基于專利地圖的中國3D打印技術發展研究

陳 軍，張韻君

1 引言

目前，國內外對3D打印技術的研究多集中在技術發展現狀及應用前景［1－5］，從專利的角度研究3D打印技術發展狀況在中國還處于起步階段［6］，相關研究還不多，且不夠深入和全面，尚未有學者從專利地圖的角度對3D打印技術發展態勢進行全面深入分析。因此，本文利用專利地圖對中國3D打印技術發展進行多角度分析，明確3D打印技術發展現狀并預測未來發展趨勢，以期為中國3D打印技術相關研究機構和企業提供有用的信息，促進中國3D打印產業的科學發展。

2 數據來源與分析方法

本研究數據來源于國家知識產權局的專利數據庫 (http://search.cnipr.com/)，以“3D打印or快速成型or增材制造or三維打印or堆積制造or增量制造or添加制造or智能制造or數字化制造”作為關鍵詞進行檢索，并經過人工篩選等數據清理。本次檢索限定專利的申請日下限為2013年 (檢索時間為2015年1月15日)。需要說明的是，由于專利從申請到公開具有一定的時滯性，因此本文所采用的2013年數據具有一定的局限性，可能并不是完整的年度數據，但這并不影響我們對于整個研究的分析和把握。

3 基于專利地圖的3D打印技術發展分析

3.1 3D打印技術專利管理地圖

(1)專利申請類型及時間序列分析。3D打印技術在中國的專利申請始于1993年，截止到2013年，共申請專利1704件。其中，申請發明專利978件，占專利總數的57.39%，實用新型專利666件，占專利總數的39.08%，外觀設計專利60件，占專利總數的3.52%。由此可見，3D打印技術的中國專利是以具有較高技術創新水平的發明專利為主。

從總體上看，中國3D打印技術專利申請呈現逐年上升趨勢，其中，1993—2000年，專利申請每年不超過12件，說明在此階段3D打印技術尚處于萌芽狀態，對技術發展方向還不明確;從2001年開始，專利申請量開始緩慢增長，從2001年的12件增長到2011年的118件，平均年增加約10件，說明這一階段3D打印技術發展方向逐漸清晰，從技術萌芽狀態逐步向發展階段過渡。最近兩年，3D打印技術專利申請量呈爆發式增長，從2012年的208件猛增到2013年的860件 (2014年數據不完全，但從已經公開的專利數據來看，就已經達到1068件)，表明現在3D打印技術步入了快速成長階段。可以預見，中國3D打印技術未來還將保持一段時間快速增長勢頭。

(2)專利申請人分析。通過對專利申請人進行分析，可以明確技術創新主體的構成和創新主體創新能力狀況。

專利申請量前10名的申請人中，有6所大學和4家企業，其中，6所大學專利申請量為152件，占63.40%，4家企業專利申請量為87件，占36.60%。由此可見，目前中國3D打印技術的研發以高校為主，技術成果尚未進入大規模產業化階段。在專利申請的高校中，西安交通大學、華南理工大學和華中科技大學排在前三位，體現了這三所高校在中國3D打印技術方面的突出技術創新能力。這三所大學都是中國較早開始從事3D打印技術研發的高校，其中西安交通大學建有快速制造國家工程研究中心，華中科技大學具有材料成形與模具技術國家重點實驗室，華南理工大學成為中國目前金屬3D打印技術領域的翹楚，因此，這三所高校具有較好的研發基礎，在國內3D打印技術研發方面處于領先地位。

值得注意的是，在中國專利申請前10名的申請人中，沒有國外機構或企業，可見，目前國外機構在中國市場進行3D打印技術的專利布局力度還不大，這對中國的企業和研發機構提供了非常好的機遇，應該抓緊時機加大3D打印技術的研發力度，做好中國市場的專利戰略規劃，為未來可能面臨的競爭做好充分準備。

(3)專利權人技術領域分析。通過對專利申請人擁有的某項技術的專利數量統計可以明確各申請人的技術競爭力強弱及重點開發方向。表1列出了3D打印技術專利申請前10名的專利權人重點技術領域分布 (按照IPC小類分類)。

由表1可知，不同研發機構關注的重點技術領域各不相同。其中B29C是絕大部分機構共同關注的領域，主要涉及塑性材料的3D打印制品成型技術。除此之外，各大學對A61技術關注較多，主要涉及3D打印技術的醫學應用領域，該領域技術研發起步較晚，相對還不成熟，投入大，創新要求高，所以成為中國高校的主要研究方向。而企業對B28和B41領域技術關注較多，主要涉及陶瓷等材料生成3D打印制品過程的材料配方優化、成型工藝以及3D打印設備等方面，這方面技術相對比較成熟，已經處于產業化的起步階段，所以是企業的重點開發方向。

