3DP增材制造專利態(tài)勢分析

徐 寧

一、序言

3DP 技術(shù)是3D 打印技術(shù)的一個分支。3DP 技術(shù)與3D 打印技術(shù)存在深刻的淵源，3D 打印技術(shù)來源于20 世紀(jì)80 年代由美國麻省理工學(xué)院（MIT）的紐曼紐爾.薩爾斯（Emanuel M.Sachs）和保羅.威廉姆斯（Paul Williams）發(fā)明的一種先鋪設(shè)粉末，而后利用打印機(jī)選擇性打印粘合劑，反復(fù)層層操作得到產(chǎn)品的工藝，MIT 的兩位發(fā)明人將這種類似于傳統(tǒng)2D 噴墨打印的立體打印技術(shù)稱之為三維印刷或3DP技術(shù)（3D printing）。

近年來，我國的3DP 技術(shù)得到了長足的進(jìn)步，CCTV 在《大國重器》第二季第七集“智造先鋒”詳細(xì)介紹了我國自主研發(fā)的產(chǎn)業(yè)化砂芯3DP 打印機(jī)，能夠制造出更大的、精度更高的鑄件，不再需要長周期、高成本的模具，所用砂芯一次打印成型，效率和質(zhì)量都達(dá)到了世界同類機(jī)型的最優(yōu)水平。

目前國內(nèi)外文獻(xiàn)大多對3D 打印進(jìn)行技術(shù)分析或前景研究，而對3DP 技術(shù)則關(guān)注較少。專利數(shù)據(jù)是一種集技術(shù)信息、經(jīng)濟(jì)信息和法律信息于一體的競爭情報(bào)源，專利情報(bào)分析能夠?qū)€別的、看起來互不相關(guān)的信息轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)的、完整的情報(bào)。本文基于專利數(shù)據(jù)對3DP 技術(shù)進(jìn)行多角度的分析，以期對我國3DP 產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展提供有用的競爭情報(bào)。

二、研究數(shù)據(jù)

截止2020 年10 月30 日，在中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS）和德溫特摘要數(shù)據(jù)庫（DWPI）以IPC分類號和關(guān)鍵詞為入口，經(jīng)過篩選共得到5,269 項(xiàng)專利申請，其中2019 和2020 年的專利申請部分尚未公開。

由于同樣的技術(shù)方案可以依照巴黎公約和PCT在不同的國家和地區(qū)分別進(jìn)行專利申請，以下統(tǒng)計(jì)分析時將不同的國家和地區(qū)的基于同一技術(shù)方案的專利算作一“項(xiàng)”，而將各個國家和地區(qū)的專利稱為一“件”。

三、3DP 技術(shù)專利申請趨勢分析

（一）全球3DP 專利年申請量分析

由圖1 可以看出，3DP 技術(shù)的全球?qū)＠暾堏厔菘煞譃槿齻€階段：

圖1 全球3DP專利申請量分析

萌芽階段（1988-1997 年）：該階段3DP 技術(shù)尚處于探索階段，雖然MIT 詳細(xì)介紹了3DP 技術(shù)的原理并介紹了應(yīng)用前景，然而受制于打印原料短缺、配套設(shè)備缺乏和開發(fā)成本高昂等原因，3DP 技術(shù)顯得不夠完善，因此該階段專利申請數(shù)量較少，年均申請量不足50 件，但是由于這一階段的專利往往都是首次提出的核心專利方案，專利申請普遍具有較高的技術(shù)、市場價(jià)值。

穩(wěn)步發(fā)展階段（1998-2011 年）：隨著3DP 技術(shù)在砂型鑄造和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的價(jià)值逐漸得到認(rèn)可，3DP 進(jìn)入深入開發(fā)階段，進(jìn)入該領(lǐng)域的專利申請人開始增多，該階段專利申請量得到顯著提升，這一時期的申請量年均達(dá)到50 件以上。2008-2009 年申請量未受到金融危機(jī)的影響而下滑，顯示出各方對3DP 市場前景的充分信心。

快速發(fā)展階段（2012 年以后）：這一時期3DP 的市場前景得到廣泛認(rèn)可，同時中國在此階段積極鼓勵3D 打印產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃和發(fā)展，中國3DP 專利量在此階段得到大幅提升，有力助推全球3DP 專利量上了新臺階。此外，80 年代末的3DP 原始專利此時陸續(xù)到期，相關(guān)設(shè)備、原料的獲取門檻降低，具備了充足的開發(fā)條件?？梢灶A(yù)見，3DP 的市場規(guī)模還將增大，專利布局會更加活躍，且相關(guān)的侵權(quán)沖突也將隨之加劇。

