3DP增材制造專利態勢分析

徐 寧

一、序言

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

近年來，我國的3DP 技術得到了長足的進步，CCTV 在《大國重器》第二季第七集“智造先鋒”詳細介紹了我國自主研發的產業化砂芯3DP 打印機，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，效率和質量都達到了世界同類機型的最優水平。

目前國內外文獻大多對3D 打印進行技術分析或前景研究，而對3DP 技術則關注較少。專利數據是一種集技術信息、經濟信息和法律信息于一體的競爭情報源，專利情報分析能夠將個別的、看起來互不相關的信息轉化成系統的、完整的情報。本文基于專利數據對3DP 技術進行多角度的分析，以期對我國3DP 產業的未來發展提供有用的競爭情報。

二、研究數據

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

由于同樣的技術方案可以依照巴黎公約和PCT在不同的國家和地區分別進行專利申請，以下統計分析時將不同的國家和地區的基于同一技術方案的專利算作一“項”，而將各個國家和地區的專利稱為一“件”。

三、3DP 技術專利申請趨勢分析

（一）全球3DP 專利年申請量分析

由圖1 可以看出，3DP 技術的全球專利申請趨勢可分為三個階段：

圖1 全球3DP專利申請量分析

萌芽階段（1988-1997 年）：該階段3DP 技術尚處于探索階段，雖然MIT 詳細介紹了3DP 技術的原理并介紹了應用前景，然而受制于打印原料短缺、配套設備缺乏和開發成本高昂等原因，3DP 技術顯得不夠完善，因此該階段專利申請數量較少，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、市場價值。

穩步發展階段（1998-2011 年）：隨著3DP 技術在砂型鑄造和醫學領域的價值逐漸得到認可，3DP 進入深入開發階段，進入該領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到50 件以上。2008-2009 年申請量未受到金融危機的影響而下滑，顯示出各方對3DP 市場前景的充分信心。

快速發展階段（2012 年以后）：這一時期3DP 的市場前景得到廣泛認可，同時中國在此階段積極鼓勵3D 打印產業的規劃和發展，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 原始專利此時陸續到期，相關設備、原料的獲取門檻降低，具備了充足的開發條件。可以預見，3DP 的市場規模還將增大，專利布局會更加活躍，且相關的侵權沖突也將隨之加劇。

（二）進入目標市場國的3DP 專利申請量分析

從圖2 可以看出，2015 年之前進入美國的專利申請相對其他國家具有領先優勢，2016 年起中國取代美國成為3DP 專利最多的目標市場，2016 年中國的專利數量433 件，反超美國的425 件，這與中國市場容量的逐步擴大和國內創新主體的積極研發密不可分。

圖2 目標市場國專利申請趨勢分析

現階段美國雖然屈居第二，但進入美國尋求專利保護的專利申請量在此前長期保持領先，各創新主體進入美國專利布局勢頭不容忽視。進入德國、日本的專利相對于美國數量較少，相比往年呈小幅度增長趨勢。

四、3DP 技術專利地域分析

（一）3DP 技術專利來源國分析

專利的技術來源國體現該國在該領域的創新實力。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%，體現了國內各創新主體對于3DP 技術的創新投入力度。美國和日本排名第二和第三，其專利申請數量分別占總量的25%和19%。可以預期的是，隨著國內產業轉型升級的不斷深入，3DP 技術在我國還會獲得進一步的發展。

圖3 技術來源國申請量比例

（二）主要技術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專利數量在2008 年前較少，進入3DP 領域的時間相對較晚，但是得益于高新技術產業的政策支持和國內巨大的市場潛力，2008 年以后國內3DP 專利申請量大幅增長，目前已成為3DP 領域全球第一大專利擁有國。

圖4 主要技術來源國申請量趨勢

美國和日本在2015 年以前占據了3DP 專利申請的主導，顯示出兩國極強的研發能力且擁有高價值的專利。由于布局時間較早，美日兩國的3DP 專利多為高價值核心專利。此外，來自美國和日本的3DP領域專利申請也在2012 年左右得到巨大增長，這也表明了美國和日本作為3DP 專利技術領域的傳統強國，對于3DP 的創新熱情和投入力度長期保持高位，值得關注。

