基于产业融合的常州3D打印与传统产业协同发展研究

[摘 要]3D打印技术是一项创新的制造技术，颠覆了传统的制造技术，以其个性化、小型化和节约化的特点给制造企业的技术创新带来了新的动力。而常州作为一个以制造业为主导经济产业的苏南城市，正面临传统制造企业创新动力不足的问题，本文以产业融合理论为基础，在分析3D打印技术与常州传统产业融合路径的基础上，探索3D打印技术与常州传统产业协同发展对策。

[关键词]3D打印；产业融合；传统产业；协同发展

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.17.183

1 3D打印制造技术

1.1 3D打印概念

3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

1.2 3D打印对产业结构的影响

1.2.1 3D打印制造技术将引起制造业的生产方式发生转变

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细分，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。今后，制造一个产品并不难，难的是谁能够设计出来，这种设计变成一种个性化互动式的，变成创新与市场联动，市场需要什么就设计什么，或者是设计新的产品很快被市场接受，不仅大规模垄断的生产模式会发生改变，需求多样化、生产制造多样化，而且精密制造会深入到千家万户，任何人都可以享受到精密制造的产品，它全面超越了传统集中型的生产体系结构。

1.2.2 3D打印制造技术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。

2 产业融合理论

2.1 产业融合的内涵

从产业的内涵来看，产业是由技术、产品、企业、市场与制度等系统构成的。如果只从一个或少数几个子系统视角来定义，则会像“盲人摸象”那样无法得出一致的结论，也无法科学地界定产业融合的内涵与本质。因此，从系统的视角来加以研究，可以更好地界定产业融合的内涵与外延。

产业融合的内涵。从系统的视角看，产业融合是指开放产业系统中，新奇的出现与扩散引起不同产业构成要素之间相互竞争、协作与共同演进而形成一个新兴产业的过程。它的外延包括技术融合、企业融合、产品融合、市场融合、制度融合等。

2.2 产业融合的过程模型

2.2.1 产业融合产生过程是一个自组织过程

产业系统是由技术、企业、产品、市场与制度等要素构成的，其中企业是主体，产业系统中其他要素都是通过影响企业的行为来影响产业发展的。同样，产业融合的产生也是通过这些要素的相互作用与融合而促进产业融合的产生与发展的。

产业融合的产生过程是一个自组织过程，是指在开放系统中，不同产业企业主体之间非线性竞争与非线性协同相互作用打破了原有系统的线性关系而引起产业系统向有序化方向发展，即导致新兴产业出现与发展的过程。

2.2.2 产业融合产生过程的两个阶段

为了进一步理解产业融合产生过程的特征与内在规律，本文以融合型产品创新为标志，把产业融合的发展阶段分为两个阶段，即从无到有与从产业融合的出现到产业融合的实现。

首先，产业融合从无到有的过程。产业融合从无到有的过程是指产业融合首次出现的过程，其根本的标志是融合型产品的创新，是一个产业构成要素的扩散与整合的过程。

其次，产业融合从出现到实现的过程。产业融合从出现到实现的过程是指融合型产品产生后，像“序参量”一样，发挥“役使”功能，役使着技术、产品、企业、制度与市场等构成要素向同一个方向发展，并对现有多个产业中的产品进行替代，促进原有产品退出市场，形成以融合型产品为主导的新兴产业，并促进新兴产业发展进入稳定发展期。可见，从产业融合产生到实现过程是一个替代的过程。其中，制度融合、融合型产品功能的完善及价格的降低、市场融合等对于产业融合的实现起着非常重要的作用。

3 3D打印与常州传统产业的融合

3.1 常州传统产业概况

20世纪80年代初，常州已经成为闻名全国的工业明星城市，以乡镇工业发达为时代特征创造了著名的“苏南模式”，是全国最早的“经济体制综合改革试点城市”和“对外开放城市”。常州制造业基础雄厚，增长快速，并已形成了一批具有地方特色的产业集群，制造业已经成为常州经济的主导产业。常州市的传统产业有：轨道交通业、农机和工程机械制造业、输变电设备制造业、纺织服装业、化工制造业，传统产业不断升级，着力打造先进制造业基地，规模和品牌效应逐步显现。

