3DP增材制造专利态势分析

徐 宁

一、序言

3DP 技术是3D 打印技术的一个分支。3DP 技术与3D 打印技术存在深刻的渊源，3D 打印技术来源于20 世纪80 年代由美国麻省理工学院（MIT）的纽曼纽尔.萨尔斯（Emanuel M.Sachs）和保罗.威廉姆斯（Paul Williams）发明的一种先铺设粉末，而后利用打印机选择性打印粘合剂，反复层层操作得到产品的工艺，MIT 的两位发明人将这种类似于传统2D 喷墨打印的立体打印技术称之为三维印刷或3DP技术（3D printing）。

近年来，我国的3DP 技术得到了长足的进步，CCTV 在《大国重器》第二季第七集“智造先锋”详细介绍了我国自主研发的产业化砂芯3DP 打印机，能够制造出更大的、精度更高的铸件，不再需要长周期、高成本的模具，所用砂芯一次打印成型，效率和质量都达到了世界同类机型的最优水平。

目前国内外文献大多对3D 打印进行技术分析或前景研究，而对3DP 技术则关注较少。专利数据是一种集技术信息、经济信息和法律信息于一体的竞争情报源，专利情报分析能够将个别的、看起来互不相关的信息转化成系统的、完整的情报。本文基于专利数据对3DP 技术进行多角度的分析，以期对我国3DP 产业的未来发展提供有用的竞争情报。

二、研究数据

截止2020 年10 月30 日，在中国专利文摘数据库（CNABS）和德温特摘要数据库（DWPI）以IPC分类号和关键词为入口，经过筛选共得到5,269 项专利申请，其中2019 和2020 年的专利申请部分尚未公开。

由于同样的技术方案可以依照巴黎公约和PCT在不同的国家和地区分别进行专利申请，以下统计分析时将不同的国家和地区的基于同一技术方案的专利算作一“项”，而将各个国家和地区的专利称为一“件”。

三、3DP 技术专利申请趋势分析

（一）全球3DP 专利年申请量分析

由图1 可以看出，3DP 技术的全球专利申请趋势可分为三个阶段：

图1 全球3DP专利申请量分析

萌芽阶段（1988-1997 年）：该阶段3DP 技术尚处于探索阶段，虽然MIT 详细介绍了3DP 技术的原理并介绍了应用前景，然而受制于打印原料短缺、配套设备缺乏和开发成本高昂等原因，3DP 技术显得不够完善，因此该阶段专利申请数量较少，年均申请量不足50 件，但是由于这一阶段的专利往往都是首次提出的核心专利方案，专利申请普遍具有较高的技术、市场价值。

稳步发展阶段（1998-2011 年）：随着3DP 技术在砂型铸造和医学领域的价值逐渐得到认可，3DP 进入深入开发阶段，进入该领域的专利申请人开始增多，该阶段专利申请量得到显著提升，这一时期的申请量年均达到50 件以上。2008-2009 年申请量未受到金融危机的影响而下滑，显示出各方对3DP 市场前景的充分信心。

快速发展阶段（2012 年以后）：这一时期3DP 的市场前景得到广泛认可，同时中国在此阶段积极鼓励3D 打印产业的规划和发展，中国3DP 专利量在此阶段得到大幅提升，有力助推全球3DP 专利量上了新台阶。此外，80 年代末的3DP 原始专利此时陆续到期，相关设备、原料的获取门槛降低，具备了充足的开发条件。可以预见，3DP 的市场规模还将增大，专利布局会更加活跃，且相关的侵权冲突也将随之加剧。

（二）进入目标市场国的3DP 专利申请量分析

从图2 可以看出，2015 年之前进入美国的专利申请相对其他国家具有领先优势，2016 年起中国取代美国成为3DP 专利最多的目标市场，2016 年中国的专利数量433 件，反超美国的425 件，这与中国市场容量的逐步扩大和国内创新主体的积极研发密不可分。

图2 目标市场国专利申请趋势分析

现阶段美国虽然屈居第二，但进入美国寻求专利保护的专利申请量在此前长期保持领先，各创新主体进入美国专利布局势头不容忽视。进入德国、日本的专利相对于美国数量较少，相比往年呈小幅度增长趋势。

