3D打印分布式智能制造模式創新

孟炯　郭春霞

摘要：基于中國3D打印制造模式創新的現實需求，應用新興產業創新管理的基本思想，通過對大量現實案例的總結，識別了3D打印分布式智能制造模式的關鍵要素，揭示了3D打印分布式智能制造模式的管理特征，基于傳統集中智能制造參照模式提出了全價值鏈整體解決方案下的3D打印分布式智能制造創新模式、跨界平臺服務模式下的3D打印分布式智能制造創新模式。最后，給出了推進我國3D打印分布式智能制造模式發展的政策建議。

關鍵詞：3D打印；云智能平臺；分布式制造；管理特征；模式創新

DOI：10.13956/j.ss.1001-8409.2017.01.09

中圖分類號：F4243 文獻標識碼：A 文章編號：1001-8409（2017）01-0039-05

Abstract： Based on the realistic demand of manufacturing model innovation in 3D printing industry of China， this paper discriminates key elements of distributed intelligence manufacturing model of 3D printing by applying the basic ideas of the emerging industry innovation management， through the summary of a large number of actual cases. And then， it reveals management features of distributed intelligence manufacturing model of 3D printing. Based on the reference model of traditional centralized intelligent manufacturing， it puts forward the innovation model of 3D printing distributed intelligent manufacturing under the whole value chain solution， and the innovation model of 3D printing distributed intelligent manufacturing under the platform services model of crossover. Finally， it gives some policy recommendations for promoting the development of distributed intelligence manufacturing model of 3D printing in China.

Key words：3D printing； cloud intelligence platform； distributed manufacturing； management features； model innovation

作為第三次工業革命重要標志的3D打印（3D printing）引起了社會各界人士的廣泛關注，中國為此專門出臺了重要文件——《國家增材制造產業發展推進計劃（2015～2016年）》，以推進這一戰略性新興產業的發展。

3D打印制造技術具有產品設計民主、無限滿足個性化需求、單件或小批量制造、精確地點打印等典型特征[1]，其中：產品設計民主、無限滿足個性化需求等特征將促進“以企業設計師為中心”的產品專制設計模式向“以客戶為中心”的產品民主設計模式轉變[2]，單件或小批量制造、精確地點打印等特征將推動“大規模集中制造模式”向“單件或小批量分布式制造模式”變革。因此，3D打印制造技術與新興信息技術的深度融合，將產生引領高端制造業革命的核心發動機——3D打印分布式智能制造模式[3]，該制造模式的突出優勢在于可制造復雜和個性化的特殊產品[4]、可提升產品的研發能力和設計水平、可創造新的就業機會和形成新的經濟增長點[1]。

學者們對“3D打印制造技術所導致的制造模式變革”這一前沿領域的相關研究明顯滯后于社會實踐，這主要是由于管理學者應對挑戰性問題的勇氣不足、缺少文獻和數據、缺乏自然科學知識等原因造成的。因此，本文研究3D打印分布式智能制造模式創新具有十分重要的理論意義和實踐價值。

1關鍵要素

云智能制造是一種依托新興信息技術和公共服務平臺，為消費者提供各種按需制造和服務的智能化制造新模式[5]。在此基礎上，可對3D打印分布式智能制造模式作如下定義：針對消費者的個性化需求，借助于物聯網、云計算和大數據等新興信息技術與公共服務平臺，聯合具有不同生產規模和能力、處于不同地域的3D打印制造企業，提供成本低、質量高、使用易的個性化產品制造新模式。依據此定義，可以識別出該制造模式所蘊含的關鍵要素。

113D打印制造技術

3D打印是一種做增材制造的先進制造技術，被廣泛應用于消費行業和工業領域，取得了很大效益，典型案例見表1所示。據統計，在1988～2010年間世界3D打印產業產值保持著年均26%的增長速度，預期在2020年全球規模將達108億美元[1]。但沃頓商學院的Karl Ulrich教授表示，要快速拓展3D打印的主流應用市場，就必須開發出與3D打印制造技術相匹配的制造模式。由表1可知，隨著3D打印制造技術與物聯網、云計算和大數據等新興信息技術的深度融合，可以利用新興產業創新管理的基本思想，開發出能夠有效克服傳統制造模式在產品設計不民主、無法充分滿足消費者個性化需求等缺陷的3D打印分布式智能制造創新模式。

