انقلاب صنعتی جدید چگونه اتفاق می‌افتد / تولید افزایشی در عصر دیجیتال

تحلیل صنایع بورسی نیاز به دانش گسترده‌ای دارد که هر سهامداری در بدو امر باید به مجموعه‌ای از آنها دسترسی داشته باشد تا بتواند در روند تصمیم‌گیری برای خرید یا فروش سهام، از آن بهره ببرد. در این راستا «فرصت امروز» اقدام به انتشار تحلیل‌هایی می‌کند که هدف از آن ارتقای دانش تحلیل صنایع سهامداران است. در این شماره مقاله‌ای را در مورد صنعت چاپ و مفهوم تولید افزایشی تقدیم خوانندگان عزیز می‌کنیم.

***

پارادایم‌های غالب بر فضای تولید و صنعت در اثر تغییرات تکنولوژی و شرایط کسب‌و‌کار تغییرات زیادی داشته‌اند، حرکت از تولید انبوه به سوی سفارشی‌سازی انبوه و اکنون نیز تلاش صنعتگران و پژوهشگران برای زمینه‌سازی پارادایم جدید تولید شخصی یا شخصی‌سازی به وضوح -در‌پژوهش‌های علمی- مشهود است. پس از سه دهه تلاش شرکت‌ها برای حداکثرسازی منافع سهامداران، پژوهشی در HBR منتشر شده که از تغییر تمرکز و خلق ارزش برای مشتریان به‌جای سهامداران دفاع کرده است، سپس در کتاب مشهور «تغییر‌دهندگان بازی» لافلی مدیرعامل سابق P&G به همراه چاران از تمرکز بر ایده «مشتری‌به‌عنوان رییس» دفاع کردند و از درگیر شدن مشتری در فرآیند طراحی به‌عنوان زمینه خلق ارزش سخن گفتند و بیان کردند که خواست مشتری برای اثرگذاری و مشارکت در طراحی محصول منجر به ظهور پارادایم جدیدی می‌شود که آن را تولید شخصی یا شخصی‌سازی می‌نامیم.

در همین راستا نیز مفاهیم و ابزار مورد نیاز برای این پارادایم جدید توسعه‌ یافته‌اند که از جمله آنها می‌توان به پلتفرم باز محصول، طراحی شخصی و تکنولوژی مناسب مورد نیاز تولید اشاره کرد. مسئله اصلی بحث توسعه و رشد تکنولوژی مورد نیاز برای این نوع تولیدات است که امروزه به شکل روزافزونی در حال توسعه و کاربرد در صنایع است و اصطلاحا تولید افزایشی نامیده می‌شود.

تولید افزایشی چیست؟

مفهوم تولید افزایشی در مقابل تولید کاهشی که همان شیوه‌های رایج و عادی تولید است، قرار دارد. بدین معنا که در تولید افزایشی تولید یک شیء سه‌بعدی از روی هم قرار گرفتن لایه به لایه مواد انجام می‌شود و اغلب با عناوینی چون فرآیندهای افزایشی، تولید لایه‌ای یا ساخت به شکل آزاد نیز شناخته می‌شود. هرچند با تجاری شدن و توسعه این تکنولوژی این شیوه اکثرا توسط مردم و بازاریابان به‌عنوان چاپگرهای سه‌بعدی شناخته می‌شود. (البته چاپگرهای سه‌بعدی یک نوع خاص از این تکنولوژی هستند که بسیار مناسب تولید هستند و از نظر فعالان اقتصادی، صنعتگران و پژوهشگران دانشگاهی به‌زودی چهره کسب‌و‌کارها را متحول می‌کنند). تولید افزایشی ابتدا برای ساخت سریع نمونه‌های اولیه آزمایشی استفاده می‌شد و فقط از مواد پلیمری و پلاستیکی استفاده می‌کرد اما امروزه با گسترش طیف مواد مورد استفاده در این تکنولوژی مفهوم جدیدی تحت عنوان تولید سریع برای ساخت محصولات کاربردی در حال شکل‌گیری است که از انواع مواد پلیمری، سرامیکی، فلزی، چندسازه و... استفاده می‌کند.

