基于3D打印技術(shù)的鄭州市制造業(yè)智能化升級

白金鑫 程文亮

摘 要：“智能制造”是鄭州制造業(yè)未來發(fā)展的趨勢。本文對3D打印與智能制造進(jìn)行了理論闡述，分析了3D打印在鄭州制造業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，研究了3D打印引領(lǐng)鄭州制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級時遇到的問題，同時對3D打印技術(shù)對于鄭州制造業(yè)智能化升級策略進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：3D打印 鄭州市制造業(yè) 智能化升級

制造業(yè)是鄭州經(jīng)濟(jì)的發(fā)展支柱，制造業(yè)發(fā)展水平直接影響了鄭州經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方方面面。鄭州的傳統(tǒng)制造業(yè)面臨著升級與轉(zhuǎn)型，智能制造將會帶來更好的機(jī)遇和變革。3D打印在“智能制造”的加持下與大數(shù)據(jù)、云計算等其他先進(jìn)技術(shù)融合進(jìn)而成為智能制造平臺上的某個部分，將3D打印和鄭州本土制造業(yè)進(jìn)行高效融合，能夠保障制造業(yè)更好更快地完成升級轉(zhuǎn)型。

一、3D打印與智能制造

3D打印網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟3DHubs發(fā)布的權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，3D打印近五分之三的市場被美國的Stratasys和英國研發(fā)團(tuán)隊RepRap以及荷蘭的Ultimaker占據(jù)，歐美國家?guī)缀跽紦?jù)了絕大部分的市場。

中國3D打印技術(shù)從起步到現(xiàn)在經(jīng)歷了20多年的發(fā)展，先期的研究是歐美國家主導(dǎo)的，3D打印技術(shù)發(fā)展主要集中在歐美國家，包括中國在內(nèi)其他區(qū)域則占很小的比例。在技術(shù)的層面來說，國內(nèi)外相差無幾，都屬于不太成熟的起步階段。在商業(yè)角度上看，2014年3D打印市場全球范圍規(guī)模大約在40億美元，中國僅有3億美元，占比約為7.5%。在2018年全球范圍規(guī)模達(dá)到了80億美元，中國占到了22.5億美元，占比28%?？梢钥闯?，四年間中國3D打印技術(shù)市場發(fā)展得非常迅速，市場規(guī)模的崛起速度位居世界前列。

根據(jù)三迪時空最新發(fā)布的相關(guān)報告顯示，目前在其網(wǎng)站平臺上注冊的3D打印企業(yè)超過980家，根據(jù)調(diào)研情況來看，多數(shù)處于虧損或盈虧平衡的狀態(tài)，目前的整體市場增長率大約為30%-40%。截至目前，我國3D打印行業(yè)還沒有制定一個明確的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

目前鄭州制造業(yè)存在缺乏核心技術(shù)企業(yè)，創(chuàng)新創(chuàng)造能力不足，高新技術(shù)人才缺失，輕工業(yè)利潤較低等問題，鄭州傳統(tǒng)制造業(yè)賴以生存的成本較低、資源豐富和消費(fèi)市場巨大等優(yōu)勢已日漸式微，交通優(yōu)勢并不足以支撐鄭州地區(qū)制造業(yè)實現(xiàn)長久發(fā)展，因此急需加快制造業(yè)的升級轉(zhuǎn)型之路。

智能制造，也被稱為人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，包括智能制造技術(shù)和制造系統(tǒng)，它不但能自己充實知識庫，還具有自主學(xué)習(xí)功能，能搜集與理解環(huán)境信息和自身信息，擁有進(jìn)行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力?！爸悄苤圃臁笔切畔⒓夹g(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度滲透，是世界現(xiàn)代工業(yè)化的制造潮流[2]。

綜合國內(nèi)外制造業(yè)行業(yè)未來趨勢和前景，“智能制造”將是鄭州制造業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢，是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的基本方向。

二、3D打印在鄭州制造業(yè)的應(yīng)用

我國3D打印市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人才的不斷涌現(xiàn)，是鄭州市制造業(yè)升級轉(zhuǎn)型和3D打印的發(fā)展最有效的推動力[3]，鄭州市政府對于3D打印技術(shù)愈來愈重視。

