从规模经济与范围经济的角度思考汽车制造商应用增材制造的三个阶段

武嘉伟

摘 要：本文阐述了通过利用增材制造技术在规模经济与范围经济的优势，如何提高汽车制造商的竞争地位，还探讨了增材制造在汽车制造商应用的三个阶段及具体的体现形式。全球汽车制造业的准入门槛很高，在 2013年之后，世界上主流的幾个汽车制造商占全球行业收入超过三分之一，汽车生产企业正在进入一个加速竞争与淘汰的阶段。另一方面，汽车零部件供应链的特点是大量小型企业之间的激烈竞争，产品创新和供应链转型有可能改变汽车公司的商业模式。增材制造将对汽车制造商之间的竞争产生最大影响，并有可能改变商业游戏规则。

关键词：增材制造 规模经济 范围经济 汽车制造 工业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

自动驾驶汽车、电动汽车和大规模定制的新趋势正在迫使汽车制造商和供应商适应新的汽车消费模式。为了紧跟工业4.0时代的步伐，越来越多的汽车制造商开始重视增材制造技术的应用。增材制造正在被用于汽车制造的各个阶段：从原型设计和工具制造到备件和最终零件的生产。

增材制造作为一项重要的生产技术创新，其根源可追溯到近三十年前。其技术的独特性源于它以两种基本方式打破了现有汽车制造业的平衡：增材制造不仅减少了实现规模经济所需的资本投入，其灵活性也减少了实现范围经济所需的资本。

2 规模经济与范围经济

范围经济和规模经济是解释为什么大公司的产品成本通常较低的两个概念。范围经济关注的是多种商品的平均生产总成本。相比之下，规模经济关注的是当一种商品的生产批量较高时产生的成本优势[1]。

增材制造降低了最低有效生产规模所需的资本投入，从而降低了进入规模制造的门槛。增材制造的灵活性增加了在一定的单位资本内可以生产的产品种类，同时降低与生产转换和定制的总资本量。

改变资本与规模的关系会直接影响供应链的配置构成，而改变资本与范围的关系有可能影响产品的设计与种类。这些因素决定了汽车制造商在生产过程中对增材制造技术的应用与规划。

3 汽车生产制造商应用增材制造的三个阶段

以下框架结构概述了增材制造技术在汽车生产企业应用中所呈现出的三个不同阶段：

3.1 第一阶段

汽车生产企业不寻求对供应链或产品进行根本性改变，但可以通过探索增材制造技术来增加在现有供应链中当前产品的交付价值。在第一阶段中，汽车制造商并没有完全认识到增材制造对于大规模创造商业价值的可能，更多的体现在了对一个新兴技术的探索与早期应用。

3.1.1 加快新产品开发的产品设计验证

在产品设计阶段，公司在决定最终设计之前要经过多伦选择与淘汰。增材制造的最大优势之一是它可以以很小的时间成本与经济成本生产出多种设计变体，帮助汽车制造商在有效物理模型的支持下改进其产品设计。例如，某知名轮胎公司在设计过程中利用增材制造快速创建原型，并在验证过多种设计的触感后选择了最佳方案。

3.1.2 通过快速原型设计提高质量

通过使用增材技术在最终生产之前制作原型以验证零件，汽车制造商能够在实际生产计划之前对零件进行质量测试。因为增材在设计端的灵活性，汽车制造商可以生产和测试各种零件原型。例如，通用汽车在其设计、工程和制造的预生产过程中广泛使用选择性激光烧结和光固化的技术，使其快速原型制作部门生产更多的测试模型。这种快速验证方式可以帮助汽车工程师在产品研发早期发现更多的产品问题并及时做出调整，最终反应在了产品质量的提升 。

3.2 第二阶段

增材制造的规模经济效应同时推动了汽车生产企业的产品供应链转型和产品创新。这种规模效应所带来的供应链的转型可被视为汽车制造商应用增材制造技术的第二阶段。在这条道路上，增材制造的能力打破了传统的资本与规模的平衡，降低了产品创新所需的前期资本投入。从长远来看，增材制造支持的零件整合和产品装配简化，会从根本上改变设计，开发，装配过程，从而带来了更深层次的供应链变革。

3.2.1 更复杂的设计可降低零件重量

汽车制造商一直在不断提高汽车能量利用效率，这不仅是因为对环境标准的遵守，比如国家正在对企业碳积分的要求不断增加，也是为了给消费者提供更高的使用经济性。汽车制造商为提高续航而采取的一个主要方法是减轻整车的重量。

