3D 打印制造模式与运行框架研究

王灿友，苏 秦，赵 丁

（1.长安大学人文学院，陕西西安 710064；2.西安交通大学管理学院，陕西西安 710049)

制造业作为现代经济发展的主要驱动力，是一个国家进行经济结构调整和发展方式转变的主战场［1-3］。在全球制造业经济正在从产品经济向知识经济过渡的背景下，以创新和服务为基础的制造业仍存在挑战：（1）制造企业的供应链竞争过度依赖资源投入［4］。在传统的制造模式下，制造车间通过流水线作业，将产品生产出来，而后通过线上、线下的销售渠道将产品配送各地，整个过程消耗大量的能源、仓储、交通、人力等资源。（2）传统的制造模式同质化竞争严重，顾客依然被置于产品和服务的被动接受的地位。比如，以大规模定制为代表的制造模式在一定程度上实现了个性化定制，但它只是基于产品模块的改装和重组，并未实现真正的定制［2-3］。而在这种新的挑战和形势下，作为“一项将要改变世界的技术”——3D 打印技术，以“个性化定制”和“社会化制造”为鲜明特征，是迎合符合制造业新一轮变革挑战的一种先进制造模式［5］。

1 制造模式演化趋势

供求关系和技术推动是制造模式发生根本变化的主要原因。在近200 年的发展历程中，制造模式经历了从手工生产和大量生产到大规模定制的转变，并朝着个性化方向发展的历程［6］，如图1 所示。

图1 制造模式演化历程

21 世纪前后，随着不断升级的消费需求与迅猛发展的生产力迅速交融，大规模定制以大量生产和个性化需求相结合的运作模式逐渐成为制造业的主流生产模式。大规模定制在兼顾企业运作效率的同时，满足了顾客个性化和多样化需要，但它仍存在缺陷：首先，在大规模定制生产方式下，企业一般将过多的精力放在产品的改进上，而忽视新产品的研究和开发，使产品难以有质的提高；其次，大规模定制模式只是基于产品模块的改装和重组，并未实现真正的定制，在很多情况下，顾客只能从一定的范围选择比较满意（而不是最满意）的产品，在某种程度上，顾客仅仅是产品和服务的被动接受者［6］。

所以，在大规模定制模式的基础上，为增强制造企业竞争力，实现企业价值增值，学者提出了“服务型制造”的概念和模式。服务型制造以顾客价值理论为基础、集一般性服务模式和传统制造模式为一体。对于服务型制造模式而言，它强调产品与服务的完美融合，并吸纳客户全程参与理念，从而实现生产性服务和服务性生产的完美融合，最终实现分散化制造资源的整合和各自核心竞争力的高度协同［7-8］。但是，这种制造模式存在不足，最重要的一点就是资金流、物料流、信息流的流动未能脱离供应链框架。对于“推式生产”或是“拉式生产”制造模式而言，物料、信息总按照一个确定的顺序和方向在供应链中依次流动，每个流程在时间和空间上都有相对清晰的边界［4］，再制造流程都会对主生产计划产生重大影响，有形资源交易的约束极大限制了生产灵活性。

此后，有学者提出“云制造”“网络化制造”等制造模式的概念，强调异地、异构制造资源的集聚和整合，试图通过共享网络将分布在不同地理位置的制造资源链接起来，进而实现制造企业制造能力和资源的共享［9-10］。但是，如果这种模式不能突破传统的“减法制造”模式［9-10］，繁琐冗长的制造过程依然会成为网络制造模式发展的障碍。当前的制造网络仍然需要具备很强的组织和协调生产过程的能力，并且依赖具有清晰界限之分的异构制造网络，否则无法集成全社会的资源节点，难以实现自组织协调和智能化互连目的［10］。在“减法制造”的约束下，制造过程的泛在网络的形成是一个非常困难的过程。当前制造网络依然需要核心制造企业有很强的组织与协调能力，多节点的网络化制造势必会造成繁琐与冗长的制造流程。更重要的是，部分制造节点有明显界限，无法高效地进行对接与融合，也就使得不同资源节点很难实现自我组织与互联。所以，在“减法制造”模式的制约下，形成制造过程的泛在网络是一个非常困难的过程。

