不仅更轻,而且更强。比原来的结构轻55磅,由于重量减轻效率,考虑到每家飞机的服役情况,这将累计带来高达96000吨的二氧化碳排放量的减少。而如果未来将该结构扩展到整个机舱,其节约将更为惊人,相当于每年减少465,000吨的二氧化碳排放量,好比陆地上减少了96,000辆汽车对大气的污染。所以说,新型隔离舱结构的价值不仅仅在于自身对材料的节约,更在于对能源的节约和环保的影响。

“我们总是陷入将3D打印与传统制造方法一对一(apple to apple)比较的误区,原因在于我们很容易忽略3D打印不是在生产和原来一样的零件,而是生产不一样的零件,不一样的形状,不一样的材料,不一样的性能。— 《3D打印与工业制造》”

“如果说工业4.0将工厂的效率以数倍的方式提升,那么3D打印则在航空制造领域以创新零件的方式打开下一代火箭和飞机的设计与制造模式。— 《3D打印与工业制造》”

“我们衡量3D打印的价值需要跳出单件加工效率、单件成本这些思维局限,应该站在产品的生命周期的角度来评估。— 《3D打印与工业制造》”

“3D打印对产品的重塑,不仅包括外观,还包括性能的提升。— 《3D打印与工业制造》”

block制造业附加值与民族复兴

由以上所述,我们可以很清晰的看到由于分布式制造模式的发展,以往的“水往低处流”的制造向低生产成本要素的国家和区域积聚的方式将被极大的稀释。在3D科学谷看来,3D打印作为提升制造业附加值创造的“利器”,将引导“水逆势而流”,即开辟全球竞争的新赛道,在这条赛道上,产品的设计以功能实现为导向,这将是整个价值创造的核心。

在3D科学谷看来,以往,一个产品类别下的一百家企业生产的产品或许十分雷同;而将来,一个产品类别下的一百家企业所生产的产品将大相径庭,谁能最终赢得市场,这与制造业附加值的创造极大相关,与是否实现产品功能为导向极大相关。

“3D打印将使得制造向高成本生产要素的国家和区域流动,这里的高成本生产要素指的是能够驾驭得了3D打印技术精华之所在,能够实现高附加值产品的设计、仿真、正向创造与制造的高级人才聚集地。— 《3D打印与工业制造》”

3d printing country index

图片:3D打印国家指数,中国处于第二梯队,在将3D打印技术实现商业转化方面存在这跻身于第一梯队的机会。

正如微软的现任CEO萨提亚在《刷新》一书中提到的“真正创造经济机会的是使用技术的强度,而不是单纯获得技术。国家究竟是将技术束之高阁,还是对劳动力展开有针对性的培训,让他们创造最大的生产率?这就是强度。问题不只是技术何时到来,还在于使用技术的强度。”

的确,虽然我国对3D打印的战略地位给予了充分的肯定和重视,但不足之处是目前还停留在偏重拥有技术的层面上,此外,目前科研院所前期投资了大量资金购买的3D打印设备,又面临着束之高阁之痛。我国需要给予对3D打印技术的运用强度方面充分的重视,在推动3D打印发展方面需要在应用领域加大力度,因为每个产业化的机会背后都蕴含着多年的探索实验这样的“厚积”阶段的技术积累,只有这样才能实现使用技术的强度。

无论3D打印具备多大的颠覆潜力,都需要懂得拓扑优化、创成式设计、仿真方面的人才,无疑对于3D打印这个宝藏来说,人才是打开宝藏大门的钥匙。

“除了拓扑优化这样的”睡美人“被3D打印唤醒之外,还有一项颇具颠覆潜力的设计方法叫做创成式设计(Generative Design),创成式设计被认为是面向未来设计的主流技术,正在携手3D打印演绎让人惊叹的产品重塑能力。— 《3D打印与工业制造》”

“人工智能技术将为3D打印的物理过程和数字模拟过程搭建起一座桥梁,将来自传感器和设备的数据与分析模型以及材料科学相结合,不断改进零部件的打印质量,乃至整个制造流程的数字化管理,这个过程就像人的学习过程,从过去的经验中学习,然后变得更聪明。— 《3D打印与工业制造》”

“从技术本身来说,3 D打印技术所涉及的并非仅包括那些以逐层叠加的方式进行材料成型的设备,更是涵盖了从仿真技术、优化技术、打印过程质量控制、检测、后处理工艺等等多种技术与工艺组合。— 《3D打印与工业制造》”

“从产业链来说,要实现分布式制造,从消费者,到3D打印过程、后处理、分布式制造中心都需要并入网络,通过工业互联网来管理制造需求与制造过程。— 《3D打印与工业制造》”

“3D打印进入快速发展期,为我国企业带来前所未有的机遇,同时也伴随着相当大的风险。我国企业所面临的风险不仅仅是技术问题,还有商业模式和战略能力方面的挑战。— 《3D打印与工业制造》”

“我国若要在3D打印领域取得突破,一定不能忽视基础,一定要正视现实,补齐短板,可谓任重而道远。—《3D打印与工业制造》”

图片:3D打印当前的产业化前景,来源3D科学谷。

     值得欣喜的是,我们国家在制造业大国的发展道路上走了多年的历程,这个历程中积累了大量的人才,这些领域的公司与人才无疑是我们国家赢得经济崛起竞争中的瑰宝。长久以来,手握附加值创造能力的高地,一部分在军工领域,随着军民融合的推动,我们将发现,我们国家发生的附加值创造能力的升级。最后,中华民族的伟大复兴不是一句空话,我们或许每天都需要问自己,有没有看到未来发展的方向?有没有为此做出战略层面和行动力层面的准备?《3D打印与工业制造》这本书是如何正确驾驭3D打印技术的指南。正如马云曾提到的,“未来的制造将不分made in China, 或者是made in America,而是made in internet”。3D打印将以一场结合互联网的数字化工业革命的新型态,深刻改变制造与我们的生活。

(责任编辑:中国3D打印网)

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