3D打印分布式智能制造模式创新

孟炯　郭春霞

摘要：基于中国3D打印制造模式创新的现实需求，应用新兴产业创新管理的基本思想，通过对大量现实案例的总结，识别了3D打印分布式智能制造模式的關键要素，揭示了3D打印分布式智能制造模式的管理特征，基于传统集中智能制造参照模式提出了全价值链整体解决方案下的3D打印分布式智能制造创新模式、跨界平台服务模式下的3D打印分布式智能制造创新模式。最后，给出了推进我国3D打印分布式智能制造模式发展的政策建议。

关键词：3D打印；云智能平台；分布式制造；管理特征；模式创新

DOI：10.13956/j.ss.1001-8409.2017.01.09

中图分类号：F4243 文献标识码：A 文章编号：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

作为第三次工业革命重要标志的3D打印（3D printing）引起了社会各界人士的广泛关注，中国为此专门出台了重要文件——《国家增材制造产业发展推进计划（2015～2016年）》，以推进这一战略性新兴产业的发展。

3D打印制造技术具有产品设计民主、无限满足个性化需求、单件或小批量制造、精确地点打印等典型特征[1]，其中：产品设计民主、无限满足个性化需求等特征将促进“以企业设计师为中心”的产品专制设计模式向“以客户为中心”的产品民主设计模式转变[2]，单件或小批量制造、精确地点打印等特征将推动“大规模集中制造模式”向“单件或小批量分布式制造模式”变革。因此，3D打印制造技术与新兴信息技术的深度融合，将产生引领高端制造业革命的核心发动机——3D打印分布式智能制造模式[3]，该制造模式的突出优势在于可制造复杂和个性化的特殊产品[4]、可提升产品的研发能力和设计水平、可创造新的就业机会和形成新的经济增长点[1]。

学者们对“3D打印制造技术所导致的制造模式变革”这一前沿领域的相关研究明显滞后于社会实践，这主要是由于管理学者应对挑战性问题的勇气不足、缺少文献和数据、缺乏自然科学知识等原因造成的。因此，本文研究3D打印分布式智能制造模式创新具有十分重要的理论意义和实践价值。

1关键要素

云智能制造是一种依托新兴信息技术和公共服务平台，为消费者提供各种按需制造和服务的智能化制造新模式[5]。在此基础上，可对3D打印分布式智能制造模式作如下定义：针对消费者的个性化需求，借助于物联网、云计算和大数据等新兴信息技术与公共服务平台，联合具有不同生产规模和能力、处于不同地域的3D打印制造企业，提供成本低、质量高、使用易的个性化产品制造新模式。依据此定义，可以识别出该制造模式所蕴含的关键要素。

113D打印制造技术

3D打印是一种做增材制造的先进制造技术，被广泛应用于消费行业和工业领域，取得了很大效益，典型案例见表1所示。据统计，在1988～2010年间世界3D打印产业产值保持着年均26%的增长速度，预期在2020年全球规模将达108亿美元[1]。但沃顿商学院的Karl Ulrich教授表示，要快速拓展3D打印的主流应用市场，就必须开发出与3D打印制造技术相匹配的制造模式。由表1可知，随着3D打印制造技术与物联网、云计算和大数据等新兴信息技术的深度融合，可以利用新兴产业创新管理的基本思想，开发出能够有效克服传统制造模式在产品设计不民主、无法充分满足消费者个性化需求等缺陷的3D打印分布式智能制造创新模式。

12云智能平台

云智能平台由云智能中枢与公共服务平台组成，云智能中枢依据公共服务平台提出的云智能服务请求，提供相應的云智能服务。比如，Shapeways公司和Ponoko公司均搭建了相应的3D打印云智能交流平台。

121云智能中枢

云智能中枢融合云计算、大数据与物联网等新兴信息技术，为公共服务平台提供云智能服务。云计算能够统一调度网络系统中的全部资源，形成可向特定用户随时提供大数据的集中计算资源池；大数据依托云计算的分布式处理，对海量数据进行挖掘；物联网可通过信息传感设备实时采集各种需要的数据信息，这些数据信息经云计算后可获得生产和生活所需的大数据，以实现物物、物人的网络连接，便于识别、控制和管理 [5]。

