3D打印技术专利发展态势分析

1 引言

近年,3D打印作为一项革命性的制造技术被广泛关注,该技术是利用计算机辅助设计工具进行数字建模,通过3D打印设备对石膏、塑料、金属粉末等粘合性强的材料进行精确的逐层累积,并利用粘合剂喷射、激光束烧结等方式粘合加固累积层,最终完成三维物体的制造。与传统制造最大的区别是其大幅缩短了制造周期,本质性地改变了传统制造的工艺流程,如传统的铸造工艺从绘制铸造图纸到最终完成一个铸件制造需要几十道工序,而3D打印技术则利用软件进行铸造工艺设计,打印出铸件的空心型腔后直接进行浇注,整个铸件生产时间可节省一半。利用3D打印技术建造房屋不需要脚手架、砖瓦等常规施工材料,而一天可建设185平米的房屋,建设速度是传统工人建造的几百倍^[1]。目前,3D打印技术被应用于航空航天、军事、汽车制造、家用电器、建筑、医学、教育、服装等多个领域。

鉴于3D打印的快速制造的优势,各国不断加强研发投入。美国为振兴制造业,在2012年的美国制造体制改革中提出通过改善增材制造材料、装备及标准实现创新设计的小批量、低成本数字化制造,并在同年8月份成立了美国增材制造创新研究所,联合大学、企业、非盈利研究所以及专业协会共同促进美国增材制造技术的发展^[2];德国2010年制定了《高技术战略2020》,提出了工业4.0战略,将3D打印作为重要技术之一,每年定向投入已超过2 000万欧元,用以促进机构之间的研发协作^[3];2013年日本经济产业省为促进3D打印机研发增加45亿日元财政预算,并召开“创造发明研究会”会议,讨论如何将3D打印技术运用于相关产业等课题。

我国则在2013年4月,首次将3D打印产业纳入国家863计划中。2015年2月11日,工业和信息化部、国家发展与改革委员会、财政部联合公布了《国家增材制造产业发展推进计划(2015–2016年)》,作为阶段性指导方针,该计划明确了我国当前3D打印技术和相关产业所处的形势,对相关产业发展做出了阶段性部署。可以看出,无论是产业市场还是国家政策对3D打印技术都表现出高度重视,因此,本文力图从专利活动角度对3D打印的技术现状及发展趋势进行分析,以期为相关研究提供参考。

2 数据来源与研究方法

本文的专利数据检索自 Derwent Innovations Index(DII)数据库,利用汤森路透的数据分析工具TDA(Thomson Data Analyzer) 和DI(Thomson Innovation)进行定量分析。数据检索日期为 2015年11月1日,共计检出相关专利13 664条。鉴于优先权信息在专利家族中的统计意义,本文按照优先权年和优先权国家进行统计。检索式见表1。

主题	检索式
3D打印技术	ALLD=((additive adj fabrica) OR (additive adj layer adj manufactur) OR (additive adj manufactur) OR (additive adj technique) or (rapid adj prototyp) OR (Freeform adj Fabricat) OR (3D adj print) or (3 adj dimensional adj print) OR (three adj dimensional adj print)) NOT ALLD=(((3 adj D) or (three adj dimensional) or 3D) ADJ4 circuit ADJ board) Or ALLD=((fabrica* or build* or form* or creat* or manufact* or Produc) near ((3 adj dimensional) OR (three adj dimensional) or 3D)) AND AIC=(B29c or g06f* or g03f) NOT ALLD=((laser ADJ daj ADJ print) or (laser adj beam adj print) or (((3 adj D) or (three adj dimensional) or 3D) ADJ4 circuit ADJ board)) or ACP=((G03F000770416) OR (B29C0067227) OR (G03F00070037))
具体技术名称	ALLD=((selective adj laser adj sinter) or (Direct adj metal adj laser adj sinter) or (Fused adj deposition) or (Fused adj Filament adj Fabrica) or (Stereo adj lithogra) or Stereolithogra* or (Laminated adj object adj manufactur) or (Electron adj beam adj melt) or (Powder adj bed adj inkjet adj head) or (Melted adj2 Extrusion ADJ Model) or (Selective adj heat adj sinter) or (Selective adj laser adj melt) OR (selective adj deposition adj model) or (Electron adj2 Beam adj Freeform adj Fabrication) or (Solid adj Ground adj Cur) or (direct adj shell adj production adj cast));

