找商機

取材自經濟學人2018年10月份的文章”Adding it up: The economic impact of additive manufacturing”

概述

當新的製造工具、技術或製程發明出來並引入市場的時候，會對全球經濟產生巨大的影響，這個事實在當代工業歷史不斷地重複上演，從第一次工業革命的動力織造機及軋棉機，到亨利福特的移動式Model T組裝線，再到射出成型的量產或1970年代豐田推出的即時式製程(just-in-time manufacturing processes)。

這些製造的創新顛覆了已經建立的經濟現況，並且也衝擊到物品價格、供應鏈的動力、商業模式及勞動市場條件，例如福特生產線所節省下來的時間及成本讓其可以大幅降低車子的價格，而且可以付給員工當時業界所無法想像的高薪，這些新富階級的福特工廠員工也以消費者的角色助長經濟的成長。

現在，疊加製造(Additive Manufacturing，以下簡稱AM)技術有可能激起顛覆性經濟變革的另一波浪潮，疊加製造比較為人熟知的名稱是3D列印，其自1980年代末期就開始發展，並且在主流製造市場已建立灘頭堡，特別是在醫療業、汽車業及航空業。AM法是將材料一層層堆疊起來而製得物件，它和將多餘的原材料切除或將塑料或金屬射入預先製好的模具等傳統製程不同，這項技術最常用在製作原型(prototyping)上，但是也可以用更少的資源更有效率地進行工業製造，即以較便宜及較簡單的方式製造複雜或客製化一次性的物件，相關機械的支持者及科技樂觀派都認為AM將造成下一次工業革命。

然而AM並未被普遍採用。雖然3D列印組件的銷售從1989年起即以每年超過25%的速率成長，但在全球製造業仍然只有很小的佔比，依據Wohlers Associates的分析，2017年AM在整體製造業的比率不到千分之一。

整體製造業約佔全球經濟80兆美元的16%，由此觀之，即使AM只攻下了一小部分的市場，其產值仍然很可觀。此外，一般預期其衝擊不僅僅是讓製造業直接受益的成本降低及效率提升而已，它還會有改變供應鏈、貿易規範及商業模式等後續效應。

本文是透過專家及研究機構的訪談，探討AM的優勢及限制，特別是當其被廣泛採用時所造成的潛在經濟衝擊。雖然短期來看，AM 可能仍只佔全球製造業的一小部分，但後續效應不容小覷。

大規模採用新科技可能會造成資源的重新分配、打亂勞動市場、影響產業（例如航空業、醫療業與汽車業）供應鏈的長度與動力，以及與運輸及物流有關的支援公司。具體而言，當新技術被廣泛採用的時候，可能會讓一些製造能量移往更接近最終使用者或消費者的地方，因而威脅到低薪資經濟體的低技能製造工作機會。但另一方面，這可以簡化諸如汽車業及航空業的供應鏈，也就是說當貨品可以就近依需求製造而不用儲備及運輸的時候，現有供應鏈運輸及物流服務的需求就會降低。

AM也會影響現有工程及設計的運作方式，因為以AM為理念所設計的產品及零件在幾何形狀及複雜度上更具彈性，並且使用較少的資源。此外，就長期而言，一般預期AM法將使得小型企業更容易進入市場，也將讓任何規模的公司更容易將新產品打入市場。

雖然大部分的產品可能仍將持續地以傳統方法生產，但即使AM的採用率低，其仍然可能以目前尚不明朗的方式造成可觀的經濟衝擊。如同本文所述，企業及創新者要如何回應這項技術帶來的機會才是最重要的事。

第一章 材料的優勢

SMILE計畫是歐盟開發火箭的倡議，這種低成本且可重複使用的火箭是用來將衛星推送到地球軌道。要點燃這些火箭，必須將氧氣及航空柴油的混合物經由小型噴油器噴入及點燃，噴油器是複雜的零件，它必須耐受極高與極低的溫度，以及機械力的衝擊。

為了製造這種零件，德國航太中心的Markus Kuhn和其SMILE計畫的同仁改採3D Systems的雷射熔融機AM技術。這些噴油器是由數百個小零件組裝而成，傳統製造方法非常昂貴且費時，並且需要繁瑣的品管檢查以確保每個接點及焊接部位都準確無誤，如果用3D列印，事情會簡單地多。

AM最大的優勢之一是可以降低複雜組件的製造成本，就傳統製造而言，複雜度和製造成本呈現正相關，而AM則可以製造極為複雜的形狀，並且基本上不會增加額外的成本。就製造相同的噴油器而言，Markus Kuhn評估AM比傳統方法的速度快3-4倍，且成本便宜3倍，傳統方法每個噴油器噴嘴需要35個不同的組件，但AM一氣呵成，省略許多製造步驟。

