基于3D打印技术的郑州市制造业智能化升级

白金鑫 程文亮

摘 要：“智能制造”是郑州制造业未来发展的趋势。本文对3D打印与智能制造进行了理论阐述，分析了3D打印在郑州制造业的应用现状，研究了3D打印引领郑州制造业转型升级时遇到的问题，同时对3D打印技术对于郑州制造业智能化升级策略进行探讨。

关键词：3D打印 郑州市制造业 智能化升级

制造业是郑州经济的发展支柱，制造业发展水平直接影响了郑州经济发展的方方面面。郑州的传统制造业面临着升级与转型，智能制造将会带来更好的机遇和变革。3D打印在“智能制造”的加持下与大数据、云计算等其他先进技术融合进而成为智能制造平台上的某个部分，将3D打印和郑州本土制造业进行高效融合，能够保障制造业更好更快地完成升级转型。

一、3D打印与智能制造

3D打印网络联盟3DHubs发布的权威数据显示，3D打印近五分之三的市场被美国的Stratasys和英国研发团队RepRap以及荷兰的Ultimaker占据，欧美国家几乎占据了绝大部分的市场。

中国3D打印技术从起步到现在经历了20多年的发展，先期的研究是欧美国家主导的，3D打印技术发展主要集中在欧美国家，包括中国在内其他区域则占很小的比例。在技术的层面来说，国内外相差无几，都属于不太成熟的起步阶段。在商业角度上看，2014年3D打印市场全球范围规模大约在40亿美元，中国仅有3亿美元，占比约为7.5%。在2018年全球范围规模达到了80亿美元，中国占到了22.5亿美元，占比28%。可以看出，四年间中国3D打印技术市场发展得非常迅速，市场规模的崛起速度位居世界前列。

根据三迪时空最新发布的相关报告显示，目前在其网站平台上注册的3D打印企业超过980家，根据调研情况来看，多数处于亏损或盈亏平衡的状态，目前的整体市场增长率大约为30%-40%。截至目前，我国3D打印行业还没有制定一个明确的行业标准[1]。

目前郑州制造业存在缺乏核心技术企业，创新创造能力不足，高新技术人才缺失，轻工业利润较低等问题，郑州传统制造业赖以生存的成本较低、资源丰富和消费市场巨大等优势已日渐式微，交通优势并不足以支撑郑州地区制造业实现长久发展，因此急需加快制造业的升级转型之路。

智能制造，也被称为人机一体化智能系统，包括智能制造技术和制造系统，它不但能自己充实知识库，还具有自主学习功能，能搜集与理解环境信息和自身信息，拥有进行分析判断和规划自身行为的能力。“智能制造”是信息技术与互联网技术的深度渗透，是世界现代工业化的制造潮流[2]。

综合国内外制造业行业未来趋势和前景，“智能制造”将是郑州制造业未来发展的必然趋势，是传统产业转型升级的基本方向。

二、3D打印在郑州制造业的应用

我国3D打印市场规模的不断扩大，人才的不断涌现，是郑州市制造业升级转型和3D打印的发展最有效的推动力[3]，郑州市政府对于3D打印技术愈来愈重视。

首先，3D打印技术在郑州制造业中的应用环节非常广泛，工业制造的设计研究环节、艺术创作环节等。3D打印既然被称为“增材制造”，那么传统制造业也可以称作“减材制造”。举例来说，郑州本地有宇通汽车、黎明重工等一大批知名机械化制造企业，以及较多的医疗器械生产厂家，这些企业的研发和零件精加工以及产品研发都可以应用3D打印技术。以螺栓为例，传统制造通过去除材料将毛坯加工成成品，材料浪费大约在15%-20%，如果大批量生产，对企业来说是很大的成本支出。但3D打印是在电脑技术信息的基础上，通过增材加工而成，直接将成品制造出来，大大节约了原材料，在成本控制方面将大大提高。

其次，3D打印技术在医学医疗设备制造上应用前景广阔。3D打印技术跟医疗行业有天然的结合度，人体的骨骼、关节和器官都非常复杂，而且个体之间有明显差异，传统方法很难做到完全适配，而3D打印正好可以通过扫描建模可以得到精确地数字化模型，继而打印得到精确地医用实物产品。郑大一附院作为国内数一数二的医院，也是较早在医学上使用3D打印技术与医疗技术结合来进行了研究和应用。