表1

3D打印技术检索式¹

3 3D打印技术专利态势分析

3.1 3D打印技术专利申请年度发展趋势

图1描述了1961–2015年3D打印技术专利申请情况,可以看出1990年代以前世界范围的3D打印相关专利申请数量很少,受信息技术、机械控制、材料等多方面因素的限制,3D打印技术处于技术萌芽阶段;进入1990年代随着电子信息技术的发展,3D打印专利数量开始增长,并保持平稳低速增幅;21世纪3D打印技术专利数量有小幅波动,随后2013年成为3D打印技术专利申请井喷年,同比2012年专利数量增长了240%,3D打印已经正式进入快速发展阶段。需要说明的是由于专利公布时间较申请时间有一定滞后性,截至检索日,2014年与2015年的专利申请并未完全公布,因此,图1中2015年的专利申请数量表现出明显减少。

2012年《经济学人》曾发表3D打印技术专题报道,称其为“第三次工业革命”^[4]。随后3D打印技术进入公众视线,并从工业级逐步延伸到桌面级^[5],同时应运而生的如熔融沉积造型(fused filament fabrication)、粉末层喷头三维打印(binder jetting)、材料喷射(material jetting)等技术所衍生的消费级产品也被大众市场接受,拓展了3D打印技术应用的边界。与此同时,工业级3D打印技术得到了快速发展,如直接金属粉末激光烧结(direct metal laser sintering)、电子束熔融(electron beam melting)、电子束实体自由成形(electron beam freeform fabrication)等金属合金增材制造工艺应运而生;高强度金属粉末的快速成型技术也在工业生产中得到广泛应用。

此外,3D打印技术在2013年的井喷式爆发与各国政府的高度重视密不可分。2012年8月美国将3D打印作为美国制造业发展方案的11项重要技术之一;中国在2013年4月首次将3D打印产业纳入国家863计划;澳大利亚则制定了金属3D打印技术路线;欧洲等国家也计划在2050年完成对飞机零件的3D打印制造。总而言之,从社会关注度的提高到3D打印技术的发展,再到各国政府的高度重视都促成了该技术的快速发展^[6]。

图1

3D打印技术专利申请量年度发展趋势

3.2 主要国家/地区分析

3.2.1 主要国家/地区专利申请数量及变化趋势

通过图2可以看出,中国、美国、日本、德国和韩国是专利申请数量位列前5位的国家,其中,中国专利申请量为4 054件,排名第1,占总量的29.4%,是3D打印技术的主要技术来源国;美国排名第2位,共申请专利3 861件,占总量的28%,与中国仅相差1.4%;日本排名第3位,共申请专利2 099件,占总量的15.2%。单从专利申请数量来看,中国和美国在3D打印技术方面具有较强优势。

结合图2和图3进一步分析国家/地区年度专利申请数量变化可以看出,在3D打印技术萌芽期阶段(1961–1987年),专利申请数量较少,专利产出主要集中在美国、德国、日本。在平稳增长期(1987–2012年),专利申请量稳步增长,美国和日本专利申请量在此阶段增长迅速,中国对3D打印技术的关注也从这个阶段开始,虽然相比美、日起步较晚,但2011年之后增长趋势明显,2013年专利申请数量已经超过美国,成为世界3D打印技术专利申请数量最多的国家。

图2

3D打印技术主要国家/地区专利申请数量情况

图3

3D打印技术主要国家/地区专利申请数量年度变化趋势

3.2.2 主要国家/地区专利影响了分析

综合分析国家/地区的专利申请总量与专利总被引次数(见图4),可以发现美国(US)、日本(JP)、德国(DE)在专利被引频次方面排名靠前,美国专利的总被引用次数为52 123次,其中59.9%的专利被其他专利引用过;而日本与德国的专利总被引次数分别为9 875次与7 768次,被引用过的专利占比均超过50%;因此可以看出,美国、日本、德国的3D打印技术积累深厚,在业内有较高影响力,这些国家的3D打印产业发展比较成熟,建立了较为完善的专利保护环境。而中国(CN)专利申请量虽然最多,但被引专利仅占10.3%,在技术影响力与专利布局方面和发达国家仍有较大差距。