表1 1993—2013年3D打印技術專利申請前10名的專利權人重點技術領域分布

3.2 3D打印技術專利技術地圖

(1)技術成長率分析。技術成長率指標通過顯示技術創新速度隨時間變化的情況從而判斷某項技術的發展階段。計算公式為:v=a/A［7］，其中a表示當年發明專利申請量，A為追溯5年的發明專利申請累積數。通過連續計算，若v值遞增，則表示技術創新速度不斷增加，該項技術處于起步或成長階段;反之，若 v值遞減，則反映該項技術發展趨于遲緩或處于調整階段。由于1993年才產生了第一份3D技術專利，因此，為計算追溯5年的發明專利累計量，在考察技術成長率時只能從1997年開始。

圖1顯示了1997—2013年3D打印技術成長率隨時間的變化情況。由圖5可知，1997—2001年v值處于波動狀態，結合當時3D打印技術市場形勢，我們可以判斷在這幾年中國3D打印技術處于萌芽階段。2002年以后直至2013年，v值雖然有一定的波動，但是整體上呈遞增趨勢，由此可以判定，在此階段中國3D打印技術正處于成長的發展階段。

圖1 3D打印技術成長率變化趨勢圖

(2)專利技術生命周期分析。專利技術生命周期是指在技術發展的不同階段中，專利數量與專利申請人數量的特征規律［8］。通常可分為五個階段，分別為技術萌芽階段、技術成長階段、技術成熟階段、技術衰退階段和技術復蘇階段。

中國3D打印技術在1993—2000年處于技術萌芽期，專利數和申請人數量均較少;2001年以后一直到現在，除了2004年專利申請人數量有一定的波動外，專利申請人和專利申請量都呈較明顯的增長趨勢，說明中國3D打印技術正處于成長期，與上述技術成長率的計算結果相吻合。技術成長階段是技術不斷取得突破，技術機會不斷增加的階段，各企業和研發機構在此階段應該根據自身的資源和能力明確自身的技術定位，在細分的技術領域加強對核心技術的研發與布局，取得核心優勢。

(3)IPC技術領域分析。IPC技術領域構成分析。IPC是按照國際通用的標準對專利進行的分類，共分為5類，分別為部、大類、小類、大組、小組，如果按照部和大類進行統計，則技術領域過于寬泛，按照大組和小組進行統計，則技術領域過于狹窄，都難以體現技術研發的重點方向，因此，本文按照3D打印技術的IPC小類進行統計。通過統計，得到1993—2013年3D打印技術專利申請量大于30件的技術領域，如表2所 示。

表2 1993—2013年專利申請量大于30的3D打印IPC技術領域分布

由表2可知，中國3D打印技術涉及的技術領域比較廣泛，包括3D打印材料、工藝過程、產品生產及打印設備等。其中，該技術的主要技術點集中在B29C，涉及的專利數量為475件，遠大于其他技術領域的專利申請量;其次為B22F，專利申請量為121件;再次為B41J和B28B。因此，3D打印技術涉及的材料主要包括熱塑性塑料、陶瓷材料和金屬粉末材料，研究重點是材料配方的優化;涉及的工藝主要是成型工藝。此外，還包括3D產品生產過程中的模型制造和成型設備的研究。從應用來看，主要研究領域包括汽車家電、航空航天設備的零部件制造，生物醫學領域的仿生器官的制造等。

IPC技術分布趨勢分析。為了進一步預測3D打印技術未來研發的重點和方向，需要對各主要技術領域的專利分布趨勢進行分析。將表1的3D打印各技術領域的專利按照時間序列繪制出來，得到3D打印主要技術領域專利分布趨勢圖 (略)。

由圖中可以看出，B29C、B22F、B41J和B28B四個領域的專利近年來都處于不斷增長的趨勢，特別是2012年以后，其專利都經過爆發式的增長，與其他領域專利申請量的差距逐漸增大。從數量上看，其他技術領域的專利每年申請量太少 (不超過10件)，從發展趨勢上看，呈現不穩定的波動狀態。因此，我們可以預測，B29C、B22F、B41J和B28B四個領域將是未來3D打印技術研究的重點。