其他方法無法完成的物件也可以用AM進行製造，例如SMILE噴油器因為具有微小壓力感測器通道，所以無法以其他方法製得，這種噴油器就只能用3D列印製造，並且火箭尺寸的放大或縮小對AM來說是輕而易舉的事。

一般而言，設計師及工程師必須費心思考他們的設計將會被如何製造及組裝，因此無形中受到限制，但AM設計則完全是另一回事，它開啟了新的設計可能性，並且可以製造更具功能性的組件。但現今AM技術能製造的東西仍然有一些限制，雖然相關研究持續在進行，但目前商業機種通常只能列印一種材料，還無法將電子電路或佈線整合至3D列印物件，另外某些材料在應力及應變下會如何表現也有待進一步探究。

更有效率進行製造

AM的另一個優勢是有助於建造其他方法所無法達成的強且輕的結構。

2013年通用電氣舉辦了一場使用AM製造噴射引擎托架的國際設計競賽，勝出的參賽作品出自一位印尼工程師之手，它比原來的組件幾乎輕了84%，但是仍能夠耐受相同的應力及應變，這種輕量化會對某些產品的整體性能及環境成本造成很大的衝擊，例如輕量化在電動車的製造上就是非常重要的議題。

AM也有助於改善現有產品的效率，例如噴射引擎的葉片具有冷卻通道，讓它可以在極高的溫度下運作，沒有這些通道，葉片就會融化。有了AM，引擎公司可以建造冷卻通道更有效率的葉片，讓引擎可以在比以前更高的溫度下運作，除了成本降低之外，排氣也更清潔。

傳統製造方法是先向供應商購買棒狀、板狀或塊狀的原材料，然後再經過車削或許多階段的車削，才能製得最終產品，這個過程無可避免地會造成許多原材料的浪費。而AM是用一層層堆疊的方式製得近淨形(near net shape)物件，也就是列印出來的物件在形狀上很接近最終產品，所以可以大量減少浪費。以航空業為例，預估到2050年AM可以節省90%原材料，因而可以降低可觀的能源消耗及成本，長期而言，這些節省下來的營運成本將遠遠超過製造所需的預付成本。

根據估計，就數量14,000個產品或121,000個小電氣組件的規模而言，上述的成本節省可使3D列印足以和傳統製造方法競爭。但這種說法有點過於樂觀，目前諸如50件或100件左右的小批量生產，大致還有成本效益，如果是大量生產，就不具成本效益了。

AM已在利基市場展現其價值，特別是客製化產品，甚至是高度複雜且需要量產的產品。企業必須尋找傳統製造方法平均成本實際上高於AM平均成本的利基市場，而這些市場也確實存在。人工髖關節(artificial hip joints)組件的髖臼杯(acetabular cups)就是一個例子，它的材質是鈦，並用AM技術製作成複雜、有紋理的表面，以改善骨結合(osseointegration)，也就是病患骨骼與植入物融合的程度。但是這裡有一個額外成本常常被忽略，就是AM所使用的非標準形狀或型態的原材料會使成本增加，而且可能會抵銷甚至超過當初使用較少原材料所節省下來的成本，例如髖關節植入物所使用的粉末鈦，其價格幾乎是其他型態鈦金屬的10倍。

工業AM所用的聚合物及塑料的成本在每公斤40-250美元，而射出成型每公斤的材料成本只要2-3美金，雖然AM使用的材料較少，但材料真的很貴，一般預期材料成本會隨時間而降低，但這又變成雞生蛋或蛋生雞的老問題，一方面企業因為AM成本太高而找不到訂單，另一方面也因為沒有量而無法降低AMZ成本。

降低客製化成本

2017年法國Amiens-Picardie大學的醫生準備對罹患嚴重脊髓問題的6歲男童進行一項重要的手術，他們結合掃描技術與3D列印，建造出男童脊髓的精準模型，供醫生在無風險環境規劃、練習及模擬手術程序，以及測試輔助手術的外科手術機器人。

這種數據驅動的方法早已經擴展到醫療業的其他領域，例如AM已用於列印客製化植入物、義肢、助聽器及牙科裝置等；另外，它也延伸到消費市場，例如Adidas及New Balance已經用AM為頂尖運動員製作客製化鞋具，即依據其腳型及跑步方式量身定做。