12云智能平臺

云智能平臺由云智能中樞與公共服務平臺組成，云智能中樞依據公共服務平臺提出的云智能服務請求，提供相應的云智能服務。比如，Shapeways公司和Ponoko公司均搭建了相應的3D打印云智能交流平臺。

121云智能中樞

云智能中樞融合云計算、大數據與物聯網等新興信息技術，為公共服務平臺提供云智能服務。云計算能夠統一調度網絡系統中的全部資源，形成可向特定用戶隨時提供大數據的集中計算資源池；大數據依托云計算的分布式處理，對海量數據進行挖掘；物聯網可通過信息傳感設備實時采集各種需要的數據信息，這些數據信息經云計算后可獲得生產和生活所需的大數據，以實現物物、物人的網絡連接，便于識別、控制和管理 [5]。

122公共服務平臺

公共服務平臺借助云智能中樞的大數據分析功能，在需求獲取、產品研發設計、產品制造、產品評價與產品消費等環節為企業與社會大眾提供動態交互服務，進而實現消費者個性化需求同企業制造能力的實時對接。云智能中樞的大數據獲取和分析功能為公共服務平臺提供了利用大數據考察各類問題的智能化手段，從而能夠及時地掌握社會需求。搜索與眾包是公共服務平臺的關鍵手段，企業通過眾包的方式有效地完成產品的提出、設計和評價等任務，而消費者可以通過搜索的方式尋求能夠滿足自己需要的3D打印原材料和制造企業 [6]。

13分布式制造

分布式制造（Distributed Manufacturing，DM）是指具有不同生產規模和能力的、處于不同地域上的制造商建立合作關系，提供能夠快速響應市場需求的產品或服務。分布式制造的思想與3D打印所具有的個性化制造、單件或小批量制造、精確地點制造等特征相吻合，能夠解決3D打印行業當前在資源配置、設備利用、制造服務與個性化定制等方面存在的問題。例如，3D Systems公司采用分布式制造模式以社區為單元共用一臺3D打印機，優化了資源配置，提高了設備利用率，取得了良好的經營績效。

2管理特征

依據表1可以歸納出3D打印分布式智能制造模式與傳統制造模式的主要差異（見表2），進而可從價值實現的視角出發，揭示3D打印分布式智能制造模式的管理特征。

21社會制造的生產方式

傳統的生產方式剝奪了社會大眾參與產品設計和制造的權利和能力。隨著新興信息技術不斷發展，3D打印與軟件制造技術的不斷進步，人們將進入社會制造時代[6]。在社會制造時代，企業可以借助于云智能平臺，依托技術創新和管理創新，以最快的速度提供符合市場個性化需求的產品。基本流程為：企業通過大數據分析獲取需求信息→企業通過搜索和眾包方式吸引網絡社會大眾中的創新者參與創新→消費者通過搜索的方式選擇原材料與3D 打印工廠→消費者通過眾包的方式將產品制造業務外包給選定的3D 打印工廠，而后將需求發給工廠→工廠在確定制造方案可行性后把產品打印出來配送給消費者。例如，Shapeways公司就采用了社會制造的生產方式。

22以消費者為中心的產品民主設計模式

在傳統制造模式下，產品設計被專業設計師主導，消費者個性化和差異化需求被壓制，且這種“以企業為中心”的產品設計模式的設計周期較長。在3D打印分布式智能制造模式下，借助于公共服務平臺，由網絡社會大眾中的創新者與專業設計師共同設計出符合消費者個性化需求的產品，形成一種以“消費者為中心”的產品民主設計模式。例如，Quirky公司就采用了以消費者為中心的產品民主設計模式，參加這一過程的網絡社會大眾中的創新者可獲得高額回報。