（三）專利布局分布圖

圖5 示出了3DP 專利技術領域排名前四的國家，即中國、美國、德國、日本的專利技術來源和專利布局目標的分布氣泡圖。圖5 顯示，中國作為該領域專利申請第一大國，其主要專利布局目標國是中國，數量達到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識偏低或者不具備向發達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域的布局，其中來源于美國、德國和日本的專利申請在中國的專利公開數量分別為133、45和71 件，這進一步說明了中國市場的巨大潛力。

五、3DP 專利權利人分析

（一）全球范圍內權利人分析

圖6 示出了3DP 領域全球專利申請人排名，其中惠普是該領域專利申請數量最多的公司，達到了154 件，其次為愛普生（Epson），為151 件，這兩大公司的申請量遙遙領先其他公司，屬于專利輸出的第一梯隊，并且需要指出的是，這兩大巨頭均屬于傳統的打印企業，三維印刷與二維噴墨印刷的密切聯系可見一斑。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。前二十名的其他申請人申請量差距較小，傳統的美國3D Systems 公司等巨頭專利產出被后進入的惠普等巨頭趕超，可見3DP 領域競爭的激烈程度。

圖6 全球申請人排名（單位：件）

（二）中國權利人排名

圖7 可以看出，研能科技和寧夏共享分別以83件和60 件的申請量占據絕對優勢。惠普在中國的專利申請量則未能進入前十名，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的領軍企業之一，專利申請量分別位列第六和第七，體現出對中國市場較高的關注度。

圖7 3DP專利中國申請人排名（單位：件）

華中科技大學和西安交大是申請量排名靠前的大學，華中科技大學具有材料成形和模具技術國家重點實驗室，西安交通大學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，體現了上述高校對3DP 技術的投入力度。

六、3DP 專利技術構成分析

（一）全球專利技術構成分析

根據3DP 技術的原理，可以將該技術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主題。從圖8 可以看出，粉末材料是專利申請的重點，占比將近一半，達到了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 全球專利申請各技術分支的占比分布

粉末材料可以進一步分為：金屬材料，無機非金屬材料以及有機材料，其占比分別為：金屬材料14%，無機非金屬材料15%，涉及有機材料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%的粘結型粘結劑和10%的觸發粘結型粘結劑。后處理專利申請量較少，主要包括結構增強后處理、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）中國專利技術構成分析

如圖9 所示，國內3DP 專利申請中涉及打印工藝的占比為57%，其中鋪粉技術和噴墨技術的相關占比基本相當，分別為31%和27%。此外，粉末材料是緊隨其次的重要技術主題，約占3DP 專利國內總申請量的29%，其中無機非金屬是粉末材料這一技術分支中的重點，占據了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%，這與全球的熱點趨勢形成了鮮明對比。

圖9 國內專利申請各技術分支的占比分布

七、3DP 專利技術演進分析

（一）打印工藝技術演進

MIT 于1989 年世界首次提出3DP 方案，并提出專利US5340656A。三年后，MIT 針對鋪層設備提出專利US5387380A，該專利的說明書中描述稱，現如今普遍存在的三種鋪層技術，其中a 為刮刀式鋪層，其利用刮刀將粉末原料刮平，b 為旋轉輥鋪層，其利用輥的轉動實現粉末原料的壓平，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

針對常州市農業企業專業技術人才緊缺的現狀，市科技局積極與南京農業大學、揚州大學、江南大學、江蘇農牧科技職業學院、江蘇農林職業技術學院等省內涉農大專院校聯系，組織產業專場招聘會，2014—2017年，組織畜牧獸醫、茶學、花卉、種植、農業電商5個產業專場招聘會，共計為企業招聘高校畢業生400多人。

MIT 在首件專利的說明書中明確表示3DP 技術可以借助現有的紙張印刷等噴墨印刷技術。Z 公司針對3DP 對于效率和噴印質量的高要求，提出了多噴墨頭陣列的方案US6375874A。在該專利中還對打印機內氣流壓力控制進行改進，相關方案如圖10 所示，其中（a）為打印設備，其在工作臺形成負壓防止粉塵漂浮影響打印和操作者健康，同時引導高壓氣流進行后續的清掃；（b）和（c）為多噴頭打印方式，只需進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技術中的打印技術