122公共服务平台

公共服务平台借助云智能中枢的大数据分析功能，在需求获取、产品研发设计、产品制造、产品评价与产品消费等环节为企业与社会大众提供动态交互服务，进而实现消费者个性化需求同企业制造能力的实时对接。云智能中枢的大数据获取和分析功能为公共服务平台提供了利用大数据考察各类问题的智能化手段，从而能够及时地掌握社会需求。搜索与众包是公共服务平台的关键手段，企业通过众包的方式有效地完成产品的提出、设计和评价等任务，而消费者可以通过搜索的方式寻求能够满足自己需要的3D打印原材料和制造企业 [6]。

13分布式制造

分布式制造（Distributed Manufacturing，DM）是指具有不同生产规模和能力的、处于不同地域上的制造商建立合作关系，提供能够快速响应市场需求的产品或服务。分布式制造的思想与3D打印所具有的个性化制造、单件或小批量制造、精确地点制造等特征相吻合，能够解决3D打印行业当前在资源配置、设备利用、制造服务与个性化定制等方面存在的问题。例如，3D Systems公司采用分布式制造模式以社区为单元共用一台3D打印机，优化了资源配置，提高了设备利用率，取得了良好的经营绩效。

2管理特征

依据表1可以归纳出3D打印分布式智能制造模式与传统制造模式的主要差异（见表2），进而可从价值实现的视角出发，揭示3D打印分布式智能制造模式的管理特征。

21社会制造的生产方式

传统的生产方式剥夺了社会大众参与产品设计和制造的权利和能力。随着新兴信息技术不断发展，3D打印与软件制造技术的不断进步，人们将进入社会制造时代[6]。在社会制造时代，企业可以借助于云智能平台，依托技术创新和管理创新，以最快的速度提供符合市场个性化需求的产品。基本流程为：企业通过大数据分析获取需求信息→企业通过搜索和众包方式吸引网络社会大众中的创新者参与创新→消费者通过搜索的方式选择原材料与3D 打印工厂→消费者通过众包的方式将产品制造业务外包给选定的3D 打印工厂，而后将需求发给工厂→工厂在确定制造方案可行性后把产品打印出来配送给消费者。例如，Shapeways公司就采用了社会制造的生产方式。

22以消费者为中心的产品民主设计模式

在传统制造模式下，产品设计被专业设计师主导，消费者个性化和差异化需求被压制，且这种“以企业为中心”的产品设计模式的设计周期较长。在3D打印分布式智能制造模式下，借助于公共服务平台，由网络社会大众中的创新者与专业设计师共同设计出符合消费者个性化需求的产品，形成一种以“消费者为中心”的产品民主设计模式。例如，Quirky公司就采用了以消费者为中心的产品民主设计模式，参加这一过程的网络社会大众中的创新者可获得高额回报。

23社会大众参与产品制造的全价值链模式

社会大众无法参与产品的制造过程是传统价值链模式的主要缺陷。因此，要鼓励社会大众参与产品制造的全过程，必须重构3D打印分布式智能制造模式下的价值链体系，向客户提供全价值链解决方案——即借助云智能平台的大数据分析功能和公共服务功能，主动、及时地将消费者个性化定制需求与3D打印制造能力有机地衔接起来，通过搜索和众包方式让社会大众充分参与产品设计、评价、制造的全过程，实现个性化和实时化的高效生产和消费模式，以Pareto改进为标准达成企业盈利与消费者利益最大化的目标。例如，3D Systems向客户提供全价值链解决方案，并着力打造让社会大众参与产品设计、评价、制造全过程的线上平台。

24线上到线下的商业模式

3D打印企业只有通过商业模式创新实现商业化，才能不断获取竞争优势，带来满意的利润 [7，8]，即3D打印技术创新与商业模式创新的结合是企业获取价值的保障[9，10]。因此，开发出符合3D打印分布式智能制造模式特征、具有核心竞争力的商业模式是3D打印企业的当务之急。实践表明，线上到线下（Online to Offline，O2O）商业模式得到了3D打印企业的普遍认同和广泛采用。该模式将线上云智能平台与线下实体体验店有机结合，为消费者提供个性化定制服务。例如，FabCafe就采用了O2O的商业模式。

3模式创新

此部分首先提出传统集中智能制造参照模式。在此基础上，依据3D打印分布式智能制造模式的关键要素和管理特征，分别提出基于价值链整体解决方案的3D打印分布式智能制造创新模式、基于跨界平台服务的3D打印分布式智能制造创新模式。

