3D打印驱动的供应链决策优化研究

马 爽，蔡笑天，Songlin Chen

(1.北京科技大学经济管理学院，北京 100083；2.中国科学技术发展战略研究院，北京 100038；3.新加坡南洋理工大学机械与宇航学院，新加坡 639798，Singapore)

0 引言

2020年5月5日，中国首飞成功的长征五号B运载火箭上搭载着 “3D打印机”，这是中国首次太空3D打印实验，也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验。3D打印技术也称为增材制造，是智能制造中最具代表性的技术之一，受到国内外科研领域与产业界的广泛关注。3D打印技术对传统产品的设计、生产模式以及产业链产生了深刻影响，成为制造领域最受关注的颠覆性技术之一。近年来，3D打印不仅被认为是一项用于原型化的技术，更是一种破坏性制造技术[1-3]。这项技术具有很高的自由度与灵活性，能够实现各类复杂设计，打破了现有制造的局限性，对各行业产生了重要影响，如国际空间、医学领域、航空航天、汽车行业等。此外，3D打印技术的高度灵活与自由性使零部件在客户端生产成为可能，大大降低了运输成本、缩短了前置时间。可以说，采用3D打印技术可以减少传统供应链中的一些环节与步骤，从而使供应链更精简、灵敏且响应度更高[4-5]。

3D打印技术的快速发展与广泛应用为智能制造的快速推进提供了重要的技术基础，同时，该技术也有利于供应链效率提升与成本控制，有助于现代供应链的发展。从供应链视角来看，3D打印技术不仅改变了产品的生产过程，更改变了传统的仓储、运输以及服务形式[6-7]。传统供应链架构将会随着3D打印技术采纳主体的不同而发生变化，由此形成不同的供应链架构模式，这正是智能制造与现代供应链协同发展的产物。新的供应链架构模式会因不同的技术采纳主体特性、行业特征等，在供应链成本、响应时间、顾客满意度等指标方面各有优劣。因此，如何选择 “正确的”供应链架构模式成为产业界面临的关键问题。目前，已有研究多关注3D打印技术对传统供应链的影响或描述采用该技术后的供应链形式等[8-10]，少有研究基于技术采纳主体视角分析不同供应链架构特征并对供应链技术采纳进行优化研究。因此，关键问题是如何识别3D打印技术背景下的不同供应链架构并进行优化研究，从而为选择 “正确的”供应链架构提供理论基础与优化方法。

本文从供应链优化视角研究3D打印技术的引进与采纳问题，首先识别3D打印技术采纳背景下的不同供应链架构模式，详细阐释以原始制造商 (OEM)为中心的供应链架构、以第三方服务商为中心的供应链架构以及以顾客为中心的供应链架构模式。基于上述识别，本文提出一个考虑系统级成本与顾客满意度的供应链决策优化模型，为3D打印驱动的供应链决策优化问题提供方法基础。为了进一步说明所提出优化方法的可行性与有效性，本文在航空领域零部件供应链背景下，对所提出的决策优化模型进行案例研究。

1 献综述

1.1 3D打印对制造的影响

3D打印是指一类具有相同原理与方法的先进制造技术，用于生产零部件或产品[8]。与传统制造技术最大的不同是，3D打印通过逐层打印来生产一个3D实体[11]，故该技术更加环保也更节省原材料。与传统制造中需要先生产零部件再进行组装不同，3D打印技术可以在单一生产阶段打印一件完整的产品。同时，采用3D打印技术生产的每件产品都可以根据客户需求实现完全定制化，便于满足不同消费者的个性化需求，且能更好地匹配市场趋势的转变[12]。3D打印中的定制化可以通过设计虚拟的3D计算机模型实现，再将虚拟的3D计算机模型转化为实物产品，在这一过程中无需机加工、成型及组装。因此，3D打印减少了生产过程中的一些阶段与步骤，可缩短了生产时间，尤其对于一些复杂零部件或产品，3D打印的生产方式十分有效，这也解释了为何3D打印对于小规模生产十分高效[13]。

1.2 3D打印对供应链的影响

除了对制造产生深远影响，3D打印还对供应链产生重要影响。Peres等[14]提出采用3D打印技术将会给传统的零部件供应链带来新的机遇与挑战。在3D打印技术背景下，原始制造商或供应商可以对运营成本、库存水平以及前置时间等进行重新权衡。3D 打印改变了生产要素的分布，使传统供应链运营模式得以改进，甚至创建全新的供应链配置模式，提升供应链运营效率[15-17]。Hasan等[18]提出一个基于3D打印技术的e-商务平台，用于为零部件供应链提供多样化的服务。