23社會大眾參與產品制造的全價值鏈模式

社會大眾無法參與產品的制造過程是傳統價值鏈模式的主要缺陷。因此，要鼓勵社會大眾參與產品制造的全過程，必須重構3D打印分布式智能制造模式下的價值鏈體系，向客戶提供全價值鏈解決方案——即借助云智能平臺的大數據分析功能和公共服務功能，主動、及時地將消費者個性化定制需求與3D打印制造能力有機地銜接起來，通過搜索和眾包方式讓社會大眾充分參與產品設計、評價、制造的全過程，實現個性化和實時化的高效生產和消費模式，以Pareto改進為標準達成企業盈利與消費者利益最大化的目標。例如，3D Systems向客戶提供全價值鏈解決方案，并著力打造讓社會大眾參與產品設計、評價、制造全過程的線上平臺。

24線上到線下的商業模式

3D打印企業只有通過商業模式創新實現商業化，才能不斷獲取競爭優勢，帶來滿意的利潤 [7，8]，即3D打印技術創新與商業模式創新的結合是企業獲取價值的保障[9，10]。因此，開發出符合3D打印分布式智能制造模式特征、具有核心競爭力的商業模式是3D打印企業的當務之急。實踐表明，線上到線下（Online to Offline，O2O）商業模式得到了3D打印企業的普遍認同和廣泛采用。該模式將線上云智能平臺與線下實體體驗店有機結合，為消費者提供個性化定制服務。例如，FabCafe就采用了O2O的商業模式。

3模式創新

此部分首先提出傳統集中智能制造參照模式。在此基礎上，依據3D打印分布式智能制造模式的關鍵要素和管理特征，分別提出基于價值鏈整體解決方案的3D打印分布式智能制造創新模式、基于跨界平臺服務的3D打印分布式智能制造創新模式。

31傳統集中智能制造參照模式

將云智能平臺嵌入傳統集中制造模式①

，可開發出傳統集中智能制造模式，如圖1所示。該制造模式的主要創新之處是對傳統大規模集中制造模式進行智能化升級改造，這樣企業便可利用云智能平臺高效整合所有關聯生產資源，制造出能夠滿足目標市場共性需求的產品，從而提升企業的運營效率和競爭力。例如，在集團企業方面，航天科工集團采用傳統集中智能制造模式有效解決了資源配置不合理、復雜產品研究開發周期長等問題，實現了制造能力與制造資源的高效整合，提高了制造能力和資源利用率，降低了制造成本，提升了競爭力；在中小企業方面，廣東省東莞市利用傳統集中智能制造模式支持產業集群內的中小企業協作，有效解決了產業集群內中小企業間關聯度不高、資源浪費和閑置、制造設施重復建設等問題，從而優化了產業結構，整合了產業集群內的資源[5]。

然而，傳統集中智能制造模式尚存在一些缺陷：首先，采用“以企業為中心”的專業設計師主導的產品設計模式，該設計模式難以準確把握消費者的需求；其次，采取模具鑄造和機械化加工等硬件制造方法，其造型能力有限，難以實現宏微結構一體化制造和復雜結構制造[4]。再次，采用系統化的產品物流與倉儲設施，產品制造后需要運送到各地，會消耗大量人財物。最后，采用大規模集中制造的生產方式，企業與社會大眾在產品設計、產品制造、產品消費等環節的動態交互顯得無足輕重，消費者因為沒有更多選擇只能被動接受產品，難以滿足消費者的個性化需求。

32全價值鏈整體解決方案下的3D打印分布式智能制造創新模式

對傳統集中智能制造模式作進一步改進，可以開發出全價值鏈整體解決方案下的3D打印分布式智能制造創新模式（見圖2），與前者相比該模式有如下發展：首先，3D打印分布式制造代替了大規模集中制造；其次，系統化的產品物流轉變為最后一公里產品物流；第三，零部件供應企業和產品庫存消失；最后，通過搜索和眾包的方式，網絡社會大眾中的創新者可充分參與企業創新。

由圖2可知，該創新模式可以有效克服傳統集中智能制造參照模式的缺陷：首先，采用3D打印制造技術，降低了單件小批量產品制造、復雜結構產品制造的成本；其次，采用以消費者為中心的產品民主設計模式，通過搜索與眾包方式，網絡社會大眾中的創新者可參與企業創新，共同設計出能夠充分滿足消費者個性化需求的產品；第三，采用社會大眾參與產品制造的全價值鏈模式，有效銜接了消費者的個性化需求與企業的制造能力；最后，采用分布式制造模式，可有效解決3D打印目前存在的打印速度慢、難以批量制造等問題。例如，實力雄厚的大企業3D Systems公司就采用了該創新模式。

