全球与中国3D打印的专利发展态势对比分析

刘少芳

【摘 要】本文基于Innography分析平台，对全球及中国3D打印技术的专利发展态势进行了对比研究，通过对总体发展态势、专利区域部署、技术构成、研究热点和专利权人竞争力分析，揭示了中国在该领域的发展现状和存在问题，并相应地提出相关发展建议。

【关键词】3D打印；科学计量；专利分析；研究态势

中图分类号： TP391.73；G306 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）12-0011-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.004

A Comparative Technological Development Situation Study on 3D Printing of Global and China

LIU Shao-fang

（The Science and Technology Library of Guangdong；Guangdong Institute of Scientific & Technical Information and Developmental Strategy， Guangzhou 510070， China）

【Abstract】The global and Chinese technological development situations of 3D printing are compared by using the Innography system. Patent application tendency， patent regional distribution， technical composition， research hotspots and patentees competitiveness in this field are analysed. At last， developing situations， existing problems and some proposals are presented based on the patent analysis of China.

【Key words】3D printing； Scientometrics； Patent analysis； Research situation

0 引言

3D打印又称增材制造、积层制造，是快速成型领域的一项革命性制造技术。该技术近年来取得快速发展，受到广泛关注，世界各国都不断加大研发力度，力争占领产业制高点。美国为振兴制造业，在奥巴马政府的主导下制定了《先进制造国家战略计划》，并于2012年由联邦政府、高校和企业共同出资建立了国家3D打印创新研究所（NAMII），推动了美国3D打印技术产学研链条的有效链接[1]。德国于2010年发布《高技术战略2020》，提出“工业4.0”战略，3D打印作为工业4.0实现“智能生产”和“智能工厂”的重要途径，德国政府每年对其科研定向投入超过2000万欧元，以强化高校和科研机构在该领域的研发作用[2]。2013年日本经济产业省为促进3D打印机研发增加45亿日元财政预算，并召开创造发明研究会议，探讨如何将3D打印应用于相关产业等课题[3]。我国于2015年出台了《中国制造2025》，将3D打印产业作为发展重点，后续又相继制定了《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》[4]和《增材制造产业发展行动计划（2017-2020年）》，可见，我国高度重视3D打印技术的发展。因此，本文从专利的角度对3D打印的发展态势和技术现状进行分析，以期为我国相关研究机构提供参考。

1 3D打印技术领域的专利态势分析

1.1 研究方法

采用CPA Global公司的qu专利信息检索和分析平台，通过制定关键词检索式在分析平台锁定3D打印相关专利，检索式具体见附录，检索式除3D打印及其同义词外，还包括其常用工艺名称，以尽量查全。由于专利的保护期限一般为10～20年之间，因此选取1999～2018年间的专利作为研究对象。检索获得89255件专利，经同族专利去重处理后，共获得专利61078件。然后根据不同分析目的，运用科学计量法并结合分析平台的专利强度分析功能对3D打印专利发展态势进行对比研究，进而分析出我國目前在该领域的发展现状及存在问题。

1.2 总体发展态势分析

分析全球及不同国家的3D打印技术的专利申请量，如图1所示。1999-2012年间，全球申请量保持平稳发展，其中2006年出现了一个小高峰，这主要是由于日本的专利申请量出现大幅增长引起的，而从2013年开始全球申请量急剧增长，全球对该领域的研究热度持续上涨，而2017-2018年的数据，由于专利从申请到公开有18个月的滞后期，因此数据量仅做参考。从专利的申请国别来看，3D打印专利申请国以中国、美国、日本和韩国为主，其中中美两国的专利申请发展趋势与全球基本一致，但美国的申请量峰值出现在2015年，2016年的申请量小幅下滑。而日本和韩国在1999-2018年间的专利申请量基本保持持平状态，无明显增长趋势，但两国在1999-2002年期间就比较注重该领域的研发，两国每年的合计专利申请量均占全球申请总量的58.5%以上。

1.3 专利技术区域部署分析

从专利申请的国别来看，具体情况见图2。中国是3D打印专利的申请大国，共申请相关专利21686件，占申请总量的35.5%，其次分别为日本（16293件）、美国（8837件）、韩国（8828件）和德国（4823件），分别占整体的26.7%、14.5%、14.5%及7.9%。从图2还发现3D打印技术的PCT国际专利申请（WIPO）共4815件，EPO申请3631件，占比分别为7.9%和5.9%。其他主要申请国还包括英国、法国、西班牙、意大利、瑞典等。