31传统集中智能制造参照模式

将云智能平台嵌入传统集中制造模式①

，可开发出传统集中智能制造模式，如图1所示。该制造模式的主要创新之处是对传统大规模集中制造模式进行智能化升级改造，这样企业便可利用云智能平台高效整合所有关联生产资源，制造出能够满足目标市场共性需求的产品，从而提升企业的运营效率和竞争力。例如，在集团企业方面，航天科工集团采用传统集中智能制造模式有效解决了资源配置不合理、复杂产品研究开发周期长等问题，实现了制造能力与制造资源的高效整合，提高了制造能力和资源利用率，降低了制造成本，提升了竞争力；在中小企业方面，广东省东莞市利用传统集中智能制造模式支持产业集群内的中小企业协作，有效解决了产业集群内中小企业间关联度不高、资源浪费和闲置、制造设施重复建设等问题，从而优化了产业结构，整合了产业集群内的资源[5]。

然而，传统集中智能制造模式尚存在一些缺陷：首先，采用“以企业为中心”的专业设计师主导的产品设计模式，该设计模式难以准确把握消费者的需求；其次，采取模具铸造和机械化加工等硬件制造方法，其造型能力有限，难以实现宏微结构一体化制造和复杂结构制造[4]。再次，采用系统化的产品物流与仓储设施，产品制造后需要运送到各地，会消耗大量人财物。最后，采用大规模集中制造的生产方式，企业与社会大众在产品设计、产品制造、产品消费等环节的动态交互显得无足轻重，消费者因为没有更多选择只能被动接受产品，难以满足消费者的个性化需求。

32全价值链整体解决方案下的3D打印分布式智能制造创新模式

对传统集中智能制造模式作进一步改进，可以开发出全价值链整体解决方案下的3D打印分布式智能制造创新模式（见图2），与前者相比该模式有如下发展：首先，3D打印分布式制造代替了大规模集中制造；其次，系统化的产品物流转变为最后一公里产品物流；第三，零部件供应企业和产品库存消失；最后，通过搜索和众包的方式，网络社会大众中的创新者可充分参与企业创新。

由图2可知，该创新模式可以有效克服传统集中智能制造参照模式的缺陷：首先，采用3D打印制造技术，降低了单件小批量产品制造、复杂结构产品制造的成本；其次，采用以消费者为中心的产品民主设计模式，通过搜索与众包方式，网络社会大众中的创新者可参与企业创新，共同设计出能够充分满足消费者个性化需求的产品；第三，采用社会大众参与产品制造的全价值链模式，有效衔接了消费者的个性化需求与企业的制造能力；最后，采用分布式制造模式，可有效解决3D打印目前存在的打印速度慢、难以批量制造等问题。例如，实力雄厚的大企业3D Systems公司就采用了该创新模式。

33跨界平台服务模式下的3D打印分布式智能制造创新模式

随着大数据、物联网、云计算等新兴信息技术深度融入各行业，企业的边界变得模糊，这种趋势将深刻影响企业的制造模式，甚至重构其企业文化和组织结构[12]。在这一情景下，企业管理者将会发现更多跨越领域进行合作的创新机会，这就是跨界的基本思想[13]。基于此，对全价值链整体解决方案下的3D打印分布式智能制造创新模式作进一步改进，可开发出跨界平台服务模式下的3D打印分布式智能制造创新模式，如图3所示。与前者相比，该创新模式有如下变化。首先，虚拟控制决策中心①

替代了实际的企业管理决策中心；其次，由C2B2C的两面市场模型取代了C2B的价值链模型。第三，由工商一体化的产品自制转变为外包产品制造业务。

在基于跨界平台服务的3D打印分布式智能制造创新模式下，实力雄厚的大企业将转变为平台型虚拟企业以实现跨行业混合经营，否则就会因为难以准确找到自己的竞争对手和目标消费者而出现经营困难，甚至破产；小企业则可利用其大企业所不具备的灵活性优势，借助于开放的云智能平台展开业务经营，极大降低了与大企业竞争的门槛。例如，Shapeways公司就采用了跨界平台服务模式下的3D打印分布式智能制造创新模式。