除了降低複雜產品的成本之外，AM也可以降低多樣化產品的成本，它讓工廠可以用較簡單及較便宜的方式在不同種類的產品間轉換。對生產線而言，製造新東西意味著帶入新材料、新機器及調整設備，在某些產業，這樣的轉變可能需要數週的時間，另外還有裝設成本，以及儲放未使用機器的花費。

就諸如射出成型之類的傳統製造方法而言，”工具成本”相當高，其佔傳統製造成本的比率高達93.5%，而AM所涉及的唯一費用就只有設計檔案的更新，這樣一來，作業彈性就變得很大。短期內以AM製得的物件其成本仍將令人望而卻步，並會對其進入量產市場造成限制，目前也許只有頂尖運動員才負擔得起3D列印的鞋子。但對高價產品而言，AM已自證是一種有用的工具，例如3D列印醫療裝置的市場預期在2020年將達到23億美金的規模。

除了規模經濟之外，AM還可以創造”範圍經濟”，因為在製造不同物件之間進行轉換所涉及的成本較低，採用AM技術讓企業較容易將較多種類的產品推出市場。

第二章 疊加製造會發展起來嗎？

採用AM工具及技術並不是不會面臨挑戰，自從第一台桌上型塑料製模3D印表機在2000年代中期問世並將AM推上主流意識以來，媒體一面倒地形容這項技術在可預見的未來將主宰市場，我們只要按一個鈕就可以在家列印我們需要的任何東西。

撇開AM潛在的經濟優勢不談，它有許多缺點會限制其普及率，以及對全球經濟的影響。許多人認為有了AM以後，就可以自己在家製造，但這是完全錯誤的想法，因為大部分的人不會想要親自設計或製造些什麼東西。

Wohlers Associates的分析指出未來疊加製造的佔比不會超過5%，其他機構的預測則是最多10%，不是所有可以3D列印的東西都會用3D列印。

對形狀簡單的基礎物件而言，AM的速度及費用相對較慢且較貴，這意味它不會取代基礎產品目前的量產模式，以3D印表機列印像湯匙之類的簡單物件為例，其成本會比傳統製造方法貴很多，機器成本在3D列印物件總成本的佔比高達70%，雖然3D列印所用的材料少得多，但原材料卻貴得多，另外，材料成本大約佔3D列印物件總成本的30%，這個佔比在傳統製造技術卻不到3%，這些百分比會隨機器及材料的價格、機器列印速度的快慢（速度越快，機器成本越低）及機器使用頻率的多寡（越常使用，機器成本越低）而變動。

3D印表機列印出來的物件不會是最終產品，通常需要噴砂或磨平等後加工步驟或者組裝，而且通常是手工作業，因此又會增加成本。以SMILE火箭噴油器為例，列印只是十個製程之一，在製造簡單的鈦合金航太組件的時候，上述後加工或組裝的成本佔組件總成本的10-15%，而車削及其他收工後處理的員工成本約佔AM製造成本的30%。

另外，還有製造不確定性的問題需要考慮，使用塊狀原材料的傳統製造方法，不需要的部分要切除，你可以合理地確認產品與原材料具有相同的內部性質，但AM就不是這回事。相同的設計以A印表機列印或者在a建築內列印所得到的結果可能和B印表機列印或者在b建築內列印所得到的結果完全不同，視環境條件、材料甚至操作員而定。科技的進步有助於對溫度及濕度的變異提供較佳的管控，但是要控制的變數實在太多，並不是所有的變數都可以在AM設計檔案中明訂。這意味著重要零件必須經過徹底的檢查及驗證才能確保它們真的具有設計檔案所隱含的結構完整性，其中最大的問題是認證程序，例如想要把這些零件安裝在火車上，就要證明它們的牢固性及安全性和以前所用的技術一樣好，而且必須針對每一種每一個零件實施，這是一個極度昂貴且冗長的過程。

超音波可以用來檢查某些物件的完整性及品質，但不是所有的金屬都適用，工業電腦斷層掃描(CT)速度慢且價格貴，而且不適用某些以AM製得的複雜形狀，這對小批量產業（例如航太業）不是什麼大問題，但對大量製造就會是個大障礙。因此AM在規模上缺乏效率，有些公司打算藉由嚴密控制環境變數來避開這些問題，每次都用同樣的方式製作相同的物件，但這樣一來，就會喪失AM最為迷人的作業彈性。AM法是因製作原型而生，不是設計用來製造，並且機器在運作的時候不是特別穩定，這表示會經常發生列印失敗及產品退貨的情況。

