建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的專利現(xiàn)狀分析

吳 落

廣州三環(huán)專利商標(biāo)代理有限公司

1 引言

3D打印技術(shù)學(xué)名為增材制造技術(shù)，是一種直接根據(jù)圖形數(shù)據(jù)，通過疊加材料的方法生成立體空間物體的技術(shù)[1]。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展以及打印材料、工藝和設(shè)備的不斷成熟，3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，有醫(yī)療器械與用品、汽車零部件、軍用裝備等高端制造領(lǐng)域，也有日常生活用品，如造型奇特的擺件、精美的電子產(chǎn)品外殼，可見該技術(shù)正在改變?nèi)藗兊纳罘绞胶蜕a(chǎn)模式。

2016年我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在頒發(fā)的《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中提到“積極開展建筑業(yè)3D打印設(shè)備及材料的研究”。3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，其在建筑領(lǐng)域的運(yùn)用，不僅可縮短工期、提高效率[2]，還可充分利用建筑垃圾減少環(huán)境污染并兼顧藝術(shù)性，不難預(yù)見其對(duì)建筑行業(yè)發(fā)展的影響是不可估量的。國內(nèi)外學(xué)者和相關(guān)行業(yè)，對(duì)3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域運(yùn)用做了大量的研究和實(shí)踐，如表1所示，在該領(lǐng)域的研究主要集中在打印材料和打印設(shè)備兩個(gè)方面，國外研究人員更加注重在材料方面的研究，國內(nèi)主要集中在打印設(shè)備的研究[3]。如周奇才等人采用有限元分析論證了龍門式機(jī)架的可行性并闡述了打印機(jī)控制系統(tǒng)的控制思路和打印流程[4]。高鵬舉[5]提出應(yīng)從設(shè)計(jì)創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)力學(xué)的構(gòu)造和新材料三個(gè)方面來解決如何利用3D打印技術(shù)打印高層建筑的問題。韓立芳等人[6]就混凝土建筑3D打印中線寬控制問題，展開了詳細(xì)的因素分析，并針對(duì)出現(xiàn)的問題結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)線寬控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，獲得了較為理想的打印效果。齊甦等人[7]從材料的可建造性、層間黏結(jié)強(qiáng)度、干燥收縮率、臨界失效時(shí)間等方面對(duì)3D打印建筑用混凝土材料的研究做了歸納總結(jié)，并指出混凝土材料是3D打印建筑施工中發(fā)展的基礎(chǔ)也是制約技術(shù)發(fā)展的瓶頸。中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)3D打印分會(huì)發(fā)布了2019年度建筑3D打印行業(yè)技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展報(bào)告，報(bào)告中指出建筑3D打印軟件、設(shè)備、打印材料、建筑結(jié)構(gòu)體系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均是目前建筑3D打印技術(shù)發(fā)展中亟待解決的問題[8]。在實(shí)踐方面，我國的3D打印技術(shù)起步較晚，但發(fā)展迅速，于2014年在上海青浦園區(qū)利用建筑垃圾中提取制造出來的建筑原料僅用了24小時(shí)打印了10幢建筑物。首個(gè)原位3D打印技術(shù)試驗(yàn)田在我國廣東河源開始動(dòng)工;首例原位3D打印雙層建筑在我國誕生。可見，自3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的初探以來，諸多研發(fā)團(tuán)體對(duì)其進(jìn)行了大量研究并付諸實(shí)踐，在打印材料與設(shè)備方面的創(chuàng)新成果突出。

表1 建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)創(chuàng)新分布

本文以專利數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)建筑領(lǐng)域中3D打印的相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并著重分析了國內(nèi)在設(shè)備方面的專利情況，以期通過對(duì)相關(guān)專利信息的梳理為建筑領(lǐng)域中3D打印設(shè)備的創(chuàng)新研究提供參考。

具體以商業(yè)數(shù)據(jù)庫HIMMPAT和INCOAPT為檢索數(shù)據(jù)來源，采用分類號(hào)與關(guān)鍵詞的方式進(jìn)行專利檢索，經(jīng)過去噪和申請(qǐng)?zhí)柡喜⒑螅刂?021年1月共獲得由691件專利申請(qǐng)文件組成的數(shù)據(jù)樣本；并對(duì)這些專利技術(shù)進(jìn)行初步分析，以期獲得建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)中設(shè)備分支技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)該技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

2 專利分析

本節(jié)從我國專利技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、技術(shù)生命周期、國內(nèi)創(chuàng)新主體類型、專利當(dāng)前法律狀態(tài)、專利技術(shù)及其應(yīng)用等維度對(duì)建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)進(jìn)行分析。