（二）進(jìn)入目標(biāo)市場國的3DP 專利申請量分析

從圖2 可以看出，2015 年之前進(jìn)入美國的專利申請相對其他國家具有領(lǐng)先優(yōu)勢，2016 年起中國取代美國成為3DP 專利最多的目標(biāo)市場，2016 年中國的專利數(shù)量433 件，反超美國的425 件，這與中國市場容量的逐步擴(kuò)大和國內(nèi)創(chuàng)新主體的積極研發(fā)密不可分。

圖2 目標(biāo)市場國專利申請趨勢分析

現(xiàn)階段美國雖然屈居第二，但進(jìn)入美國尋求專利保護(hù)的專利申請量在此前長期保持領(lǐng)先，各創(chuàng)新主體進(jìn)入美國專利布局勢頭不容忽視。進(jìn)入德國、日本的專利相對于美國數(shù)量較少，相比往年呈小幅度增長趨勢。

四、3DP 技術(shù)專利地域分析

（一）3DP 技術(shù)專利來源國分析

專利的技術(shù)來源國體現(xiàn)該國在該領(lǐng)域的創(chuàng)新實(shí)力。從圖3 可以看出，來源于中國的專利申請最多，占到了總申請量的38%，體現(xiàn)了國內(nèi)各創(chuàng)新主體對于3DP 技術(shù)的創(chuàng)新投入力度。美國和日本排名第二和第三，其專利申請數(shù)量分別占總量的25%和19%。可以預(yù)期的是，隨著國內(nèi)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的不斷深入，3DP 技術(shù)在我國還會獲得進(jìn)一步的發(fā)展。

圖3 技術(shù)來源國申請量比例

（二）主要技術(shù)來源國申請趨勢分析

圖4 為中國、美國、日本、德國的3DP 專利年申請量趨勢圖，從圖4 中可以看出，來自中國的3DP專利數(shù)量在2008 年前較少，進(jìn)入3DP 領(lǐng)域的時間相對較晚，但是得益于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的政策支持和國內(nèi)巨大的市場潛力，2008 年以后國內(nèi)3DP 專利申請量大幅增長，目前已成為3DP 領(lǐng)域全球第一大專利擁有國。

圖4 主要技術(shù)來源國申請量趨勢

美國和日本在2015 年以前占據(jù)了3DP 專利申請的主導(dǎo)，顯示出兩國極強(qiáng)的研發(fā)能力且擁有高價(jià)值的專利。由于布局時間較早，美日兩國的3DP 專利多為高價(jià)值核心專利。此外，來自美國和日本的3DP領(lǐng)域?qū)＠暾堃苍?012 年左右得到巨大增長，這也表明了美國和日本作為3DP 專利技術(shù)領(lǐng)域的傳統(tǒng)強(qiáng)國，對于3DP 的創(chuàng)新熱情和投入力度長期保持高位，值得關(guān)注。

（三）專利布局分布圖

圖5 示出了3DP 專利技術(shù)領(lǐng)域排名前四的國家，即中國、美國、德國、日本的專利技術(shù)來源和專利布局目標(biāo)的分布?xì)馀輬D。圖5 顯示，中國作為該領(lǐng)域?qū)＠暾埖谝淮髧?，其主要專利布局目?biāo)國是中國，數(shù)量達(dá)到1,357 件，而在美國、德國、日本均無布局，這說明中國的專利申請人對于海外市場的重要性的認(rèn)識偏低或者不具備向發(fā)達(dá)國家輻射影響力的能力。

圖5 中美德日四國專利布局分布圖（單位：件）

美國、德國、日本三國的專利申請人相對重視對全球其他區(qū)域的布局，其中來源于美國、德國和日本的專利申請?jiān)谥袊膶＠_數(shù)量分別為133、45和71 件，這進(jìn)一步說明了中國市場的巨大潛力。