近年來，汽车制造商一直寻求在车身中加入更轻的材料，如碳纤维和铝。福特F-150在2015年之后的所有车身几乎完全由铝制成，使车辆重量减少了约317公斤。另外，通过结构层面的改变也可以实现减轻重量。增材制造技术成型复杂结构的能力在减轻零件重量而不影响结构强度方面发挥着重要作用。

3.2.2 通过零件简化降低装配和生产成本

传统的制造技术常伴随有很大的设计限制，这可能会增加生产组件所需的零件数量。随着零件数量的增加，装配过程的步骤和复杂性也会增加。增材制造可以生产具有复杂设计的零件，以减少对多个零件组装的需求，更少的零件意味着更短的组装过程，因此出现质量问题的可能性更小。德尔福是一级汽车供应商，目前使用选择性激光熔化 （SLM） 代替传统的铝压铸件加工来制造铝制柴油泵。未来，汽车制造商可以通过多材料打印在机械和电气功能的潜在集成中受益。

3.3 第三阶段

汽车生产企业利用增材制造技术提供的范围经济优势，在他们提供的产品中实现新功能、新创新以及商业模式的创新。未来汽车经济模型将类似于汽车主机厂与更小，关系更为紧密的供应商进行快速迭代与创新。

汽车主机厂可以通过持续合理优化其供应商体系并加强与所谓的T0.5级别供应商的联系来实现产品的快速更新迭代。现在，汽车主机厂从产品计划到量产需要最少3-4年，随着消费习惯与消费市场的变化，汽车生产企业越来越难预测3-4年后消费者对于车型，配置的偏好。通过增材制造技术，汽车制造商可以显著减少研发时间在产品整个生命周期的占比，并且通过持续的更新来不断优化产品。

汽车制造商的最终路径是通过产品创新、快速迭代和市场响应能力相结合的商业模式演变。增材制造在供应链去中介化作用将推动这一演变。增材制造将与商业模式创新将结合，通过改进设计与缩短上市时间，零件简化，减少组装流程和零件重量，来合理整合与管理供应链，从而形成与市场相应和供应链去中介化的重要商业模式转变。

3.3.1 定制和提高市场响应能力

增材制造技术的进步和应用正在推动产品创新，技术应用将从产品设计支持工具转变为直接生产和快速零件周转的通道。虽然汽车公司通常需要规模化来支持定制，但增材制造提供了更大的灵活性。现在，已经采用增材制造的汽车行业细分市场是超豪华车型细分市场。在这个小批量生产的细分市场中，增材制造被用于定制和生产用于最终装配的零件。一些超豪华汽车制造商已经使用增材制造来提供专门满足客户要求的设计。随着交付周期成为一种宝贵的商品，这种降低规模生产周转时间的竞争能力将会对所有汽车制造商变得越来越重要。

3.3.2 更小的供应链和来自汽车主机厂的更大价值贡献

随着越来越多的汽车制造商采用增材制造技术路线，最终的结果将是双重的：更小的供应链和原始设备制造商更大的价值贡献。增材制造的一个重要影响是缩短和简化当前庞大的汽车供应链。由于供应链管理是一项庞大的计划和物流工作，耗费时间、精力和成本，因此汽车主机厂不断在寻求简化供应链的方法。例如，福特在2012年与超过 1250家供应商合作，但在2013年10月，福特宣布有意将这一数字削减多达 40%。汽车生产供应商数量的减少意味着较少的供应商参与，更低的时间和资本的投入，同时可以更快速的进行零部件生产和降低零部件采购支出[2]。

传统汽车制造商将大多数组件的制造外包。通过增材制造，汽车主机厂能够通过依靠内部能力和与系统集成商形成更紧密的合作伙伴关系，在无需管理庞大的供应链的情况下，保留甚至增加他们在研发和生产中的价值贡献。

4 现在和未来

随着工艺和材料技术的改进以及增材制造的更广泛的应用，我们有可能在未来看到增材制造在生产零件数量和种类的突破。尽管存在挑战，但增材制造是一具备多功能的生产技术，是可以支持汽车行业追求性能、增长和创新的战略需求。考虑到增材制造所释放的潜力，汽车主机厂的决策者应该考虑利用增材制造技术在竞争中保持领先地位，并且应该考虑探索更多的应用途径以获得更大的商业价值。

随着增材应用的发展，增材制造将持续扮演汽车创新的潜在游戏规则改变者。 随着汽车消费生命周期的持续缩短，大众市场汽车制造商应该效仿赛车运动和超豪华细分市场，最终导入增材制造应用的第三个阶段。

参考文献：

[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.