2.固化工藝

通常，三維印刷所用的粘合劑并不需要固化設備或僅需要紫外燈等進行UV 樹脂固化。惠普公司提出了一種新穎的3DP 專利方案WO2015108543A，參見圖11，其首先鋪設并預熱可燒結材料層，而后將結合劑選擇性施加于可燒結材料上，進而將可燒結材料和結合劑曝光于紅外輻射，結合劑吸收輻射并轉化為熱能，從而固化與所述結合劑接觸的可燒結材料并形成三維物體的第一層。惠普的這一方案運用了3DP中的選擇性噴墨技術，并運用了粉末燒結技術，產品強度極大提高。

圖11 WO2017200534A1裝置示意圖

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

（二）打印材料技術演進

1.粘結材料

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 打印設備和原料供應商，其為了將三維印刷技術推廣應用于金屬模具，而開發了耐高溫的粘合劑CN1382540A，這種耐高溫粘合劑確保了所制造的模具的結構強度，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備可以借鑒二維的噴墨打印設備，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，這就使得傳統的二維噴墨技術并不能適用于3DP。除了改進設備之外，各創新主體還努力在打印的材料方面進行改進，如Z 公司在US5902441A 中提出了噴印可以激發顆粒的粘合劑的流體，也就是預先將粘合劑整合在顆粒中，打印可以激發該粘合劑的流體，從而實現選擇性的三維印刷，該流體僅需為水溶劑或非水溶劑即可。

（三）鋪層材料技術演進

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，在此基礎上各個創新主體深入開發了各種材質的鋪層粉末，以期得到所需性能的產品。其中金屬由于具有較高的產業應用價值，得到很大的關注，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粒混合物，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生聚合反應，確保產品的強度。

2.無機非金屬

由于3DP 工藝在砂型產品中廣泛應用，相關的無機粉末受到廣泛的關注。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品。

3.有機聚合物

3DP 技術一個前沿應用是藥物的成型制造，3DP產品孔隙率相對較高的特點對于藥品而言是巨大的優勢。CN106511285A 利用三維成型產品孔隙率相對較高的特點而制造口崩片，其將API 作為顆粒層，利用粘合劑進行三維印刷，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用是緩釋藥物，US2004005360A1借助3DP 工藝制造具有核殼結構的藥丸，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 的液體實現藥物成形。

（四）后處理技術演進

1.結構增強

MIT 在開發3DP 時主要用于原型的快速制造，原型賦予研發人員感受舒適度或外形，原型的外形和結構跟成品相似，但是物理力學性能較差。為了提高3DP 產品的強度，創新主體積極開發增強技術從而提高產品的應用領域。浸入工藝是其中一個比較廣泛的技術，德國的VOXLJET 公司在US2010244301A 中提出將產品浸入35℃以上的低粘度樹脂中，而后固化樹脂，從而使得多孔的產品內浸漬有樹脂，提高了產品的強度。

2.去粉

3DP 打印后，產品存在于成形腔室中，產品的四周包圍有未粘結的粉末顆粒，需要將產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 產品放入專門的粉末回收裝置中，利用高壓氣槍進行吹掃，落下的粉末收集再利用，操作倉內還有加熱源促進產品的固化。

圖12 CN102380264A裝置示意圖

八、結論與建議

進入中美日歐等主要國家尋求專利保護的3DP專利逐年增多，3DP 技術全球市場前景持續看好。美日德是重要的3DP 專利技術來源國且均持續加大投入，目前已經逐步在中國開始3DP 專利布局，我國需要關注借鑒其3DP 專利技術。

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 專利權利人，寧夏共享和臺灣研能科技是中國最大的3DP 專利權利人，傳統噴墨印刷與3DP 存在密切聯系，可以相互借鑒和轉化。全球范圍內的3DP 專利主要集中于粉末材料，中國則相對集中于打印工藝，對于原料的專利產出較少，還需要瞄準方向加大投入。

中國的3DP 企業在打印原料和粉末原料方面需要加強研究，彌補技術短板。3DP 技術目前主要用于砂芯制造，其在鑄造行業具有廣闊的前景，中國的寧夏共享等鑄造企業需要關注國外企業，如惠普、愛普森、沃克斯艾捷特等公司的專利技術動態，了解專利布局情況，借助專利預警和專利導航等手段，防范專利侵權風險。