图4

3D打印技术主要国家/地区专利影响力分布

3.3 主要专利申请人分析

3.3.1 专利申请情况

根据检索结果,专利申请机构主要以美国机构为主,在专利申请数量前10名的机构中美国机构占到一半,3D SYSTEMS公司成为专利申请数量最多的机构,共申请专利266件;中国有两家企业进入了前10,分别是中科麦特电子技术设备有限公司(第9位)和天威控股有限公司(第10位)。从专利申请时间来看3D SYSTEMS公司、STRATASYS公司、美国联合技术公司、汽巴精化4家企业从1980年代开始就在该领域布局;EOS公司、美光公司、DSM公司从1990年代有相关专利产出;而中国的两家企业近几年才开始在该领域进行研发。

对比表2和表3可以看出,专利申请数量前10机构和专利被引频次前10机构并不一致,但3D SYSTEMS在两个榜单中均排名第一,专利总被引量达8 163次,成为3D打印领域的龙头企业。另外,松下株式会社、麻省理工学院、DTM公司、Z公司、VANTICO和OBJET6家机构的专利总被引都超过了1 000次,其中,松下株式会社专利被引达到2 127次。除Z公司外,其他机构的专利申请均始于1970–1980年代,说明企业技术积累深厚。但从近3年的专利申请情况看,两个榜单共16家企业中有7家近3年都没专利产出,中国企业成为近年3D打印领域最为活跃的机构。

图5

主要专利申请人技术构成情况

3.3.2 技术构成

通过图5可以看出,主要专利申请人的专利产出集中在B29C(塑料的成型或连接;塑性状态物质的一般成型;已成型产品的后处理)、B22F(金属粉末的加工;由金属粉末制造制品;金属粉末的制造)、G03F(图纹面的照相制版工艺)3项技术分类中,同时各机构也有自己的发展侧重。如3D SYSTEMS、DSM、VANTICO侧重于立体光固化技术的研究,相关专利被集中归入B29C-0035/08(通过波动能量或粒子辐射加热凝固用于可塑性材料成型)、G03F-0007/00(图纹面的照相制版工艺)。汽巴精化的专利则主要集中于光敏材料方面,被归入C08F2/50(光敏剂材料)中。STRATASYS的专利多集中于B29C-0041/02(利用沉积材料和剥离成型制品的方法用于制造定长的制品)等与熔融沉积相关的技术。OBJET的专利技术则主要集中于熔融沉积技术后期物体修整技术。

序号	申请人	国别	专利数量/件	申请活动时间范围	近3年专利占比	专利被引量/次
1	3D SYSTEMS	美国	266	1984–2014	3%	8 163
2	STRATASYS	美国	179	1989–2014	17%	3 055
3	美国联合技术公司	美国	113	1989–2014	76%	271
4	EOS公司	德国	94	1990–2014	15%	1 646
5	汽巴精化	瑞士	88	1989–2008	0%	3 313
6	美光公司	美国	88	1999–2009	0%	2 293
7	惠普公司	美国	84	2001–2014	36%	646
8	DSM公司	荷兰	81	1994–2014	7%	996
9	中科麦特电子技术设备有限公司	中国	81	2013–2013	100%	0
10	天威控股有限公司	中国	79	2013–2015	100%	13

表2

专利申请数量排名前10位的主要专利申请人

序号	申请人	国别	专利被引量/次	申请时间范围	近3年专利占比	专利数量/件
1	3D SYSTEMS	美国	8 163	1984–2014	3%	266
2	汽巴精化	瑞士	3 313	1989–2008	0%	88
3	STRATASYS	美国	3 055	1989–2014	17%	179
4	美光公司	美国	2 293	1999–2009	0%	88
5	松下株式会社	日本	2 127	1977–2010	0%	77
6	麻省理工学院	美国	1 646	1989–2014	15%	48
7	DTM公司	美国	1 614	1979–2001	0%	19
8	Z公司	美国	1 204	1996–2007	0%	27
9	VANTICO公司	美国	1 132	1989–2002	0%	32
10	OBJET公司	以色列	1 041	1999–2011	0%	32

