基于專利數據的3D打印技術及其專利布局分析

袁夢上海市知識產權服務中心 （上海　200041）

綜述

基于專利數據的3D打印技術及其專利布局分析

袁夢
上海市知識產權服務中心 （上海200041）

3D打印技術是目前國際上比較熱門的新興產業。基于3D打印技術的專利文獻數據，從3D打印技術的分布、發展趨勢、專利權人、技術功效、同族專利等方面對3D打印技術及其專利布局、市場狀況進行了分析，從專利的角度為我國3D打印技術的研發與專利布局提供支撐服務。

3D打印制造專利分析專利布局

0　引言

隨著科技的進步，3D打印技術已經開始融入人們的生活，例如現在很多地方出現了3D打印照相館，醫學上已經開始利用3D打印技術生產人體器官，還有一些制造業也開始嘗試用3D打印技術生產產品，該技術將極大地影響生產制造業的發展［1-2］。目前我國制造業正處于轉型升級的階段，3D打印技術對于我國制造業的發展具有重要意義。

本文以專利文獻為基礎，介紹和分析了3D打印技術的發展現狀，以期為我國3D打印產業未來的發展提供有用的競爭情報。

1　3D打印技術概述

3D打印技術又稱為增材制造，源自100多年前美國研究的照相雕塑和地貌成形技術，該技術是一種以數字模型文件為基礎，采用離散材料逐層累加原理來生成三維實體的技術。相對于傳統的材料去除技術，3D打印技術是一種自下而上的材料累加制造工藝，所以也被稱為材料累加制造、分層制造、實體自由制造等，不同的命名分別從不同側面反映了該制造工藝的技術特點。這種技術的特點在于其幾乎可以打印出任何形狀的物品。3D打印技術可應用于珠寶、鞋類、工業設計、建筑、工程和施工、汽車、航空航天、醫療產業、教育、地理信息系統、土木工程、槍支以及其他領域［3-4］。

由于3D打印的核心技術主要由美國的公司掌握，因此，本文主要以在中國和美國公開的3D打印技術相關的專利文獻為基礎，采用由技術關鍵詞及其擴展用語構成的檢索式、申請人關鍵詞與分類號（國際專利分類號、美國專利分類號）組成的檢索式，在中美專利數據庫（數據統計截至2015年12月22日）中進行檢索、人工篩選后，共得到3D打印技術相關的專利/專利申請4983件，其中，美國專利/專利申請有1288件，中國專利/專利申請有3 695件。由于專利申請具有延遲公開性，故在本文的統計樣本中，并未完全包括2015年12月22日之前遞交的專利申請數據，特別是2014年、2015年的專利數據僅供參考。

2　3D打印技術專利布局

2.1從3D打印技術分類分布看相關專利布局

（1）3D打印技術總體分布

3D打印技術主要包括打印設備、打印工藝、打印材料和打印軟件模塊。其中，打印工藝方面的專利數量最多，為992件，占總量的55%；其次是打印設備，為486件，占總量的27%；打印材料方面的專利申請量位居第三，為245件，占總量的14%；軟件模塊類最少，為73件，占總量的4%。由此可以看出，有一半以上的專利是與打印工藝相關的，這一方面體現出各個企業和研究機構對打印工藝的重視程度和研發力度，另一方面也表明了目前打印工藝領域的競爭態勢相對激烈。而打印材料和軟件模塊方面的專利申請量相對較少，尤其是軟件模塊方面。對于3D打印設備，無論是圖像成像系統還是數據分析系統，都離不開軟件模塊的支持。然而，目前應用于3D打印設備的軟件模塊相關的專利數量相對較少，這使打印物品的種類和數量受到了一定的限制。限制一方面來自于軟件開發，另一方面則來自于材料的制約。

（2）中美3D打印分支技術發展趨勢分析

圖1和圖2分別為美國和中國的3D打印分支技術的發展趨勢。從圖中可以看出，中美打印工藝的發展均要早于其他技術分支，美國的打印工藝及打印設備的發展目前處于成熟期，專利申請量增長緩慢；與美國不同，中國目前的打印工藝及打印設備的發展正處于快速增長期，特別是打印設備，其增長速度遠超美國。在打印材料和軟件模塊方面，中美的專利申請量均較少。從整體趨勢來看，打印工藝和打印設備方面的專利申請量均呈逐年增長的趨勢，尤其是打印設備，近幾年增長迅速，其中中國專利占據了絕大部分。由此可以看出，在目前的3D打印技術領域，中國的打印設備方面的專利數量上升趨勢比較顯著。這一方面與世界龍頭公司開發中國市場有關，另一方面，3D打印這個新興領域引起了國內很多研究機構和企業的關注，并紛紛投入該領域，從而導致了3D打印配套設備的研究和產出。另外，打印材料和軟件模塊方面的專利數量近幾年呈現出下降趨勢，尤其是打印材料的緩慢發展已經放慢了整個行業的腳步。