为了引导企业加快发展高端装备，支持企业拓展新产品市场、加快产业化进程，促进装备制造业产业转型升级、向高端化发展，常州政府制定一系列的政策，推动了常州高端装备制造业的发展。目前，常州装备制造业是全市工业经济的支柱产业，在国内同行业具有较高声誉，已经形成输变电设备、轨道交通设备、工程机械和车辆，新型农业机械、数控机床及基础装备等门类齐全、配套完善的产业特色和优势，积累了较多的工业资产、较为先进的技术装备和较高科技含量的研发能力，形成了较为雄厚的装备制造产业基础。

3.2 3D打印与常州传统产业融合路径

3.2.1 3D打印与常州制造业的融合

常州工业经济中制造业为主导产业，尤其是形成了输变电设备、轨道交通设备、工程机械和车辆，新型农业机械、数控机床及基础装备等支柱性高端制造产业。但是，与长三角的其他城市相比较而言，常州制造业的竞争能力并不强。制造业的竞争，关键在于核心技术的竞争；核心技术的竞争，关键在于企业技术的创新能力。然而，企业技术研发与3D打印技术融合，将会大大地提高制造企业的技术创新能力。

3D打印技术是一项创新的技术，正不断向大尺寸、高精度、复杂化结构发展。对打印材料的拓展使用和打印精度控制不断提高成为主要亮点。作为趋于成熟的新兴技术，3D打印与传统制造技术相结合，互相取长补短将会迎来技术上的重大突破。

3D打印技术与制造企业融合，可以大大节省制造企业产品的研发时间和研发成本。有关专家预测，3D打印技术将会取代传统制造业所用的各种各样的传统加工机械，颠覆性改变制造业的生产方式，最大的特点是不需要大规模的流水线制造。

3.2.2 3D打印与常州模具产业的融合

对大规模生产的普通易耗品，3D打印恐怕永远竞争不过模具，尤其考虑到重力环境、可加工材料范围以及模具技术的同步进步。对高端工业品，材料、工艺才是核心竞争力所在，时间成本往往也远大于人力成本。传统的制造工艺中，一款产品在设计之后会进行开模，第一版模具行话叫作手板。手板的开模所需要的时间一般为一周，并且，传统制造工艺中的开模的风险较大。除了时间之外，还有两点风险让厂商担心。一是开模的成本较大，对于没有经过市场检验的创新设计而言，一旦市场不认可，就会造成较大的损失；二是产品开模之后无人问津，即便是成熟的产品，没有客户愿意下单，前期都白费工夫了。前一种风险至少值得一试，后一种风险直接就浪费了开发的资源。而与传统制造工艺相比，3D打印机所具备的立体成型、打印速度、打印成本这三项优势无疑是巨大的。它很好的将以上三点风险降到了最低。

3.2.3 3D打印与常州医疗生物产业的融合

目前，医疗行业（尤其是修复性医学领域）个性定制化需求显著，鲜有标准的量化生产，而个性化、小批量和高精度恰是3D打印技术的优势所在，因此，3D打印技术应用到常州医疗生物产业，将给医疗生物产业带来技术上的革命性突破。目前，常州华森三维打印研究院研发成功我国第一代骨科专用3D打印机，能将3D打印技术成功应用于骨科植入物的设计、生产和个性化定制。除此以外，3D打印与医疗生物行业的融合主要是技术的融合，有以下三个方面：体外医疗器械制造、个性化永久植入物、细胞3D打印。