4结论与建议

在我国大力推进3D打印这一战略性新兴产业发展的大背景下，本文采用大量案例总结与文献分析相结合的研究方法，识别并刻画了3D打印分布式智能制造模式的关键要素，揭示了3D打印分布式智能制造模式的管理特征，基于传统集中智能制造参照模式提出了全价值链整体解决方案下的3D打印分布式智能制造创新模式、跨界平台服务模式下的3D打印分布式智能制造创新模式。研究成果能够为促进我国传统制造业的升级改造、推动我国3D打印智能制造模式创新提供重要的理论支撑与决策借鉴。

然而，3D打印分布式智能制造模式创新不是一蹴而就的，需要依靠官学商的共同努力。基于此，本文给出如下政策建议：（1）科研投入。3D打印分布式智能制造模式的发展要依托技术创新和管理创新。国家应加大对材料技术、新興信息技术、打印装备、软件技术、组织和管理创新等关键领域的科研资金投入力度，重点扶持新兴信息技术与3D打印制造技术融合的交叉领域研究，鼓励经济管理学者对3D打印制造技术领域的管理创新进行探索性研究。（2）产业链规划。3D打印分布式智能制造模式创新将催生新的产业链形态，这需要完善的供应商、服务商和市场平台体系，包含工业设计机构、3D数字化技术提供商、3D打印机及耗材提供商、3D打印设备经销商、3D打印服务商、第三方检测验证支持、金融支持、知识产权保护支持等等。国家应制定3D打印产业链发展规划，推进行业协会和产业联盟的建设，推动产学研协同创新、知识产权保护法案制定、技术和行业标准制定。（3）平台建设。云智能平台是3D打印分布式智能制造模式的核心要素，是一种面向行业、服务企业、对离散的社会服务资源起带动作用的公信度高、服务面广、公益与效益相结合的服务性平台。政府应主导云智能平台的建设，基本思路是政府引导、多元化投资主体、企业建设和运营[11]。（4）人才培养。3D打印制造技术的特征不仅要求从业人员掌握技术创新、组织和管理创新、服务和艺术创新等多方面的知识和能力，还应具备与不同领域的专家合作进行协同创新的能力和素质。因此，3D打印分布式智能制造模式的创新发展需要更加灵活和自由的专业人才培养模式，可采用线上线下互动配合、产学对接、实战训练的三维3D打印专业创新人才培养模式，以应对未来3D打印产业发展对人才的需求。

参考文献：

[1]卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013，42（4）：1-4.

[2]韩清池，赵国杰. 国外消费者创新研究现状与展望[J].科技管理研究， 2016， 36（5）：76-81.

[3]应怀樵，沈松，李旭杰.第三次工业革命与“软件制造”及“云智慧科技”[J].计算机测量与控制，2014，22 （3）：646-649，673.

[4]李涤尘，贺健康，田小永，等.增材制造：实现宏微结构一体化制造[J].机械工程学报，2013，49（6）：129-135.

[5]李伯虎，张霖，任磊等.云制造典型特征、关键技术与应用[J].计算机集成制造系统，2012，18（7）：1345-1356.

[6]王飞跃.从社会计算到社会制造：一场即将来临的产业革命[J].中国科学院院刊， 2012， 27（6）：658-669.

[7]Chesbrough H W. Business Model Innovation： Opportuities and Barriers[J].Long Range Planning， 2010， 43（2）：354-363.

[8]Christoph Zott， Raphael Amit， Lorenzo Massa. The Business Model： Recent Developments and Future Research[J]. Journal of Management， 2011（4）：1109-1042.

[9]Teece D J. Business Models， Business Strategy and Innovation[J]. Long Range Planning，2010，43（2）：172-194.

[10]Shou-Feng Ji， Yu-Ran Jin. Business Model Innovation under the Background of 3D Printing： Supply Chain Perspective[J].Journal of Investigative Medicine， 2014， 62（8）： 115-116.

[11]孟炯，郭春霞.生物制藥供应链公共服务管理平台体系研究[J].软科学， 2013， 27（11）：127-131.

[12]Andrew McAfee， Erik Brynjolfsson. Big Data：The Management Revolution[J]. Harvard Business Review，2012， 90（10）：60-68，128.

[13]罗珉，李亮宇.互联网时代的商业模式创新：价值创造视角[J].中国工业经济，2015，322（1）：95-107.

（责任编辑：李镜）