全球與中國(guó)3D打印的專利發(fā)展態(tài)勢(shì)對(duì)比分析

劉少芳

【摘 要】本文基于Innography分析平臺(tái)，對(duì)全球及中國(guó)3D打印技術(shù)的專利發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比研究，通過對(duì)總體發(fā)展態(tài)勢(shì)、專利區(qū)域部署、技術(shù)構(gòu)成、研究熱點(diǎn)和專利權(quán)人競(jìng)爭(zhēng)力分析，揭示了中國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和存在問題，并相應(yīng)地提出相關(guān)發(fā)展建議。

【關(guān)鍵詞】3D打??；科學(xué)計(jì)量；專利分析；研究態(tài)勢(shì)

中圖分類號(hào)： TP391.73；G306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）12-0011-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.004

A Comparative Technological Development Situation Study on 3D Printing of Global and China

LIU Shao-fang

（The Science and Technology Library of Guangdong；Guangdong Institute of Scientific & Technical Information and Developmental Strategy， Guangzhou 510070， China）

【Abstract】The global and Chinese technological development situations of 3D printing are compared by using the Innography system. Patent application tendency， patent regional distribution， technical composition， research hotspots and patentees competitiveness in this field are analysed. At last， developing situations， existing problems and some proposals are presented based on the patent analysis of China.

【Key words】3D printing； Scientometrics； Patent analysis； Research situation

0 引言

3D打印又稱增材制造、積層制造，是快速成型領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性制造技術(shù)。該技術(shù)近年來(lái)取得快速發(fā)展，受到廣泛關(guān)注，世界各國(guó)都不斷加大研發(fā)力度，力爭(zhēng)占領(lǐng)產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)。美國(guó)為振興制造業(yè)，在奧巴馬政府的主導(dǎo)下制定了《先進(jìn)制造國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃》，并于2012年由聯(lián)邦政府、高校和企業(yè)共同出資建立了國(guó)家3D打印創(chuàng)新研究所（NAMII），推動(dòng)了美國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)學(xué)研鏈條的有效鏈接[1]。德國(guó)于2010年發(fā)布《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》，提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，3D打印作為工業(yè)4.0實(shí)現(xiàn)“智能生產(chǎn)”和“智能工廠”的重要途徑，德國(guó)政府每年對(duì)其科研定向投入超過2000萬(wàn)歐元，以強(qiáng)化高校和科研機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域的研發(fā)作用[2]。2013年日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省為促進(jìn)3D打印機(jī)研發(fā)增加45億日元財(cái)政預(yù)算，并召開創(chuàng)造發(fā)明研究會(huì)議，探討如何將3D打印應(yīng)用于相關(guān)產(chǎn)業(yè)等課題[3]。我國(guó)于2015年出臺(tái)了《中國(guó)制造2025》，將3D打印產(chǎn)業(yè)作為發(fā)展重點(diǎn)，后續(xù)又相繼制定了《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016年）》[4]和《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020年）》，可見，我國(guó)高度重視3D打印技術(shù)的發(fā)展。因此，本文從專利的角度對(duì)3D打印的發(fā)展態(tài)勢(shì)和技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，以期為我國(guó)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)提供參考。

1 3D打印技術(shù)領(lǐng)域的專利態(tài)勢(shì)分析

1.1 研究方法

采用CPA Global公司的qu專利信息檢索和分析平臺(tái)，通過制定關(guān)鍵詞檢索式在分析平臺(tái)鎖定3D打印相關(guān)專利，檢索式具體見附錄，檢索式除3D打印及其同義詞外，還包括其常用工藝名稱，以盡量查全。由于專利的保護(hù)期限一般為10～20年之間，因此選取1999～2018年間的專利作為研究對(duì)象。檢索獲得89255件專利，經(jīng)同族專利去重處理后，共獲得專利61078件。然后根據(jù)不同分析目的，運(yùn)用科學(xué)計(jì)量法并結(jié)合分析平臺(tái)的專利強(qiáng)度分析功能對(duì)3D打印專利發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行對(duì)比研究，進(jìn)而分析出我國(guó)目前在該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題。