总之，上述制造模式在很大程度上难以适应未来制造业供给端和需求端的碎片化和分散化结构，也难以突破原有的交易成本约束性，以及流通资源在时间和空间上的依赖性。

2 3D 打印及其对制造模式的影响

2.1 3D 打印技术

3D 打印，又称“增材制造”，是通过分层处理、层面制造、逐层叠加的方式获得三维立体产品［11］。相比传统制造技术，3D 打印具有快速成型、用材节约、个性定制和按需制造等特点［11-12］。从20 世纪80 年代中期概念形成至今，3D 打印技术采纳分为4个阶段：快速成型、快速模具、直接制造和家庭制造［11］。特别是在2007 年以后，随着桌面级设备（单价低于5 000 美元的设备）的兴起，顾客在家中直接创造产品变为了现实。

近30 年，3D 打印相关技术取得了快速发展，其制造原理与不同的材料和工艺结合形成了许多种类的增材制造设备，这也在汽车、航天航空、医疗、军工、电子和创意产品、艺术设计、建筑等领域得到广泛应用。3D 打印具有诱人的发展前景，也存在着巨大的挑战，诸如材料成本、产品质量和生产规模限制等，如表1 所示。

表1 3D 打印技术的优劣势及其应用领域

2.2 3D 打印对制造模式的影响

近些年，陆续有学者对3D 打印引发的制造模式变革进行了阐述，研究普遍认为，以3D 打印为代表的高端制造技术和以互联网技术为基础的制造形态将引起现阶段制造模式的变革［12-14］。上述观点阐述的依据基于制造方法原理的经济性视角，即3D 打印过程具有3 个鲜明的免费特性：免费多样性（制造不同的产品与制造同样的产品无成本差异）、免费复杂性（打印一个构造繁琐的精密产品与打印一个简单塑料方块同样便宜）和免费柔性（想要在生产过程开始后改变生产的产品仅需对程序进行相应的改变）［14］。在计算机辅助设计、计算机辅助制造、全息扫描等数字技术及互联网信息技术的帮助下，3D 打印将基于这3 个免费特性重构现有制造模式。

免费多样性将有助于释放消费者个性化需求表达空间。此特征使得消费者个性化需求可以脱离生产流程与设备的束缚，并使得企业在处理个性化需求时可以忽略不计成本差异，任何可以在数字化虚拟环境中成功实现的产品都将进入顾客选择的可行域。传统制造模式的创新设计环节的出发点和立足点必须顾及后续制造水平，而3D 打印制造模式突破创新设计环节的束缚，大大扩展了工业设计的创意空间。

免费复杂性将最大程度降低生产过程对人员素质的要求。人力资源的素质所造成的误差将被彻底从制造系统中移除，极大地提高了系统可靠性。标准、统一的处理过程更是让传统制造模式中复杂生产设备的检测和维护退化成一个单一、固定的操作流程，产品制造过程、人员操作流程、生产设备维护过程都不再以产品复杂程度为转移，顾客便可承担起相应的“生产者”或“设计者”角色，真正融入到价值创造环节。

免费柔性将极大提升生产系统对需求变化的响应速度。3D 打印制造过程中产品类型的改变只意味着设计程序的改变，中断和重启所需准备时间和成本损失与传统制造模式相比均可以忽略不计。基于虚拟技术的控制机制，使得制造过程的中断和重启不涉及任何对产品本身的操作和处理，所有更改同样被提前到了制造过程最前端，在制产品本身不必脱离制造系统即可以实现产品类型的更改。制造系统无条件接受市场端的需求变化，并在可以忽略的时间内对需求变化作出反应，实现柔性程度无限大的制造系统。

