目前，3D打印主要应用于小批量生产，以及小尺寸、高价值、高复杂度和高难度部件等的制造，从而消除制造过程对部件模具和机器工具的需求，实现降低成本、缩短工期的目的。3D打印的市场可粗分为原型制造、工具制造、直接部件制造和部件维修等。

目前，3D打印仍面临着许多技术上的挑战，美国2011年的Wohlers报告和IDA综述将主要问题归纳为下面七个方面：

1）材料的刻画

2）材料的研制

3）过程控制问题

4）过程的建模与分析

5）机器的验证与标准

6）机器的模块化构造与组合

7）设计工具与软件

除了对这些技术上的挑战研究之外，目前欧美日等国家还兴起了许多综合性的研发课题与方向。例如：

•       能源和电子器件

•       奇特结构

•       轻质结构与部件

•       三维扫面成像

•       生物医学打印技术

•       环境影响与冲击

尽管美国在3D打印的整体技术上领先全球，但在基础研究设施、研发组织和政府支持上，欧盟明显领先。首先，欧盟在政府研发方面的投入要大于美国（不计不公开的国防军事投入），著名的大型合作项目包括英国的加式制造创新中心、欧盟第六框架项目大航空航天组件快速生产Rapolac（RapidProduction of Large Aerospace Components），全程专注航空航天的SMD（Shaped Metal Deposition）技术，等等。其次，欧洲工业界也主动组织形成3D打印产业群，共同开发加式制造的市场。一度形成原始创新技术源于美国，但其后的研发和应用及商业化却是由欧盟等国家完成的局面。

近几年来，美国明显加大加快了对3D打印技术研发的组织力度，但仍然是以企业和大学及科研机构等半政府半民间的组织为主导力量。2009年，以美国相关大学为主的“加式制造路线（RAM）研讨会”就未来5到10年的技术发展进行了广泛的讨论，并发表了较有影响的路线图研讨报告。根据这一报告的建议，由爱迪生焊接研究所（EWI）牵头于2010年成立“加式制造共同体AMC（Additive ManufacturingConsortium）”，试图将相关的制造商与供应商同大学与研究机构联结成为一个互动良性发展促进的生态组织，共同解决3D打印技术中还存在着的大量问题。AMC目前已有30余家企业、研究所、大学、军方和政府等机构成员，以金属材料的加式制造技术为主，每季度活动一次。目前，AMC整合EWI及其成员的设备、技术和专业知识，初步构成了一个分布式、网络化的加式制造“国家实验平台中心NTBC（National Test BedCenter）”。AMC和NTBC的使命就是提高3D打印加式制造技术的成熟度，促进相应的产业投资，在全美范围内将这一新兴的制造方式早日转化为主流的制造方式。自2011年起，AMC每年都向其会员发布加式制造的现状报告。此外，近三年来美国政府、军方及企业还多次组织了3D打印技术的有奖挑战大赛，希望以此加速相关技术的发展、应用和普及。

2012年9月19日，著名科技杂志《Wired》的主编Anderson以危言耸听般的标题“The New MakerBot Replicator Might Just Change Your World（新的MakerBot Replicator或将改变你的世界）”描述了新型3D打印机的进展情况。根据该报道，MakerBot公司新推出的低端3D打印机Replicator 2的价格仅为2199美元，高端的 Replicator 2X也只有2799美元；并且，几年后价格可能会降到99美元；届时，每个人都将拥有3D打印机，比计算机还要普及。在2011年美国加式制造现状的许多报告中，3D打印的个人使用和世界范围的应用已被列为最新的发展趋势。