1.2 總體發(fā)展態(tài)勢(shì)分析

分析全球及不同國(guó)家的3D打印技術(shù)的專利申請(qǐng)量，如圖1所示。1999-2012年間，全球申請(qǐng)量保持平穩(wěn)發(fā)展，其中2006年出現(xiàn)了一個(gè)小高峰，這主要是由于日本的專利申請(qǐng)量出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)引起的，而從2013年開始全球申請(qǐng)量急劇增長(zhǎng)，全球?qū)υ擃I(lǐng)域的研究熱度持續(xù)上漲，而2017-2018年的數(shù)據(jù)，由于專利從申請(qǐng)到公開有18個(gè)月的滯后期，因此數(shù)據(jù)量?jī)H做參考。從專利的申請(qǐng)國(guó)別來(lái)看，3D打印專利申請(qǐng)國(guó)以中國(guó)、美國(guó)、日本和韓國(guó)為主，其中中美兩國(guó)的專利申請(qǐng)發(fā)展趨勢(shì)與全球基本一致，但美國(guó)的申請(qǐng)量峰值出現(xiàn)在2015年，2016年的申請(qǐng)量小幅下滑。而日本和韓國(guó)在1999-2018年間的專利申請(qǐng)量基本保持持平狀態(tài)，無(wú)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，但兩國(guó)在1999-2002年期間就比較注重該領(lǐng)域的研發(fā)，兩國(guó)每年的合計(jì)專利申請(qǐng)量均占全球申請(qǐng)總量的58.5%以上。

1.3 專利技術(shù)區(qū)域部署分析

從專利申請(qǐng)的國(guó)別來(lái)看，具體情況見圖2。中國(guó)是3D打印專利的申請(qǐng)大國(guó)，共申請(qǐng)相關(guān)專利21686件，占申請(qǐng)總量的35.5%，其次分別為日本（16293件）、美國(guó)（8837件）、韓國(guó)（8828件）和德國(guó)（4823件），分別占整體的26.7%、14.5%、14.5%及7.9%。從圖2還發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)的PCT國(guó)際專利申請(qǐng)（WIPO）共4815件，EPO申請(qǐng)3631件，占比分別為7.9%和5.9%。其他主要申請(qǐng)國(guó)還包括英國(guó)、法國(guó)、西班牙、意大利、瑞典等。

1.4 專利技術(shù)構(gòu)成分析

通過Innography分析平臺(tái)對(duì)國(guó)際IPC分類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得出該領(lǐng)域涉及的關(guān)鍵技術(shù)，具體情況見表1。分析發(fā)現(xiàn)在3D打印的全球?qū)＠?，與塑料成型或連接相關(guān)的成型技術(shù)（B29C 67/00）所占數(shù)量最多，達(dá)7197件。其次是由金屬粉末制造工件或制品（B22F 3/00），共2036件。排名前5的還有燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的電氣控制（F02D 41/00和F02D 45/00），申請(qǐng)量共1950件，以及靠傳動(dòng)裝置的控制變速或換向功能而傳送的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（F16H 61/00），854件。此外，3D打印專利申請(qǐng)量排名靠前的還有生物醫(yī)療領(lǐng)域的假體、支架（A61F 2/00），制造或處理半導(dǎo)體或固體器件的方法或設(shè)備（H01L 21/00），車輛子系統(tǒng)的聯(lián)合控制（B60W 10/00）以及由黏土或陶瓷等材料生產(chǎn)成型制品（B28B 1/00）等。

表1 全球和中國(guó)的3D打印專利技術(shù)領(lǐng)域分布

對(duì)比中國(guó)在該領(lǐng)域的專利IPC分類情況發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利的技術(shù)構(gòu)成主要包括與塑料成型或連接相關(guān)的成型技術(shù)，金屬粉末的制造（B22F 9/00）及其制造工件或制品，生物醫(yī)療領(lǐng)域的假體、支架和假體材料（A61L 27/00）、高分子組合物以及陶瓷成型制品（C04B 35/00）?？梢姡袊?guó)對(duì)該領(lǐng)域的研究主要集中在成型技術(shù)、原材料制造、金屬及陶瓷制品以及生物醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域，與全球的技術(shù)構(gòu)成相比，設(shè)備機(jī)械控制方面的研發(fā)能力較弱。

1.5 專利研究熱點(diǎn)分析

為分析核心專利的研究熱點(diǎn)，本文利用Innography分析平臺(tái)自身的本文聚類功能進(jìn)行聚類分析，具體情況見圖3。全球?qū)＠矫?，選取專利強(qiáng)度[5]在8-10之間的專利作為分析對(duì)象，而中國(guó)專利方面，由于強(qiáng)度為8-10的專利只有71件，數(shù)量較少，因此選擇強(qiáng)度在6-10之間的專利作為研究對(duì)象。分析發(fā)現(xiàn)，3D打印的全球核心專利主要集中在快速成型（Rapid Prototyping）、旋轉(zhuǎn)速度（Rotational Speed）、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（Engine RPM）、三維目標(biāo)物（Three Dimensional Object）和3D打印/增材制造的研究，具體涉及打印頭、3D打印機(jī)、工藝、模型、部件、粉末材料、支撐結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速等方面。而中國(guó)核心專利主要集中在打印頭（Printing Head）、原材料（Raw Material）、打印技術(shù)（Print Technology）、3D打印機(jī)和DEG、攪拌等步驟的研究，中國(guó)比較注重打印頭方面的研究，涉及噴頭、Z軸和打印平臺(tái)等方面。