体外医疗器械包括医疗模型、医疗器械——如假肢、助听器、齿科手术模板等。个性化永久植入物是对人身体部位进行复制，通过3D打印，这些部件可以与身体完全契合，与身体融为一体。以骨骼为例，当人体的某块骨骼需要置换，可扫描对称的骨骼，再打印出相应的骨骼，最后通过手术植入人体内。

细胞3D打印属较为前沿的研究领域，是一种基于微滴沉积的技术——一层热敏胶材料一层细胞逐层打印，热敏胶材料温度经过调控后会降解，形成含有细胞的三维结构体。

综上所述，3D打印已经逐步与常州其他产业进行融合，并且大部分是技术层面的融合，企业作为产业融合的主体，在外部激励因素与内生性激励因素的相互作用下，积极投入和推进3D打印与企业所处行业的融合。

4 常州3D打印产业融合传统产业协同发展研究

3D打印技术的产业化具有一条庞大的产业链，从上游的3D打印材料的生产，到中游3D打印设备的制造，以及下游3D打印应用与服务，产业路线长，涉及的技术新、科技含量高，其核心技术主要在上游的3D打印材料的研制开发以及中游3D打印设备的制造。

4.1 上游的3D打印材料的研发与产业化

目前3D 打印的材料主要有塑料、尼龙、石膏、陶瓷等，工业级应用的金属粉末仅有钛、不锈钢、金银等寥寥数种，因此如何开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料以及传统方法难以制作的复合材料已成为当前3D打印的一大关键技术。

常州在新材料领域具有较强研发与生产的优势，在武进经发区建有“功能新材料产业园”，建有4个新材料生产基地（新型功能高分子材料基地、新型复合材料基地、新型金属材料基地、新型能源材料基地），另有常州聚合物改性与应用技术研究院、北京化工大学常州先进材料研究院、江苏省高性能分子材料重点实验室、安格特国家级博士后科研工作站等一批研发平台，在功能新材料方面具有强大的研发与生产的优势。

因此，常州在3D产业发展过程中，可重点围绕3D打印产业链的上游新材料产业，加以引导与规划，鼓励现有企业开展3D打印新材料的研发与生产，在招商引资方面，有重点的吸引国内外3D新材料研制开发科研机构、高校与企业投资和落户常州，紧紧抓住3D打印产业链的上游核心技术。

4.2 中游3D打印设备的研制与产业化

常州作为江苏乃至全国重要的装备制造业基地，在智能装备产业领域具有雄厚的工业基础，在武进高新区建有“机器人及智能装备产业园”，常州科教城先后引进了中科院合肥物质科学研究院、常州数控技术研究所、哈尔滨工业大学机器人研究所常州分所等一批以机器人与数控智能装备技术为主要研发方向的科研院所，具有较强的数控及智能装备的研发优势与人才优势。

3D打印机是3D打印的核心装备，它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统 、数控系统 、喷射系统和成型环境等子系统组成，属于典型的智能制造装备，其产业化发展需要较强的工业基础支撑。

常州应充分发挥自身在智能装备产业领域的优势，引导和扶持企业开展3D打印设备关键技术攻关及关键设备的产业化，研发方向以工业化高端3D打印设备和民用便捷式桌面小型3D打印设备为主。

4.3 下游3D打印应用与服务领域

在3D打印庞大的产业链上，下游3D打印应用与服务具有巨大的市场空间，如何开拓3D打印下游应用市场空间，组建与培育3D技术服务体系，也是常州未来3D产业发展的关键。

3D打印行业的发展需要完善的供应商和服务商体系、市场平台。供应商和服务商体系中，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。市场平台包含第三方检测验证支持、金融支持、电子商务、知识产权保护等支持。

综上所述，常州应积极引导和发挥常州高等院校、工业设计企业、软件企业与科研院所的积极性，为上中下游研发、制造与应用企业提供信息、技术、设备等服务，为常州传统企业提供3D打印整体系统解决方案，完善常州3D打印产业链，促进3D打印技术与常州传统产业的协同发展。

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