3D打印技术的跨学科融合集成创新机制①

李存金,武玉青,罗暘洋

(北京理工大学 管理与经济学院,北京 100081)

1 研究背景

1994年,Iansiti首次提出集成的概念,他指出:集成是指一个系统中两个或两个以上的要素,依据要素间的内在联系而形成的具有某种特定功能的有机体的过程,而这种系统功能至少大于单个要素的功能[1]。集成概念提出后引起了国内外学者对集成创新这一新范式的广泛重视。一些学者从集成创新的概念内涵角度入手进行分析。例如,Tang[2]指出集成创新的逻辑起点是把握技术的需求环节,在创造符合需求的产品与丰富的技术资源供给之间创造出匹配。王月秋[3]指出,集成创新是指创新行为主体利用系统工程的理论和方法,通过提供特别优点的形式,主动优化创新要素,对其进行选择搭配,使之以合理的结构形式结合在一起,从而形成一个由适宜要素组成的,相互优势互补、匹配的有机体,从而使有机体的整体功能发生质的飞跃的一种自主创新过程。一些学者从技术创新的构成要素入手进行分析。例如,TiddJoe和Keith Pavitt[4]从技术、市场和组织的角度对创新集成的管理模式进行了综合归纳。孙金梅和黄清[5]指出集成创新由战略集成、技术集成、知识集成、组织集成、资源和能力集成以及时间集成六个方面构成。Rundqulst[6]通过对瑞典六家不同产业的中型制造企业的产品合作开发项目进行研究,发现技术、组织、文化因素影响产品集成创新的成功,其中对合作潜力充满高度期望的文化是取得高集成效果的重要影响因素。还有一些学者进一步拓展了集成创新理论的研究视角,提出了开放式创新理论[7]、全面创新管理理论[8]、分布式创新理论[9]等。

当代技术创新的一个重要特征是越来越趋于跨学科交融、多学科融合集成式创新。因此,通过对新兴技术集成特性分析可以更好地理解其技术创新的原理与演化规律,从而有利于在技术创新中进一步探究其创新的手段、途径及技术集成机制。作为当今新兴的重大发展技术,3D打印技术在发展过程中通过多学科、多技术融合集成创新,实现了其快速的突破式发展,并在应用领域方面展现出了诱人的产业化价值潜力。但目前学术界对3D打印技术的多学科融合集成创新特征及机理研究还不够重视,这方面的相关研究成果可谓凤毛麟角。因此,探究3D打印多技术融合与集成创新机理不仅具有重要的理论价值,也对在如何正确理解3D打印技术创新与发展规律下促进其创新活动效率和产业化进程有着重要的现实意义。

从技术视角看,3D打印技术体现了多领域、跨学科交融创新的特性；从组织视角看,3D打印技术一般会有一个创新主体主导,但往往又是多种组织合作创新的成果；从资源与能力视角看,一项3D打印技术产生及其商业化需要综合利用内外部各种资源才有可能成功；从知识角度看,3D打印技术是显性知识与隐性知识、组织内部知识与外部知识,已有知识与创新知识等有机结合的产物。这里,我们结合若干实际案例着重从多技术集成机制、组织集成机制、资源与能力集成机制三个方面,试图给出3D打印技术融合集成创新机制一些探索新研究。

2 3D打印技术的跨学科多技术集成机制

3D打印技术是涉及众多学科和工程领域的复杂技术,其创新需要应用到机械、力学、电子、材料等广泛工程技术领域的知识、理论、方法。从3D技术构成的某一技术层面看,这种技术可以是已有的常规技术、已有的先进成熟技术和需要突破的创新性技术,或者是其中两者、三者的组合。从零部件技术层面看,各种具体技术可以集成为基本零部件技术和关键零部件技术。从子系统级层面看,各种零部件技术进一步集成一个技术子系统,包括系统总成技术与核心子系统技术。进而,由子系统集成为某类3D打印的产品制造工艺整体技术(总系统)。因此,3D打印技术的跨学科集成过程可以表述为如图1所示的自下而上的系统集成机制。

案例分析1:一种3D打印成型聚烯烃材料及其制备方法[10]

该专利发明者为中国科学院化学研究所朱唐、郭靖等12人(申请号为201410182309.7)。

图1 3D打印技术的跨学科多技术集成机制

这项发明公开了一种3D打印成型聚烯烃材料的方法,以及用此方法成型的聚烯烃材料。其特征在于:该3D打印成型方法是一种将溶解法或溶胀法与3D打印技术相结合的新方法。本发明公开的方法克服了传统加工方法需要的高温条件(聚烯烃熔点以上),降低了能耗,节约了成本(聚烯烃产品的成型方法有很多,例如注射成型、挤出成型、吹塑成型、中空吹塑成型、发泡成型、熔融纺丝等,但是这些成型方法都需要将聚烯烃加热到其熔融温度以上,能耗较高)。