(4)專利組合分析。專利組合分析是通過計算行業技術中某技術領域的三個維度指標——技術相對增長率 (RGR)、技術相對增長潛力(RDGR)和技術研發 (R＆D)重點來獲得該技術領域的發展潛力［9］。其中，技術相對增長率的大小體現了技術創新的活躍程度 (以大于或小于1來衡量);技術相對增長潛力的大小體現了未來專利增長潛力的大小;研發重點值的大小體現了組合技術中某一技術領域的相對重要性。

由于2007年之前3D打印技術領域專利申請數量太少，為了計算結果的準確性，本文在計算相對增長率和相對增長潛力時選擇2007—2013年間7年的時間段作為計算周期，其中，在計算技術增長相對潛力時，以2007—2010年作為前半段時間，2011—2013年作為后半段時間，分別計算B29C、B22F、B41J和B28B的技術相對增長率和技術增長相對潛力，具體計算結果如表3所示。

從表3可知，3D打印技術四個領域技術的相對增長率和技術增長相對潛力各不相同，從技術相對增長率來看，B29C、B22F、B41J和B28B四個技術領域的相對增長率都大于3D打印整體技術相對增長率，技術創新活動相對活躍。從技術增長相對潛力來看，B29C、B41J的RDGR大于1，而B22F和B28B的小于1。因此，B29C、B41J未來的增長潛力較大，而B22F和B28B的未來增長潛力受限。

表3 3D打印技術四個技術領域的RGR、RDGR和R＆D重點

根據上述計算結果繪制專利組合矩陣圖，如圖2所示。該圖由三個維度組成，橫坐標表示RDGR，縱坐標表示 RGR，圓圈表示 R＆D重點，其大小體現了技術的相對重要性。

由圖2可知，3D打印技術的IPC領域的四個子技術領域可以歸納在兩個區域中，其中，B29C和B41J歸納在I區，B22F和B28B歸納在II區。

圖2 3D打印技術四個技術領域的專利組合矩陣圖

由于I區技術相對增長率和技術增長相對潛力都大于1，因此，B29C和B41J領域不但技術創新比較活躍，而且在未來有較大的發展潛力。從3D打印技術的發展來看，B29C和B41J領域涉及塑性材料的3D打印制品成型技術以及3D打印裝備技術，也是國外研發的重點領域，而中國和國外先進技術水平相差10年左右，所以這兩個技術領域在未來還有很大的成長空間，是企業及相關研究機構特別需要關注的重點領域。

II區的RGR大于1，而RDGR小于1，由此可以判定在3D打印技術中，B22F和B28B領域雖然技術研發還比較活躍，但是未來發展空間卻受限。從這兩個領域涉及的技術來看，主要是金屬及陶瓷材料的3D打印成型技術，從國際技術發展來看，目前存在一定的技術障礙難以克服，所以未來技術發展前景不明，企業和相關機構要慎重投入。

3.3 專利權利地圖

(1)專利授權分析。專利授權情況反映了專利技術的創新水平和價值。經統計，在1704件3D打印技術中國專利中，截至2013年，獲得授權的專利數量為1023件，授權率為58.98%。其中，發明專利授權率為30.40%。由此可見，雖然專利總體授權率較高，但是發明專利的授權率卻偏低，反映出專利技術創新水平的不足。

(2)專利法律狀態信息和維持年份分析。由于專利授權后需要繳納年費才能維持專利權，如果該專利技術水平不高或市場價值不大，要么在專利審查階段被駁回或主動放棄，要么授權后不續費而被終止，因此專利的法律狀態信息和維持年份可以作為衡量專利重要性、技術和質量水平的一項主要指標。

統計發現，1704件3D打印技術中國專利中，目前維持專利權的為806件，占總數的47.3%。進一步分析發現，到2013年12月份，3D打印技術有多達381件專利已經失效，其中，216件專利的失效原因是“專利權的終止”，156件專利是“駁回或撤回”，兩者都反映出專利技術的質量還有待提高。

對于授權后專利權仍然維持的專利，其維持年份的長短與授權時間有直接關系，因此，對其進行維持年份分析無法反映專利價值的情況，故這里主要分析曾經獲得授權目前已經失效的專利情況。本文將維持年份分為3個階段，分別為1～5年，5～10年和10年以上，各階段的專利數量見圖3。

圖3 1993—2013年中國3D打印技術終止專利維持年限分布圖

在216件終止專利中，維持時間1～5年的有123件，占總數的56.94%;維持時間6～10年的有86件，占總數的39.81%;維持時間在10年以上的有7件，占授權總數的3.24%。由此可見，在終止專利中，絕大多數專利維持時間不超過5年，表明中國專利的價值還有待提高。