1.4 专利技术构成分析

通过Innography分析平台对国际IPC分类进行统计分析，可以得出该领域涉及的关键技术，具体情况见表1。分析发现在3D打印的全球专利中，与塑料成型或连接相关的成型技术（B29C 67/00）所占数量最多，达7197件。其次是由金属粉末制造工件或制品（B22F 3/00），共2036件。排名前5的还有燃烧发动机的电气控制（F02D 41/00和F02D 45/00），申请量共1950件，以及靠传动装置的控制变速或换向功能而传送的旋转运动（F16H 61/00），854件。此外，3D打印专利申请量排名靠前的还有生物医疗领域的假体、支架（A61F 2/00），制造或处理半导体或固体器件的方法或设备（H01L 21/00），车辆子系统的联合控制（B60W 10/00）以及由黏土或陶瓷等材料生产成型制品（B28B 1/00）等。

表1 全球和中国的3D打印专利技术领域分布

对比中国在该领域的专利IPC分类情况发现，中国专利的技术构成主要包括与塑料成型或连接相关的成型技术，金属粉末的制造（B22F 9/00）及其制造工件或制品，生物医疗领域的假体、支架和假体材料（A61L 27/00）、高分子组合物以及陶瓷成型制品（C04B 35/00）。可见，中国对该领域的研究主要集中在成型技术、原材料制造、金属及陶瓷制品以及生物医疗应用领域，与全球的技术构成相比，设备机械控制方面的研发能力较弱。

1.5 专利研究热点分析

为分析核心专利的研究热点，本文利用Innography分析平台自身的本文聚类功能进行聚类分析，具体情况见图3。全球专利方面，选取专利强度[5]在8-10之间的专利作为分析对象，而中国专利方面，由于强度为8-10的专利只有71件，数量较少，因此选择强度在6-10之间的专利作为研究对象。分析发现，3D打印的全球核心专利主要集中在快速成型（Rapid Prototyping）、旋转速度（Rotational Speed）、发动机转速（Engine RPM）、三维目标物（Three Dimensional Object）和3D打印/增材制造的研究，具体涉及打印头、3D打印机、工艺、模型、部件、粉末材料、支撑结构和转速等方面。而中国核心专利主要集中在打印头（Printing Head）、原材料（Raw Material）、打印技术（Print Technology）、3D打印机和DEG、搅拌等步骤的研究，中国比较注重打印头方面的研究，涉及喷头、Z轴和打印平台等方面。

1.6 专利权人竞争力分析

注：气泡分析图中的气泡大小代表专利多少；横坐标（技术实力）与专利比重、专利分类、引用情况相关，横坐标越大说明其专利技术性越强；纵坐标（经济实力）与专利权人的收入高低、专利国家分布、专利涉案情况有关，纵坐标越大说明专利权人实力越强。

专利权人的竞争力分析可利用Innography分析平台，从技术实力和经济实力两个维度进行比较。为对比全球研发能力较强的专利权人的竞争力，本文选取专利强度在3-10之间的高强度专利作为研究对象，所得气泡分析图如图4所示。分析发现，全球在3D打印领域竞争力较强的专利权人主要集中在德国、美国和日本。技术实力方面，竞争力较强的专利权人有博世公司、Stratasys公司、3D Systems公司、美国联合技术公司、通用电气和西门子，其中，Stratasys公司和3D Systems公司技术实力排名靠前，但经济实力较弱，说明这两家公司的研发创新能力较强。经济实力方面，排名靠前的專利权人包括丰田汽车、三星电子、通用电气、通用汽车、博世公司和本田汽车，其中，丰田汽车的经济实力远超其他竞争对手，而三星电子虽然经济实力较强，但专利申请量较少，技术方面的竞争力较弱。

图5分析了中国主要专利权人的竞争力。中国在该领域竞争力较强的专利权人以高校为主，技术实力较强的专利权人有华南理工大学、中国科学院、天威控股有限公司（Print-Rite）、西安交通大学和浙江大学，经济实力较强的专利权人为中国石油化工公司、通用电气和现代汽车，其中，中国石油化工集团在经济实力方面远超其他专利权人，但技术竞争力较弱。此外，我国的研发实力主要集中在高校，综合实力排名前20名单内，只有中国石油化工集团和天威控股有限公司、宁夏共享集团股份有限公司（Ningxia Kocel）、西安中科麦特电子技术设备有限公司、成都jincai技术有限公司、安徽省春谷3D打印智能装备产业技术研究院有限公司及成都I-Make科技有限公司6家中小型企业。全球综合竞争力排名前20的专利权人只有中国科学院是中国机构，没中国企业出现，说明中国在该领域的产业竞争力整体不强。而在中国区域综合竞争力排名前100的专利权人中，国外企业有通用电气、现代汽车、惠普、西门子、Stratasys公司、美国联合技术公司、LG电子、丰田汽车、3D Systems公司和陶氏杜邦公司，说明国外企业比较注重3D打印技术在中国市场的战略布局。