33跨界平臺服務模式下的3D打印分布式智能制造創新模式

隨著大數據、物聯網、云計算等新興信息技術深度融入各行業，企業的邊界變得模糊，這種趨勢將深刻影響企業的制造模式，甚至重構其企業文化和組織結構[12]。在這一情景下，企業管理者將會發現更多跨越領域進行合作的創新機會，這就是跨界的基本思想[13]。基于此，對全價值鏈整體解決方案下的3D打印分布式智能制造創新模式作進一步改進，可開發出跨界平臺服務模式下的3D打印分布式智能制造創新模式，如圖3所示。與前者相比，該創新模式有如下變化。首先，虛擬控制決策中心①

替代了實際的企業管理決策中心；其次，由C2B2C的兩面市場模型取代了C2B的價值鏈模型。第三，由工商一體化的產品自制轉變為外包產品制造業務。

在基于跨界平臺服務的3D打印分布式智能制造創新模式下，實力雄厚的大企業將轉變為平臺型虛擬企業以實現跨行業混合經營，否則就會因為難以準確找到自己的競爭對手和目標消費者而出現經營困難，甚至破產；小企業則可利用其大企業所不具備的靈活性優勢，借助于開放的云智能平臺展開業務經營，極大降低了與大企業競爭的門檻。例如，Shapeways公司就采用了跨界平臺服務模式下的3D打印分布式智能制造創新模式。

4結論與建議

在我國大力推進3D打印這一戰略性新興產業發展的大背景下，本文采用大量案例總結與文獻分析相結合的研究方法，識別并刻畫了3D打印分布式智能制造模式的關鍵要素，揭示了3D打印分布式智能制造模式的管理特征，基于傳統集中智能制造參照模式提出了全價值鏈整體解決方案下的3D打印分布式智能制造創新模式、跨界平臺服務模式下的3D打印分布式智能制造創新模式。研究成果能夠為促進我國傳統制造業的升級改造、推動我國3D打印智能制造模式創新提供重要的理論支撐與決策借鑒。

然而，3D打印分布式智能制造模式創新不是一蹴而就的，需要依靠官學商的共同努力。基于此，本文給出如下政策建議：（1）科研投入。3D打印分布式智能制造模式的發展要依托技術創新和管理創新。國家應加大對材料技術、新興信息技術、打印裝備、軟件技術、組織和管理創新等關鍵領域的科研資金投入力度，重點扶持新興信息技術與3D打印制造技術融合的交叉領域研究，鼓勵經濟管理學者對3D打印制造技術領域的管理創新進行探索性研究。（2）產業鏈規劃。3D打印分布式智能制造模式創新將催生新的產業鏈形態，這需要完善的供應商、服務商和市場平臺體系，包含工業設計機構、3D數字化技術提供商、3D打印機及耗材提供商、3D打印設備經銷商、3D打印服務商、第三方檢測驗證支持、金融支持、知識產權保護支持等等。國家應制定3D打印產業鏈發展規劃，推進行業協會和產業聯盟的建設，推動產學研協同創新、知識產權保護法案制定、技術和行業標準制定。（3）平臺建設。云智能平臺是3D打印分布式智能制造模式的核心要素，是一種面向行業、服務企業、對離散的社會服務資源起帶動作用的公信度高、服務面廣、公益與效益相結合的服務性平臺。政府應主導云智能平臺的建設，基本思路是政府引導、多元化投資主體、企業建設和運營[11]。（4）人才培養。3D打印制造技術的特征不僅要求從業人員掌握技術創新、組織和管理創新、服務和藝術創新等多方面的知識和能力，還應具備與不同領域的專家合作進行協同創新的能力和素質。因此，3D打印分布式智能制造模式的創新發展需要更加靈活和自由的專業人才培養模式，可采用線上線下互動配合、產學對接、實戰訓練的三維3D打印專業創新人才培養模式，以應對未來3D打印產業發展對人才的需求。

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（責任編輯：李鏡）