انواع تولید افزایشی

پژوهش روی این تکنولوژی از دهه 60 میلادی توسط چارلز هال و اسکات کرامپ آغاز شد و در اواسط دهه 80 به نتیجه رسید و از آن زمان تا امروز توسعه بسیار زیادی یافته و بسیار مقرون‌به‌صرفه و کاربردی شده است. انواع سیستم‌های تولید افزایشی به‌رغم داشتن شباهت‌های بسیار تفاوت‌های اندکی نیز با هم دارند اما همه آنها براساس اصل ساخت افزایشی یا لایه به لایه کار می‌کنند. روش استفاده از این تکنولوژی این گونه بیان شده است، هر چند این مراحل بسیار کلی بوده و ممکن است برخی از این مراحل حذف شوند:

*‌ ساخت مدل مفهومی و ایجاد فایل CAD از آن
*‌ تبدیل به فایل STL (فایل استاندارد برای تبدیل مشخصات هندسی فایل CAD به اندازه‌های قابل تشخیص برای‌ماشین)
*‌ انتقال فایل STL به ماشین تولید افزایشی (یا به طور مثال چاپگر سه‌بعدی)
*‌ تنظیم ماشین
*‌ ساخت
*‌ تمیزکاری، انجام اقدامات پس از تولید (نظیر حذف برخی ضایعات یا صاف کردن نقاط نوک‌تیز)
*‌ استفاده و کاربرد محصول

البته امروزه انواع چاپگرهای سه‌بعدی با اندازه‌ها و قابلیت‌های مختلف و با استفاده از طیف گسترده‌ای از مواد در دسترس تمام انسان‌ها هستند و تنها به یک نقشه سه‌بعدی از شیء مورد نظر نیاز دارند. شکل 1 اطلاعات خلاصه‌ای از انواع این تکنولوژی ارائه می‌کند.

تکنولوژی مختل‌کننده

تکنولوژی مختل‌کننده یک نوآوری در حال ظهور است که محصولاتی را تولید می‌کند که کوچک‌تر، ساده‌تر، ارزان‌تر و اغلب راحت‌تر برای استفاده هستند. تکنولوژی مختل‌کننده یک نوآوری است که ابتدا در بازارهای در حال ظهور و غیر‌مهم ظاهر می‌شود اما با خلق ارزش‌های متفاوت و بازارهای جدید بازارهای دیگر را نیز تصاحب می‌کند. تکنولوژی جدید هنگامی به‌صورت مختل‌کننده ظاهر می‌شود که توسط گروه‌های بزرگی از کاربران پذیرفته و به کار گرفته شود.

برخی از تکنولوژی‌های مختل‌کننده شامل اینترنت، نانوتکنولوژی، میکروسیستم‌ها و اکنون تکنولوژی تولید افزایشی هستند. یکی از زمینه‌‌های اصلی ایجاد شغل‌های جدید و تغییرات ساختاری در اقتصاد استفاده از همین تکنولوژی مختل‌کننده برای خلق شرکت‌های کوچک با تکنولوژی بالاست. در مورد تکنولوژی تولید افزایشی چون این تکنولوژی برای سازمان‌‌هایی که تاکنون قابلیت و توانایی تولید نداشتند امکان تولید را فراهم می‌کند درواقع یک تکنولوژی توانمندساز نیز هست که می‌تواند مدل‌های کسب‌و‌کار و زنجیره تامین را دچار تغییرات اساسی کند. اکنون بسیاری از شرکت‌های بزرگ و پیشرو در دنیا در حال استفاده از این تکنولوژی به دلیل مزایای ویژه و مهم آن هستند.