2 结论及建议

本文基于Innography分析平台对近20年全球和中国3D打印领域的专利进行计量分析，得出主要结论如下：（1）全球专利申请量自2013年开始快速增长，中国的申请量最多，其次分别为日本、美国、韩国和德国，说明中国对3D打印技术的研究热度非常高。虽然中国是申请大国，但专利强度在8以上的核心专利占比仅为0.3%，专利质量亟待提升。（2）从研究热点和技术构成来看，全球核心专利的研究主要集中在快速成型、旋转速度、发动机转速和三维目标物方面，而中国的主要研究方向为打印头、原材料、打印技术和3D打印机，其中对打印头和原材料方向的研究比较集中，其次在金属及陶瓷制品和生物医疗应用方面的研究也有一定优势。但与其他技术强国相比，中国在设备机械控制方面的研发竞争力还亟待增强。（3）专利权人综合竞争力方面，全球竞争力较强的专利权人主要集中在德国、美国和日本，而中国竞争力较强的专利权人以高校和科研机构为主，竞争力排名靠前的企业基本都是中小型企业，全球竞争力排名前20的名单内没中国企业出现，中国在该领域的产业竞争力亟待提高。同时，目前已有部分国外企业在中国市场实施专利战略布局，对中国本土企业发展造成一定威胁。

结合上述结论，本文就我国3D打印技术的后续发展提出以下两点建议：（1）紧抓政策利好机遇，加强关键核心技术攻关，占领行业制高点。目前我国对该领域的研发热情高涨，我国应针对自身研发优势的若干核心技术，组织研发能力较强的研究团队进行技术攻关，以获取该领域的国际领先地位。（2）加强产学研合作，促进科技成果转化。鉴于目前我国对该领域的研究主要还停留在高校和科研机构的实验室阶段，研究方向容易与市场需求脱节，加之企业规模普遍较小，创新能力薄弱，产业化程度不高。可见加强产学研合作，促进科技成果转化显得尤为重要。一方面，积极制定促进产学研结合的有关政策措施，鼓励高校、科研院所与企业的合作和联盟，使科研机构的研发优势切合市场需求，同时增强企业研发实力。另一方面，健全科技成果转化的相关政策法规及管理体制，推动地方出台有利于成果拥有者、成果转化承担者的激励机制，鼓励科研工作者进行技术成果转化。

【参考文献】

[1]刘鑫，余翔，张奔.中美3D打印技术专利比较与产业发展对策研究[J].情报杂志， 2015，34（5）：41-46.

[2]李陶.工业4.0背景下德国应对3D打印技术的法政策学分析——兼论我国对3D打印技术的法政策路径选择[J]. 科技与法律，2015，（2）：322-338.

[3]李壮，闫亚飞，陈小莉，刘雅静.3D打印技术专利发展态势分析[J]. 科学观察， 2016，11（3）：44-54.

[4]李方正.中国增材制造产业发展及应用情况综述[J].工业技术创新，2017，4（4）：1-5.

[5]专利强度（Patent Strength）是专利价值判断的综合指标，其高低可综合反映出该专利的文献价值大小，受权利要求数量、引用与被引用次数、是否涉案、专利时间跨度、同族专利数量等因素影响.

附录

Innography检索式：

@（abstract，title）（"three dimension* print*" OR "3 dimension* print*" OR "3D print*" OR "rapid prototyp*" OR "RPM" OR "additive manufact*" OR "digital manufact*" OR "intelligent manufact*" OR "additive fabrica*" OR "additive layer manufact*" OR "freeform fabricat*" OR "Stereo Lithography Apparatu*" OR "Laminat* Object Manufact*" OR "Select* Laser Sinter*" OR "Fused Deposition Model*" OR "Laser Engineer* Net Shap*" OR "Patternless Cast* Manufact*"）

檢索日期2018年4月12日