圖1　美國3D打印分支技術的發展趨勢

（3）分支技術專利權人分布

對專利數據樣本進行統計后發現，打印設備類專利數量排名前4位的專利權人均為外國公司，排名第5位和第7位的專利權人為中國的大學，排名第8位的Objet為以色列公司，目前已與Stratasys公司合并；其中通用電氣公司為美國公司，磐紋科技（上海）有限公司為一家提供3D打印設備的國內企業。打印工藝類專利數量排名前3位的專利權人均為外國公司，分別為美國的3D Systems公司、Stratasys公司及德國的EOS公司，排名第4位、第8位及第10位的專利權人為中國的大學，其他專利權人均為國外跨國公司。統計數據顯示，3DSystems公司、Stratasys公司和EOS公司擁有的打印工藝類專利的數量，占排名前10位的專利權人擁有的專利總量的71%，而中國大學及科研院所所占的比例為18%。打印材料類專利數量排名第8位的專利權人——湖南華曙高科技有限責任公司為中國企業，其余專利權人均為外國公司；在排名前11位的專利權人中，中國境內企業擁有的專利件數只占專利總量的4%。

由以上分析可以看出，3D Systems和Stratasys兩家公司占據了打印設備、打印工藝、打印材料和軟件模塊領域的前兩位，EOS公司在打印工藝方面排名第二。我國的華中科技大學在打印工藝方面排名第四，這是目前我國境內（不含港澳臺地區）在所有分支技術領域排名最靠前的專利權人，該大學是國內3D打印技術領域的引領者。

圖2　中國3D打印分支技術的發展趨勢

2.2從技術功效看相關專利布局

3D打印技術的功效主要包括提高效率、提高可靠性、降低成本、用途、外觀美化等五大類。對專利數據樣本進行統計后發現，提高可靠性方面的專利有1741件，所占比例為52%；降低成本類（818件）和提高效率類專利（418件）所占比例分別為24%和12%；用途類專利（248件）所占比例為7%，涉及3D打印技術的具體應用；外觀美化屬于附屬功效，該類專利有123件，所占比例為4%。因此，3D打印技術的功效主要集中在提高可靠性上，其次是降低成本和提高效率。

（1）3D打印技術功效區域分布

圖3為中國和美國的3D打印技術專利功效區域分布情況。其中，氣泡的大小表示每種功效所對應的專利件數的多少。由圖3可知，在美國專利中，提高可靠性方面的專利數量最多；在中國專利中，提高可靠性、提高效率、降低成本和外觀美化方面的專利數量比美國多。對于每個區域的功效分布，提高可靠性方面的專利都是最多的，用途和外觀美化方面的專利數量相差不多。可以看出，各個地區的技術功效重點都在提高可靠性上，其次是降低成本。

圖3　中國和美國的3D打印技術專利功效區域分布

（2）3D打印技術總體技術功效矩陣

圖4為3D打印技術總體技術的功效矩陣。其中，每一行代表一項技術分支可以實現的功效，而每一列代表為實現這一功效所使用的技術手段；氣泡的大小表示用一類技術來實現一種功效的專利數的多少。

圖4　3D打印技術總體技術功效矩陣

由圖4可知，從功效的角度來看，由于外觀美化為附屬功效，其對應的氣泡大多缺失或很小，因而實現這個功效的專利很少。提高可靠性這一列有一個最大的氣泡，表明有較多的專利利用打印工藝來提高3D打印技術的可靠性。這一方面說明提高可靠性是3D打印技術最重要的目的，也說明打印工藝是提高可靠性的主要手段，而打印設備和打印材料相關的技術在提高可靠性方面的作用較小。降低成本這一功效主要是通過改進打印材料和打印設備實現的，打印工藝對降低成本的貢獻較小。實際上，打印材料也與成本有很大關系，但其對應的專利件數只有100余件，說明從打印材料的角度來降低成本還有較大的技術改進和專利布局空間。對于提高效率，從打印設備方面來實現這一功效的專利最多，打印工藝方面也有較多專利，可見提高效率的手段是多樣化的。