表3

专利被引频次排名前10位的主要专利申请人

德国EOS、美国联合技术公司、麻省理工学院、松下株式会社、天威控股有限公司侧重于金属3D打印相关技术,如选择性激光烧结、激光熔融等,相关专利被归入B22F3/115(利用喷射熔融金属制造工件或制品)技术分类中。而中国中科麦特电子技术设备有限公司则侧重于利用石膏、陶瓷为材料的3D打印,归类为B28B/01(技术黏土或其他陶瓷成分的制品成型)。

3.3.3 专利申请人合作情况

从图6可以看出,主要专利申请人以3D SYSTEMS和STRATASYS为中心开展了多方合作。在材料方面,3D SYSTEMS与Z公司、汽巴精化、VANTICO有多项合作,包括成型材料、干燥材料、粘合材料等;STRATASYS与OBJET和麻省理工学院在材料添加剂方面进行合作开发。在3D打印技术方面,3D SYSTEMS与DTM公司在激光烧结技术上展开了深入合作,主要集中在激光强度、烧结点控制及对不同材料成型控制等方面;3D SYSTEMS同时与德国EOS在立体光刻方面开展合作。从合作关系图与市场现状来看,3D Systems和Stratasys始终处于竞争关系,两家机构均成立于1980年代末,分别根据自己的3D打印技术专利推出了商业化的3D打印机,并通过不断创新和吸收新技术引领3D打印的发展。

图6

主要专利申请人合作分布图

3.4 关键技术分析

3.4.1 3D打印热点技术分析

表4给出了专利申请数量排名前15位的国际专利分类号(IPC), 基于专利分布情况,利用TI(Thomson Innovation)分析工具绘制出技术研发重点领域分布图(图7),由图可见3D打印的热点技术主要集中在以下领域。

图7

3D打印技术专利地图

◆ 信息技术：设计人员可借助软件及数字化工具制作产品的三维数字模型或对物体进行三维扫描辅助建模,相关专利主要集中于三维图像采集、处理与辅助建模方面。

◆ 精密机械工程技术：目前激光烧结技术、立体光固化成型技术、熔融沉积成型、电子束熔融相关专利比较集中,其中3D打印设备中材料成型喷头、成型物体修整技术、材料预处理技术是研究比较集中的细分领域。

◆ 应用材料：用于3D打印的原材料较为特殊,必须能够液化、粉末化、丝化,在打印完成后又能重新结合起来,并具有合格的物理、化学性质。专利聚类显示,相比立体光固化、激光烧结、熔融沉积等技术,金属粉末成型材料是3D打印领域的研究重点之一;而由于光固化技术的发展历史悠久,相关专利较为集中,光敏树脂以及相关成型支撑材料的使用比较广泛。

◆ 技术应用：主要应用集中在半导体芯片制造,工业磨具制造如机械铸造件模具等,医用模具制造如假肢、假牙等方向。

3.4.2 3D打印关键技术分类年度变化趋势

通过分析3D打印IPC专利分类各年度专利申请数量的分布情况(见表5),可以看出,涉及金属3D打印技术的相关专利数量2012年之后大幅增长,如B22F-0003/105、B22F-0003/115等;立体光固化技术相关技术专利开始减少,如G03F-0007/00、G03F-0007/004等;基础3D建模与图像处理相关技术继续平稳增长,如G06F-0017/50、G06T-0017/00等。究其原因,金属零件具有更高的强度,且应用领域广泛,需求量大,3D打印技术可缩短制造时间及制造成本,因此金属3D打印必然成为先进制造产业发展的重要方向。近年来的迅速发展已使其成为现代金属零部件制造的有效手段,在航空航天、汽车摩托车、家电等领域都得到了一定的应用。

