1、大数据下的 3D 打印助力中国制造的文献综述张江涛摘要：自2013年以来，国内媒体界、学术界、金融界掀起了关注3D打印的热潮，3D打印作为第三次工业革命的重要标志之一，将对制造业产生深远的影响。关于3D打印的研究已成为一个热点，学者们就3D打印的技术、产业及对制造业的机遇和挑战进行了深入分析探讨，形成了许多富有见地的成果。本文在大数据的背景下，以3D打印助力中国制造的热点问题为中心进行探讨，主要从中国制造业的现状、3D打印助力中国制造、3D打印所面临的挑战这三个方面进行阐述，并在此基础上提出了相关看法及建议。关键词：大数据 3D打印 中国制造 文献综述 一、研究的背景与意义英国经济学人杂志将
2、3D 打印称做是第三次工业革命的重要标志之一，并提出 3D 打印技术将与机器人、人工智能等其他数字化制造技术共同推动新工业革命的兴起 1。美国时代周刊也将 3D 打印列为“美国十大增长最快的工业” 。 2012 年 3 月，美国总统奥巴马提议投资 10亿美元创建由 15 家先进制造业创新中心所组成的全美制造业创新网络并首选 3D 打印作为试点项目 2。”欧盟展望 2020，欧盟研究与创新框架激励 3D 打印数字设计的发展 将 3D 打印作为欧盟实现制造业创新的重1 杰里米里夫金, 张一萌. 第三次产业革命J. 国际研究参考, 2013(6):31-34.2 See risk of 3D pri
3、nted gunsEB/OL，2014-5-10，http：/tasmania。ethzch81/challenges/entrepreneurial-risks-eth-zurich/projects/risks-3dprinted-guns。要目标。新加坡科技研究局 2013 年 11 月宣布，投资 1500 万美元建立发展 3D 打印技术计划，以支持新加坡制造业的发展。在 中国制造2025规划中，从宏观和微观的角度上点明了发展 3D 打印的原因、方向和路径，为我国在 3D 打印领域抢占国际技术高地，在新一轮工业革命中打造制造强国提供了行动纲领，也为应对美国“再工业化”战略，德国“工业 4
4、.0”提出了中国发展制造业的战略方针。自 2013 年以来，国内媒体界、学术界、金融界也掀起了关注 3D 打印技术的热潮，各级政府部门开始关注并制订 3D 打印技术的发展规划。 3D 打印技术由于其独有的优势，与其他数字化生产模式相结合，共同推动实现新一轮工业革命，将对制造业产生大范围、深入的渗透和影响。3D 打印的原理是将三维数据模型用分层切片软件处理，形成多个薄面截层，最后根据获得的各截层信息参数，采用不同的方法制作出实体模型。3D 打印技术可根据不同的制造方法分为以下几类：立体光刻成型（Stereolithography，SLA）技术、选择性激光熔化成型（Selective Laser
5、Melting，SLM ）技术、熔融沉积制造成型（Fused Deposition Modeling，FDM ）技术、选择性激光烧结成型（Selective Laser Sintering，SLS）技术、三维印刷成形法（Three-Dimensional Printing，3DP ）技术 3。3D 打印作为一项集光、机、电、计算机、数控及新材料于一体的先进制造技术，已广泛应用于航空航天、军工与武器、汽车与赛车、电子、生物医学、牙科、首饰、游戏、消费品和日用品、食品、建筑、教育等众多领域，并在各个领域都有着良好的应用前景 4。3D 打印在具有良好设计概念和设计过程的情况下，无需机械加工或任何模具
6、，不需要在工厂操作，就可直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，简化生产过程，缩短研制周期，提高生产率，减少材料浪费和3 楼祺洪. 3D 打印技术的原理和分类J. 光电产品与资讯, 2013, 4(5).4 Liu W, Xu S. 3D Printing Technology and its ApplicationsC/ International Conference on Advanced Material Engineering. 2015.降低生产成本。3D 打印技术所涉及的部分制造业如图 1 所示，由于其独特的优势和特点，作为一项新技术已经嵌入到传统制造业的方方面面，与中国制造业
