從規模經濟與范圍經濟的角度思考汽車制造商應用增材制造的三個階段

武嘉偉

摘 要：本文闡述了通過利用增材制造技術在規模經濟與范圍經濟的優勢，如何提高汽車制造商的競爭地位，還探討了增材制造在汽車制造商應用的三個階段及具體的體現形式。全球汽車制造業的準入門檻很高，在 2013年之后，世界上主流的幾個汽車制造商占全球行業收入超過三分之一，汽車生產企業正在進入一個加速競爭與淘汰的階段。另一方面，汽車零部件供應鏈的特點是大量小型企業之間的激烈競爭，產品創新和供應鏈轉型有可能改變汽車公司的商業模式。增材制造將對汽車制造商之間的競爭產生最大影響，并有可能改變商業游戲規則。

關鍵詞：增材制造 規模經濟 范圍經濟 汽車制造 工業4.0

Thinking about the Three Stages of Additive Manufacturing Applied by Automakers from the Perspective of Economies of Scale and Scope

Wu Jiawei

Abstract：This article explains how to improve the competitive position of automakers by using the advantages of additive manufacturing technology in economies of scale and scope. It also discusses the three stages and specific manifestations of additive manufacturing in the application of automakers. The entry barrier for the global automobile manufacturing industry is very high. After 2013， several mainstream automobile manufacturers in the world accounted for more than one-third of the global industry revenue， and automobile manufacturers are entering a stage of accelerated competition and elimination. On the other hand， the auto parts supply chain is characterized by fierce competition among a large number of small enterprises， and product innovation and supply chain transformation may change the business model of auto companies. Additive manufacturing will have the greatest impact on competition among automakers and may change the rules of the business game.

Key words：additive manufacturing， economies of scale， economies of scope， automobile manufacturing， industry 4.0

1 引言

自動駕駛汽車、電動汽車和大規模定制的新趨勢正在迫使汽車制造商和供應商適應新的汽車消費模式。為了緊跟工業4.0時代的步伐，越來越多的汽車制造商開始重視增材制造技術的應用。增材制造正在被用于汽車制造的各個階段：從原型設計和工具制造到備件和最終零件的生產。

增材制造作為一項重要的生產技術創新，其根源可追溯到近三十年前。其技術的獨特性源于它以兩種基本方式打破了現有汽車制造業的平衡：增材制造不僅減少了實現規模經濟所需的資本投入，其靈活性也減少了實現范圍經濟所需的資本。

2 規模經濟與范圍經濟

范圍經濟和規模經濟是解釋為什么大公司的產品成本通常較低的兩個概念。范圍經濟關注的是多種商品的平均生產總成本。相比之下，規模經濟關注的是當一種商品的生產批量較高時產生的成本優勢[1]。

增材制造降低了最低有效生產規模所需的資本投入，從而降低了進入規模制造的門檻。增材制造的靈活性增加了在一定的單位資本內可以生產的產品種類，同時降低與生產轉換和定制的總資本量。

改變資本與規模的關系會直接影響供應鏈的配置構成，而改變資本與范圍的關系有可能影響產品的設計與種類。這些因素決定了汽車制造商在生產過程中對增材制造技術的應用與規劃。

3 汽車生產制造商應用增材制造的三個階段

以下框架結構概述了增材制造技術在汽車生產企業應用中所呈現出的三個不同階段：

3.1 第一階段

汽車生產企業不尋求對供應鏈或產品進行根本性改變，但可以通過探索增材制造技術來增加在現有供應鏈中當前產品的交付價值。在第一階段中，汽車制造商并沒有完全認識到增材制造對于大規模創造商業價值的可能，更多的體現在了對一個新興技術的探索與早期應用。

3.1.1 加快新產品開發的產品設計驗證

在產品設計階段，公司在決定最終設計之前要經過多倫選擇與淘汰。增材制造的最大優勢之一是它可以以很小的時間成本與經濟成本生產出多種設計變體，幫助汽車制造商在有效物理模型的支持下改進其產品設計。例如，某知名輪胎公司在設計過程中利用增材制造快速創建原型，并在驗證過多種設計的觸感后選擇了最佳方案。

3.1.2 通過快速原型設計提高質量

通過使用增材技術在最終生產之前制作原型以驗證零件，汽車制造商能夠在實際生產計劃之前對零件進行質量測試。因為增材在設計端的靈活性，汽車制造商可以生產和測試各種零件原型。例如，通用汽車在其設計、工程和制造的預生產過程中廣泛使用選擇性激光燒結和光固化的技術，使其快速原型制作部門生產更多的測試模型。這種快速驗證方式可以幫助汽車工程師在產品研發早期發現更多的產品問題并及時做出調整，最終反應在了產品質量的提升 。

3.2 第二階段

增材制造的規模經濟效應同時推動了汽車生產企業的產品供應鏈轉型和產品創新。這種規模效應所帶來的供應鏈的轉型可被視為汽車制造商應用增材制造技術的第二階段。在這條道路上，增材制造的能力打破了傳統的資本與規模的平衡，降低了產品創新所需的前期資本投入。從長遠來看，增材制造支持的零件整合和產品裝配簡化，會從根本上改變設計，開發，裝配過程，從而帶來了更深層次的供應鏈變革。