撇開隱藏的成本及挑戰不談，當企業學會如何有效率地使用AM後，成本的確會逐漸降低。整體成本的關鍵決定因素之一是每次列印印表機能建造多少體積，隨著時間的推移，企業將學會如何優化其製程以使機器發揮最大效用，企業是否能管理好這些成本最終將決定未來AM的成本效益。

AM技術也在快速地進步，例如HP在2016年推出Multi Jet Fusion 3D印表機，宣稱比其他種類的塑料印表機便宜50%且速度快10倍。新的研究方向聚焦在降低粉末床融合等技術的廢料量，這將會進一步降低此技術的材料成本，當越多企業採用AM，規模經濟將會驅使材料成本下降，當然也會讓機器成本下降。

上述的挑戰戳破了AM之前的一些宣傳騙局，許多從事原型設計的公司並未大量採用AM，但展望未來仍有許多機會可以把握。

第三章 製造差異化

分散製造

福斯汽車工廠的員工經常在留意是不是有一些客製化工具可以讓其在組裝汽車的時候能夠更得心應手，但是他們沒有將這些工具的設計及製造外包出去，而是在工廠內用桌上型3D印表機自己列印，新的省時工具可以由員工提出建議及設計，並且利用夜晚的時間列印，其他員工可以提出嚴厲的批判，讓最後的產品盡量完美，例如福斯公司以前是把固定車輪的車輪保護夾具外包，交貨時間56天，費用800歐元，現在自己列印只要10天21歐元，該公司估計以自行列印取代外包僅2016年就省下150,000歐元。

此種接近最終客戶端的製造產品的方式，不論使用桌上型或工業級印表機，都將造成重大的經濟衝擊，一些分析家及觀察家預見未來會出現為各種工業製造產品的社區列印店的網絡。

用心經營AM技術在未來會有巨大的商機，列印掮客可以在AM供需端找到生意，一方面可以幫助有3D印表機的公司找到固定訂單，另一方面也讓需要組件的公司得以接觸AM技術。但是AM仍有規模經濟的問題，畢竟要在每一個城市都設立AM工廠不是一件容易的事，另外機器也需要有技能的技術員操作，因此，雖然AM的分散製造在運輸及倉儲方面可以省下錢，但是傳統方法雇用一位操作員在同一地點操作10台機器仍然比AM法在不同地點雇用10個人進行分散製造來得便宜。

連鎖反應

AM可以降低倉儲方面的成本，例如一家美國農業設備製造商每週要將450,000個備用零件送到世界各地，要快速地將這些備品送到客戶手上，需要很大的儲存空間，所以決定和一家AM設備供應商Carbon合作，導入“e-倉儲(e-warehousing)”，這樣一來備品就不用存放在實體倉庫，只要將備品的檔案儲存在雲端，然後在需要的時候發送到不同地區的3D印表機進行依需列印。

據估計當AM在2060年左右充分展現市場潛力的時候，上述供應鏈縮短的優勢將會顛覆現在的經濟模式。AM也會造成供應鏈的單純化，捨棄現行訂購零件並儲存在倉庫備用或採用即時生產流程的做法，日後製造商可以在零件需求地直接依需列印。

德國鐵路公司正在探索這個機會，該公司在運輸工具方面有價值6億歐元的零件庫存，如果用AM依需列印來降低這些庫存，省下的錢就是純現金，這在未來有可能實現，並且會顯著影響承包的物流業。

如果AM發展到可以製造像汽車變速器之類的複雜組合件，那就可以減低許多供應鏈的接觸點，理論上，現有變速器之類的零件供應商就會被踢出產業。

但許多人並不抱持相同的看法，他們認為不能因為有AM就建構一個不再需要庫存的夢想，目前離那個夢想還很遙遠。AM的早期採用者都是高度垂直整合的公司，早已經可以獨立製造自己的零件。

目前空中巴士及德國鐵路公司都不會嘗試以內部AM取代現有供應鏈，而是幫助供應商學習使用AM技術，也就是讓供應鏈準備好以AM改進其供應品。目前德國鐵路公司使用所謂的”Mobility Goes Additive”外部供應商網絡滿足其零件需求及協助支撐產業，並且100%仰賴列印服務供應商，德國鐵路公司認為這些供應商是最瞭解機器的人，該公司只要設定正確的應用案例讓供應商發揮就好。AM有降低供應鏈管理成本的潛力，以及防止供應鏈中斷的弱點。