四、3DP 技术专利地域分析

（一）3DP 技术专利来源国分析

专利的技术来源国体现该国在该领域的创新实力。从图3 可以看出，来源于中国的专利申请最多，占到了总申请量的38%，体现了国内各创新主体对于3DP 技术的创新投入力度。美国和日本排名第二和第三，其专利申请数量分别占总量的25%和19%。可以预期的是，随着国内产业转型升级的不断深入，3DP 技术在我国还会获得进一步的发展。

图3 技术来源国申请量比例

（二）主要技术来源国申请趋势分析

图4 为中国、美国、日本、德国的3DP 专利年申请量趋势图，从图4 中可以看出，来自中国的3DP专利数量在2008 年前较少，进入3DP 领域的时间相对较晚，但是得益于高新技术产业的政策支持和国内巨大的市场潜力，2008 年以后国内3DP 专利申请量大幅增长，目前已成为3DP 领域全球第一大专利拥有国。

图4 主要技术来源国申请量趋势

美国和日本在2015 年以前占据了3DP 专利申请的主导，显示出两国极强的研发能力且拥有高价值的专利。由于布局时间较早，美日两国的3DP 专利多为高价值核心专利。此外，来自美国和日本的3DP领域专利申请也在2012 年左右得到巨大增长，这也表明了美国和日本作为3DP 专利技术领域的传统强国，对于3DP 的创新热情和投入力度长期保持高位，值得关注。

（三）专利布局分布图

图5 示出了3DP 专利技术领域排名前四的国家，即中国、美国、德国、日本的专利技术来源和专利布局目标的分布气泡图。图5 显示，中国作为该领域专利申请第一大国，其主要专利布局目标国是中国，数量达到1,357 件，而在美国、德国、日本均无布局，这说明中国的专利申请人对于海外市场的重要性的认识偏低或者不具备向发达国家辐射影响力的能力。

图5 中美德日四国专利布局分布图（单位：件）

美国、德国、日本三国的专利申请人相对重视对全球其他区域的布局，其中来源于美国、德国和日本的专利申请在中国的专利公开数量分别为133、45和71 件，这进一步说明了中国市场的巨大潜力。

五、3DP 专利权利人分析

（一）全球范围内权利人分析

图6 示出了3DP 领域全球专利申请人排名，其中惠普是该领域专利申请数量最多的公司，达到了154 件，其次为爱普生（Epson），为151 件，这两大公司的申请量遥遥领先其他公司，属于专利输出的第一梯队，并且需要指出的是，这两大巨头均属于传统的打印企业，三维印刷与二维喷墨印刷的密切联系可见一斑。来自中国台湾的研能科技和大陆的宁夏共享位列第三和第四，其申请量分别为90 件和60 件，二者位列第二梯队。前二十名的其他申请人申请量差距较小，传统的美国3D Systems 公司等巨头专利产出被后进入的惠普等巨头赶超，可见3DP 领域竞争的激烈程度。

图6 全球申请人排名（单位：件）

（二）中国权利人排名

图7 可以看出，研能科技和宁夏共享分别以83件和60 件的申请量占据绝对优势。惠普在中国的专利申请量则未能进入前十名，而爱普生则排名第六，这说明惠普对于中国专利布局的重视程度明显低于爱普生。大部分的国外巨头在中国的专利申请量较少，爱普生和德国沃克斯艾捷特（Voxeljet）作为全球三维印刷行业的领军企业之一，专利申请量分别位列第六和第七，体现出对中国市场较高的关注度。

图7 3DP专利中国申请人排名（单位：件）

华中科技大学和西安交大是申请量排名靠前的大学，华中科技大学具有材料成形和模具技术国家重点实验室，西安交通大学具有快速制造国家工程研究中心，专利申请量分别位列第三和第四，体现了上述高校对3DP 技术的投入力度。

六、3DP 专利技术构成分析

（一）全球专利技术构成分析

根据3DP 技术的原理，可以将该技术分解为喷头用的打印材料、铺层用的粉末材料、打印工艺以及后处理四个技术主题。从图8 可以看出，粉末材料是专利申请的重点，占比将近一半，达到了42%，打印工艺部分占32%，打印材料部分占18%，后处理部分占8%。