首先，3D打印技術(shù)在鄭州制造業(yè)中的應(yīng)用環(huán)節(jié)非常廣泛，工業(yè)制造的設(shè)計研究環(huán)節(jié)、藝術(shù)創(chuàng)作環(huán)節(jié)等。3D打印既然被稱為“增材制造”，那么傳統(tǒng)制造業(yè)也可以稱作“減材制造”。舉例來說，鄭州本地有宇通汽車、黎明重工等一大批知名機(jī)械化制造企業(yè)，以及較多的醫(yī)療器械生產(chǎn)廠家，這些企業(yè)的研發(fā)和零件精加工以及產(chǎn)品研發(fā)都可以應(yīng)用3D打印技術(shù)。以螺栓為例，傳統(tǒng)制造通過去除材料將毛坯加工成成品，材料浪費(fèi)大約在15%-20%，如果大批量生產(chǎn)，對企業(yè)來說是很大的成本支出。但3D打印是在電腦技術(shù)信息的基礎(chǔ)上，通過增材加工而成，直接將成品制造出來，大大節(jié)約了原材料，在成本控制方面將大大提高。

其次，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)醫(yī)療設(shè)備制造上應(yīng)用前景廣闊。3D打印技術(shù)跟醫(yī)療行業(yè)有天然的結(jié)合度，人體的骨骼、關(guān)節(jié)和器官都非常復(fù)雜，而且個體之間有明顯差異，傳統(tǒng)方法很難做到完全適配，而3D打印正好可以通過掃描建?？梢缘玫骄_地數(shù)字化模型，繼而打印得到精確地醫(yī)用實物產(chǎn)品。鄭大一附院作為國內(nèi)數(shù)一數(shù)二的醫(yī)院，也是較早在醫(yī)學(xué)上使用3D打印技術(shù)與醫(yī)療技術(shù)結(jié)合來進(jìn)行了研究和應(yīng)用。

但是，3D打印在鄭州地區(qū)來說相對還是高新技術(shù)小眾行業(yè)?，F(xiàn)在有關(guān)的應(yīng)用數(shù)據(jù)還比較少，根據(jù)天眼查相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，整個鄭州地區(qū)大概有40-50家企業(yè)是以3D打印為主注冊的企業(yè)或個體戶，數(shù)量較少。就目前來看，小型體積、廣泛應(yīng)用于家庭和小型單位的民用級桌面3D打印設(shè)備應(yīng)用較多。鄭州開設(shè)的有幾家3D打印照相館，可以通過3D打印將平面的全家福照片直接“打印”成一個立體的3D人物模型。

總體來說，桌面級3D打印因為技術(shù)壁壘低，相對價格較低，民用應(yīng)用廣泛，有一定的市場占有率，但工業(yè)化級3D打印技術(shù)仍有很大市場空白。鄭州地區(qū)很多制造業(yè)核心技術(shù)缺乏，技術(shù)創(chuàng)新不夠，加之很多企業(yè)缺乏資本力量的支持，資金體量較少，因此3D打印市場的應(yīng)用相對狹窄，工業(yè)化應(yīng)用還不是很廣泛。

三、3D打印引領(lǐng)鄭州制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級遇到的障礙

（一）技術(shù)兼容問題

基于材料種類的特殊性和稀缺性，使得3D打印難以完全適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)中所需的各種各樣的材料的打印，技術(shù)發(fā)展水平和當(dāng)下工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)還不能完全匹配，規(guī)?；a(chǎn)還不具備優(yōu)勢。以目前的發(fā)展來看，技術(shù)與規(guī)?；a(chǎn)還沒法完全兼容，3D打印技術(shù)短時間內(nèi)也無法替代傳統(tǒng)制造業(yè)，在大批量、規(guī)模化制造等一些方面，相對高效且成本較低的傳統(tǒng)減材制造法更勝一籌。生產(chǎn)制造企業(yè)在3D打印技術(shù)引入生產(chǎn)時，無法大規(guī)模生產(chǎn)加工，貿(mào)然使用3D打印技術(shù)必然會對原有產(chǎn)品線造成干擾。鄭州制造業(yè)發(fā)展到今天，有一套自己的工業(yè)化體系，作為老工業(yè)基地，輕工業(yè)是鄭州得以立足的根本，重工業(yè)是發(fā)展的推動器，想要使整個行業(yè)轉(zhuǎn)換思路，改變這些運(yùn)轉(zhuǎn)多年的生產(chǎn)方式，目前還很困難。