由軟件程序這一行可以發現，軟件程序對應的用途功效的專利最多，其他方面的專利很少或沒有。這是因為軟件程序方面的技術優勢，主要在于擴展3D打印技術的用途。

2.3從主要專利權人看相關專利布局

（1）主要專利權人構成分析

從專利權人的角度進行分析，可以得知研發活躍、技術水平領先的專利權人有哪些。表1列出了中國和美國地區在3D打印技術方面的專利申請量居于前10位的專利權人。由該表可以看出，目前在中國和美國地區，大部分專利的擁有者為3D Systems公司、Stratasys公司和EOS公司，而Z Corporation和Objet公司已分別被 3D Systems公司收購和被Stratasys公司合并。因此，3D Systems公司和Stratasys公司在專利申請數量和綜合實力方面處于領先地位，EOS公司則緊隨其后。在排名前10位的專利權人中，大陸境內實力較強的中國科學院化學研究所（珠海天威飛馬打印耗材有限公司為港商獨資企業）的專利申請量排名第5位，但與排名前3位的企業還有很大差距。并且，中國科學院化學研究所的專利申請大部分集中在中國地區。目前，3D打印領域的核心技術和專利主要由3D Systems，Stratasys和EOS這三家公司掌握。

（2）主要專利權人技術布局分析

主要專利權人是指在3D打印技術方面的專利申請數量較多的專利權人。在3D打印技術領域，申請專利較多的公司有3D Systems公司、Stratasys公司和EOS公司，這三家公司在中國均有自己的專利布局。

表1　3D打印技術總體專利權人專利申請數量排名

3D Systems公司。由于率先發明了立體平版印刷（SLA）技術及其快速建模系統，3D Systems公司目前已發展成為一家提供高級固體成像解決方案的跨國企業。該公司于1988年首次向美國提出了相關技術的專利申請。在1994～2005年間，3DSystems公司的專利申請量出現跳躍式增長，該公司在其主流技術方面的發展已經到了比較成熟的階段。3DSystems公司的專利主要分布在打印工藝領域，該領域的專利數量占據了該公司專利申請總數的3/4（打印工藝類專利所占比例為74%，打印設備為13%，打印材料為10%，軟件模塊為3%）。對檢索到的相關專利數據進行統計后發現，該公司在SLA技術方面的專利申請量占據絕大多數，達到了183件，而該技術正是公司的創始人率先開發出來的。3D Systems公司的SLA技術已經發展到了非常成熟的階段，該公司也是3D打印技術的引領者。此外，該公司在SLS（選擇性激光燒結）以及EBFF（電子束熔絲沉積）技術方面也有較多的專利申請。由此可以看出，該公司在3D打印技術方面的發展具有多元化特征。

Stratasys公司。目前，Stratasys公司是FDM（熔融沉積成型）辦公室直接數字制造系統與工程材料快速原型系統，以及桌上型ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）立體打印系統的最大生產商。該公司以塑料成型技術見長。由專利統計數據可以看出，該公司的專利主要分布在打印工藝和打印設備領域（打印工藝類專利所占比例為43%，打印設備為41%，打印材料為11%，軟件模塊為5%），這兩個方面的專利數量占專利總數的80%以上。該公司打印工藝方面的專利主要集中在FDM技術（81件）領域，而該技術正是公司創始人CRUMPScott率先開發出來的。在國家專利布局方面，Stratasys公司不僅非常重視美國市場，對中國市場也非常重視，近幾年在中國也陸續申請了40余項3D打印方面的專利。

EOS公司。EOS公司創立于1989年，主要從事3D打印機、打印材料及打印解決方案的開發，是SLS技術的全球引領者。EOS公司的主要業務集中在航空航天、醫療和汽車行業高端精密零部件的制造。醫療產品集中在人造骨骼、細胞清洗系統等尖端應用領域。該公司在創始之初以SLS作為其主流技術，在此基礎上開發出了一系列打印設備以及適用于該設備和方法的材料。EOS公司的絕大多數專利也分布在打印工藝領域（打印工藝類專利所占比例為82%，打印設備為12%，打印材料為6%，軟件模塊為0），該公司在打印工藝方面的專利主要集中在SLS技術（88件）領域。結合該公司的產品可以看出，該公司目前生產的3D打印機全部是基于SLS技術的打印設備，而且產品型號種類較多。因此，在EOS公司不斷的改進和創新下，SLS技術已經達到了較為完善的水平。EOS公司從2005年開始連續大規模地提出中國專利申請。從專利申請的類型可以發現，在EOS公司的中國專利申請中，PCT（專利合作條約）申請有35件，占其中國專利申請總量的75%，而剩余的25%也都享有國外申請的優先權?？梢?，EOS公司的中國專利申請均為多邊申請，其并沒有針對中國市場單獨申請專利。上述情況表明，EOS公司在中國的專利布局，是在關注中國3D打印市場動態的基礎上進行的。

上述三家公司目前占據著全球3D打印技術領域的大部分市場。從其專利申請趨勢和布局可以看出，這三家公司分別擁有自己最核心和最擅長的打印工藝。3DSystems公司掌握了SLA技術和一小部分SLS技術；Stratasys公司掌握了FDM的核心專利和技術；EOS公司則掌握了SLS的核心專利和重點技術。另外，上述三家公司的專利布局均主要分布在打印工藝領域。對于3D打印技術，材料的選擇尤為苛刻，但是作為實力最強的三家龍頭企業，其在打印材料方面的專利申請量卻都很少。打印材料品種的局限性，導致很多物品還無法實現3D打印制造。