图8 全球专利申请各技术分支的占比分布

粉末材料可以进一步分为：金属材料，无机非金属材料以及有机材料，其占比分别为：金属材料14%，无机非金属材料15%，涉及有机材料13%。打印工艺中喷墨工艺占比为15%，铺粉工艺为9%，固化工艺为7%。打印材料专利包括8%的粘结型粘结剂和10%的触发粘结型粘结剂。后处理专利申请量较少，主要包括结构增强后处理、粉末清除回收（以下简称“去粉”）以及少量额打磨，抛光等其他后处理方式。

（二）中国专利技术构成分析

如图9 所示，国内3DP 专利申请中涉及打印工艺的占比为57%，其中铺粉技术和喷墨技术的相关占比基本相当，分别为31%和27%。此外，粉末材料是紧随其次的重要技术主题，约占3DP 专利国内总申请量的29%，其中无机非金属是粉末材料这一技术分支中的重点，占据了26%的比例。打印材料和后处理的专利申请量在其专利分布中占比较少，分别为6%和8%，这与全球的热点趋势形成了鲜明对比。

图9 国内专利申请各技术分支的占比分布

七、3DP 专利技术演进分析

（一）打印工艺技术演进

MIT 于1989 年世界首次提出3DP 方案，并提出专利US5340656A。三年后，MIT 针对铺层设备提出专利US5387380A，该专利的说明书中描述称，现如今普遍存在的三种铺层技术，其中a 为刮刀式铺层，其利用刮刀将粉末原料刮平，b 为旋转辊铺层，其利用辊的转动实现粉末原料的压平，c 为筛筒铺层，其利用水平移动的筛筒均匀分布粉末。

1.喷墨工艺

针对常州市农业企业专业技术人才紧缺的现状，市科技局积极与南京农业大学、扬州大学、江南大学、江苏农牧科技职业学院、江苏农林职业技术学院等省内涉农大专院校联系，组织产业专场招聘会，2014—2017年，组织畜牧兽医、茶学、花卉、种植、农业电商5个产业专场招聘会，共计为企业招聘高校毕业生400多人。

MIT 在首件专利的说明书中明确表示3DP 技术可以借助现有的纸张印刷等喷墨印刷技术。Z 公司针对3DP 对于效率和喷印质量的高要求，提出了多喷墨头阵列的方案US6375874A。在该专利中还对打印机内气流压力控制进行改进，相关方案如图10 所示，其中（a）为打印设备，其在工作台形成负压防止粉尘漂浮影响打印和操作者健康，同时引导高压气流进行后续的清扫；（b）和（c）为多喷头打印方式，只需进行一个维度的扫描且防止喷头之间的间隙造成打印空白，提高打印精度和速度。

图10 3DP技术中的打印技术

2.固化工艺

通常，三维印刷所用的粘合剂并不需要固化设备或仅需要紫外灯等进行UV 树脂固化。惠普公司提出了一种新颖的3DP 专利方案WO2015108543A，参见图11，其首先铺设并预热可烧结材料层，而后将结合剂选择性施加于可烧结材料上，进而将可烧结材料和结合剂曝光于红外辐射，结合剂吸收辐射并转化为热能，从而固化与所述结合剂接触的可烧结材料并形成三维物体的第一层。惠普的这一方案运用了3DP中的选择性喷墨技术，并运用了粉末烧结技术，产品强度极大提高。

图11 WO2017200534A1装置示意图

为了提高发热效率，惠普的WO2017200534A1提出了控制固化光源的波长，使得波长与结合剂的结合性能相匹配，从而最大效率的将光能转化为热能。

（二）打印材料技术演进

1.粘结材料

MIT 在原始的专利中表示打印的材料只要具有粘合性能即可，没有作过多的描述。EX ONE 是知名的3D 打印设备和原料供应商，其为了将三维印刷技术推广应用于金属模具，而开发了耐高温的粘合剂CN1382540A，这种耐高温粘合剂确保了所制造的模具的结构强度，在高温粘合剂中含有6-900 个碳原子的碳水化合物。