2.3 3D 打印对企业组织变革的影响

互联网时代，市场快速发展、跨界竞争激烈、用户需求多变和产品快速迭代，加剧了企业外部环境的变化进程。组织为适应外部环境变化而进行的一系列改变就是组织变革的过程［15］。以3D 打印和互联网为特征的制造模式，颠覆性改变了以往制造企业的生产组织方式、资源配置方式和价值创造方式，对组织的战略、文化、结构和作业流程等方面产生了巨大影响。制造企业传统的生产组织方式难以满足个性化需求，需依据3D 打印的免费特性和互联网特性对企业组织进行重构。而组织结构变革是企业战略转型成功的关键，组织边界的打破与重构是其中的关键［16］。

在大规模生产时代，资产专用性决定企业边界，规模经济和范围经济是主要的经济运行模式，经济效率取决于生产规模和产品多样化。此后，在批量定制时代，模块化技术突破了企业边界，资产专用性下降，垂直一体化企业被分解，企业之间的合作生产成为世界制造业生产组织的主流［15］。当今，3D 打印技术也将影响组织变革：（1）从交易成本理论来看，交易成本影响组织的边界［15］，传统制造模式需要改变或裁剪流水线才能完成定制生产，其过程依赖昂贵的设备投资和长时间的工厂停机；而3D 打印技术的免费特性使工厂可以直接创制完全不同的产品，大幅降低交易成本，延伸组织边界。（2）从制造企业视角看，由于3D 打印使“现场直接打印”变为可能，未来的制造模式很可能体现出“即时性”和“社区性”的特征，制造企业可以直接获取顾客需求信息，再通过由3D 打印设备组成的3D 打印社区网络及时进行就近制造（local fabrication），快速满足顾客需求［15］，从制造端到市场端的空间和时间间隔都显著减小。（3）从顾客视角看，3D 打印使顾客得以直接自我设计、自我制造，顾客的角色逐渐由被动接受者演变为产消者［17］。所以，未来供需双方可能融为一体，这将激活一个庞大的长尾制造市场，促使更多规模更小的创业型组织出现，从而解决开放性创新进入制造业的瓶颈。

在3D 打印制造模式下，顾客需求是未来生产的起点，顾客与企业因交互而产生的沉淀数据是进行个性化定制生产和营销的基础，也是未来企业转型的起点。这是进行个性化定制生产和营销的基础，也是未来企业转型的起点。组织需要用更加灵活的资源组织形式去匹配顾客需求［18］；需要去除“行政化”，让位于业务单元（比如某个制造社区）和个人（员工、设计师、顾客和创客）的主观能动性。企业的管理层角色定位于初始资源的分配者、规则的制定者、秩序的维护者，任务是让本企业的制造生态系统更加活跃，从而让组织生产资源能够更有效率地对接市场的主体（员工、业务单元），并且让这些主体能够更加高效地服务顾客，而不是替代他们作出决策。所以，组织体现一种平台化的形式：在大量3D 打印机形成的制造设备网络及其互联网社交平台上，各种交易规则开放、平等，各个主体之间信息不确定性得到消除，顾客通过基于互联网的社会化网络平台参与所需产品的全生命周期生产过程并获得利润和价值。在平台化的基础上，企业可大大扩充边界，形成了对接外部的无边界组织［19］。

3D 打印及互联网技术能够引发企业用户接口的开放，在顾客需求数据的驱动下实现资源的最有效配置，通过改变各主体之间的信息不对称，从而实现不断延伸组织边界的目的，这就是3D 打印引发组织变革的技术机理。

2.4 3D 打印制造模式概念模型

3D 打印以现有制造技术为支撑，并不排斥现有制造模式包括的内容和实现的形式［20］，反而可以以灵活的方式分解、重组现有制造模式。3D 打印制造模式是为了实现顾客个性化需求和资源最大化利用，通过需求共享、设计共享、打印众包、平台销售的形式协同创造企业价值和顾客价值，实现资源整合、价值增值和知识创新，达到协同创新的一种制造模式。它的核心在于“个性化定制”和“社会化制造”。