（二）材料成本和人才短缺問題

3D打印存在著材料限制和打印效率低的問題，在工業(yè)化應(yīng)用中就會提高企業(yè)的成本?？芍圃煨实偷a(chǎn)成本高，在實際生產(chǎn)中會影響企業(yè)運(yùn)行。企業(yè)存在的目的就是利潤，過高的成本如果沒有相應(yīng)的市場支撐，則會喪失一定的性價比競爭力。除了材料，目前最大的問題就是3D打印相關(guān)技術(shù)人才缺失，這會使鄭州對于該項技術(shù)應(yīng)用面臨較大瓶頸。同時，鄭州乃至河南省內(nèi)的很多高校目前這方面的教育和科研水平相對較低，對3D打印技術(shù)的教育問題還不夠重視，許多在外面學(xué)習(xí)到技術(shù)的人才又因為鄭州3D打印不成規(guī)模不愿意回來，造成本地相關(guān)人才非常短缺。目前鄭州正處于制造業(yè)加快供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革中，市場已逐漸轉(zhuǎn)向消費(fèi)者主導(dǎo)。對個性化定制化產(chǎn)品的需求會有很大的市場空間，這是3D打印引領(lǐng)制造業(yè)發(fā)展的大好時機(jī)，但是相關(guān)行業(yè)人才缺失會對制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級就會造成阻礙。

（三）技術(shù)版權(quán)問題

目前和3D打印技術(shù)相關(guān)的法律法規(guī)還相對較少，還很不完善，3D打印技術(shù)不斷的推廣會帶來一些專利權(quán)的問題，會出現(xiàn)一些沒有專利的仿制品。比如說當(dāng)某個人看到一個產(chǎn)品時因為一些原因你不能將它收入囊中，想方設(shè)法獲得該產(chǎn)品的數(shù)據(jù)信息，然后通過3D打印便很容易的將“它”制造出來，但該產(chǎn)品實質(zhì)上是侵權(quán)的，無效的。3D打印和克隆技術(shù)有相似之處，因此，在工業(yè)制造化轉(zhuǎn)型升級的變革當(dāng)中，不可避免地會出現(xiàn)侵犯專利權(quán)，其他企業(yè)的知識版權(quán)遭到損失等情況[4]。

四、基于3D打印技術(shù)的鄭州市制造業(yè)智能化升級對策

（一）加大技術(shù)政策支持

鄭州對于3D打印技術(shù)出臺的政策和法規(guī)還很少，相關(guān)規(guī)范條例還無法完全應(yīng)對日常需要?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展相對加快，法律法規(guī)更新稍微會有遲滯。鄭州乃至中國3D打印技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)越來越快，但目前市場不夠規(guī)范，比如專利侵權(quán)的問題，盜版猖獗的問題，對于技術(shù)使用沒有很好的規(guī)范或約束等問題一直在阻礙市場發(fā)展。嚴(yán)重影響了3D打印市場的鋪局以及阻礙制造業(yè)變革的速度和質(zhì)量。因此，政策法規(guī)的及時出臺就顯得尤為重要。

鄭州市政府應(yīng)該頒布相關(guān)規(guī)范條例，完善3D打印工業(yè)的生存環(huán)境，同時，政府部門要組建一個3D打印專門技術(shù)小組，負(fù)責(zé)考察市場，觀察市場動向，找出發(fā)展紕漏和專利侵權(quán)等問題，加以研究，再咨詢不同部門類別的專門技術(shù)人員，然后在根據(jù)對鄭州本地工業(yè)發(fā)展規(guī)律和3D打印技術(shù)發(fā)展的程度，制定出一個最符合本地技術(shù)發(fā)展的法規(guī)文件。

（二）培養(yǎng)3D打印相關(guān)人才

技術(shù)發(fā)展的動力源泉的核心就是人才儲備。加大3D打印技術(shù)研發(fā)的投入力度，劃撥專門款項，高新聘請省內(nèi)外或者國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)高端人才，在高校增加相應(yīng)課程和建立3D打印相關(guān)的實驗室，加大研究力度，扶持相關(guān)產(chǎn)業(yè)研究，加大人才培養(yǎng)力度。比如鄭大和河大作為河南的頭部學(xué)校，在多學(xué)科都有較高的影響，相關(guān)部門應(yīng)該在這些高校建立專門研究機(jī)構(gòu)，撥發(fā)專門款項引進(jìn)國內(nèi)外知名教師和相關(guān)高端人才，培養(yǎng)相關(guān)高端技術(shù)人才。

高校要合理增加安排3D打印工業(yè)相關(guān)技術(shù)課程，積極開展相關(guān)工業(yè)實踐活動，增加學(xué)生對技術(shù)知識的興趣和了解。同時，其他河南省內(nèi)高校也應(yīng)該更加重視3D打印技術(shù)相關(guān)的課程，適當(dāng)增加一些相關(guān)工業(yè)課程，開展相關(guān)研究。要在教育上對3D打印優(yōu)先重視，培養(yǎng)出本省高端技術(shù)人才，填補(bǔ)人才缺失漏洞。