序号	IPC分类号	分类号含义	专利数量/件
1	B29C-0067/00	不包含在B29C 39/00至B29C 65/00,B29C 70/00或B29C 73/00组中的成型技术	4 130
2	B22F-0003/105	利用电流、激光辐射或等离子体金属粉末进行烧结	831
3	G03F-0007/00	图纹面,例如,印刷表面的照相制版如光刻工艺;图纹面照相制版用的材料,如：含光致抗蚀剂的材料;图纹面照相制版的专用设备	454
4	B29C-0035/08	通过波动能量或粒子辐射加热或凝固进行塑性状态物质成型	430
5	B33Y-0030/00	增材制造技术	372
6	B22F-0003/115	利用喷射熔融金属对金属粉末进行加工	334
7	G03F-0007/20	图纹面的照相制版工艺曝光及其设备	313
8	G06F-0019/00	专门适用于特定应用的数字计算或数据处理的设备或方法	253
9	G06T-0017/00	用于计算机制图的3D建模	243
10	B29K-0105/24	与小类B29B、B29C或B29D联合使用的、涉及成型材料或涉及用于增强材料、填料或预型件	173
11	B29C-0033/38	以材料或制造工艺为特征进行塑性状态物质成型	160
12	B28B-0001/00	由黏土或其他陶瓷成分、熔渣或含有水泥材料的混合物生产成型制品	138
13	G03F-0007/004	感光材料	137
14	B22F-0003/00	由金属粉末制造工件或制品,其特点为用压实或烧结的方法	136
15	B41J-0002/01	油墨喷射	130

表4

专利申请数量排名前15位的IPC分类号及其含义

IPC分类优先权年	B22F-0003/105	G06F-0017/50	G03F-0007/00	B29C-0035/08	B22F-0003/115	G03F-0007/20	G06F-0019/00	G06T-0017/00	B29K-0105/24	B29C-0033/38	B28B-0001/00	G03F-0007/004	B22F-0003/00	B41J-0002/01	G06T-0001/00	B29C-0067/04	C22B-0009/22	G03F-0007/027
2015	46	20		1	50		3	10		3	15		3	5		6
2014	210	95	1	10	232	2	12	35		5	51	3	32	10	2	16	3	2
2013	221	112	14	9	33	19	22	22		10	41	6	37	14	2	26	6	4
2012	75	62	10	11	2	18	19	16		5	2	4	5	7		6	6
2011	40	45	9	11	1	8	18	14		9	1	6	3	6	2	9	10	1
2010	36	40	8	10	1	13	22	8		5	2	4	3	4	1	13	3
2009	31	32	10	11		13	11	11		6	2	4	1	8	1	6	1	1
2008	17	39	5	11		21	15	13		6	1	6	1	11	2	4	5	2
2007	18	42	15	9		15	16	4		5	1	11	2	6	2	6	4
2006	15	33	11	9		12	25	5		4	3	2	3	10	2	4	4	1
2005	14	25	10	16	1	14	7	4		4		5		7	1	2	2	1
2004	13	30	20	20	2	21	21	4		2	3	5	2	22	3	2	1	5
2003	15	29	59	29	1	24	21	3		12	6	18	8	38		3	2	9
2002	17	33	33	25		16	21	5		9	3	15	2	4	2	6	2	5
2001	16	17	24	14		27	9	2		13	1	6	2	5	2	3	5	4
2000	13	15	27	17		35	10	8		6	1	9	2	7	10	3	4	5
1999	10	28	21	14		8	16	22	1	6		4	2	2	22		3	6
1998	12	17	20	4	2	1	8	5	5	5	3	7	5	1	20		4	8
1997	1	17	14	13	2	1	6	3	6	11	1	8	3		8	1	1	9
1996	2	14	24	16		6	2	15	8	5	3	9	2	4	13	3		15
1995	5	21	23	32	2	9	1	21	24	14		10	4		12	3	2	10
1994	4	24	21	36		14	3	12	22	9		3			14	4	1	3
1993	4	9	25	15		15	2	7	11	6		3	3	1		1		10
1992	4	10	18	36	1	14	1	3	23	4	1	1	5	1	3	4	2	7
1991	2	4	24	28	1	9	1	5	20	1		1	3		2		2	10
1990	4	4	13	22	4	14	1	4	15			1	3		1	2	16	6
1989	2	1	31	31	2	22		7	31	1		3	2	1		1	4	10
1988	2	1	29	21		20		10	13	1		1	2		1		4	4
1987			3	2		3		1	1	1							9