借助成熟的社交网络，企业和顾客都积极进行需求信息的互动和交流，而顾客的主权意识和个性化需求促进了顾客参与到价值创造全过程，主动参与产品的设计服务，甚至是打印服务。不论是传统的“推式生产”还是“拉式生产”，都可以成为3D打印制造系统的构成框架，组织可兼顾传统制造模式效率的同时最大程度地考虑顾客的需求，实现真正意义上的个性化定制。

在3D 打印制造模式中，生产批量并不受到机械模具的限制，可通过数字化软件技术的调整打印万物；消费者与企业可以通过在线网络随时随地地参与到社会制造流程中，使得社会需求能够有效匹配社会生产，完成“从想法到产品”目标实现，以及生活和产业中长尾效应之常态化［14］；并且，大批量单一品种生产，或小批量多品种生产，都可成为该制造模式下的常态。以3D打印为基础的，人人可参与、更加灵活、所需投入更少的生产方式，是未来社会存在的一种生产方式，即一种社会化制造形态。

3D 打印制造模式将呈现企业与顾客高度接触的特点。顾客的需求通过智能匹配的形式直接呈递给企业或设计师，而企业可通过分包的形式实现“即时制造”“本地制造”，快速满足顾客需求。以物联网、智能物流为支撑，3D 打印制造模式的集成度将不断提高，需求服务、设计服务、打印服务、销售服务的过程全部围绕着顾客进行，通过需求共享、设计共享、打印众包、就近销售的形式协同创造企业价值和顾客价值。其概念模型如图2 所示。3D 打印制造模式将顾客全程参与的理念融入到企业的价值链，通过重新定义顾客、设计师和企业的角色来实现资源整合、价值增值和知识创新，增强企业的竞争优势。

图2 3D 打印制造模式概念模型

3 3D 打印制造模式运行框架及实践

3.1 3D 打印制造模式运行框架

3D 打印制造模式的运行涉及顾客、设计师、创客/制造企业等各个方面。其运行过程源于顾客所需产品和服务，存在两个互动方式，一是顾客主动将所需产品信息以文字或数据格式的文件提供给设计师或制造企业，二是设计师、创客或企业敏锐捕捉市场需求信息，与顾客频繁交流互动并主动提供可选择的产品设计信息，整个过程通过需求匹配的途径来实现产品的个性化要求；经过重重筛选的设计师方案将是在最大程度上满足顾客需求的产品设计方案，并最终传递给相应的制造企业（甚至是创客个体）进行制造匹配，此后企业将根据顾客的位置信息和制造需求信息，选择就近和合适的3D 打印网络社区进行制造，实现“社会化制造”过程，最大程度减少或避免供应链中间环节的库存和配送环节；最后，顾客根据一定的评价标准将信息反馈给企业，而在产品回收过程中，如果合适，也可交由就近的3D 打印网络社区进行重复利用，实现产品的绿色制造。基于此，本文提出的3D 打印制造模式运行框架如图3 所示。在未来的发展中，3D 打印制造模式将以3D 打印网络社区为基本组成单元，通过顾客、设计师和企业的不断交流和匹配，形成大规模的社会化制造网络体系。

图3 3D 打印制造模式运行框架

与其他制造模式相比，企业遵循该框架运行其业务过程时体现的运行特征有：

（1）延伸创新边界，各角色将重新定位。由图2 可知，顾客也可自行设计，将设计方案展示在互联网设计平台，所以，顾客1 也可以是顾客2 的“设计师”。而如果顾客拥有3D 打印机并入驻某一企业的3D 打印网络社区平台，且企业制造需求结果与之匹配，则顾客可以实现企业的制造过程外包活动。

（2）产品制造和服务的高度协同。传统的供应链、工厂及销售网络的直线型价值组织方式会逐渐联网，生产资料提供方不一定需要按照单一的合同供货方式给特定的工厂供货，顾客不一定需要从特定的工厂获得服务，顾客可以通过一个销售平台选择自己的个性化产品设计模型，然后制造企业将根据各种生产资料及交付地点，通过智能匹配形式实现原材料、生产及销售过程。