مزایا، تاثیرات و کاربردهای تولید افزایشی

تفاوت اصلی انواع تولید افزایشی با شیوه‌های عادی تولید امروزی اغلب به دلیل ساخت لایه به لایه محصولات است که موجب ویژگی‌های بسیار خاص و چشمگیری برای این مدل تولید شده است. مزایای اصلی این تکنولوژی عبارت است از:

*‌ عدم نیاز به تجهیز و فیکسچر که به شکل قابل ملاحظه‌ای در زمان و هزینه صرفه‌جویی می‌کند
*‌ تولید در دسته‌های کوچک اقتصادی و امکان‌پذیر است
*‌ استفاده از یک ماشین برای تولید انواع محصولات
*‌ تولید محصولاتی محکم‌تر و سبک‌تر و با کیفیت بهتر در زمان کوتاه‌تر
*‌ تولید در ابعاد مختلف از نانو‌متر تا چند‌متر.
*‌ افزایش دقت تولید و بهبود اشکال هندسی سطوح
*‌ حذف اتلاف زمان بین طراحی تا تولید محصول که منجر به بهبود عملکرد مالی می‌شود‌
*‌ امکان تغییر سریع طراحی محصول
*‌ امکان بهینه شدن محصول برای کارکردهای خاص
*‌ امکان استفاده از سیستم‌های کنترل کیفیت و مستندسازی بهنگام برای تعامل بهتر با سیستم مدیریت کیفیت
*‌ کاهش ضایعات (چون مواد لایه‌به‌لایه روی هم قرار می‌گیرند برخلاف حالت‌های رایج تولید دقیقا به میزان لازم از مواد استفاده می‌شود)
*‌ امکان ساخت زنجیره‌های تامین ساده‌تر با لیدتایم کوتاه‌تر، نگهداری موجودی کمتر و تولید در نزدیکی نقطه مصرف یا مونتاژ
*‌ تولید اقتصادی محصولات سفارشی (تولید فقط یک محصول)
*‌ طراحی سفارشی
*‌ عدم نیاز به مونتاژ در صورت تولید یک قطعه کامل (تولید یکپارچه یک قطعه به‌طور کامل بدون نیاز به مونتاژ)
*‌ امکان ساخت قطعات با طراحی پیچیده هندسی
*‌ کاهش مصرف انرژی و اثرات نامطلوب زیست‌محیطی
*‌ افزایش تولید در خانه با امکان‌پذیر شدن تولید از طریق چاپگرهای سه‌بعدی
*‌ دموکراتیزه شدن تولید به دلیل عدم نیاز به مهارت‌های خاص تولید و طراحی
*‌ قابلیت استفاده مواد نانو برای بهبود خواص مکانیکی، بهبود رسانایی الکتریکی و گرمایی و...

یکی از مسائل مهم در صنعت و دانشگاه‌ها به‌خصوص در سال‌های اخیر حرکت به‌سوی پایداری و توجه همزمان به ابعاد اقتصادی، اجتماعی و به‌ویژه زیست‌محیطی است. پژوهش‌های بسیاری در صنایع انجام شده که حاکی از کاهش مصرف مواد خام، کاهش مصرف انرژی الکتریکی و کاهش تولید گازهای نامطلوب و کاهش اثرات نامطلوب زیست‌محیطی در صورت استفاده از تکنولوژی تولید افزایشی است.