有学者提出了零部件供应链中采用3D打印技术的两种主要方式，即集中式与分散式。集中式供应链意味着3D打印设备被安置在一个配送中心，那些订购的零部件将在该配送中心完成打印并被运输至客户手中。集中式供应链的优点是能够降低库存水平，但是不能在同一时间处理大量的零部件订单，这也意味着前置时间将会较长。相较集中式，分散式供应链是将3D打印设备分散安置在不同的服务中心，这种方式适用于对前置时间要求很高的情境，但需提高每台3D打印机的利用率才能控制整体成本。分散式供应链的优势是能够降低甚至消除零部件库存，降低运输成本，提高响应速度。

1.3 3D打印技术的成本分析

在制造系统中，成本分析是管理者决策是否采纳一项新技术的重要指标。近年来，各类成本模型被用于分析3D打印技术中的不同成本结构。Hopkinson 等[19]采用微观经济学的方法计算单位平均成本，来对比传统制造与基于3D打印技术的制造成本。在这类研究中，总成本包括机器成本、人工成本以及材料成本。研究得出，机器成本中的立体光刻和熔融沉积建模是主要成本要素，而材料成本中的激光烧结是主要成本要素。Ruffo等[20]建立了一个基于活动的成本模型，计算3D打印的生产成本，在该模型中，活动成本被分为直接成本与间接成本，并且每一类成本都与相应的活动关联。直接成本包括材料成本，人工成本、机器成本、生产费用以及管理费用被视为间接成本。Ruffo等分析了粉末再利用的可能性，并考虑了能耗问题。Baumers等[21]也关注了3D打印的能耗问题，他们采用基于活动的方法来计算总成本，并将能耗成本视为直接成本，为准确分析能耗问题提供了较好的基础。

在上述研究中，与3D打印相关的其他活动并未被考虑，如预先处理、打印后处理等，因此，有学者[22]在上述研究基础上考虑其他相关活动，并提出基于时间的活动成本模型，他们认为3D打印应分为4个主要阶段，即准备、生产、材料移除以及后处理，同时，他们在总成本中考虑了后处理阶段的成本。此外，Rickenbacher等[23]提出一个包含所有预处理与后处理阶段的成本模型，能够更加准确分析3D打印各阶段的成本。

已有关于3D打印成本的研究多关注评估3D打印生命周期各阶段的成本，这些研究都假设在同一供应链架构形式下进行。实际上，不同的供应链架构形式将产生不同的供应链总成本。因此，供应链架构形式的决策问题在3D打印技术的采纳研究中应被视为一个内生要素。为了解决这一问题，本文提出一个供应链成本模型，用于比较不同供应链架构形式下3D打印技术采纳的总成本。

2 3D打印驱动的供应链架构模式

在一个典型的零部件供应链中，3D打印技术可以被OEM、第三方服务商或顾客采纳。相应的，三种不同的供应链架构形式便产生了，即以OEM为中心的供应链、以第三方服务商为中心的供应链以及以客户为中心的供应链。本文首先对上述三种供应链的架构形式进行分析，在此基础上构建优化模型，对3D打印驱动的供应链决策问题进行优化研究。

航空业是3D打印技术和零部件供应链结合的典型领域，因此本文以航空业零部件供应链为背景，研究3D打印技术采纳过程中不同供应链架构形式对供应链成本与顾客满意度的影响。航空业是对零部件供应链的性能要求最苛刻的产业之一[24]，航空业零部件供应链是一类具有代表性的典型供应链，故本文的研究方法与研究结论具有一般意义。

(1)情境一：以OEM为中心的供应链。在该情境中，3D打印技术将被OEM采纳，此时航空零部件供应链的主要参与者为原材料供应商、OEM以及航空公司，如图1所示。在以OEM为中心的供应链中，当航空公司的飞机零部件需要替换时率先在自己的库存中进行调用，若缺货则向OEM发出订单，OEM采用3D打印技术进行生产，随后将生产完成的零部件配送至航空公司，由航空公司技术人员进行替换。