（3）企业资源高度集成。在3D 打印网络社区平台的“互联工厂”运作下，企业要实现纵向集成使之具备很强的柔性生产能力，需要整合大量的供应链资源来提供个性化的产品及服务，以满足顾客个性化需求。基于数据交流的跨产业链的信息共享可实现高度网络化，不同产业链之间可进行统一的数据交互，相互之间的协同创新能力将大大提升，这样会产生大量的创新商业模式，向顾客提供创新的产品解决方案。

（4）大众创业、万众创新。大数据、云计算、物联网等先进技术的发展为3D 打印制造模式形成提供了进一步可能空间，将有助于3D 打印个性化定制服务生态系统的形成。设计师、企业或顾客将各种创新设计方案展示在平台上，顾客可自由选择需要的产品，在打印社区或家里就近制造，从而实现万物互联、万物打印。

3.2 3D 打印制造模式产业实践——以Shapeways 为例

Shapeways 公司于2007 年成立，是荷兰的一家创新制造公司，主要提供3D 打印设计平台、产品打印和配送服务。在其“未来工厂”里，大量3D 打印机组成制造网络，通过互联网接受客户的各种产品三维设计方案，在完成产品生产之后邮寄到顾客手中；用户（包含顾客和设计师）还可以通过其提供的网络社区平台，分享和出售自己的3D 产品模型或3D 打印产品。截止到2014 年，Shapeways 公司月均订单已超过18.1 万件，开设了23 000 多个设计师商店，成为全球第一在线3D 打印社区。

Shapeways 公司3D 打印平台运行框架如图4 所示，主要包含三大板块：第一，商铺板块。该板块包括配件、珠宝、家用装饰品、玩具、礼物等多个类别。公司鼓励设计师在该平台开设店铺，展示并出售3D 打印设计方案或实物产品，当顾客购买这些3D 打印设计方案或实物产品后，公司为店主进行3D 打印产品的制作和配送，与设计者按照一定比例分配产品出售所得。第二，设计板块。该板块主要为设计师和用户上传文件设置，整个操作流程为作品设计、作品上传、通过检测、上传成功、对产品进行标价、进入商铺平台进行售卖。第三，销售模块。顾客在此模块创建自己的商铺，将作品上传至商铺，设定价格，通过此模块售卖产品。此外，Shapeways公司还通过建立社交论坛，帮助顾客、设计师和商家形成良好的交互和反馈机制，建立一个融合顾客、设计师、商家的3D 打印生态系统来培育企业核心竞争力。

图4 Shapeways 公司3D 打印平台运行框架

当然，基于技术等各方面原因，Shapeways 公司的3D 打印平台还存在诸多不足，比如产品设计只能局限于有限种类的材料；功能性零件或产品制造生产较少；订单只能由Shapeways 公司进行打印，没有充分发挥就近制造优势。但不可否认，3D 打印个性化定制与社会化制造统一的制造模式雏形初步形成，必将成为拉动经济发展的重要驱动力。

4 结论

目前，很多国家尝试启动“再工业化”“制造业回归”计划，力求打造新一轮的制造竞争优势。本文探讨的3D 打印制造模式以灵活的方式分解、重组现有制造模式，其“个性化定制”和“社会化制造”的特征展示优于传统制造模式的可能空间，体现出未来制造模式演化的重要方向。随着3D 打印制造模式的日趋成熟，它将不断推进我国经济结构的战略调整，成为未来经济的重要增长极。

对政府而言，可从以下3 个方面扶持3D 打印产业化发展：（1）加强技术创新培育。首先，完善自主创新平台建设，做好基础研究与共性技术研究工作，并对应用研究与开发、技术转移搭建沟通渠道；其次，以加大财政支持和人才培育为主要手段，实施重点领域、重点示范、重点专项计划，以此引导3D 打印技术走向市场化。（2）激发潜在市场需求。可从三方面完善措施，包括制定规则制度与技术标准，规范市场秩序；完善政府财税信贷政策，创造利基市场；培育领先市场，形成本地产业优势。（3）建设服务保障体系。在加强组织领导的基础上，完善金融支持并提供相关技术保障等。