基于专利数据的3D打印技术及其专利布局分析

袁梦上海市知识产权服务中心 （上海　200041）

综述

基于专利数据的3D打印技术及其专利布局分析

袁梦
上海市知识产权服务中心 （上海200041）

3D打印技术是目前国际上比较热门的新兴产业。基于3D打印技术的专利文献数据，从3D打印技术的分布、发展趋势、专利权人、技术功效、同族专利等方面对3D打印技术及其专利布局、市场状况进行了分析，从专利的角度为我国3D打印技术的研发与专利布局提供支撑服务。

3D打印制造专利分析专利布局

0　引言

随着科技的进步，3D打印技术已经开始融入人们的生活，例如现在很多地方出现了3D打印照相馆，医学上已经开始利用3D打印技术生产人体器官，还有一些制造业也开始尝试用3D打印技术生产产品，该技术将极大地影响生产制造业的发展［1-2］。目前我国制造业正处于转型升级的阶段，3D打印技术对于我国制造业的发展具有重要意义。

本文以专利文献为基础，介绍和分析了3D打印技术的发展现状，以期为我国3D打印产业未来的发展提供有用的竞争情报。

1　3D打印技术概述

3D打印技术又称为增材制造，源自100多年前美国研究的照相雕塑和地貌成形技术，该技术是一种以数字模型文件为基础，采用离散材料逐层累加原理来生成三维实体的技术。相对于传统的材料去除技术，3D打印技术是一种自下而上的材料累加制造工艺，所以也被称为材料累加制造、分层制造、实体自由制造等，不同的命名分别从不同侧面反映了该制造工艺的技术特点。这种技术的特点在于其几乎可以打印出任何形状的物品。3D打印技术可应用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工、汽车、航空航天、医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域［3-4］。

由于3D打印的核心技术主要由美国的公司掌握，因此，本文主要以在中国和美国公开的3D打印技术相关的专利文献为基础，采用由技术关键词及其扩展用语构成的检索式、申请人关键词与分类号（国际专利分类号、美国专利分类号）组成的检索式，在中美专利数据库（数据统计截至2015年12月22日）中进行检索、人工筛选后，共得到3D打印技术相关的专利/专利申请4983件，其中，美国专利/专利申请有1288件，中国专利/专利申请有3 695件。由于专利申请具有延迟公开性，故在本文的统计样本中，并未完全包括2015年12月22日之前递交的专利申请数据，特别是2014年、2015年的专利数据仅供参考。

2　3D打印技术专利布局

2.1从3D打印技术分类分布看相关专利布局

（1）3D打印技术总体分布

3D打印技术主要包括打印设备、打印工艺、打印材料和打印软件模块。其中，打印工艺方面的专利数量最多，为992件，占总量的55%；其次是打印设备，为486件，占总量的27%；打印材料方面的专利申请量位居第三，为245件，占总量的14%；软件模块类最少，为73件，占总量的4%。由此可以看出，有一半以上的专利是与打印工艺相关的，这一方面体现出各个企业和研究机构对打印工艺的重视程度和研发力度，另一方面也表明了目前打印工艺领域的竞争态势相对激烈。而打印材料和软件模块方面的专利申请量相对较少，尤其是软件模块方面。对于3D打印设备，无论是图像成像系统还是数据分析系统，都离不开软件模块的支持。然而，目前应用于3D打印设备的软件模块相关的专利数量相对较少，这使打印物品的种类和数量受到了一定的限制。限制一方面来自于软件开发，另一方面则来自于材料的制约。

（2）中美3D打印分支技术发展趋势分析

图1和图2分别为美国和中国的3D打印分支技术的发展趋势。从图中可以看出，中美打印工艺的发展均要早于其他技术分支，美国的打印工艺及打印设备的发展目前处于成熟期，专利申请量增长缓慢；与美国不同，中国目前的打印工艺及打印设备的发展正处于快速增长期，特别是打印设备，其增长速度远超美国。在打印材料和软件模块方面，中美的专利申请量均较少。从整体趋势来看，打印工艺和打印设备方面的专利申请量均呈逐年增长的趋势，尤其是打印设备，近几年增长迅速，其中中国专利占据了绝大部分。由此可以看出，在目前的3D打印技术领域，中国的打印设备方面的专利数量上升趋势比较显著。这一方面与世界龙头公司开发中国市场有关，另一方面，3D打印这个新兴领域引起了国内很多研究机构和企业的关注，并纷纷投入该领域，从而导致了3D打印配套设备的研究和产出。另外，打印材料和软件模块方面的专利数量近几年呈现出下降趋势，尤其是打印材料的缓慢发展已经放慢了整个行业的脚步。