图1 以OEM为中心的零部件供应链架构

(2)情境二：以第三方服务商为中心的供应链。在情境二中，第三方服务商采纳3D打印技术并在航空公司发出订单后生产其所需的零部件，供应链架构如图2所示。当飞机的零部件损坏时首先查看航空公司是否有库存，若无库存，则向第三方服务商发送订单。第三方服务商收到订单后按照OEM提供的设计图进行打印，同时，原材料供应商将在收到第三方服务商原材料订单后向其配送原材料。该情境下的物流包括原材料配送与零部件配送。

图2 以第三方服务商为中心的供应链架构

(3)情境三：以客户为中心的供应链。在情境三中，OEM将零部件的设计提供给航空公司，航空公司购买3D打印机和原材料进行零部件生产，供应链架构如图3所示。可以看出，当原材料库存不足时，航空公司会向原材料供应商发送订货信息，原材料供应商则将原材料配送至航空公司。

图3 以客户中心的供应链架构

机器投资成本、直接材料成本以及飞机停运的机会成本被视为航空零部件供应链成本组成的三大关键要素。在机器投资成本方面，假设三个参与主体购买3D打印机器的成本一样，机器的折旧与服务周期也一样，但是机器的使用率却存在较大差异。OEM使用该机器生产一定类型的零部件，第三方服务商服务不同的OEM，故生产多样化、较大批量的零部件，而航空公司只生产自己所需的零部件。因此，3D打印机在三种情境中的使用率不同，情境二的使用率最高，情境一次之，情境三的使用率最低。情境二中生产阶段的标准设备成本系数相对最低，单位零件的机器成本也相对最低。直接材料成本方面，在单位零部件所需材料相同的情况下，标准材料成本系数很大程度依赖于采购数量，即大订单常常获得更多的折扣。因此，相较航空公司，OEM和第三方服务商的标准材料成本系数更低，即在直接材料成本方面更有优势。再看飞机停运的机会成本，该成本与前置时间或响应速度直接相关。在采纳3D打印技术后，零部件生产的时间大大缩短，故影响前置时间的主要因素是响应速度和运输时间。在情境一中，OEM采用3D打印技术进行生产，由于OEM需要服务多客户，故其响应速度较慢；此外，由于距离较远，故运输时间也相对较长。情境二中，第三方服务商与航空公司在同一地区，故运输时间较短，但由于第三方服务商需要服务多客户，故响应速度较慢。情境三是由航空公司自己采用3D打印技术进行生产，故响应速度和运输时间都优于前两类情境。

3 3D打印技术驱动的供应链架构优化模型

识别三种不同供应链架构模式后需在不同环境下决策 “正确的”供应链架构模式，即在特定环境下该由谁来引进3D打印技术进行零部件生产。如上所述，不同情境下零部件的制造成本、仓储成本、运输成本等存在较大差别，同时，由于不同情境下响应速度与运输时间等差别较大，故顾客满意度也将不同。因此，为了给决策者提供有效的决策支持，本文构建以成本与顾客满意度为优化目标的优化模型。与已有研究不同，本研究同时考虑过程成本与系统成本，以更好地分析采纳3D打印技术后零部件供应链的经济效益。过程成本包括机器投资成本、直接人工成本、直接材料成本、机器维护费、设计成本以及间接成本。系统成本包括库存成本、运输成本 (物料与零部件)等。其中，机器投资成本是指购买3D打印机的成本，机器维护成本是指为使机器正常运行所需要的维修与养护成本。直接人工成本是指支付给直接参与生产或服务的工人工资，包含法律规定的个人所得税、保险、福利与奖金。直接材料成本是指采购打印零部件所需原材料的成本。设计成本是指进行3D的CAD模型设计所需的成本，间接成本包括间接人工成本、间接材料成本以及管理成本。库存成本包括原材料及零部件的库存成本，运输成本是指零部件的运输成本。

优化模型的目标函数为：

(1)

式中，xi为决策变量，决策该由哪个参与主体进行3D打印，即对应不同供应链架构模式，xi=1表示选择第i个参与者进行3D打印，xi=0表示不选择；Ui(DTi)表示选择第i个参与者进行3D打印对应的顾客满意度，它是关于前置时间DTi的函数。在很多研究中常常将前置时间设置为成本惩罚函数，但实际中前置时间常常体现在顾客满意度的评价中。因此，根据模糊理论[25]构建顾客满意度函数，即：

(2)