綜上所述，三家企業的研究重點為3D打印技術的打印工藝、打印設備和打印材料，打印工藝方面的技術已經發展得比較成熟，打印材料的局限性限制了3D打印技術的應用范圍。

2.4從同族專利數看相關專利布局

（1）重要同族專利分析

一件專利的同族數反映了申請人對該專利的重視程度，對于了解其重要性有很大的參考價值。表2列出了3D打印領域排名前10位的同族專利。排在第一位的專利US4999143的同族數高達166件，排在第二位的專利US5490962的同族數為148件，其余專利的同族數則較少。同族數在6以上的專利可以認為是重要專利。由該表還可以看出，同族數多的專利的申請日期均在1988年以后，說明在20世紀90年代，3D打印技術已開始廣泛地在國際間流動。此外，這些專利的技術分類都集中在打印工藝、打印設備和軟件程序方面，沒有針對打印材料的專利。

表2　3D打印技術專利同族數排名

（2）排名前5位的專利同族數區域分布

圖5為同族數排名前5位的專利在幾個主要區域內的同族數分布。由圖5可以看出，美國的同族專利在各個區域內都占了很大比例，其次是日本專利，這表明了3D打印專利申請人對美國和日本專利申請的重視程度。中國的同族專利數則較少。雖然中國專利的總數較多，但屬于國外專利的同族專利的并不多，大多數還是來自于國內高校的貢獻。

3　結語

（1）技術研發重點

受關注最多的3D打印技術分支是打印工藝，相關的專利申請量占3D打印領域專利申請總量的55%。在打印工藝下面的技術分支中，SLS，FDM和SLA技術是研究的重點。SLS和FDM技術相關的專利申請量目前仍在迅速增長；SLA技術已經發展得相對成熟，專利申請趨勢趨于平緩。

在3D打印技術功效方面，提高可靠性、降低成本和提高效率是研究機構關注的熱點。3D打印技術在工藝的可靠性方面仍存在很大的提升空間，比如在打印頭的精準度控制、提高控溫效果、提高成形模型的機械性能、減少環境污染等方面仍需要不斷改進。目前3D打印設備、打印材料價格普遍偏高，中小企業難以承受高昂的使用和維護成本，而對于個別價格低廉的3D打印機，其性能又會大打折扣，不適合工業化用途，因此開發性能穩定、價格低廉的3D打印設備也是目前的研究熱點。提高3D打印設備的工作效率，縮短快速成型的時間，可以使3D打印技術相對于傳統的制造技術具有更大的優勢。

（2）潛在的技術發展點

在3D打印技術領域，尋找新的打印材料、開發新的成型工藝、三維模型制作、降低3D打印設備成本等方面是值得關注的技術發展點，這些技術之間的關系密切，是實現3D打印不可或缺的組成部分。其中，影響3D打印技術發展的重要因素是打印材料，只有進行更多的新材料開發，才能不斷地拓展3D打印技術的應用領域。

（3）主要專利權人

在3D打印技術領域，國外值得關注的主要專利權人有美國的3D Systems公司、Stratasys公司和DTM Corporation，德國的EOS公司和贏創德固賽公司，瑞典的ArcamAB公司，日本的Teijin Seiki公司；國內值得關注的主要專利權人有珠海天威飛馬打印耗材有限公司、中國科學院化學研究所、西安中科麥特電子技術設備有限公司、浙江大學、華中科技大學、西安交通大學、清華大學等在3D打印技術研發領域比較活躍的專利權人。

［1］郭令春.聚焦“3D打印+”:科技贏未來［J］.資源再生，2015（5）:34-36.

［2］辛建軍.3D打印真相［J］.商業價值，2012（12）:42-47.

［3］李小麗，馬劍雄，李萍，等.3D打印技術及應用趨勢［J］.自動化儀表，2014，35（1）:1-5.

［4］陳立，陳勝遷.3D打印——未來制造業的新模式 ［J］.輕工科技，2013（9）:66-67，110.

Patent Data-based Three Dimensional Printing Technology and Its Patent Portfolio

Yuan Meng

At present，three dimensional printing technology is a popular and new industry in the world.On the basis of patent data of three dimensional printing technology，the three dimensional printing technology，patent portfolio and market situation are analyzed from the aspects of technology distribution，development trend，patentee，technical efficiency and patent family，and from the point of view of patent，supporting services are provided for the research and patent portfolio of three dimensional printing technology in our country.

Three dimensional printing；Manufacture；Patent analysis；Patent portfolio

G353.1

2016年5月

袁夢女1977年生碩士工程師目前從事專利信息利用及情報分析工作