7、相结合，促进中国制造业转型升级，对中国的经济、社会都将带来深远的影响。图 1 3D 打印所涉及的部分制造业领域据美国市场研究机构 ReportsnReports 发布的2017 年全球 3D 打印市场报告显示，全球 3D 打印市场需求将以每年 20%以上的速度增长，并将在 2017 年达到 50 亿美元的规模 5。如图 2，3D 打印的全球市场规模在不断的曾加，具有非常大的前景。中国政府大力支持 3D 打印产业，为中国的制造业注入新鲜活力，推动我国由“工业大国”向“工业强国”转变。5 孟丹. 2017 年全球 3D打印市场需求将达 50亿美元J. 印刷技术, 2014(7).图 2 3D 打印
8、全球的市场收入二、中国制造业的基本状况制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。制造业对一个国家的经济发展来说是举足轻重的，一个国家制造业的发展程度，决定了这个国家的发展进程 6。当前，我国制造业规模已经位居世界第一，为中国甚至全世界经济做出了重大贡献，也实现了中国经济的腾飞。尽管如此，我国制造业面临创新能力低下、产能过剩、人力资源成本增加等问题 7，很多企业现在还没达到工业 2.0，所以中国制造业既要补上工业 2.0 的课，还要推进工业 3.0 的普及，还要向工业 4.0 方面发展，我国制造业正面临着内忧外患的局面。（一） 缺乏创新著名经济学家郎咸平曾经提出过著名的“6+1”理
9、论，该理论具体是指：美国把价值最低的制造业一端即“”放在了中国，价值最低的制造业浪费资源，破坏环境。但是把产品设计、原料采购、仓储运输、订单处理、批发经营和终端零售等六块非制造业即“”都拽在自己的手6 赵勇. 制造业支撑国民经济持续发展J. 世界电信, 2015(4):32-37.7 马振翔, 张妍妍, 辛晓慧. 3D 打印与“中国制造”J. 中外企业家, 2015(11).里。“6”是“软”的生产环节，“1”是“硬”的生产环节。在这样一种“6+1”产业链的定位下，中国就沦落在了价值的最低端。金融危机爆发以后这种劣势展现的更加明显，尤其是一些附加值很高的复杂产品，差距更是明显 8。因此，中国制
10、造业需要走创新的道路，缺乏创新就是中国制造业做强的一个门槛。（二） 产能过剩统计显示，目前中国的 24 个行业中有 21 个已经陷入产能过剩的尴尬。尤以纺织业、服装业、钢铁业的产能过剩问题最为突出。以钢铁业为例，截至 2011 年底，我国粗钢产能已达 9 亿吨左右。去年全年我国粗钢产量为 6.83 亿吨，国内钢铁产能严重过剩 9。钢铁带来的产能过剩问题会带来很多社会问题，譬如由于生产的钢铁卖不出去国内的钢铁企业会陷入严重的金融问题，很多职工甚至会因此而失业。（三） 逐渐增加的人力资本人力资本的日益增加也成为制造业前进的绊脚石，其最突出的表现是用工荒。据有关资料统计显示，江浙沪等地区很多企业春节
11、过后复工率不足一成。另一方面也表现为工资水平不断提高。很多企业的月薪涨幅达到 10%30%，但是高薪并没有使大多数企业缺人的现状得到改观，招工的压力依旧很大。近几年各地政府也相继大幅度地提高了产业工人的最低工资标准，进而还提高了社会基本医疗保障等惠民政策。在社会福利逐年提高的今天，企业进入微利时代，这时候给工人涨工资无疑是在进一步缩减企业的利润空间，部分制造企业已到了无利可图的地步，不得不面临关门歇业的局面 10。中国银行首席经济学家曹远征表示，中8 周屹. 中国制造的困境与出路J. 机械设计与制造工程, 2012(2):24-26.9 黄毅敏 , 齐二石 . 工业工程视角下中国制造业发展困境
12、与路径J. 科学学与科学技术管理, 2015, 36(4):85-94.10 姜进强. 制造业的困境与突破J. 中国市场, 2011(28):111-111.国最低工资在过去三年年均增长率超过 15，内陆省份的涨幅更是达到30。另外，过去几年平均工资也有较大幅度增长，城镇平均工资上涨13，所以说人力成本上升已经是一个不争的事实 11。三、3D 打印助力中国制造(一) 3D 打印与传统制造业相结合3D 打印是传统机械制造工业皇冠上的明珠，它能做传统工业做不出来的东西，是锦上添花、互为补充 12。3D 打印并非一个完全脱离传统产业、新生的产业，而是作为一项新技术嵌入到传统产业的方方面面，不仅对第二