（三）完善行業(yè)規(guī)范機(jī)制

3D打印技術(shù)因為工具、沖模、固定裝置和夾具等類似產(chǎn)品的開發(fā)難度較小，所以嘗試進(jìn)行產(chǎn)品逆向工程設(shè)計的競爭者會對某些熱門產(chǎn)品進(jìn)行模仿研發(fā)。這可能會使大量的知識產(chǎn)權(quán)蒙受損失。因此，鄭州市政府要大力研究行業(yè)規(guī)則和運(yùn)行方式，完善行業(yè)規(guī)范機(jī)制，設(shè)立一個行業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)和流程，盡可能地減少企業(yè)知識產(chǎn)權(quán)和專利權(quán)的損失。從事3D打印相關(guān)技術(shù)工業(yè)的企業(yè)，可以在政府倡議領(lǐng)導(dǎo)的基礎(chǔ)上，成立一個鄭州市3D打印技術(shù)工業(yè)聯(lián)盟。聯(lián)盟里的成員不僅可以互相技術(shù)分享，互通最新信息，互相幫助發(fā)展，還可以建立行業(yè)規(guī)范或者行業(yè)規(guī)矩，規(guī)范行業(yè)發(fā)展，使該行業(yè)發(fā)展有一個“規(guī)矩”，幫助相關(guān)技術(shù)行業(yè)健康良性發(fā)展。同時，相關(guān)部門部委要對3D打印行業(yè)有充足的了解，要為3D打印工業(yè)制定一個適合而又嚴(yán)格的行業(yè)驗收標(biāo)準(zhǔn)，要盡量減少不合格的產(chǎn)品充斥市場等不規(guī)范情況，要詳細(xì)考慮行業(yè)發(fā)展程度，制定一個最適合行業(yè)技術(shù)發(fā)展的制度標(biāo)準(zhǔn)。

（四）制造企業(yè)要靈活運(yùn)用3D打印技術(shù)

大規(guī)模化的車間生產(chǎn)制造是目前3D打印技術(shù)還無法攻克的難題之一。企業(yè)要學(xué)會靈活運(yùn)用3D打印技術(shù)，探索出3D打印在哪些制造環(huán)節(jié)上適用，哪些不適用，不需要現(xiàn)在將3D打印就應(yīng)用于規(guī)?；a(chǎn)，而是揚(yáng)長避短，將3D打印應(yīng)用于適合該技術(shù)特點(diǎn)的生產(chǎn)制造方面或者小型生產(chǎn)。比如對鈦合金等貴重金屬使用較多的醫(yī)療器械和航空航天等企業(yè)，鈦合金作為一種貴重金屬以及重要的工業(yè)原料，對于加工制作有著很高的需求，但傳統(tǒng)制造業(yè)在加工此類金屬時，往往有很大的材料浪費(fèi)情況。尤其在飛機(jī)上使用較多的鈦合金大型整體構(gòu)件的加工程序中，最后要對鍛造好的毛坯件進(jìn)行大量切削加工，要切掉近90%的材料才能得到成品，非常浪費(fèi)材料。因此，這些企業(yè)就很適合3D打印技術(shù)，要將3D打印首先應(yīng)用于這些生產(chǎn)制造中，既可以對制造生產(chǎn)進(jìn)行升級，也可以在傳統(tǒng)制造的平臺上繼續(xù)發(fā)展3D技術(shù)，在實踐中發(fā)展，在發(fā)展中實踐。

智能制造背景下的3D打印將是鄭州傳統(tǒng)制造行業(yè)進(jìn)行的一次大洗牌，將會讓鄭州制造業(yè)重塑新生，這是制造業(yè)發(fā)展的潮流趨勢，是鄭州邁入中高端制造行列的絕好機(jī)遇，也是制造業(yè)邁入新時代的大好時機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅軍.3D打印3.0時代[M].;東方出版社，2017.

[2]周雨程.3D打印對機(jī)械制造及自動化的影響[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（06）.

〔本文系河南省軟科學(xué)研究項目“基于創(chuàng)新驅(qū)動的河南省小微企業(yè)產(chǎn)業(yè)智能化升級模式與路徑研究”（項目編號：202400410126）;南陽師范學(xué)院2013專項研究項目“基于TRIZ理論的企業(yè)自主創(chuàng)新研究”階段性成果〕

〔白金鑫、程文亮（通訊作者），南陽師范學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院〕