اثر تکنولوژی تولید افزایشی بر زنجیره تامین نیز از دو جنبه قابل ملاحظه خواهد بود؛ اول تولید محصولات با اجزای کمتر یعنی تولید بسیاری از محصولات یا قطعات به‌صورت یکپارچه به جای مونتاژ چندین قطعه و دوم، تولید یا مونتاژ در نزدیکی مشتری که منجر به کاهش چشمگیر هزینه‌ها و تسهیلات توزیع می‌شود. در ضمن تفکرات رایج در مورد زنجیره تامین نیز دچار تغییر خواهد شد زیرا با تکنولوژی تولید افزایشی فقط به مواد خام و یک نقشه سه‌بعدی نیاز داریم و خبری از تنظیم و تغییر ماشین‌آلات و مونتاژهای متعدد نخواهد بود که به معنای بهبود کارایی زنجیره تامین ناب از طریق تولید بهنگام و حذف ضایعات است و نیاز به کالای در جریان ساخت و نگهداری موجودی نیز کاهش می‌یابد، همچنین این تکنولوژی موجب افزایش پاسخگویی یک سیستم تولید چابک از طریق اجرای استراتژی ساخت براساس سفارش می‌شود و با کاهش ملموس نیاز به نیروی کار و اختصاص هزینه‌ها به مواد خام و ماشین‌های تولید افزایشی (چاپگرهای سه‌بعدی) توانایی انتقال تولید به نزدیکی مشتری را داریم. همچنین برخی زنجیره‌ها مانند قطعات یدکی در صنایع هوایی با رشد این تکنولوژی تغییرات زیادی را در حال تجربه کردن است، نیاز به قطعات سبک، محکم، نیاز به تعمیرات و نگهداری سریع با کمترین هزینه و کاهش هزینه انبارداری موجب استفاده از تکنولوژی تولید افزایشی شده است. درواقع کاهش مراحل زنجیره تامین از طراحی تا مصرف‌کننده نهایی نتیجه گسترش استفاده از این چاپگرهای سه‌بعدی است. شکل‌های 2 و 3 نشان‌دهنده این مفاهیم هستند.

تغییر زنجیره تامین با ظهور چاپگر سه‌بعدی

این تکنولوژی امروزه در صنایع مختلف مانند صنایع دفاعی، هوافضا، پزشکی، خودروسازی و... کاربرد دارد. کاربرد تولید افزایشی یا شکل خاص چاپ سه‌بعدی در صنعت پزشکی برای تولید اعضای مصنوعی، استفاده از سلول‌های زنده به‌عنوان مواد خام برای تولید بافت‌های قابل رشد، تولید رگ‌های مصنوعی، کاربرد گسترده در تولید اجزای مورد نیاز در دندانپزشکی، کمک به جراحان مغز در ساخت مدل‌هایی به اندازه واقعی برای بررسی دقیق بافت‌های آسیب دیده و... از نمونه‌های کاربرد این تکنولوژی انقلابی است. کاربرد این تکنولوژی در صنعت هوافضا نیز بسیار قابل توجه است، ساخت بیش از 22هزار قطعه توسط کمپانی Boeing و برنامه تولید بال کامل هواپیماهای مدل 787 جدید این شرکت توسط تکنولوژی تولید افزایشی نشان از مزایای بالای این تکنولوژی دارد. همچنین این شرکت برای تولید سیستم‌های خنک‌کننده هواپیمای F/A-18E/F با توجه به محدودیت فضا، کاهش هزینه و بهبود کیفیت از همین تکنولوژی استفاده کرده است. برای مثال در تولید قطعات تیتانیومی در صنعت هوافضا که اغلب گران‌قیمت و هزینه‌بر نیز هستند، استفاده از این تکنولوژی میزان استفاده از مواد خام را تا حد 10‌درصد شیوه‌های رایج تولید کاهش داده است.

(اکونومیست2012) برنامه NASA برای انتقال این نوع چاپگرهای سه‌بعدی به ایستگاه فضایی بین‌المللی و تولید قطعات یدکی و معیوب مورد نیاز برای کاهش هزینه و زمان نیز نشان از قابلیت بالای این تکنولوژی دارد. مسئله دیگر رشد تولیدات در خانه و تولید توسط خود افراد است که اصطلاحا «خودت انجام بده» نامیده می‌شود و فرصت‌های خرده‌فروشی را در زنجیره تامین دچار چالش می‌کند و ساخت اشیایی مانند لیوان، محافظ تلفن همراه، جواهرات بدلی و... توسط خود افراد انجام می‌شود و فرد برای این کار فقط نیاز به طرح سه‌بعدی و چاپگر آن دارد که یا خود طراحی می‌کند یا از سایت‌هایی مانند Shapeways.com و thingiverse.com آن را دانلود یا خریداری می‌کند. در همین زمان فرصت‌هایی مانند توسعه نرم‌افزارهای طراحی سه‌بعدی با کاربری آسان، توسعه وب‌سایت‌های فروش و به‌اشتراک‌گذاری طرح‌های سه‌بعدی محصولات و حتی ورود شرکت‌های بزرگ برای ساخت این چاپگرهای سه‌بعدی و گسترش طرح‌های تامین مالی جمعی برای ساخت محصولات تکنولوژیک موجب رشد و رونق شکل جدیدی از کسب‌و‌کارها می‌شود. اخیرا یک شرکت آمریکایی وعده داده است که تا چند ماه آینده دستگاهی تولید کند که قادر به تولید (چاپ سه‌بعدی) انواع پیتزا با استفاده از مواد اولیه مشخصی است. البته نمونه‌های فراوان دیگری نیز از کاربرد این تکنولوژی در صنعت و نتایج آن وجود دارد که فرصت ارائه آن وجود ندارد!