13、产业工业产生革命性影响，也将对第一、第三产业，同时对经济、社会都将带来深远影响 13。人力资源丰富、市场需求量大是我国制造业不可改变的现状，产品附加值低、产业转型升级困难却是我国制造业亟待解决的现状。3D 打印技术自身目前存在很多局限性，暂时还不可能代替传统制造技术的地位，根据我国制造业的目前现状，3D 打印应和传统制造技术相结合，使两者优势互补，共同发展。随着新技术的不断发展，传统制造技术已经不能满足制造业发展的需求，而且传统制造的低成本是在大批量制造产品的情况下才有的优势，制造业未来的发展趋势是个性化定制生产，3D 打印在这种情况下就逐渐显现出其数字化和定制化特点的优势，在设计生产领域降低
14、了成本，作为技术密集型技术，增加了产品的附加值，加速我国制造业转型升级。但是，传统制造技术已经经历了几百年积聚和探究，形成了配套完善、功能齐全的制造体系。所以，在未来的 10 年到 20 年间，即使 3D 打印技术发展完全成熟也不可能完全取代传统制技术，3D打印技术只是传统制造业不断发展过程中的一种补充，或者是刺激制造11 刘军, 程中华, 李廉水. 中国制造业发展:现状、困境与趋势J. 阅江学刊, 2015, 7(4):15-21.12 钱杰.3D 打印技术与传统制造业的关系J.工程技术:引文 2016(3):00246-00246.13 刘西曼. 3D 打印如何改变全球制造业格局?J. I
15、t 经理世界, 2012(23):18-18.业不断进步的动力。可以说，每一项技术的发展都要有相应的历史条件和社会土壤，有它的必然性，一项技术进步的同时，与其他技术相结合，才能共同促使现有产品发挥更大的社会价值并推动新产品的研发，因此，我们必须根据我国国情，坚持把 3D 打印制造技术与传统制造技术相结合，助力中国制造。(二) 3D 打印助力中国制造业转型升级世界 3D 打印技术产业联盟首席执行官罗军说： “3D 打印、机器人、大数据等新兴技术的结合将成为智能化的主流。而人机一体、智能制造将是未来制造业新的发展趋势 14。传统大规模流水线技术正在逐渐成为制造业领域的“ 夕阳技术” ，而 3D 打
16、印则是现代信息技术和传统制造技术深度融合的重要产物，是制造业领域中正在升起的“朝阳技术”，将以其独特的优势对全球制造业产生颠覆性的影响。目前，我国制造业正处于“内忧外患”的关键时期，抓住机遇，助力中国制造业转型升级，推动我国由“工业大国”向“工业强国”转变。一方面，3D 打印制造技术将从各个方面彻底影响全球制造业，使工厂化生产转向社会化生产，大规模批量生产转向本地化、个性化定制生产，3D 打印的设计创新将弥补我国科技创新能力的薄弱，为我国制造业的创新驱动发展战略提供新契机 15。3D 打印技术是个体化的最好体现，也是制造业可以采用的生产方式，它不是在某一个地方生产产品后再运至世界各地，而是能够
17、通过互联网即时发送设计图，并在需求所在地制造产品，抛弃了工厂大规模制造的雷同形式，具有个性化、小型化、节约化的特点。其真正革命之处在于它能在世界各地生产个性化的定制产品，设计和生产环节被不同时间和空间缅分，从而呈现出社会化特征，而且设计和制造过程的联系将更加紧密。14 罗军. “智能制造”将是未来制造业发展趋势J. 农业机械, 2014(21).15 王文涛, 刘燕华. 3D 打印制造技术发展趋势及对我国结构转型的影响J. 科技管理研究, 2014, 34(6):22-25.另一方面，3D 打印凭借智能化、定制化、生态化的特征，将创造新的商业模式，并改变现有产业结构。目前，3D 打印技术已经在
18、工业设计、模具制造等诸多领域得到广泛应用，展现出广阔的应用前景。随着大规模批量生产转向本地化、个性化定制生产，3D 打印不仅会减少交通和物流成本，还会大幅降低固定资产投资，减少产品碳足迹和碳排放。3D 打印可以使“及时生产方式” 取代“ 及时物流”，使商业流程更节省成本并且更便捷，这有可能从根本上改变全球供应链，造成工作岗位的重新分布，并改变企业与用户之间的互动方式。这意味着一些制造业可以远离低成本劳动力聚集地，重返更靠近消费者的地方。这些变化都在不同程度上改变了经济模式，成为未来新的经济增长点 16。当今全球制造业的发展重心正在向尖端化、精密化、个性化、柔性化方面偏移，而这恰恰是 3D 打印