图4所示为顾客满意度与前置时间的关系，其中，[0,t1]表示顾客满意的前置时间区间，te为顾客能够接受的时间上限。因此，在[0,t1]区间送达顾客满意度为1，在(t1,te]区间送达满意度取值为(0,1)，若送达时间大于te则满意度为0。

图4 满意度与时间的关系

(3)

TC表示供应链总成本，包括制造成本、库存成本及运输成本。本文采用SIMOPT模型构建制造成本TCP：

(4)

参考Miranda等[26]的研究，库存成本TCH可表示如下：

(5)

物流成本TCL如下：

(6)

基于上述分析构建本文的决策优化模型：

(7-1)

(7-2)

TC=TCP+TCL+TCH

(7-3)

(7-4)

(7-5)

(7-6)

(7-7)

Q′≤Mi

(7-8)

(7-9)

xi∈{0,1}

(7-10)

4 案例研究

为了讨论所提出的决策优化模型的有效性与可行性，本文以具体的行业案例为例进行定量分析。以新加坡航空领域为背景，但出于保密原因，本文在不影响研究的前提下对数据进行一定修饰。本案例中的三个参与主体为E&P (位于美国的飞机零部件原始制造商)、RT (位于新加坡的第三方服务商)以及A&S (位于新加坡的航空公司)。对于A&S来说，飞机的维护成本是每年支出总额中的主要部分。除了日常工作外，很多老旧的零部件在每次大修中都需更换，而飞机的零部件成百上千，所以航空公司几乎不可能自己保留所有零部件的库存。因此，每当有需要，A&S就会将订单发给本地的第三方服务商RT或者直接发给远在美国的OEM。但是，这样就会导致较长的前置时间，使航空公司的飞机停运机会成本增加。3D打印技术为了解决这一问题提供了高效的解决方案，但是不同主体采纳该技术也会使供应链总成本不同，故本文以所构建的决策优化模型为决策者提供相应的决策支持。

本案例中，我们以燃油喷嘴的3D打印为例。打印燃油喷嘴通常采用SLM 3D打印设备，本文以WIIBOOX SLM250 METAL 3D 打印机为例，该设备的购置成本约为60万新加坡元。为了便于公平比较，假设：①所有3D打印机都是全新采购，并且使用寿命为10年；②案例中所有货币均以新加坡币为单位，时间以小时为单位；③该时期内客户A&S的燃油喷嘴需求量Q～N(20,10)。

决策变量xi表示是否选择第i个参与者进行3D打印，在案例中i=1表示选择原始制造商E&P，i=2表示选择第三方服务商RT，i=3表示选择航空公司A&S，对应的参数信息见表1。

表1 案例参数信息

本文采用遗传算法在MATLAB R2016软件中进行求解计算，最终优化结果为x1=0、x2=1、x3=0、F*=3.358×10-6。该结果表示在本案例背景下，第二种供应链架构即由第三方服务商采纳3D打印技术进行零部件生产时的目标函数最优。主要原因如下：①情境二中的机器使用率高于情境一和情境三，因此单位零件成本较低；②由于第三方服务商采购原材料时规模较大，可享受一定折扣，故情境二中的标准材料成本系数也低于其余两种情境；③由于第三方服务商与航空公司在同一地区，所以零部件运输成本低于情境一；④情境二中的顾客满意度虽低于情境三，但远高于情境一。

5 结论

3D打印技术为提升供应链效率提供了机会,但是，不同的供应链架构对3D打印技术的采纳起到促进或抑制作用，故在一定行业背景下选择最合适的供应链架构成为关键问题与挑战。与已有研究主要关注3D打印技术本身或是经济评价不同，本研究提出一个一般性优化方法，以供应链视角研究3D打印技术的采纳。依据供应链中采纳该技术的主体不同，本研究识别了三类供应链架构，即三种采纳情境：以OEM为中心的供应链、以第三方服务商为中心的供应链以及以客户为中心的供应链。为了进一步比较三类供应链架构的经济效益并为决策者提供决策支持，本文提出一个考虑系统级成本与客户满意度的供应链优化模型，并以航空领域实际案例进行说明。案例研究表明，本文所提出的优化方法具有可行性与有效性。考虑三类3D打印驱动的供应链架构在客户满意度及成本指标方面存在差异，建议决策者在决策过程中应考虑实际情况，采用本优化方法进行优化决策。本研究只考虑了由单个OEM、第三方服务商及客户构成的供应链系统，后续研究可以根据不同情况考虑更复杂的供应链情况及其决策优化问题。