五、3DP 專利權(quán)利人分析

（一）全球范圍內(nèi)權(quán)利人分析

圖6 示出了3DP 領(lǐng)域全球?qū)＠暾埲伺琶?，其中惠普是該領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量最多的公司，達(dá)到了154 件，其次為愛普生（Epson），為151 件，這兩大公司的申請量遙遙領(lǐng)先其他公司，屬于專利輸出的第一梯隊(duì)，并且需要指出的是，這兩大巨頭均屬于傳統(tǒng)的打印企業(yè)，三維印刷與二維噴墨印刷的密切聯(lián)系可見一斑。來自中國臺灣的研能科技和大陸的寧夏共享位列第三和第四，其申請量分別為90 件和60 件，二者位列第二梯隊(duì)。前二十名的其他申請人申請量差距較小，傳統(tǒng)的美國3D Systems 公司等巨頭專利產(chǎn)出被后進(jìn)入的惠普等巨頭趕超，可見3DP 領(lǐng)域競爭的激烈程度。

圖6 全球申請人排名（單位：件）

（二）中國權(quán)利人排名

圖7 可以看出，研能科技和寧夏共享分別以83件和60 件的申請量占據(jù)絕對優(yōu)勢。惠普在中國的專利申請量則未能進(jìn)入前十名，而愛普生則排名第六，這說明惠普對于中國專利布局的重視程度明顯低于愛普生。大部分的國外巨頭在中國的專利申請量較少，愛普生和德國沃克斯艾捷特（Voxeljet）作為全球三維印刷行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)之一，專利申請量分別位列第六和第七，體現(xiàn)出對中國市場較高的關(guān)注度。

圖7 3DP專利中國申請人排名（單位：件）

華中科技大學(xué)和西安交大是申請量排名靠前的大學(xué)，華中科技大學(xué)具有材料成形和模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安交通大學(xué)具有快速制造國家工程研究中心，專利申請量分別位列第三和第四，體現(xiàn)了上述高校對3DP 技術(shù)的投入力度。

六、3DP 專利技術(shù)構(gòu)成分析

（一）全球?qū)＠夹g(shù)構(gòu)成分析

根據(jù)3DP 技術(shù)的原理，可以將該技術(shù)分解為噴頭用的打印材料、鋪層用的粉末材料、打印工藝以及后處理四個技術(shù)主題。從圖8 可以看出，粉末材料是專利申請的重點(diǎn)，占比將近一半，達(dá)到了42%，打印工藝部分占32%，打印材料部分占18%，后處理部分占8%。

圖8 全球?qū)＠暾埜骷夹g(shù)分支的占比分布

粉末材料可以進(jìn)一步分為：金屬材料，無機(jī)非金屬材料以及有機(jī)材料，其占比分別為：金屬材料14%，無機(jī)非金屬材料15%，涉及有機(jī)材料13%。打印工藝中噴墨工藝占比為15%，鋪粉工藝為9%，固化工藝為7%。打印材料專利包括8%的粘結(jié)型粘結(jié)劑和10%的觸發(fā)粘結(jié)型粘結(jié)劑。后處理專利申請量較少，主要包括結(jié)構(gòu)增強(qiáng)后處理、粉末清除回收（以下簡稱“去粉”）以及少量額打磨，拋光等其他后處理方式。

（二）中國專利技術(shù)構(gòu)成分析

如圖9 所示，國內(nèi)3DP 專利申請中涉及打印工藝的占比為57%，其中鋪粉技術(shù)和噴墨技術(shù)的相關(guān)占比基本相當(dāng)，分別為31%和27%。此外，粉末材料是緊隨其次的重要技術(shù)主題，約占3DP 專利國內(nèi)總申請量的29%，其中無機(jī)非金屬是粉末材料這一技術(shù)分支中的重點(diǎn)，占據(jù)了26%的比例。打印材料和后處理的專利申請量在其專利分布中占比較少，分別為6%和8%，這與全球的熱點(diǎn)趨勢形成了鮮明對比。

圖9 國內(nèi)專利申請各技術(shù)分支的占比分布

七、3DP 專利技術(shù)演進(jìn)分析

（一）打印工藝技術(shù)演進(jìn)

MIT 于1989 年世界首次提出3DP 方案，并提出專利US5340656A。三年后，MIT 針對鋪層設(shè)備提出專利US5387380A，該專利的說明書中描述稱，現(xiàn)如今普遍存在的三種鋪層技術(shù)，其中a 為刮刀式鋪層，其利用刮刀將粉末原料刮平，b 為旋轉(zhuǎn)輥鋪層，其利用輥的轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)粉末原料的壓平，c 為篩筒鋪層，其利用水平移動的篩筒均勻分布粉末。