但是，3D打印在郑州地区来说相对还是高新技术小众行业。现在有关的应用数据还比较少，根据天眼查相关数据显示，整个郑州地区大概有40-50家企业是以3D打印为主注册的企业或个体户，数量较少。就目前來看，小型体积、广泛应用于家庭和小型单位的民用级桌面3D打印设备应用较多。郑州开设的有几家3D打印照相馆，可以通过3D打印将平面的全家福照片直接“打印”成一个立体的3D人物模型。

总体来说，桌面级3D打印因为技术壁垒低，相对价格较低，民用应用广泛，有一定的市场占有率，但工业化级3D打印技术仍有很大市场空白。郑州地区很多制造业核心技术缺乏，技术创新不够，加之很多企业缺乏资本力量的支持，资金体量较少，因此3D打印市场的应用相对狭窄，工业化应用还不是很广泛。

三、3D打印引领郑州制造业转型升级遇到的障碍

（一）技术兼容问题

基于材料种类的特殊性和稀缺性，使得3D打印难以完全适应工业化生产中所需的各种各样的材料的打印，技术发展水平和当下工业规模化生产还不能完全匹配，规模化生产还不具备优势。以目前的发展来看，技术与规模化生产还没法完全兼容，3D打印技术短时间内也无法替代传统制造业，在大批量、规模化制造等一些方面，相对高效且成本较低的传统减材制造法更胜一筹。生产制造企业在3D打印技术引入生产时，无法大规模生产加工，贸然使用3D打印技术必然会对原有产品线造成干扰。郑州制造业发展到今天，有一套自己的工业化体系，作为老工业基地，轻工业是郑州得以立足的根本，重工业是发展的推动器，想要使整个行业转换思路，改变这些运转多年的生产方式，目前还很困难。

（二）材料成本和人才短缺问题

3D打印存在着材料限制和打印效率低的问题，在工业化应用中就会提高企业的成本。可制造效率低但生产成本高，在实际生产中会影响企业运行。企业存在的目的就是利润，过高的成本如果没有相应的市场支撑，则会丧失一定的性价比竞争力。除了材料，目前最大的问题就是3D打印相关技术人才缺失，这会使郑州对于该项技术应用面临较大瓶颈。同时，郑州乃至河南省内的很多高校目前这方面的教育和科研水平相对较低，对3D打印技术的教育问题还不够重视，许多在外面学习到技术的人才又因为郑州3D打印不成规模不愿意回来，造成本地相关人才非常短缺。目前郑州正处于制造业加快供给侧结构性改革中，市场已逐渐转向消费者主导。对个性化定制化产品的需求会有很大的市场空间，这是3D打印引领制造业发展的大好时机，但是相关行业人才缺失会对制造业转型升级就会造成阻碍。

（三）技术版权问题

目前和3D打印技術相关的法律法规还相对较少，还很不完善，3D打印技术不断的推广会带来一些专利权的问题，会出现一些没有专利的仿制品。比如说当某个人看到一个产品时因为一些原因你不能将它收入囊中，想方设法获得该产品的数据信息，然后通过3D打印便很容易的将“它”制造出来，但该产品实质上是侵权的，无效的。3D打印和克隆技术有相似之处，因此，在工业制造化转型升级的变革当中，不可避免地会出现侵犯专利权，其他企业的知识版权遭到损失等情况[4]。

四、基于3D打印技术的郑州市制造业智能化升级对策

（一）加大技术政策支持

郑州对于3D打印技术出台的政策和法规还很少，相关规范条例还无法完全应对日常需要。科学技术的发展相对加快，法律法规更新稍微会有迟滞。郑州乃至中国3D打印技术的发展已经越来越快，但目前市场不够规范，比如专利侵权的问题，盗版猖獗的问题，对于技术使用没有很好的规范或约束等问题一直在阻碍市场发展。严重影响了3D打印市场的铺局以及阻碍制造业变革的速度和质量。因此，政策法规的及时出台就显得尤为重要。