2.1 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

通過專利申請(qǐng)和公開趨勢(shì)可以從宏觀層面把握我國建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)在不同年份的專利申請(qǐng)的變化，其中統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)均為目前已公開的專利申請(qǐng)。圖1展示的是專利申請(qǐng)量的發(fā)展趨勢(shì)。由于專利申請(qǐng)從提交申請(qǐng)到公開需要一定時(shí)間，通過圖中的每年申請(qǐng)專利數(shù)量與公開專利數(shù)量的折線圖的對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)專利公開具有一定的滯后，同時(shí)也反映了我國專利公開速度正在加快。從該圖中可以發(fā)現(xiàn)，我國首次出現(xiàn)在建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)中設(shè)備分支技術(shù)的專利申請(qǐng)是在2013年，具體為利用3D技術(shù)來修復(fù)歷史建筑磚雕、3D打印噴嘴、工程結(jié)構(gòu)的3D打印等。同年，荷蘭建筑師與意大利發(fā)明家共同完成了兩層現(xiàn)代建筑的打印[1]。事實(shí)上，早年就出現(xiàn)了利用陶瓷粉末、塑料等材料進(jìn)行3D建筑模型的制作，而此次完成的3D建筑打印尚為首次。在此之后，在短短兩年內(nèi)我國專利申請(qǐng)量達(dá)到123件，并且至今一直保持著較高的專利申請(qǐng)，反映出我國在該技術(shù)上一直處于較高水平的研發(fā)狀態(tài)，但由于該技術(shù)的應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，還有諸多關(guān)鍵未突破，從專利申請(qǐng)量來看，尚未出現(xiàn)噴發(fā)式增長(zhǎng)。

圖1 專利申請(qǐng)與公開量的發(fā)展趨勢(shì)

2.2 創(chuàng)新主體類型分析

專利申請(qǐng)人作為技術(shù)創(chuàng)新主體的權(quán)利擁有者，其類型反映了技術(shù)研發(fā)的主要來源。截至目前，我國建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的主要研發(fā)為企業(yè)、大專院校和個(gè)人。其中企業(yè)的占比最高，達(dá)到70%，大專院校次之為17%，個(gè)人為13%。而企業(yè)作為技術(shù)的主要實(shí)施者，在該技術(shù)發(fā)展初期就成為該技術(shù)的主要研發(fā)者，反映了我國在該技術(shù)上的研發(fā)主要是偏應(yīng)用性，對(duì)于該技術(shù)的基礎(chǔ)性研究偏少，從大專院校的占比較少和無科研機(jī)構(gòu)的參與也進(jìn)一步說明了該現(xiàn)象。

2.3 專利當(dāng)前法律狀態(tài)分析

專利法律狀態(tài)具體分為專利權(quán)審中、有效、失效三種狀態(tài)。經(jīng)過分析不難發(fā)現(xiàn)，我國建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)中有57%的專利處于有效狀態(tài)，專利處于實(shí)質(zhì)審查的占比為26%，失效專利的占比為17%，其中有9%的專利因駁回而失效，這一定程度上反映了該領(lǐng)域?qū)＠募夹g(shù)創(chuàng)新較低，亟待需要具有高價(jià)值的專利技術(shù)出現(xiàn)。

2.4 專利技術(shù)及其應(yīng)用占比分析

對(duì)我國建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)設(shè)備及其應(yīng)用的專利技術(shù)作了分解，具體如圖2所示，從專利技術(shù)的角度來看，3D打印技術(shù)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)占比最高為52.27%，其次，對(duì)打印噴頭以及材料供應(yīng)系統(tǒng)方面的改進(jìn)，對(duì)控制裝置的改進(jìn)最少，而機(jī)器人的引入多是提高打印過程對(duì)整體打印過程的把控和節(jié)約人工對(duì)打印過程的干預(yù)。從專利技術(shù)應(yīng)用的角度來看，對(duì)墻體、構(gòu)件等建筑裝配部件的研發(fā)較多，多以利用3D打印來獲得建筑模塊化技術(shù)的應(yīng)用。可見，3D打印建筑技術(shù)主要是在裝配式建筑中的應(yīng)用。

圖2 專利技術(shù)及其應(yīng)用分布圖

3 結(jié)束語

經(jīng)過分析不難發(fā)現(xiàn)，我國建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)仍處于技術(shù)發(fā)展的初級(jí)階段，仍有大量關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，且企業(yè)則是該技術(shù)領(lǐng)域中主要的創(chuàng)新主體，說明我國在該技術(shù)領(lǐng)域的研究偏應(yīng)用型；同時(shí)該技術(shù)領(lǐng)域的專利有效率偏低，缺乏高價(jià)值專利技術(shù)。基于上述緣由，現(xiàn)提出以下建議。

（1）繼續(xù)發(fā)揮3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑部品、構(gòu)件的生產(chǎn)，利用3D打印機(jī)技術(shù)可以輕松制作各類形狀奇特的構(gòu)件，特別是與BIIM技術(shù)的融合，可為裝配式建筑提供可行性技術(shù)。

（2）將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)建筑技術(shù)相結(jié)合，體現(xiàn)了新基建思想，打破了建筑行業(yè)的傳統(tǒng)發(fā)展模式，促使其向高新技術(shù)領(lǐng)域拓展，推動(dòng)建筑企業(yè)不斷升級(jí)發(fā)展。

（3）原位3D打印建筑技術(shù)是技術(shù)創(chuàng)新重要部分，特別是原位3D打印對(duì)高層建筑的施工和大規(guī)模化的建筑工程還有待于研發(fā)。