勞動市場的衝擊

分散製造及供應鏈單純化的組合效應會對勞動市場造成很大的衝擊，因為AM極適合製造複雜及客製化產品，它可能會取代部分焊接及車削之類的手工作業，例如以目前技術尚無法整體複製的物件或自動化大量製造的物件。原型製造業已經感受到這種衝擊，AM已經大量取代以前用手工製作的小型模具及複製件。

採用AM也需要高技能勞動力，而且其需要的技能和傳統製造技術養成者有很大的差異，因此，一般認為AM會將工作由亞洲及其他地區等低薪資經濟體移回已開發經濟體。AM是一種先進技術，已開發經濟體在這一塊較具優勢，例如牙科公司Albensi已在製程中採用AM，並在美國本土雇用160位員工，不需要再將製造工作外包給中國大陸。

但是目前AM的成本仍然太高，很少人認為採用AM會掏空低薪資經濟體的製造工作機會，況且列印零件的大部分後加工作業仍然需要靠手工完成。瑞典的研究發現雖然AM在產品的開發及製造上可以創造工作機會，但不會把量產的工作機會從新興經濟體移回本土，畢竟傳統製造方法的利潤還是比較高。

長期而言，隨著成本逐漸下降，AM有可能變成小型企業及國際競爭的民主化力量，根據分析，修整及再修整在傳統製造成本的佔比高達93.5%，如果能夠去除這些成本，小型公司更容易將產品上市。

具有創新概念的公司不需要花大錢在機器、工廠時間或倉儲上，它們可以進行較小的生產運轉，甚至根據進來的訂單依需列印。AM可以加速設計及製造步驟，不論大公司還是小公司都可以更快速回應客戶的需求，這樣就可以降低風險，因為只要微調產品的設計而不需要對製程做出重大的改變。

AM也可以改變資本與範圍的關係，降低擴充產品線或嘗試新產品的成本，這會影響新產品的設計方式及上市時間的快慢，這樣就不需要花費數月甚至數年的時間進行詳盡的市場研究，設計師可以嘗試各種不同的物件，看看市場的反應，這可以讓實體產品的創新和先前軟體的創新一樣地容易。

科技的民主化可能會造成一些文化的改變，隨AM而起的第一代設計師可以充分利用AM新增的設計自由度。然而，有些人擔心當實體製造與數位製造的經濟情況有更多共同點的時候，將使偽造及仿冒變得更為容易，產品價值將不在實體物件本身，而在其設計。理論上，企業不需要購買特定組件的替代品，只要掃描並印出複製品即可，這可能會走上娛樂業數位革命的老路，是時盜版猖獗且音樂及電影的數位複製品被免費地分享，嚴重侵害原創者的利益，Gartner預測AM智財權的損失在2018年達到1千億美元。

但事情不只是3D掃描物件再列印複製品那麼簡單，實施3D列印必須具備許多專業知識，因此，雖然可以省下修整成本，但要真正建立有彈性的AM製程卻極為困難。重大的經濟衝擊仍是無可避免，對那些最先搞懂怎麼製造產品的公司而言，AM會剝奪其部分先發優勢。

另外，開放源群體也在成長，它們會免費分享設計，特別是在機器人學及義肢業的設計。美國玩具市場的一份研究報告估計如果玩具不是用購買而是用列印的話，消費者每年可以節省6千萬美元。

結論

和人類製造歷史的其他重大創新不一樣，AM不太可能會顛覆及取代現有製造方法，採用AM只會擾動全球製造業的一小部分，因為AM仍然有製程及材料成本的問題，當談到量產的時候，它遠不是傳統製造方法的對手，但就像本文所說的，AM的優勢在於賦予製造商全新的能力。

採用AM可以降低開發複雜產品的成本、增加創作的自由度以及讓製造更有效率。就短期及中期而言，AM仍然最適合小批量、客製化及利基市場，例如航太、醫療及汽車等產業。

就全球製造市場的規模而言，即使某種新技術僅被少量採用也足以造成重大的經濟衝擊，AM就具有這種潛力。隨著採用率的增加及技術的改進，AM有可能造成更大範圍的製造重分配，許多製造場合將更移近終端消費者，並且成熟及低技能勞動市場也會發生改變。這些轉移也會導致供應鏈的單純化，因為零件及產品是在內部列印而得，並非由多個供應商提供的組件組裝製成，因而造成運輸及物流業的連鎖效應。如果和人工智慧及其他的先進技術結合，AM可以進一步改變產品的設計方式，讓小公司更容易進入市場，並和現有的資本密集的大企業競爭。

雖然短期有高估的現象，但就長期而言，AM必將造成深遠的影響。