这意味着什么？为什么说这将改变我们的世界？

这意味着“长尾效应”常态化将在生活和产业中成为现实，意味着个性化的规模化和经济化，意味着社会制造时代的来临：在这个时代里，社会需求将同社会制造能力实时无缝地衔接，搜索就是制造，搜索就是生产，搜索就是消费。原因十分简单，减式制造依靠规模生产降低成本，但绝大多数的需求并不需要规模生产，属长尾范围，过去只能由手工制作或归为奢侈品来满足，而现在可以通过3D打印技术高质量且经济地解决。3D打印成本的下降和应用的普及，意味着加式制造的Microsoft、Oracle、Yahoo、Amazon、Google、QQ、阿里巴巴、Facebook、Twitter和微博时代的同时到来。正如Google依靠大规模的计算机服务器阵列来满足人们信息搜索的需求，从而改变人类生活与工作方式一样，我们可以设想未来的3D打印机组成大规模的制造阵列，实时方便地满足人类对各种个性化产品的物质需求，进而更加深刻地改变我们生活的社会，这就是为什么3D打印将改变我们的世界，这就是为什么社会制造将带来一场产业革命。

至今，人们尚未对社会制造的确切含义进行深入的探讨，我们不妨从国外二个典型的社会制造公司入手，考察其内容和意义。

Shapeways：该公司于2007年创立于荷兰，后将总部移至美国纽约市，至今已获数千万美元的风险投资。2012年10月，该公司在纽约皇后区的“未来工厂”投入运营。“未来工厂”里的机器，就是50台工业3D打印机，通过Facebook和Twitter等社会媒体，接受客户的各种产品的三维设计方案，并在数天内完成产品的打印生产，然后寄送给客户。同时，该公司还为商家和设计者设立平台，使他们可以利用公司的3D打印机生产并销售自己设计或收集的产品，目前该公司已有近15万个平台会员，6000余设计者，至2012年6月20日，已经打印了100多万个3D产品。

Quirky：该公司于2009年成立于美国纽约，至今已获近亿美元的风险基金，创始人Ben Kaufman今年仅25岁。Quirky的特色是众包：公司通过Facebook和Twitter等社会媒体接收公众提交的产品设计思路，并由公司的注册用户进行评论和投票表决，如此每周挑选出一个产品进行3D打印生产，参加产品设计和修正过程的众包人员可分享30%的营业额。公司还进一步将众包设计改进的过程同时转化为通过社会媒体来推荐相应产品的过程，创造性地拓展了销售市场。目前，该公司每年仅生产60种产品，产品的提交费由最初的99美元降至现在的约10美元，公司的注册用户每月以20%的速度增长，已达6.5万人，而网上社区注册用户达26万。公司有望今年获利100万美元，已向发明者支付了200多万美元的授权费。Quirky的一个成功例子是一位中学生所设计的“Pivot Power”插线板，今年已获50万美元的净收入，该中学生的收入超过5万美元。

可见，社会制造最大的特色就是消费者可以将需求直接转化为产品，即“从想法到产品”，并使得任何人都能通过社会媒体和众包等形式参与其设计、改进、宣传、推广、营销等过程，并可以分享其产品的利润。简言之，社会制造就是利用3D打印、网络技术和社会媒体，通过众包等方式让社会民众充分参与产品的全生命制造过程，实现个性化、实时化、经济化的生产和消费模式。

在社会制造的环境下，大批3D打印机形成制造网络，并与互联网、物联网和物流网无缝连接，形成复杂的社会制造网络系统，实时地满足人们的各种需求（见图5）。

图5：社会制造的网络与过程

搜索是社会制造的核心，其实质内容就是社会计算，传统的企业将转变为能主动感知并且响应用户大规模个性化需求的智能企业，否则无法生存。

社会制造的关键问题就是如何主动、及时地将社会需求与社会制造能力有机地衔接起来，从而有效地完成从需求到供应之间的相互转化过程。为此，我们必须实现从社会计算到社会制造的转换，将两个密切相关的新兴领域有机地结合起来。网络空间和社会媒体的环境，不但是催生这两个领域的基本条件，更为完成相应的整合任务提供了有利的保障。

首先，社会计算为社会制造提供了主动及时地掌握社会需求的必要手段，从而能够在大数据的时代环境下直接用数据考察研究各类问题。其次，社会制造涉及人的行为与需求，对许多问题由于时间、经济、法律和道德上的原因无法进行传统的实验，而社会计算能够以计算实验的方式弥补这一缺陷。最后，社会计算的平行管理与控制为落实社会制造的运营和支持各种决策提供了一个有效的操作平台。