1.6 專利權(quán)人競(jìng)爭(zhēng)力分析

注：氣泡分析圖中的氣泡大小代表專利多少；橫坐標(biāo)（技術(shù)實(shí)力）與專利比重、專利分類、引用情況相關(guān)，橫坐標(biāo)越大說(shuō)明其專利技術(shù)性越強(qiáng)；縱坐標(biāo)（經(jīng)濟(jì)實(shí)力）與專利權(quán)人的收入高低、專利國(guó)家分布、專利涉案情況有關(guān)，縱坐標(biāo)越大說(shuō)明專利權(quán)人實(shí)力越強(qiáng)。

專利權(quán)人的競(jìng)爭(zhēng)力分析可利用Innography分析平臺(tái)，從技術(shù)實(shí)力和經(jīng)濟(jì)實(shí)力兩個(gè)維度進(jìn)行比較。為對(duì)比全球研發(fā)能力較強(qiáng)的專利權(quán)人的競(jìng)爭(zhēng)力，本文選取專利強(qiáng)度在3-10之間的高強(qiáng)度專利作為研究對(duì)象，所得氣泡分析圖如圖4所示。分析發(fā)現(xiàn)，全球在3D打印領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)的專利權(quán)人主要集中在德國(guó)、美國(guó)和日本。技術(shù)實(shí)力方面，競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)的專利權(quán)人有博世公司、Stratasys公司、3D Systems公司、美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司、通用電氣和西門子，其中，Stratasys公司和3D Systems公司技術(shù)實(shí)力排名靠前，但經(jīng)濟(jì)實(shí)力較弱，說(shuō)明這兩家公司的研發(fā)創(chuàng)新能力較強(qiáng)。經(jīng)濟(jì)實(shí)力方面，排名靠前的專利權(quán)人包括豐田汽車、三星電子、通用電氣、通用汽車、博世公司和本田汽車，其中，豐田汽車的經(jīng)濟(jì)實(shí)力遠(yuǎn)超其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，而三星電子雖然經(jīng)濟(jì)實(shí)力較強(qiáng)，但專利申請(qǐng)量較少，技術(shù)方面的競(jìng)爭(zhēng)力較弱。

圖5分析了中國(guó)主要專利權(quán)人的競(jìng)爭(zhēng)力。中國(guó)在該領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)的專利權(quán)人以高校為主，技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的專利權(quán)人有華南理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、天威控股有限公司（Print-Rite）、西安交通大學(xué)和浙江大學(xué)，經(jīng)濟(jì)實(shí)力較強(qiáng)的專利權(quán)人為中國(guó)石油化工公司、通用電氣和現(xiàn)代汽車，其中，中國(guó)石油化工集團(tuán)在經(jīng)濟(jì)實(shí)力方面遠(yuǎn)超其他專利權(quán)人，但技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力較弱。此外，我國(guó)的研發(fā)實(shí)力主要集中在高校，綜合實(shí)力排名前20名單內(nèi)，只有中國(guó)石油化工集團(tuán)和天威控股有限公司、寧夏共享集團(tuán)股份有限公司（Ningxia Kocel）、西安中科麥特電子技術(shù)設(shè)備有限公司、成都jincai技術(shù)有限公司、安徽省春谷3D打印智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司及成都I-Make科技有限公司6家中小型企業(yè)。全球綜合競(jìng)爭(zhēng)力排名前20的專利權(quán)人只有中國(guó)科學(xué)院是中國(guó)機(jī)構(gòu)，沒中國(guó)企業(yè)出現(xiàn)，說(shuō)明中國(guó)在該領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力整體不強(qiáng)。而在中國(guó)區(qū)域綜合競(jìng)爭(zhēng)力排名前100的專利權(quán)人中，國(guó)外企業(yè)有通用電氣、現(xiàn)代汽車、惠普、西門子、Stratasys公司、美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司、LG電子、豐田汽車、3D Systems公司和陶氏杜邦公司，說(shuō)明國(guó)外企業(yè)比較注重3D打印技術(shù)在中國(guó)市場(chǎng)的戰(zhàn)略布局。