(3)PCT國際專利申請。PCT專利申請是擴大專利權保護范圍，獲得多個國家保護的重要途徑。由于PCT專利申請程序更復雜，維持費用更高，所以該申請也意味著技術發明具有更大的市場價值。經過統計發現，在3D打印技術專利申請中，PCT專利為58件，占專利申請總數的3.4%;PCT專利申請機構為46家，除1家香港公司外，其他全部為外國機構。由此可見，中國機構 (特別是企業)需要加大3D打印的技術創新力度，以市場為導向，進一步提升專利技術的質量和價值，謀求更大的專利布局，在更廣闊的市場上去參與競爭。

4 結論與建議

在中國3D打印技術領域中，B29C、B22F、B41J、B28B四個領域技術發展較快，其中，B29C和B41J具有較大的發展潛力，是中國企業和研發機構需要重點關注的領域;B22F和B28B由于存在一定的技術障礙，發展前景具有不確定性，所以未來發展空間受到一定的限制，是中國企業和相關研發機構需要謹慎投入的技術領域。從專利授權情況來看，雖然中國3D打印技術專利授權率為58.98%，但是發明專利的授權率只有30.4%，目前尚維持著專利權的比例為47.3%，反映出中國在該領域的技術創新質量還有待提高。通過對專利維持年份及PCT國際專利申請的分析發現，在終止專利中，絕大多數專利維持時間不超過5年，PCT國際專利申請比例太低，表明中國專利的價值還有待提高。

對未來中國3D打印產業提出以下建議:

(1)制定產業和技術發展規劃。根據中國的現有基礎和3D打印技術未來發展趨勢，抓緊制定國家宏觀層面的3D打印產業未來發展規劃和科研規劃，明確未來的技術發展路線和產業定位，引導中國3D打印產業的有序、良性發展。

(2)加大政策扶持，激發市場活力。在3D打印產業發展上堅持政府引導、市場主導、企業主體的作用，以市場機制激發企業的創新意識和創新活力，同時以政策措施鼓勵和引導企業的行為，為中國3D打印技術的發展營造良好的制度環境和市場環境，促進企業加大3D打印產業投資力度，加強技術創新。

(3)加強技術創新，提高專利質量。進一步加強3D打印技術基礎研究和應用研究的力度，以重點領域為方向 (如上述 B29C、B22F、B41J、B28B等領域)，以薄弱環節為突破點 (特別是材料基礎研究)，形成遠近結合、層次分明、分工協作、點面結合的技術創新模式。完善有關制度和政策，改變過去專利申請重數量、輕質量的傾向，鼓勵企業和相關研究機構進一步提高3D打印技術專利質量。

(4)加強產學研合作，促進技術轉移。中國目前的3D打印技術研發形成了以高校為主，企業為輔的格局，西安交通大學、華中科技大學、華南理工大學等高校依托國家的投入和人才優勢形成了較強的研發能力，企業的研發能力卻相對較弱，因此，在現有格局下，中國要積極鼓勵產學研結合，鼓勵聯合攻關，將高校的人才、設備、研發成果與企業積極進行對接，一方面促進高校3D打印技術成果的轉化，另一方面有利于提升企業的技術創新能力。

(5)扶持領先企業，培育行業龍頭。加強對3D打印行業領軍企業的扶持力度，促進行業領軍企業的進一步發展壯大，形成行業龍頭，改變目前國內3D打印行業“小而散”的局面，從而集中資源，提高企業的技術創新能力，并帶動整個行業的快速發展。

(6)加強溝通交流，學習先進經驗。既要加強國內高校、研究機構和企業之間的溝通交流(以現有的3D打印技術產業聯盟為平臺)，又要加強國內高校、企業與國外的高校、企業之間的溝通交流，通過各種方式 (如選派留學生、到國外設立研發機構等)學習國外先進的3D打印技術與產業發展模式，取長補短。

(7)加大3D打印專業人才的培養力度。作為新興產業，中國3D打印面臨產業快速發展與人才培養滯后的矛盾，人才不足的問題日益顯現。因此，首先從國家層面要構建3D打印產業人才培養體系，如教育部門要將3D打印技術納入相關學科建設體系，高校要設立相關專業，培養3D打印技術專業人才。此外，各級地方政府要加強宣傳、鼓勵和引導，促進各種機構、企業和行業協會等加強3D打印專業人才的培訓，為3D打印產業的發展做好人才儲備。

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