特别是，作为目前社会制造的核心手段之众包，也正是社会计算目前的核心研究内容。众包源于中国的“人肉搜索”现象，可以被认为是工程化的“人肉搜索”，而“人肉搜索”是社会化的众包，两者是同一概念从不同角度的认识而已。一般而言，社会民众可以通过“人肉搜索”的独立方式寻求满足自己需要的社会制造企业，而企业可以通过众包的方式有效地完成产品的提出、设计、评价和营销等任务（见图6 a）。图7给出通过“人肉搜索”或众包的方式完成从社会需求到社会制造的过程。

图6：网群运动组织CMO、社会需求、社会制造

图7：基于CMO的社会需求与社会制造能力转换

在此基础上，我们还进一步提出网群运动组织CMOs（Cyber Movement Organizations）的概念（见图6 b）来刻画动态网民群体，从而能够精确地满足社会制造的各种需要。CMO的概念源自社会学的社会运动组织（SMO）和网络促生的SMO(即CeSMO)，对于社会制造而言，可以直接将CMO解释成客户运动组织（Customer Movement Organization）。掌控相关CMO，将是实现从社会需求到社会制造之间有效转化的关键所在（见图6 c）。将来，一个社会制造企业能否成功，一定取决于其掌控CMO的手段和能力。

总之，社会计算是社会制造在3D打印技术之后，整合 Microsoft、Oracle、Yahoo、Amazon、eBay、Google、百度、阿里巴巴、Facebook、Twitter、QQ、微博等理念与实践的关键，是社会制造成为未来智能生产企业之基础的必由之路。只有在社会制造过程中，真正地嵌入社会计算方法，加式制造才能真正完成一场伟大的产业革命。

尽管社会制造企业仅有短短几年的历史，但正如Anderson所指出的，相对传统的制造方式，这类企业的生产过程具有下面三个鲜明的品质：

Ÿ  免费的多变性（Variety is Free）：把每个产品做的不同与把它们做成同样之间无成本的差异（It costs no more to make every productdifferent than to make them all the same.）

Ÿ  免费的复杂性（Complexity is Free）：可以像打印一个简单塑料方块一样便宜且方便地打印一个具有精巧小组件和繁琐细节的产品。（A minutely detailed product, with many fiddlylittle components, can be 3-D printed as cheaply as a plain block of plastic.）

Ÿ  免费的柔韧性（Flexibility is Free）：在生产过程开始后，改变一个产品只是意味着程序的简单改变。（Changing a product after production hasstarted means just changing the instruction code.）

必须指出的是，这三个对于加式制造为免费的品质，要在传统制造中获得，每一个都要付出很大的代价。

然而，这些品质也将不可避免地使真正的社会制造过程变得极其动态、多样、复杂并且不确定。因此，我们需要新的理念、系统和方法来管理和运作社会制造企业，这就是提出社会制造平行运营和管理的原因。

基于针对复杂系统的ACP（人工系统 + 计算实验 + 平行执行）理论，图8给出社会制造的平行控制与管理系统的研究框架。这一框架以社会制造企业和承载网群运动组织CMO的互联网为对象，以现代物流网络为支撑，以3D打印加式制造设备为依托，形成一类支持集设计、生产、制造、推介、消费为一体的新型智能制造产业模式。这对于我国生产企业降低成本、提高利润，进而提高我国制造业中的整体竞争力、实现产业升级具有重要意义。

图8：社会制造的平行控制与管理系统研究框架

社会制造的平行控制与管理系统主要由三部分组成，简介如下。

社会制造的人工社会

图9给出社会制造的人工系统架构，主要包括：社会制造中网群运动组织CMO的人工社会构建；社会制造的人工系统构建；社会制造参与各方的交互模型。这里的主要任务是建立需求热点和相关CMO网上网下行为的演化模型，并研究其复杂网络结构特性与社会媒体信息传播机制间的关系，从而为社会制造的控制与管理提供决策依据。

