适应并生存：3D 打印填补万年工时学徒缺口，挽救丹科业务

曾威胁到丹科（Danko）业务的难题是填补需要 10,000 小时培训才能掌握模具造型工艺的学徒项目之困难。如今，3D 打印（即增材制造）已使这一问题成为历史。

铸造厂似乎是一个不太可能爆发技术革命的地方。将金属加热至熔融状态，然后倒入模具以制造最早期的剑和犁铧的工匠任务，是一个可追溯至中世纪的工艺。然而，位于巴尔的摩西部的铸造厂丹科阿灵顿公司（Danko Arlington Inc.）却拥抱了新兴的 3D 打印技术，该技术在行业内更常被称为增材制造。

对于总裁约翰·丹科（John Danko）而言，增材制造是解决其公司在近百年经营后所面临挑战的方案。长期以来，丹科一直依赖学徒制来培训员工，该制度为模具造型等关键岗位提供为期五年、共计 10,000 小时的培训。但该体系衰退严重，导致丹科所需的模具造型师——没有他们，铸造厂就无法生产铸件——供应短缺。

“在 20 世纪 90 年代，父母希望孩子上大学，而不是成为技工学徒，”他说。“为了运营我们的造型车间，我们还需要熟练的机械师，而这类人才正变得越来越难找。”丹科表示，工业造型工艺衰退严重，以至于该技能已不再拥有活跃的贸易代码。

他发现，在过去十年中，正当国防部对传统军用金属零件的新兴市场帮助其业务从海外转移铸造工作岗位中恢复过来时，他经验丰富的模具和压铸工人已达到退休年龄，且看不到接班人。解决方案是：增材制造。

"3D 技术具有诸多优势，”丹科说。“只要具备电力和材料，它非常可靠且精确。一旦设置完成，就不需要操作员，而且由于它可以打印出所见之物，3D 打印可以轻松处理不规则的表面角度和直角。在为喷气式飞机和导弹制造零件时，产品必须绝对精确。”

丹科表示，3D 精度的易用性不仅为传统军用零件开辟了新的市场，而且在利润微薄的产品上，相比传统的依靠人工的模具和压铸工艺提高了利润。他现在雇佣了具备不同技能组合的设计师和程序员。传统学徒制已成为历史，取而代之的是一台 Stratasys 900MC 3D 打印机，负责丹科铸造厂的造型功能。

丹科阿灵顿所做的这一适应，正是推动 3D 打印和制造业增长的核心动力——并且很可能是在重塑全球经济方面的一个关键驱动因素。康奈尔大学和哥伦比亚大学工程学教授、《Fabricated: The New World of 3D Printing》一书的合著者霍德·利普森（Hod Lipson）认为，对于任何公司而言，3D 技术的可行性都归结为一个基本价值主张。

“企业不应寻找仅用 3D 打印替代现有流程的方法，”利普森说，“企业需要问的问题是：'3D 打印开启了哪些新机遇？’"
对于丹科阿灵顿而言，其中一个机遇是再也不必面对满足其核心业务运营所需的关键知识灭绝的风险。使用 3D 技术不仅有助于提高利润，而且据该公司称，它还是一个出色的销售工具，用于赢得新客户。

行业专家一致认为：问题不在于 3D 打印在原型制作和产品制造中是否会深刻改变全球市场——甚至可能推动制造业“回流”趋势的上升，而在于这一转型将发生得多快。

"3D 打印对制造业增长的贡献可能不如移动互联网或机器人技术那样显著，但数据表明，3D 技术的应用将远远超出仅用于原型制作的范畴。”制造业研究所战略倡议副总裁加德纳·卡里克表示。当被问及关于增材打印和制造在未来五年内增长率高达 500%、价值达 160 亿美元的多种公开预测时，卡里克表示他“完全同意”这些预测。根据制造业研究所和普华永道最近的一份报告，67% 的制造商以某种方式“采用 3D 打印”，包括用于生产产品；25% 的公司计划采用 3D 打印；仅有 9% 的公司“从不打算采用 3D 打印”。

关于制造业回流的议题，利普森表示，3D 打印可能不会对廉价劳动力制造的产品产生影响，但在高端市场的潜力显而易见。

“离岸外包和回流涉及许多因素，”他说，“但这一（3D）制造工艺所带来的快速创新周期以及相对较高的自动化水平，意味着与大规模生产的劳动密集型制造相比，离岸外包的优势较小。”

Wohlers Associates 创始人、增材制造领域的权威专家特里·沃勒尔斯对不断演变的增材制造市场表达了与利普森相似的观点。

“当我环顾我的办公室时，文件柜、废纸篓、办公桌和鼠标垫在可预见的未来仍将继续以传统方式制造，”他说。但他指出，高利润的消费类产品，如眼镜和牙科产品，已经逐渐适应新的增材制造环境。在其 2015 年年度展望中，沃勒尔斯预测增材制造行业将在未来五年内增长四倍，到 2020 年将超过 210 亿美元。这高于他 2014 年的预测，即到 2021 年达到 108 亿美元。

作为新兴应用的例子，Wohlers 引用了比利时 3D 打印供应商 Materialise，该公司刚刚宣布与 Hoet Eyewear 合作商业化新型 3D 打印眼镜架。

"3D 打印的 Hoet 镜框外观时尚且坚固，这只是 Materialise 在多个领域（包括医疗和航空航天）所做工作的一个例子，"他指出。他表示，Materialise 目前每天为全球客户生产 2,000 个零件，是一家拥有 25 年经验、在全球设有 16 家办事处以及 166 台工业级设备的成熟企业。根据 Wohlers 的说法，2014 年全球有 49 家公司生产工业级设备。