郑州市政府应该颁布相关规范条例，完善3D打印工业的生存环境，同时，政府部门要组建一个3D打印专门技术小组，负责考察市场，观察市场动向，找出发展纰漏和专利侵权等问题，加以研究，再咨询不同部门类别的专门技术人员，然后在根据对郑州本地工业发展规律和3D打印技术发展的程度，制定出一个最符合本地技术发展的法规文件。

（二）培养3D打印相关人才

技术发展的动力源泉的核心就是人才储备。加大3D打印技术研发的投入力度，划拨专门款项，高新聘请省内外或者国内外相关技术高端人才，在高校增加相应课程和建立3D打印相关的实验室，加大研究力度，扶持相关产业研究，加大人才培养力度。比如郑大和河大作为河南的头部学校，在多学科都有较高的影响，相关部门应该在这些高校建立专门研究机构，拨发专门款项引进国内外知名教师和相关高端人才，培养相关高端技术人才。

高校要合理增加安排3D打印工业相关技术课程，积极开展相关工业实践活动，增加学生对技术知识的兴趣和了解。同时，其他河南省内高校也应该更加重视3D打印技术相关的课程，适当增加一些相关工业课程，开展相关研究。要在教育上对3D打印优先重视，培养出本省高端技术人才，填补人才缺失漏洞。

（三）完善行业规范机制

3D打印技术因为工具、冲模、固定装置和夹具等类似产品的开发难度较小，所以尝试进行产品逆向工程设计的竞争者会对某些热门产品进行模仿研发。这可能会使大量的知识产权蒙受损失。因此，郑州市政府要大力研究行业规则和运行方式，完善行业规范机制，设立一个行业制造标准和流程，尽可能地减少企业知识产权和专利权的损失。从事3D打印相关技术工业的企业，可以在政府倡议领导的基础上，成立一个郑州市3D打印技术工业联盟。联盟里的成员不仅可以互相技术分享，互通最新信息，互相帮助发展，还可以建立行业规范或者行业规矩，规范行业发展，使该行业发展有一个“规矩”，帮助相关技术行业健康良性发展。同时，相关部门部委要对3D打印行业有充足的了解，要为3D打印工业制定一个适合而又严格的行业验收标准，要尽量减少不合格的产品充斥市场等不规范情况，要详细考虑行业发展程度，制定一个最适合行业技术发展的制度标准。

（四）制造企业要灵活运用3D打印技术

大规模化的车间生产制造是目前3D打印技术还无法攻克的难题之一。企业要学会灵活运用3D打印技术，探索出3D打印在哪些制造环节上适用，哪些不适用，不需要现在将3D打印就应用于规模化生产，而是扬长避短，将3D打印应用于适合该技术特点的生产制造方面或者小型生产。比如对钛合金等贵重金属使用较多的医疗器械和航空航天等企业，钛合金作为一种贵重金属以及重要的工业原料，对于加工制作有着很高的需求，但传统制造业在加工此类金属时，往往有很大的材料浪费情况。尤其在飞机上使用较多的钛合金大型整体构件的加工程序中，最后要对锻造好的毛坯件进行大量切削加工，要切掉近90%的材料才能得到成品，非常浪费材料。因此，这些企业就很适合3D打印技术，要将3D打印首先应用于这些生产制造中，既可以对制造生产进行升级，也可以在传统制造的平台上继续发展3D技术，在实践中发展，在发展中实践。

智能制造背景下的3D打印将是郑州传统制造行业进行的一次大洗牌，将会让郑州制造业重塑新生，这是制造业发展的潮流趋势，是郑州迈入中高端制造行列的绝好机遇，也是制造业迈入新时代的大好时机。

参考文献：

[1]罗军.3D打印3.0时代[M].;东方出版社，2017.

[2]周雨程.3D打印对机械制造及自动化的影响[J].电子技术与软件工程，2019（06）.

〔本文系河南省软科学研究项目“基于创新驱动的河南省小微企业产业智能化升级模式与路径研究”（项目编号：202400410126）;南阳师范学院2013专项研究项目“基于TRIZ理论的企业自主创新研究”阶段性成果〕

〔白金鑫、程文亮（通讯作者），南阳师范学院经济与管理学院〕