虽然MIT 在原始专利中表示打印设备可以借鉴二维的喷墨打印设备，但是3DP 的打印材料往往是粘度很高的粘合剂，而二维喷墨的墨水是粘度很小的水溶液，这就使得传统的二维喷墨技术并不能适用于3DP。除了改进设备之外，各创新主体还努力在打印的材料方面进行改进，如Z 公司在US5902441A 中提出了喷印可以激发颗粒的粘合剂的流体，也就是预先将粘合剂整合在颗粒中，打印可以激发该粘合剂的流体，从而实现选择性的三维印刷，该流体仅需为水溶剂或非水溶剂即可。

（三）铺层材料技术演进

1.金属材料

MIT 在原始材料中表示各种颗粒材料均可以使用，在此基础上各个创新主体深入开发了各种材质的铺层粉末，以期得到所需性能的产品。其中金属由于具有较高的产业应用价值，得到很大的关注，惠普在US7220380B2 中描述了一种金属铺层材料，其铺层的材料为一种颗粒混合物，其包括金属或金属合金颗粒和过氧化物，粘合剂为水溶性的单官能团丙烯酸单体和氨和水，这样不仅粘合剂的粘度低、可打印性能好，重要的是粘合剂打印后能够发生聚合反应，确保产品的强度。

2.无机非金属

由于3DP 工艺在砂型产品中广泛应用，相关的无机粉末受到广泛的关注。Z 公司首次提出石膏作为粉末原料的方案US2002026982A1，其颗粒中含有石膏，打印材料为水溶液，由于水能够与石膏形成水化石膏从而得到产品。

3.有机聚合物

3DP 技术一个前沿应用是药物的成型制造，3DP产品孔隙率相对较高的特点对于药品而言是巨大的优势。CN106511285A 利用三维成型产品孔隙率相对较高的特点而制造口崩片，其将API 作为颗粒层，利用粘合剂进行三维印刷，制得的口崩片可以无需喝水快速崩解或溶解，借吞咽动作入胃起效。

另一个重要的药物应用是缓释药物，US2004005360A1借助3DP 工艺制造具有核壳结构的药丸，其中壳能够控制API 的释放，成形时使用两种聚合物作为粉末，其中一种能够阻隔，另一种能够水解，打印含有API 的液体实现药物成形。

（四）后处理技术演进

1.结构增强

MIT 在开发3DP 时主要用于原型的快速制造，原型赋予研发人员感受舒适度或外形，原型的外形和结构跟成品相似，但是物理力学性能较差。为了提高3DP 产品的强度，创新主体积极开发增强技术从而提高产品的应用领域。浸入工艺是其中一个比较广泛的技术，德国的VOXLJET 公司在US2010244301A 中提出将产品浸入35℃以上的低粘度树脂中，而后固化树脂，从而使得多孔的产品内浸渍有树脂，提高了产品的强度。

2.去粉

3DP 打印后，产品存在于成形腔室中，产品的四周包围有未粘结的粉末颗粒，需要将产品从粉末堆中取出来并清扫周围粘附的粉末。研能科技的专利CN102380264A 是典型的去粉方案，如图12 所示其将 产品放入专门的粉末回收装置中，利用高压气枪进行吹扫，落下的粉末收集再利用，操作仓内还有加热源促进产品的固化。

图12 CN102380264A装置示意图

八、结论与建议

进入中美日欧等主要国家寻求专利保护的3DP专利逐年增多，3DP 技术全球市场前景持续看好。美日德是重要的3DP 专利技术来源国且均持续加大投入，目前已经逐步在中国开始3DP 专利布局，我国需要关注借鉴其3DP 专利技术。

早期的3DP 专利来自MIT、Z 公司等，目前惠普和爱普森是全球最大的3DP 专利权利人，宁夏共享和台湾研能科技是中国最大的3DP 专利权利人，传统喷墨印刷与3DP 存在密切联系，可以相互借鉴和转化。全球范围内的3DP 专利主要集中于粉末材料，中国则相对集中于打印工艺，对于原料的专利产出较少，还需要瞄准方向加大投入。

中国的3DP 企业在打印原料和粉末原料方面需要加强研究，弥补技术短板。3DP 技术目前主要用于砂芯制造，其在铸造行业具有广阔的前景，中国的宁夏共享等铸造企业需要关注国外企业，如惠普、爱普森、沃克斯艾捷特等公司的专利技术动态，了解专利布局情况，借助专利预警和专利导航等手段，防范专利侵权风险。