2 結(jié)論及建議

本文基于Innography分析平臺(tái)對(duì)近20年全球和中國(guó)3D打印領(lǐng)域的專利進(jìn)行計(jì)量分析，得出主要結(jié)論如下：（1）全球?qū)＠暾?qǐng)量自2013年開始快速增長(zhǎng)，中國(guó)的申請(qǐng)量最多，其次分別為日本、美國(guó)、韓國(guó)和德國(guó)，說(shuō)明中國(guó)對(duì)3D打印技術(shù)的研究熱度非常高。雖然中國(guó)是申請(qǐng)大國(guó)，但專利強(qiáng)度在8以上的核心專利占比僅為0.3%，專利質(zhì)量亟待提升。（2）從研究熱點(diǎn)和技術(shù)構(gòu)成來(lái)看，全球核心專利的研究主要集中在快速成型、旋轉(zhuǎn)速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和三維目標(biāo)物方面，而中國(guó)的主要研究方向?yàn)榇蛴☆^、原材料、打印技術(shù)和3D打印機(jī)，其中對(duì)打印頭和原材料方向的研究比較集中，其次在金屬及陶瓷制品和生物醫(yī)療應(yīng)用方面的研究也有一定優(yōu)勢(shì)。但與其他技術(shù)強(qiáng)國(guó)相比，中國(guó)在設(shè)備機(jī)械控制方面的研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)力還亟待增強(qiáng)。（3）專利權(quán)人綜合競(jìng)爭(zhēng)力方面，全球競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)的專利權(quán)人主要集中在德國(guó)、美國(guó)和日本，而中國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)的專利權(quán)人以高校和科研機(jī)構(gòu)為主，競(jìng)爭(zhēng)力排名靠前的企業(yè)基本都是中小型企業(yè)，全球競(jìng)爭(zhēng)力排名前20的名單內(nèi)沒中國(guó)企業(yè)出現(xiàn)，中國(guó)在該領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力亟待提高。同時(shí)，目前已有部分國(guó)外企業(yè)在中國(guó)市場(chǎng)實(shí)施專利戰(zhàn)略布局，對(duì)中國(guó)本土企業(yè)發(fā)展造成一定威脅。

結(jié)合上述結(jié)論，本文就我國(guó)3D打印技術(shù)的后續(xù)發(fā)展提出以下兩點(diǎn)建議：（1）緊抓政策利好機(jī)遇，加強(qiáng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，占領(lǐng)行業(yè)制高點(diǎn)。目前我國(guó)對(duì)該領(lǐng)域的研發(fā)熱情高漲，我國(guó)應(yīng)針對(duì)自身研發(fā)優(yōu)勢(shì)的若干核心技術(shù)，組織研發(fā)能力較強(qiáng)的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，以獲取該領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位。（2）加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化。鑒于目前我國(guó)對(duì)該領(lǐng)域的研究主要還停留在高校和科研機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室階段，研究方向容易與市場(chǎng)需求脫節(jié)，加之企業(yè)規(guī)模普遍較小，創(chuàng)新能力薄弱，產(chǎn)業(yè)化程度不高。可見加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化顯得尤為重要。一方面，積極制定促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的有關(guān)政策措施，鼓勵(lì)高校、科研院所與企業(yè)的合作和聯(lián)盟，使科研機(jī)構(gòu)的研發(fā)優(yōu)勢(shì)切合市場(chǎng)需求，同時(shí)增強(qiáng)企業(yè)研發(fā)實(shí)力。另一方面，健全科技成果轉(zhuǎn)化的相關(guān)政策法規(guī)及管理體制，推動(dòng)地方出臺(tái)有利于成果擁有者、成果轉(zhuǎn)化承擔(dān)者的激勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)科研工作者進(jìn)行技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。

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[5]專利強(qiáng)度（Patent Strength）是專利價(jià)值判斷的綜合指標(biāo)，其高低可綜合反映出該專利的文獻(xiàn)價(jià)值大小，受權(quán)利要求數(shù)量、引用與被引用次數(shù)、是否涉案、專利時(shí)間跨度、同族專利數(shù)量等因素影響.

附錄

Innography檢索式：

@（abstract，title）（"three dimension* print*" OR "3 dimension* print*" OR "3D print*" OR "rapid prototyp*" OR "RPM" OR "additive manufact*" OR "digital manufact*" OR "intelligent manufact*" OR "additive fabrica*" OR "additive layer manufact*" OR "freeform fabricat*" OR "Stereo Lithography Apparatu*" OR "Laminat* Object Manufact*" OR "Select* Laser Sinter*" OR "Fused Deposition Model*" OR "Laser Engineer* Net Shap*" OR "Patternless Cast* Manufact*"）

檢索日期2018年4月12日