该发明涉及一种3D打印成型聚烯烃材料的方法(一种将溶解法或溶胀法与3D打印技术相结合的新方法)。具体工艺方法是:将聚烯烃树脂、有机溶剂和任选的助剂混合,从而获得膏状混合物,将得到的膏状混合物转移至3D打印机的进料装置中,喷头按照CAD程序喷出上述混合物,待溶剂挥发后,喷嘴再按照设定的程序逐层喷射,重复上述逐层成型,待溶剂完全挥发后,即得所需聚烯烃材料。

与现有技术相比,本发明的有益效果是:将溶解或溶胀法与3D打印技术相结合,不需要加热到聚烯烃的熔融温度以上就可以实现成型,降低了能耗,节约了成本。

基于专利库查询该项技术发明涉及的IPC分类号(见表1),可以明显看出,这一发明专利共涉及2个部——B和C；2个大类——B29和C08；3个小类——B29C、C08L和C08K；2个技术领域,分别为17(Macromolecular chemistry,polymers)和29(Other special machines)。这说明,3D打印技术是跨越多个技术领域而融合创新形成的集成技术(见图2)。

表1 该专利案例涉及的IPC分类号

图2 “一种3D打印成型聚烯烃材料及其制备方法”发明专利的多技术集成机制

3 3D打印技术创新的组织集成机制

一个3D打印研制公司除了利用自己的资源进行技术研发与产品生产外,还可通过合同契约、合作、虚拟组织等方式广泛集成、利用外部组织资源增强自身的创新与发展能力。与同行企业可以进行研发合作、生产合作和虚拟生产或建立战略联盟；与创新组织(包括大学、科研机构、专业研发公司、社会创新网络与大众创新等)可以通过技术研发合作、技术成果转移等方式提升自身创新能力与水平；与零部件企业可以构建系统生态供应链；通过代理、授权等方式与其他营销商建立强大的营销网络；基于契约、合作等方式获得服务类组织(如金融机构、电信、中介服务机构等)的优质服务支持；通过有效的沟通及创造产业价值吸引力获得政府的积极扶持。由此,可以把3D打印技术创新的组织集成机制表述为图3。

图3 3D打印技术创新的组织集成机制

案例分析2:Flam王D基于战略联盟合作研发3D打印自行车[11]

比利时的佛兰德斯(Flanders)地区工业高度发达,汇集了大量的高科技3D打印企业和大学。这里的60多家公司和研究机构组织成立了一个非营利联盟组织——Flam王D(Flame3D,即Flanders增材制造和3D打印生态系统的简称)。2016年,该联盟推出了一款命名为“王-BIKE”的3D打印自行车,这辆自行车上的22种零部件都是通过采用不同的3D打印技术实现的。

为了完成这个特殊的项目,Flam王D共召集了17家企业和研究机构合作,包括3D&I、3Dee、Formando、Hoet、KULeuven、Layered Prints、Materialise、MT3D、REIN4CED、RSPrint、Sirris、T&M Solutions、Tenco DDM、Ugent and Vamac等。另外,“王自行车”还得到了Ridley Bikes、R-L-F、AMS等公司以及政府机构Flanders Innovation&Entrepreneurship的支持。主要零部件研制者的多组织合作机制表述见图4。

图4 Flam王D的3D打印自行车的多组织合作研制机制

4 3D打印研制的资源与能力集成机制

任何一个公司要完成一项3D打印技术的研发和产品化,除了系统集成本公司内部的各种资源,还要善于利用外部资源,打造自身的技术创新能力和生产能力。比如:从政府那里获得政策及其他资源支持；与同类制造商基于能力互补进行生产合作；与零部件供应商形成良好供应链关系及进行零部件的合作生产。在资金资源集成上,可以通过发行债券、贷款、股权融资、合资乃至众筹等方式获得企业发展必要的资金。在技术集成上除了运用自我成熟技术和进行自主研发外,还可以通过研发合作、技术购买等方式集成3D打印技术创新能力。在人才集成上,除了用好企业自己人才资源外,还可通过招聘、引进、兼职等方式从外部获得人才资源。由此,可以把3D打印技术研制的资源与能力集成机制表述为图5。

案例分析3:西通3D打印公司的资源与能力集成机制[12]

西通电子有限公司(Zhuhai CTC Electronic Co.,Ltd.)成立于2004年,由归国学者杨雨生创建,是一家专注于打印技术领域相关产品的生产和研发的民族企业。西通电子有限公司一开始主要经营打印材料,2010年开始转向当时还未被看好的3D打印技术研发。

西通电子有限公司善于利用外部资源集成创新能力,通过多年的技术与产品研制,已打造出了一整条自己的3D打印机产业链。现已具备量产能力的产品包括:基于FDM、SLA、DLP等技术的桌面级产品以及Formaker All-in-One、“水星”等升级机型,配套的River OS操作系统,ABS(应用树脂)、PLA(聚乳酸,可生物降解材料)等3D打印耗材。2015年,珠海西通3D打印机销量超过2.5万台,九成以上销往欧美,占据全世界份额的近10%,稳居中国第一位。