19、产业的最佳用武之地。上市公司应该在国家政策引导下，推动 3D 打印技术和自身行业、产业、产品的深度结合，花大力气、大资金发展技术含量高、个性化强、有长远发展的 3D打印技术相关产品。同时，3D 打印技术的出现和发展与我国目前的转变经济增长方式联系起来，改变制造方法和内容，改变制造过程，优化制造工艺，提高准确性，使制造行业发生从粗放到精细、从重数量到重质量的变化。大力发展 3D 打印产业有利于推动制造业的产品研发设计，提升制造业的自动化水平，降低人力资源成本，适应当前市场创意化、个性化的服务要求，促进传统制造业焕发生机。四、中国 3D 打印所面临的挑战(一) 国内 3D 打印的基本状况随着经济的
20、发展，我国的 3D 打印技术取得了初步的成果，国内的清华大学、西安交通大学、华中科技大学、华南理工大学、北京航空航天大16 秦芳芳. 3D 打印的兴起与我国制造业的发展研究D. 河南师范大学, 2015.学、西北工业大学等高校，开展了积极的探索，已有部分技术处于世界先进水平 17，并且北京航空航天大学王华明团队研发的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形”技术成果获得 2012 年国家科技发明一等奖，代表着金属 3D 打印制造技术的国际战略竞争制高点 18。目前，我国有多家3D 打印企业，如北京殷华、深圳普力得科技、湖北滨湖机电、陕西恒通智能机器、长沙华曙高科、南京紫金立德、宝若自动化、西安怕力
21、特等等。有些企业都已实现了一定程度的产业化，部分企业生产的便携式桌面打印机的价格己具备国际竞争力，成功进入欧美市场。但是，由于我国 3D 打印技术处在初级阶段，所以还存在缺乏产业链，研发投入不足，缺乏宏观规划等问题，解决这些问题，是我国 3D 打印技术快速发展，占领技术最高点的重中之重。(二) 3D 打印的技术瓶颈在技术研发方面，3D 打印远非成熟技术，在打印技术、控制软件、材料开发等核心领域的技术研发还存在明显不足。如在打印技术方面，目前 3D 打印的零件的精度及表面质量大多不能作为功能性部件，只能做原型使用。在材料开发技术方面，目前 3D 打印耗材非常有限，仅有石膏、无机粉料、光敏树脂、塑
22、料、陶瓷等十多种材料，显然无法满足生产对材料多样性的需求 19。我国 3D 打印装备的部分技术水平与国外先进水平相当，但在关键器件、成形材料、智能化控制和应用范围等方面较国外先进水平落后。我国 3D 打印技术主要应用于模型制作，在高性能终端零部件直接制造方面还具有非常大的提升空间。例如：在 3D 打印的基础理论与成形微观机理研究方面，我国在一些局部点上开展了相关研究，但国外的17 马振翔, 张妍妍, 辛晓慧. 3D 打印与“中国制造”J. 中外企业家, 2015(11).18 王忠宏, 李扬帆, 张曼茵. 中国 3D打印产业的现状及发展思路J. 经济纵横, 2013(1):90-93.19 丁
23、雪. 我国 3D打印发展面临材料与产业创新双重瓶颈J. 新材料产业,2015 (4):68-71.研究更基础、系统和深入；在工艺技术研究方面，国外是基于理论基础的工艺控制，而我国则更多依赖于经验和反复的试验验证，导致我国 3D打印工艺关键技术整体上落后于国外先进水平；材料的基础研究、材料的制备工艺以及产业化方面与国外相比存在相当大的差距；部分 3D 打印工艺装备国内都有研制，但在智能化程度与国外先进水平相比还有差距；我国大部分 3D 打印装备的核心元器件还主要依靠进口 20。根据 3D打印的技术瓶颈，下面简要提出 3D 打印的重点攻关方向。1、3D 打印的材料工艺与质量控制。 3D 打印的材料
24、累积过程对构件成形质量有重要影响，主要体现在零件性能和几何精度上。为保证制造质量，需要不断研发面向 3D 打印的新材料体系；通过材料、工艺、检测、控制等多学科交叉，提升制件质量。研究内容包括：面向 3D 打印的新材料体系；金属构件成形质量与智能化工艺控制；难加工材料的 3D打印成形工艺；3D 打印材料工艺的质量评价标准等。2、智能化 3D 打印装备。3D 打印装备是高端制造装备重点方向，在 3D 打印产业链中居于核心地位。 3D 打印装备制造包括制造工艺、核心元器件和技术标准及智能化系统集成。面向装备发展需求，应重点研究装备的系统集成和智能化，包括：多材料、多结构、多工艺的 3D 打印装备；3