表5

基于IPC分类的专利申请数量年度分布情况

4 结语

随着经济快速发展、人力成本不断上升,3D打印技术作为下一代革命性的先进制造技术受到广泛关注。从专利申请时间角度看,3D打印技术出现较早,伴随信息技术、工程技术、材料科学的进步而不断发展。目前,该技术主要应用于模具制造,芯片制造等领域,而金属3D打印技术也代替了立体光固化技术成为该领域主要的研究方向。从专利申请国家分布角度看,美国、日本、德国成为该项技术的重要专利市场国,中国虽然进入该技术领域时间较晚,但发展十分迅速,不过在技术影响力方面与美国、日本、德国仍有很大差距。从专利申请人角度来看,3D Systems与Stratasys两家公司形成技术垄断之势,但近年专利产出率下降,而中国机构近年在专利产出方面十分活跃,有望在未来打破垄断现状。

总体来看,虽然近年来社会对3D打印技术的关注有所减少,但专利申请活动依然活跃,该项技术仍处于快速增长阶段。随着材料、工程控制等相关领域技术不断革新,相信3D打印一定会成为未来制造业不可或缺的重要技术领域。

The authors have declared that no competing interests exist.

References

View Option

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用3D打印技术建造房屋

2013

... 近年,3D打印作为一项革命性的制造技术被广泛关注,该技术是利用计算机辅助设计工具进行数字建模,通过3D打印设备对石膏、塑料、金属粉末等粘合性强的材料进行精确的逐层累积,并利用粘合剂喷射、激光束烧结等方式粘合加固累积层,最终完成三维物体的制造.与传统制造最大的区别是其大幅缩短了制造周期,本质性地改变了传统制造的工艺流程,如传统的铸造工艺从绘制铸造图纸到最终完成一个铸件制造需要几十道工序,而3D打印技术则利用软件进行铸造工艺设计,打印出铸件的空心型腔后直接进行浇注,整个铸件生产时间可节省一半.利用3D打印技术建造房屋不需要脚手架、砖瓦等常规施工材料,而一天可建设185平米的房屋,建设速度是传统工人建造的几百倍^[1].目前,3D打印技术被应用于航空航天、军事、汽车制造、家用电器、建筑、医学、教育、服装等多个领域. ...

3D打印——国际竞争和发展势头强劲

2013

... 鉴于3D打印的快速制造的优势,各国不断加强研发投入.美国为振兴制造业,在2012年的美国制造体制改革中提出通过改善增材制造材料、装备及标准实现创新设计的小批量、低成本数字化制造,并在同年8月份成立了美国增材制造创新研究所,联合大学、企业、非盈利研究所以及专业协会共同促进美国增材制造技术的发展^[2];德国2010年制定了《高技术战略2020》,提出了工业4.0战略,将3D打印作为重要技术之一,每年定向投入已超过2 000万欧元,用以促进机构之间的研发协作^[3];2013年日本经济产业省为促进3D打印机研发增加45亿日元财政预算,并召开“创造发明研究会”会议,讨论如何将3D打印技术运用于相关产业等课题. ...

工业4.0背景下德国应对3D打印技术的法政策学分析——兼论我国对3D打印技术的法政策路径选择

2015

2012

... 2012年《经济学人》曾发表3D打印技术专题报道,称其为“第三次工业革命”^[4].随后3D打印技术进入公众视线,并从工业级逐步延伸到桌面级^[5],同时应运而生的如熔融沉积造型(fused filament fabrication)、粉末层喷头三维打印(binder jetting)、材料喷射(material jetting)等技术所衍生的消费级产品也被大众市场接受,拓展了3D打印技术应用的边界.与此同时,工业级3D打印技术得到了快速发展,如直接金属粉末激光烧结(direct metal laser sintering)、电子束熔融(electron beam melting)、电子束实体自由成形(electron beam freeform fabrication)等金属合金增材制造工艺应运而生;高强度金属粉末的快速成型技术也在工业生产中得到广泛应用. ...

第三次工业革命背景下3D打印业企业竞争力影响因素研究

2014

2012

... 此外,3D打印技术在2013年的井喷式爆发与各国政府的高度重视密不可分.2012年8月美国将3D打印作为美国制造业发展方案的11项重要技术之一;中国在2013年4月首次将3D打印产业纳入国家863计划;澳大利亚则制定了金属3D打印技术路线;欧洲等国家也计划在2050年完成对飞机零件的3D打印制造.总而言之,从社会关注度的提高到3D打印技术的发展,再到各国政府的高度重视都促成了该技术的快速发展^[6]. ...

观宇宙之博大 察万物之精微

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