图5 3D打印技术研制的资源与能力集成机制

西通电子有限公司在短短几年内就能取得如此成就,除了其能够及时把握商机、敢于瞄准世界先进水平专注研发因素外,还有其能以积极开发的理念,努力集成“政、产、学、研、用”等外部多方的资源,着力打造强大的研制与产业化能力息息相关。

(1)与政府的合作

西通电子有限公司得到了珠海市政府及珠海市香洲区政府积极支持和帮助。2014年4月,全球最大的桌面3D打印机制造基地在珠海西通落成,设计产能达月产量8 000台；珠海市香洲区政府还投入50万科技专项资金资助西通电子的研发。2015年1月,通过与安徽芜湖市政府合作,在芜湖市繁昌县的春谷3D打印产业园建立了约10 000平方米的3D打印机全球最大的3D生产基地。

(2)与高等院校与科研机构的合作

通过双方优势互补,促进产学研工作的深入开展。2013年12月,西通电子与广州大学合作建立3D打印先进技术研发中心,共建3D打印先进制造研发中心,双方在打印耗材、激光烧结打印技术等方面展开合作研究。2014年3月,西通与香港大华培训机构合作,在珠海成立3D打印机培训机构。2014年11月份与和英国伦敦大学签约合作开发协议,着力研发一款基于喷墨技术的先进3D打印机。2015年3月5日,西通宣布和中国西南化工研究所合作成立技术研发中心,研发新一代光敏树脂,瞄准全球市场。研究中心分别在珠海和上海设立研发基地,珠海侧重建设先进材料初期配型基地,上海侧重建立材料的综合测试和工程化验证平台。

(3)与其他公司合作

Greenwich Planet Co.,Ltd.是总部位于伦敦的提供创意、设计服务整体解决方案的欧洲知名企业,西通电子与其合作研发出了Riverbase500工业级3D打印机。该型号设备集成了西通自主研发的国际领先的RIVERSIDE操作系统,采用高速激光振镜扫描光固化技术,耗材为光敏树脂。2016年11月,富士康——台湾鸿海精密集团的高新科技企业,与珠海西通联合在重庆富士康厂区内部建立一个合资的3D打印公司。2016年6月8日,芜湖西通三维技术有限公司与繁昌县科技风险投资有限公司签署战略合作协议,通过引进繁昌县科技风险投资有限公司的投资,增加芜湖西通三维的设备生产线和研发能力,扩大生产营销规模。

(4)人才整合与利用

西通电子公司自己组建了横跨计算机图像、软件、硬件、电子、机械、化工、材料、生物各领域的博士、硕士25人团队,累计投入超过1 500万元资金在FDM、SLA、DLP打印机上开展研发。此外,也积极利用外部人才资源拓展研发创新能力。2015年珠海西通电子有限公司在9月19日正式宣布将在印度班加罗尔设立新的软件研发中心,建立10～15个软件团队,以利用印度高效和充沛的人力资源,从事嵌入式系统的开发和UI设计。此外,西通电子在英国也设有10人左右的软件研发团队。

(5)融资

通过多种途径融资增强了企业发展能力。2015年10月,在美国Kickstarter众筹网平台中发起的Formaker All-in-One四合一3D打印机研制项目,西通共筹得8.2万英镑(约78.5万元人民币),获得135人支持。2013年中期完成了由湘河资本领投的2 000万元B轮融资。2015年1月10日,西通电子有限公司宣布已完成A轮100万美元融资,投资方为西证投资基金——一个欧洲顶级创投机构。除资金投入之外,西证投资基金还帮助西通打通了与欧洲最大的3D在线销售商的渠道联系,并将与后者展开资产及业务合作。与此同时珠海西通还宣布启动B轮融资,B轮融资金额为千万美金级。2015年5月21日获得昆吾九鼎投资管理有限公司1 400万元人民币的B轮投资,支持研发喷墨3D打印技术、桌面级SLS激光烧结打印机。

西通3D打印公司的资源与能力利用集成机制可以表述为如图6所示。

图6 西通3D打印公司的资源与能力集成机制

5 结论

3D打印技术是当代社会的一类前沿性重大先进技术,其创新明显体现出了多学科交融、多组织合作、多资源集成的特征。但面前从跨学科交融、能力集成视角进行研究的成果还很少,这对深刻理解3D打印技术创新机理及有效构建其创新机制是不利的。本文着重从多技术集成机制、组织集成机制、资源与能力集成机制三个方面探讨了3D打印技术的融合集成创新机制。研究工作虽然是初步的和基本的,但研究思路上具有探索性和启迪性意义。

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