25、D 打印数据规范与软件系统平台；材料工艺数据库建设与装备的智能控制；3D 打印装备关键零部件及系统集成技术。3、功能驱动的材料与结构一体化设计。3D 打印因其降维和逐点堆积材料的原理，给设计理论带来了新的发展机遇。一方面突破了传统制造约束的设计理念，为结构自由设计提供了无限可能，另一方面超越传统均质材料的设计理念，为功能驱动的多材料、多色彩和多结构一体化设计提供新方向。研究内容包括：功能需求驱动的宏微结构一体化设计；多材料、多色彩的结构设计方法与智能化制造工艺集成。20 卢秉恒, 李涤尘. 打印(3D 打印)技术发展J. 机械制造与自动化, 2013, 42(4):1-4.(三) 中国 3D
26、打印产业现状在产业方面，我国 3D 打印产业处于起步阶段，存在一系列影响 3D打印产业快速发展的问题。第一，缺乏宏观规划和引导；第二，对技术研发投入不足；第三，产业链缺乏统筹发展。第四，缺乏教育培训和社会推广。柳建介绍了国内 3D 印的行业发展现状，认为国内 3D 打印存在技术单一、材料有限、精度质量不能满足使用要求等问题 21。孙智强等人根据产业调查资料，认为国内 3D 打印产业存在：“小而散 ”，产业技术水平不高，研发投入较少，发展后劲不足等问题 22。综合相关学者的观点 23，针对 3D 打印产业的发展提出特以下几点建议：1、继续深入研究 3D 打印技术，尤其是大力开展激光打印以外的其他
27、打印技术研究。加速打印材料的研发，提高国产打印设备的稳定性，缩小与国外的差距，降低 3D 打印制造成本。2、企业方面，与高校、研究机构合作，建立产、学、研一体化高校进行基础研究，研究所专攻应用型研究，企业主致力于产品化，实现产、学、研一体化。在此基础上，企业积极创新，推动产业升级转型 24。3、从国家层面进行 3D 打印产业发展顶层设计，促进 3D 打印产业链的形成，并制定相关政策措施，完善技术规范与标准，推动 3D 打印技术产业持续健康发展，防止过多的企业或个人盲目涉足 3D 打印产业，产生过度投资并造成资源，以及人力、财力的浪费。中国 3D 打印行业还有很长一段路要走。但是，只要把握发展机
28、遇，政府充分发挥统筹调控的作用，通过政策扶植和资金投入，行业间抱团合作并形成集群效应，企业与高校通力合作，3D 打印一定会让中国在新21 柳建, 雷争军 , 顾海清,等. 3D打印行业国内发展现状J. 制造技术与机床,2015(3).22 孙智强. 我国 3D打印产业发展现状及前景展望J. 江苏科技息,2014(6):19-20.23 唐萍. 浅谈我国 3D打印行业发展与问题研究J. 企业导报, 2015(8):4-5.24 薛富强. 3D打印产业的现状分析及发展建议J. 文艺生活文艺理论, 2015(9):282-282.一轮的国际产业竞争中占得鳌头。五、结论与展望2015 年 5 月 8
29、日，国务院正式印发了中国制造 2025提出了 9 大战略任务、5 项重点工程、10 大战略领域和若干重大政策举措，描绘了中国制造梯次推进的路线图和未来 30 年建设制造强国的宏伟蓝图。在该规划中，3D 打印作为代表性的新兴技术占有重要位置，在全文中共出现6 次，贯穿于背景介绍、国家制造业创新能力提升、信息化与工业化深度融合、重点领域突破发展等重要段落，并融入于推动智能制造的主线。这一方面体现出我国对 3D 打印的重视程度，另一方面也彰显了在战略层面我国对制造业发展面临的形势和环境的深刻理解。3D 打印技术正在成为一项对未来科技和产业发展具有重要影响的术。党和国家要求对 3D 打印必须高度重视，
30、密切跟踪，迎头赶上，要紧紧抓住和用好新一轮科技革命和产业变革的机遇，不能等待，不能懈怠，抓紧实现产业化。需要从战略高度认识将 3D 打印技术作为一项重大的、标志性的新兴产业重点培育，在政策、资金、人才等多方面给予支持，促进创新和创业发展，为我国制造业的转型提供创新的利器，推动我国由“工业大国”向“ 工业强国”转变。导师评语：论文以中国制造 2025为背景，重点探讨 3D 打印助力中国制造的热点问题，选题很好，有创意。论文主要从中国制造业的现状、3D 打印助力中国制造、3D 打印所面临的挑战这三个方面进行阐述，并提出相关问题和建议，论文的内容结构完整，论文思路清晰，不足之处是语言不够精炼。论文总体上满足课程论文的要求，具有一定的参考价值。