1.噴墨工藝

針對常州市農(nóng)業(yè)企業(yè)專業(yè)技術(shù)人才緊缺的現(xiàn)狀，市科技局積極與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)、江南大學(xué)、江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院、江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院等省內(nèi)涉農(nóng)大專院校聯(lián)系，組織產(chǎn)業(yè)專場招聘會，2014—2017年，組織畜牧獸醫(yī)、茶學(xué)、花卉、種植、農(nóng)業(yè)電商5個產(chǎn)業(yè)專場招聘會，共計(jì)為企業(yè)招聘高校畢業(yè)生400多人。

MIT 在首件專利的說明書中明確表示3DP 技術(shù)可以借助現(xiàn)有的紙張印刷等噴墨印刷技術(shù)。Z 公司針對3DP 對于效率和噴印質(zhì)量的高要求，提出了多噴墨頭陣列的方案US6375874A。在該專利中還對打印機(jī)內(nèi)氣流壓力控制進(jìn)行改進(jìn)，相關(guān)方案如圖10 所示，其中（a）為打印設(shè)備，其在工作臺形成負(fù)壓防止粉塵漂浮影響打印和操作者健康，同時引導(dǎo)高壓氣流進(jìn)行后續(xù)的清掃；（b）和（c）為多噴頭打印方式，只需進(jìn)行一個維度的掃描且防止噴頭之間的間隙造成打印空白，提高打印精度和速度。

圖10 3DP技術(shù)中的打印技術(shù)

2.固化工藝

通常，三維印刷所用的粘合劑并不需要固化設(shè)備或僅需要紫外燈等進(jìn)行UV 樹脂固化?；萜展咎岢隽艘环N新穎的3DP 專利方案WO2015108543A，參見圖11，其首先鋪設(shè)并預(yù)熱可燒結(jié)材料層，而后將結(jié)合劑選擇性施加于可燒結(jié)材料上，進(jìn)而將可燒結(jié)材料和結(jié)合劑曝光于紅外輻射，結(jié)合劑吸收輻射并轉(zhuǎn)化為熱能，從而固化與所述結(jié)合劑接觸的可燒結(jié)材料并形成三維物體的第一層?；萜盏倪@一方案運(yùn)用了3DP中的選擇性噴墨技術(shù)，并運(yùn)用了粉末燒結(jié)技術(shù)，產(chǎn)品強(qiáng)度極大提高。

圖11 WO2017200534A1裝置示意圖

為了提高發(fā)熱效率，惠普的WO2017200534A1提出了控制固化光源的波長，使得波長與結(jié)合劑的結(jié)合性能相匹配，從而最大效率的將光能轉(zhuǎn)化為熱能。

（二）打印材料技術(shù)演進(jìn)

1.粘結(jié)材料

MIT 在原始的專利中表示打印的材料只要具有粘合性能即可，沒有作過多的描述。EX ONE 是知名的3D 打印設(shè)備和原料供應(yīng)商，其為了將三維印刷技術(shù)推廣應(yīng)用于金屬模具，而開發(fā)了耐高溫的粘合劑CN1382540A，這種耐高溫粘合劑確保了所制造的模具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在高溫粘合劑中含有6-900 個碳原子的碳水化合物。

雖然MIT 在原始專利中表示打印設(shè)備可以借鑒二維的噴墨打印設(shè)備，但是3DP 的打印材料往往是粘度很高的粘合劑，而二維噴墨的墨水是粘度很小的水溶液，這就使得傳統(tǒng)的二維噴墨技術(shù)并不能適用于3DP。除了改進(jìn)設(shè)備之外，各創(chuàng)新主體還努力在打印的材料方面進(jìn)行改進(jìn)，如Z 公司在US5902441A 中提出了噴印可以激發(fā)顆粒的粘合劑的流體，也就是預(yù)先將粘合劑整合在顆粒中，打印可以激發(fā)該粘合劑的流體，從而實(shí)現(xiàn)選擇性的三維印刷，該流體僅需為水溶劑或非水溶劑即可。

（三）鋪層材料技術(shù)演進(jìn)

1.金屬材料

MIT 在原始材料中表示各種顆粒材料均可以使用，在此基礎(chǔ)上各個創(chuàng)新主體深入開發(fā)了各種材質(zhì)的鋪層粉末，以期得到所需性能的產(chǎn)品。其中金屬由于具有較高的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值，得到很大的關(guān)注，惠普在US7220380B2 中描述了一種金屬鋪層材料，其鋪層的材料為一種顆?；旌衔?，其包括金屬或金屬合金顆粒和過氧化物，粘合劑為水溶性的單官能團(tuán)丙烯酸單體和氨和水，這樣不僅粘合劑的粘度低、可打印性能好，重要的是粘合劑打印后能夠發(fā)生聚合反應(yīng)，確保產(chǎn)品的強(qiáng)度。