图1　美国3D打印分支技术的发展趋势

（3）分支技术专利权人分布

对专利数据样本进行统计后发现，打印设备类专利数量排名前4位的专利权人均为外国公司，排名第5位和第7位的专利权人为中国的大学，排名第8位的Objet为以色列公司，目前已与Stratasys公司合并；其中通用电气公司为美国公司，磐纹科技（上海）有限公司为一家提供3D打印设备的国内企业。打印工艺类专利数量排名前3位的专利权人均为外国公司，分别为美国的3D Systems公司、Stratasys公司及德国的EOS公司，排名第4位、第8位及第10位的专利权人为中国的大学，其他专利权人均为国外跨国公司。统计数据显示，3DSystems公司、Stratasys公司和EOS公司拥有的打印工艺类专利的数量，占排名前10位的专利权人拥有的专利总量的71%，而中国大学及科研院所所占的比例为18%。打印材料类专利数量排名第8位的专利权人——湖南华曙高科技有限责任公司为中国企业，其余专利权人均为外国公司；在排名前11位的专利权人中，中国境内企业拥有的专利件数只占专利总量的4%。

由以上分析可以看出，3D Systems和Stratasys两家公司占据了打印设备、打印工艺、打印材料和软件模块领域的前两位，EOS公司在打印工艺方面排名第二。我国的华中科技大学在打印工艺方面排名第四，这是目前我国境内（不含港澳台地区）在所有分支技术领域排名最靠前的专利权人，该大学是国内3D打印技术领域的引领者。

图2　中国3D打印分支技术的发展趋势

2.2从技术功效看相关专利布局

3D打印技术的功效主要包括提高效率、提高可靠性、降低成本、用途、外观美化等五大类。对专利数据样本进行统计后发现，提高可靠性方面的专利有1741件，所占比例为52%；降低成本类（818件）和提高效率类专利（418件）所占比例分别为24%和12%；用途类专利（248件）所占比例为7%，涉及3D打印技术的具体应用；外观美化属于附属功效，该类专利有123件，所占比例为4%。因此，3D打印技术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打印技术功效区域分布

图3为中国和美国的3D打印技术专利功效区域分布情况。其中，气泡的大小表示每种功效所对应的专利件数的多少。由图3可知，在美国专利中，提高可靠性方面的专利数量最多；在中国专利中，提高可靠性、提高效率、降低成本和外观美化方面的专利数量比美国多。对于每个区域的功效分布，提高可靠性方面的专利都是最多的，用途和外观美化方面的专利数量相差不多。可以看出，各个地区的技术功效重点都在提高可靠性上，其次是降低成本。

图3　中国和美国的3D打印技术专利功效区域分布

（2）3D打印技术总体技术功效矩阵

图4为3D打印技术总体技术的功效矩阵。其中，每一行代表一项技术分支可以实现的功效，而每一列代表为实现这一功效所使用的技术手段；气泡的大小表示用一类技术来实现一种功效的专利数的多少。

图4　3D打印技术总体技术功效矩阵

由图4可知，从功效的角度来看，由于外观美化为附属功效，其对应的气泡大多缺失或很小，因而实现这个功效的专利很少。提高可靠性这一列有一个最大的气泡，表明有较多的专利利用打印工艺来提高3D打印技术的可靠性。这一方面说明提高可靠性是3D打印技术最重要的目的，也说明打印工艺是提高可靠性的主要手段，而打印设备和打印材料相关的技术在提高可靠性方面的作用较小。降低成本这一功效主要是通过改进打印材料和打印设备实现的，打印工艺对降低成本的贡献较小。实际上，打印材料也与成本有很大关系，但其对应的专利件数只有100余件，说明从打印材料的角度来降低成本还有较大的技术改进和专利布局空间。对于提高效率，从打印设备方面来实现这一功效的专利最多，打印工艺方面也有较多专利，可见提高效率的手段是多样化的。

由软件程序这一行可以发现，软件程序对应的用途功效的专利最多，其他方面的专利很少或没有。这是因为软件程序方面的技术优势，主要在于扩展3D打印技术的用途。

2.3从主要专利权人看相关专利布局

（1）主要专利权人构成分析

从专利权人的角度进行分析，可以得知研发活跃、技术水平领先的专利权人有哪些。表1列出了中国和美国地区在3D打印技术方面的专利申请量居于前10位的专利权人。由该表可以看出，目前在中国和美国地区，大部分专利的拥有者为3D Systems公司、Stratasys公司和EOS公司，而Z Corporation和Objet公司已分别被 3D Systems公司收购和被Stratasys公司合并。因此，3D Systems公司和Stratasys公司在专利申请数量和综合实力方面处于领先地位，EOS公司则紧随其后。在排名前10位的专利权人中，大陆境内实力较强的中国科学院化学研究所（珠海天威飞马打印耗材有限公司为港商独资企业）的专利申请量排名第5位，但与排名前3位的企业还有很大差距。并且，中国科学院化学研究所的专利申请大部分集中在中国地区。目前，3D打印领域的核心技术和专利主要由3D Systems，Stratasys和EOS这三家公司掌握。

（2）主要专利权人技术布局分析

主要专利权人是指在3D打印技术方面的专利申请数量较多的专利权人。在3D打印技术领域，申请专利较多的公司有3D Systems公司、Stratasys公司和EOS公司，这三家公司在中国均有自己的专利布局。