"3D 打印正在改变制造业的规则，"Wohlers 补充道。

"例如，目前 3D 打印领域的金属销售非常火热。[通用电气] 航空公司在 CFM LEAP 发动机的金属燃料喷嘴增材制造方面突破了极限。GE 用 3D 打印版本取代了其上一代由 20 个不同部件组成的燃料喷嘴，新喷嘴重量减轻了 25%，使用寿命延长了五倍。每台 LEAP 发动机使用 19 个燃料喷嘴。"

根据通用电气的网站：

"GE 正使用激光驱动 3D 打印机、3D‘墨水’和‘喷漆’机器以及其他先进制造工具，来制造被认为无法生产的零部件和产品，这些产品有时甚至接近艺术品。我们将先进制造视为工业革命的下一章。"该公司表示，计划到 2020 年通过增材/3D 打印制造 10 万个零件，将在全球投资 60 亿美元，并且目前在其运营中使用超过 300 台工业级增材打印设备。

Wohlers 援引另一个航空航天增材制造的例子称，欧洲飞机制造商空客现在正使用 3D 打印技术制造金属舱内支架。

“我的办公桌上就有一个支架，”沃勒尔斯说。“它优化了强度与重量的比例，使重量减轻了约 50%，同时能够承受 14 吨的力。”他指出，此类设计改进使飞机更加省油。

利普森和沃勒尔斯都引用的、预示未来制造业的一家公司是 Align Technology Inc.，这是一家位于加利福尼亚州圣何塞的公司，生产透明塑料隐形牙套（Invisalign），这与传统的金属丝牙科矫正器截然不同。

沃勒尔斯最近在澳大利亚政府的一次会议上就 Align 公司发表讲话，他表示，如果没有 3D 打印技术，Align Technology 就不会存在。该公司将增材制造过程与 CT 扫描、专有软件、五轴 CNC 铣削、抛光以及其他制造方法相结合。
沃勒尔斯表示，亲眼目睹隐形牙套的生产流程令人“印象深刻”。

“其中大部分环节涉及高度复杂的自动化，大幅减少了人工劳动，但也创造了大量就业机会，”他补充道。“该公司雇佣了 3,580 名员工。还要考虑到为设计、生产、销售和维护让公司运转顺畅所需的机器和设备而需要的人员。此外，还要考虑到受隐形牙套产品影响的众多牙科专业人士。”

利普森认为，增材制造的未来才刚刚起步。

“许多人怀疑 3D 打印是否被过度炒作，”他说。“我认为这是真正具有指数级增长潜力的技术之一——我们将看到越来越多的应用。随着技术变得更快、更便宜、更好，它将渗透到几乎每个行业。”
制造业研究所的卡里克认为，美国正加入早期采用者的行列。他指出，美国传统上是研发领域的领导者，该国将从中受益。

“当然存在一些风险。制造商需要确保产品的耐用性和强度可靠，因此 3D 制造必须证明其比传统制造更具优势。一旦实现这一点，我们将看到该技术在美国市场的广泛采用。”

沃勒对美国增材制造的发展状况持更为谨慎的态度。他认为美国社会存在一定程度的自满情绪。直到两三年前，国内 3D 打印设备制造商仍主导着该领域。在 2000 年代，欧洲及其他地区的公司开发并商业化具有竞争力的设备和材料。中国拥有众多处于生产或研发阶段的制造商，日本正经历复兴，而欧洲——尤其是德国——已大规模进军金属增材制造领域。他指出，政府支持在全球市场中起到了刺激作用。

“通过我们的咨询工作以及对会议的参与，我们可以看出，各国政府正在推动该技术在欧洲和亚洲的开发与采用，”沃勒表示。"3D 打印技术正跨越多个行业。早在 20 世纪 80 年代末，美国汽车行业就已验证了这项技术的可行性。几周前，我在纽约参加了一场时装秀，展出的晚礼服、头饰、珠宝和鞋履——全部由增材制造完成。”他表示，结合全球范围内的投资和其他活动，这表明 3D 打印终于获得了应有的关注。然而，他也指出，在成为生产应用的主流解决方案之前，仍需进行大量开发和推广工作。

在丹科阿灵顿（Danko Arlington），约翰·丹科（John Danko）显然对将生产线转换为 3D 打印的可能性充满兴趣。他提到一个讽刺的现象：如今他的模具是在街对面的一栋采用 3D 设计的建筑中制造的，而他自己的工厂却是一座拥有七个烟囱的传统生产设施。同时，他对所雇佣的传统熟练工人队伍也表现出强烈的责任感。

“我们的工厂位于巴尔的摩弗雷迪·格雷事件相关骚乱的核心区域附近，”他解释道。“我们在工厂雇佣刑满释放人员，给予他们机会成为对社会有贡献的成员。”丹科还指出了 3D 技术面临的挑战。需要考虑的因素包括：购买设备的初始成本高昂；制造模具的材料成本显著更高；打印出的设计脆弱，容易扭曲，若处理不当易开裂，且难以修复或修改；潜在的粘结剂化学反应；制造过程中可能出现的热变形；以及手工修整模具所需的人工劳动。丹科还表示，目前尚无书面标准规定如何沉积材料，以确保为其国防客户提供的质量控制。

但即使面临这些挑战，他表示，丹科阿灵顿仍计划在未来十年内投资 3D 增材生产设备。他认为，这项技术有可能拯救整个美国的铸造业。

“这个国家只剩下大约 2,000 家铸造厂，”丹科说。“我们的大部分业务已转移到劳动力成本更低的海外市场。但我认为，未来的全球贸易格局将会不同。制造商将着眼于在生产设施中交换电子信息，而这些设施的外观将更像办公楼，而非带有烟囱的工厂。”