2.無機(jī)非金屬

由于3DP 工藝在砂型產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，相關(guān)的無機(jī)粉末受到廣泛的關(guān)注。Z 公司首次提出石膏作為粉末原料的方案US2002026982A1，其顆粒中含有石膏，打印材料為水溶液，由于水能夠與石膏形成水化石膏從而得到產(chǎn)品。

3.有機(jī)聚合物

3DP 技術(shù)一個前沿應(yīng)用是藥物的成型制造，3DP產(chǎn)品孔隙率相對較高的特點(diǎn)對于藥品而言是巨大的優(yōu)勢。CN106511285A 利用三維成型產(chǎn)品孔隙率相對較高的特點(diǎn)而制造口崩片，其將API 作為顆粒層，利用粘合劑進(jìn)行三維印刷，制得的口崩片可以無需喝水快速崩解或溶解，借吞咽動作入胃起效。

另一個重要的藥物應(yīng)用是緩釋藥物，US2004005360A1借助3DP 工藝制造具有核殼結(jié)構(gòu)的藥丸，其中殼能夠控制API 的釋放，成形時使用兩種聚合物作為粉末，其中一種能夠阻隔，另一種能夠水解，打印含有API 的液體實(shí)現(xiàn)藥物成形。

（四）后處理技術(shù)演進(jìn)

1.結(jié)構(gòu)增強(qiáng)

MIT 在開發(fā)3DP 時主要用于原型的快速制造，原型賦予研發(fā)人員感受舒適度或外形，原型的外形和結(jié)構(gòu)跟成品相似，但是物理力學(xué)性能較差。為了提高3DP 產(chǎn)品的強(qiáng)度，創(chuàng)新主體積極開發(fā)增強(qiáng)技術(shù)從而提高產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。浸入工藝是其中一個比較廣泛的技術(shù)，德國的VOXLJET 公司在US2010244301A 中提出將產(chǎn)品浸入35℃以上的低粘度樹脂中，而后固化樹脂，從而使得多孔的產(chǎn)品內(nèi)浸漬有樹脂，提高了產(chǎn)品的強(qiáng)度。

2.去粉

3DP 打印后，產(chǎn)品存在于成形腔室中，產(chǎn)品的四周包圍有未粘結(jié)的粉末顆粒，需要將產(chǎn)品從粉末堆中取出來并清掃周圍粘附的粉末。研能科技的專利CN102380264A 是典型的去粉方案，如圖12 所示其將 產(chǎn)品放入專門的粉末回收裝置中，利用高壓氣槍進(jìn)行吹掃，落下的粉末收集再利用，操作倉內(nèi)還有加熱源促進(jìn)產(chǎn)品的固化。

圖12 CN102380264A裝置示意圖

八、結(jié)論與建議

進(jìn)入中美日歐等主要國家尋求專利保護(hù)的3DP專利逐年增多，3DP 技術(shù)全球市場前景持續(xù)看好。美日德是重要的3DP 專利技術(shù)來源國且均持續(xù)加大投入，目前已經(jīng)逐步在中國開始3DP 專利布局，我國需要關(guān)注借鑒其3DP 專利技術(shù)。

早期的3DP 專利來自MIT、Z 公司等，目前惠普和愛普森是全球最大的3DP 專利權(quán)利人，寧夏共享和臺灣研能科技是中國最大的3DP 專利權(quán)利人，傳統(tǒng)噴墨印刷與3DP 存在密切聯(lián)系，可以相互借鑒和轉(zhuǎn)化。全球范圍內(nèi)的3DP 專利主要集中于粉末材料，中國則相對集中于打印工藝，對于原料的專利產(chǎn)出較少，還需要瞄準(zhǔn)方向加大投入。

中國的3DP 企業(yè)在打印原料和粉末原料方面需要加強(qiáng)研究，彌補(bǔ)技術(shù)短板。3DP 技術(shù)目前主要用于砂芯制造，其在鑄造行業(yè)具有廣闊的前景，中國的寧夏共享等鑄造企業(yè)需要關(guān)注國外企業(yè)，如惠普、愛普森、沃克斯艾捷特等公司的專利技術(shù)動態(tài)，了解專利布局情況，借助專利預(yù)警和專利導(dǎo)航等手段，防范專利侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)。