3.2.1 更復雜的設計可降低零件重量

汽車制造商一直在不斷提高汽車能量利用效率，這不僅是因為對環境標準的遵守，比如國家正在對企業碳積分的要求不斷增加，也是為了給消費者提供更高的使用經濟性。汽車制造商為提高續航而采取的一個主要方法是減輕整車的重量。

近年來，汽車制造商一直尋求在車身中加入更輕的材料，如碳纖維和鋁。福特F-150在2015年之后的所有車身幾乎完全由鋁制成，使車輛重量減少了約317公斤。另外，通過結構層面的改變也可以實現減輕重量。增材制造技術成型復雜結構的能力在減輕零件重量而不影響結構強度方面發揮著重要作用。

3.2.2 通過零件簡化降低裝配和生產成本

傳統的制造技術常伴隨有很大的設計限制，這可能會增加生產組件所需的零件數量。隨著零件數量的增加，裝配過程的步驟和復雜性也會增加。增材制造可以生產具有復雜設計的零件，以減少對多個零件組裝的需求，更少的零件意味著更短的組裝過程，因此出現質量問題的可能性更小。德爾福是一級汽車供應商，目前使用選擇性激光熔化 （SLM） 代替傳統的鋁壓鑄件加工來制造鋁制柴油泵。未來，汽車制造商可以通過多材料打印在機械和電氣功能的潛在集成中受益。

3.3 第三階段

汽車生產企業利用增材制造技術提供的范圍經濟優勢，在他們提供的產品中實現新功能、新創新以及商業模式的創新。未來汽車經濟模型將類似于汽車主機廠與更小，關系更為緊密的供應商進行快速迭代與創新。

汽車主機廠可以通過持續合理優化其供應商體系并加強與所謂的T0.5級別供應商的聯系來實現產品的快速更新迭代。現在，汽車主機廠從產品計劃到量產需要最少3-4年，隨著消費習慣與消費市場的變化，汽車生產企業越來越難預測3-4年后消費者對于車型，配置的偏好。通過增材制造技術，汽車制造商可以顯著減少研發時間在產品整個生命周期的占比，并且通過持續的更新來不斷優化產品。

汽車制造商的最終路徑是通過產品創新、快速迭代和市場響應能力相結合的商業模式演變。增材制造在供應鏈去中介化作用將推動這一演變。增材制造將與商業模式創新將結合，通過改進設計與縮短上市時間，零件簡化，減少組裝流程和零件重量，來合理整合與管理供應鏈，從而形成與市場相應和供應鏈去中介化的重要商業模式轉變。

3.3.1 定制和提高市場響應能力

增材制造技術的進步和應用正在推動產品創新，技術應用將從產品設計支持工具轉變為直接生產和快速零件周轉的通道。雖然汽車公司通常需要規模化來支持定制，但增材制造提供了更大的靈活性。現在，已經采用增材制造的汽車行業細分市場是超豪華車型細分市場。在這個小批量生產的細分市場中，增材制造被用于定制和生產用于最終裝配的零件。一些超豪華汽車制造商已經使用增材制造來提供專門滿足客戶要求的設計。隨著交付周期成為一種寶貴的商品，這種降低規模生產周轉時間的競爭能力將會對所有汽車制造商變得越來越重要。

3.3.2 更小的供應鏈和來自汽車主機廠的更大價值貢獻

隨著越來越多的汽車制造商采用增材制造技術路線，最終的結果將是雙重的：更小的供應鏈和原始設備制造商更大的價值貢獻。增材制造的一個重要影響是縮短和簡化當前龐大的汽車供應鏈。由于供應鏈管理是一項龐大的計劃和物流工作，耗費時間、精力和成本，因此汽車主機廠不斷在尋求簡化供應鏈的方法。例如，福特在2012年與超過 1250家供應商合作，但在2013年10月，福特宣布有意將這一數字削減多達 40%。汽車生產供應商數量的減少意味著較少的供應商參與，更低的時間和資本的投入，同時可以更快速的進行零部件生產和降低零部件采購支出[2]。

傳統汽車制造商將大多數組件的制造外包。通過增材制造，汽車主機廠能夠通過依靠內部能力和與系統集成商形成更緊密的合作伙伴關系，在無需管理龐大的供應鏈的情況下，保留甚至增加他們在研發和生產中的價值貢獻。

4 現在和未來

隨著工藝和材料技術的改進以及增材制造的更廣泛的應用，我們有可能在未來看到增材制造在生產零件數量和種類的突破。盡管存在挑戰，但增材制造是一具備多功能的生產技術，是可以支持汽車行業追求性能、增長和創新的戰略需求。考慮到增材制造所釋放的潛力，汽車主機廠的決策者應該考慮利用增材制造技術在競爭中保持領先地位，并且應該考慮探索更多的應用途徑以獲得更大的商業價值。

隨著增材應用的發展，增材制造將持續扮演汽車創新的潛在游戲規則改變者。 隨著汽車消費生命周期的持續縮短，大眾市場汽車制造商應該效仿賽車運動和超豪華細分市場，最終導入增材制造應用的第三個階段。

參考文獻：

[1]Steven Nickolas， Understanding Economies of Scope vs. Economies of Scale.[EB/OL].（2021-6-25）[2021-8-18].https：//www.investopedia.com/ask/answers/042215/what-difference-between-economies-scope-and-economies-scale.asp.

[2]Efraim Levy. Industry Surveys Autos & Auto Parts.（2014-12）[2021-8-18].http：//docshare03.docshare.tips/files/27311/273119750.pdf.