图9：社会制造的人工系统架构

社会制造的计算实验

图10描述社会制造中的计算实验过程，主要包括：生产任务的计算实验，生产全过程的优化跟踪、分析评价、动态演化，CMO的演化分析与评估，CMO对突发事件的动态响应模拟及预处理模拟；CMO的管理机制与策略的分析与评估，探索网络社会中热点形成机理及发展规律，3D打印制造分布协作机制评估与性能分析；3D打印制造分布协作机制对突发事故的动态相应模拟及预处理机制模拟，3D打印制造负载均衡与批量优化方法，物流过程优化与跟踪方法，等等。

图10：社会制造的计算实验

社会制造的平行执行

图11描述社会制造中的平行执行过程，主要内容包括：社会制造人工系统与实际系统的虚实互动机制，网络社会与真实社会的互动调节与反馈机制，CMO人工系统与实际系统之间的互动调节与反馈机制，分布式协作的3D打印人工系统与实际系统的互动调节与反馈机制等等。主要任务包括：研究CMO与真实社会交易行为的相互影响与反馈机理；社会制造中虚实系统的互动演化和反馈调节，为真实社会中基于CMO的社会制造决策提供支持。

图11：社会制造中的平行执行过程

社会制造的支撑技术：云计算、物联网、大数据

由于存在于社会媒体上的CMO涉及大数据的动态性、多样性、虚实交互性、复杂性和不确定性等特点，如何从大数据中获得有用的信息，并从中挖掘出CMO的一般规律是一个极其具有挑战性的问题。我们必须以物联云计算的手段，采用机器学习、数据挖掘、模式识别、人工智能等领域的理论、技术、方法, 研发可计算的智能社会媒体数据信息处理的机制， 进而支撑处理CMO的计算模型。主要研究内容如图12所示。

图12: 社会制造的大数据处理

社会制造的系统设计

图13: 社会制造的平行控制与管理体系结构

图14: 社会制造系统的运营架构

六、回顾与展望

2007年，在参加编写《中国至2050年先进制造科技发展路线图》的过程中，加式制造引起了我们的注意，但当时由于专家意见不一致，特别是人力、物力和时间的缺乏，只能将加式制造作为实验室的一个跟踪课题予以关注。2010年，我们向有关部门提出将社会制造作为重点方向立项的建议，但最终的决策是首先加强快速成型系统的研发与完善。2011年，中国科学院复杂系统管理与控制国家重点实验室获国家批准成立，我们即决定将社会计算与社会制造有机地结合，作为国家重点实验室新的研究方向，以此重新组织我们在控制和自动化领域的力量，重塑我们在这一领域的传统影响。之后，实验室成立了以年轻科研人员为主的社会制造攻坚团队，配合相关企业，研发从社会计算到社会制造的核心方法和系统平台。

然而，3D打印技术和社会制造的发展速度却大大超过我们的预期。以目前的国际发展态势，我们必须立即大力度大规模地启动社会制造的研发和产业化进程，否则就难以保持我国目前在制造业的优势和地位，无法维持我国的竞争力，更难以实现真正的产业升级和转型。

很明显，社会制造是计算机和互联网引发的信息革命之后的又一场产业革命，而且是一场虚实结合的革命，其规模和速度都将是前所未有的，意义重大，并更具挑战性。这场革命对从业人员的素质与专业水平以及运营环境的要求都与我们现行的教育科研和产业管理体制有明显的冲突。如不认真应对，轻则可能发生西方国家所期望的制造业从中国等发展中国家向发达国家回流的现象，重则严重影响中华民族复兴的伟业。

致谢

本项工作得到了国家自然科学基金委“平行管理”重点项目（71232006），以及复杂系统管理与控制国家重点实验室社会制造团队和中国人民解放军总装备部有关人员的大力支持，在此深表感谢。

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