استفاده از تکنولوژی تولید افزایشی در صنایع پیشرفته و حساس به سرعت در حال افزایش است. با توجه به مزایای این تکنولوژی، توسعه سریع انواع جدید بویژه چاپگرهای سه‌بعدی با کاربردهای گسترده تجاری و استفاده از مواد مختلف، کاهش قیمت مواد اولیه و خود این دستگاه‌ها، در آینده نه‌چندان دور تمام صنعت متحول می‌شود. سرمایه‌گذاری دولت‌ها و اختصاص تیم‌های پژوهشی قوی در دانشگاه‌های معتبر و شاخص دنیا مانند هاروارد، MIT و... و تمرکز آنها بر توسعه انواع مختلف این تکنولوژی نشان از اهمیت و مزایای بالای آن برای صنعت دارد. توسعه طیف گوناگون مواد برای تولید سلول‌های خورشیدی، باتری‌ها و خازن‌های بهبود یافته، ابزار رسانای شفاف، لوازم الکترونیکی پوشیدنی، مدارهای الکتریکی، ساختارهای سبک مهندسی، تحویل دارو به سلول‌ها به‌وسیله هیدروژل، تولید غشاء، تولید حسگرها و مواد هوشمند و خودترمیم و... نشانگر تلاش برای افزایش کاربرد این تکنولوژی است تا طیف گسترده‌تری از محصولات با این تکنولوژی قابل ساخت (چاپ) باشند.

در اینجا ذکر چند نکته اساسی ضروری به نظر می‌رسد؛ یکم لزوم استفاده از این تکنولوژی در صنایع داخلی است زیرا استفاده از این تکنولوژی در صنایع خودروسازی، هوافضا و پزشکی کارکرد خوب و موثری داشته و سرمایه‌گذاری گسترده‌ای روی گسترش استفاده از آن در صنایع انجام شده است.

دوم، ورود به عرصه تامین مواد اولیه و ساخت این دستگاه‌ها در داخل کشور است زیرا هم در بعد مواد اولیه (معدنی، پلیمری، فلزی و...) مورد نیاز و هم در عرصه نانوتکنولوژی و تکنولوژی لیزر پتانسیل و قابلیت خوبی در کشور وجود دارد.

سوم، تازه و جدید بودن این حوزه، فرصت انجام پژوهش‌های علمی و ارائه مدل‌های کسب‌و‌کار، مدل‌های زنجیره تامین و سناریوهای محتمل برای شکل‌گیری آینده صنایع و... متناسب با شرایط این تکنولوژی جهت ورود به عرصه پژوهش‌های کاربردی مورد نیاز صنعت را فراهم می‌کند.

چهارم، توجه و بررسی به مباحثی همچون حقوق مالکیت فکری طرح‌های سه‌بعدی، قانون حق کپی و ثبت حق اختراع که تا حدی در برخی صنایع نگرانی ایجاد کرده است. پنجم حرکت به سوی استراتژی زنجیره‌های تامین ناب-چابک و استراتژی ساخت براساس سفارش برای ارتقای پاسخگویی و توانمندی‌های صنایع داخلی که خلأ آن به‌شدت در صنایع داخلی حس می‌شود.

* دانشجوی دکترای دانشگاه علامه طباطبایی