表1　3D打印技术总体专利权人专利申请数量排名

3D Systems公司。由于率先发明了立体平版印刷（SLA）技术及其快速建模系统，3D Systems公司目前已发展成为一家提供高级固体成像解决方案的跨国企业。该公司于1988年首次向美国提出了相关技术的专利申请。在1994～2005年间，3DSystems公司的专利申请量出现跳跃式增长，该公司在其主流技术方面的发展已经到了比较成熟的阶段。3DSystems公司的专利主要分布在打印工艺领域，该领域的专利数量占据了该公司专利申请总数的3/4（打印工艺类专利所占比例为74%，打印设备为13%，打印材料为10%，软件模块为3%）。对检索到的相关专利数据进行统计后发现，该公司在SLA技术方面的专利申请量占据绝大多数，达到了183件，而该技术正是公司的创始人率先开发出来的。3D Systems公司的SLA技术已经发展到了非常成熟的阶段，该公司也是3D打印技术的引领者。此外，该公司在SLS（选择性激光烧结）以及EBFF（电子束熔丝沉积）技术方面也有较多的专利申请。由此可以看出，该公司在3D打印技术方面的发展具有多元化特征。

Stratasys公司。目前，Stratasys公司是FDM（熔融沉积成型）办公室直接数字制造系统与工程材料快速原型系统，以及桌上型ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）立体打印系统的最大生产商。该公司以塑料成型技术见长。由专利统计数据可以看出，该公司的专利主要分布在打印工艺和打印设备领域（打印工艺类专利所占比例为43%，打印设备为41%，打印材料为11%，软件模块为5%），这两个方面的专利数量占专利总数的80%以上。该公司打印工艺方面的专利主要集中在FDM技术（81件）领域，而该技术正是公司创始人CRUMPScott率先开发出来的。在国家专利布局方面，Stratasys公司不仅非常重视美国市场，对中国市场也非常重视，近几年在中国也陆续申请了40余项3D打印方面的专利。

EOS公司。EOS公司创立于1989年，主要从事3D打印机、打印材料及打印解决方案的开发，是SLS技术的全球引领者。EOS公司的主要业务集中在航空航天、医疗和汽车行业高端精密零部件的制造。医疗产品集中在人造骨骼、细胞清洗系统等尖端应用领域。该公司在创始之初以SLS作为其主流技术，在此基础上开发出了一系列打印设备以及适用于该设备和方法的材料。EOS公司的绝大多数专利也分布在打印工艺领域（打印工艺类专利所占比例为82%，打印设备为12%，打印材料为6%，软件模块为0），该公司在打印工艺方面的专利主要集中在SLS技术（88件）领域。结合该公司的产品可以看出，该公司目前生产的3D打印机全部是基于SLS技术的打印设备，而且产品型号种类较多。因此，在EOS公司不断的改进和创新下，SLS技术已经达到了较为完善的水平。EOS公司从2005年开始连续大规模地提出中国专利申请。从专利申请的类型可以发现，在EOS公司的中国专利申请中，PCT（专利合作条约）申请有35件，占其中国专利申请总量的75%，而剩余的25%也都享有国外申请的优先权。可见，EOS公司的中国专利申请均为多边申请，其并没有针对中国市场单独申请专利。上述情况表明，EOS公司在中国的专利布局，是在关注中国3D打印市场动态的基础上进行的。

上述三家公司目前占据着全球3D打印技术领域的大部分市场。从其专利申请趋势和布局可以看出，这三家公司分别拥有自己最核心和最擅长的打印工艺。3DSystems公司掌握了SLA技术和一小部分SLS技术；Stratasys公司掌握了FDM的核心专利和技术；EOS公司则掌握了SLS的核心专利和重点技术。另外，上述三家公司的专利布局均主要分布在打印工艺领域。对于3D打印技术，材料的选择尤为苛刻，但是作为实力最强的三家龙头企业，其在打印材料方面的专利申请量却都很少。打印材料品种的局限性，导致很多物品还无法实现3D打印制造。

综上所述，三家企业的研究重点为3D打印技术的打印工艺、打印设备和打印材料，打印工艺方面的技术已经发展得比较成熟，打印材料的局限性限制了3D打印技术的应用范围。

2.4从同族专利数看相关专利布局

（1）重要同族专利分析

一件专利的同族数反映了申请人对该专利的重视程度，对于了解其重要性有很大的参考价值。表2列出了3D打印领域排名前10位的同族专利。排在第一位的专利US4999143的同族数高达166件，排在第二位的专利US5490962的同族数为148件，其余专利的同族数则较少。同族数在6以上的专利可以认为是重要专利。由该表还可以看出，同族数多的专利的申请日期均在1988年以后，说明在20世纪90年代，3D打印技术已开始广泛地在国际间流动。此外，这些专利的技术分类都集中在打印工艺、打印设备和软件程序方面，没有针对打印材料的专利。

表2　3D打印技术专利同族数排名

（2）排名前5位的专利同族数区域分布

图5为同族数排名前5位的专利在几个主要区域内的同族数分布。由图5可以看出，美国的同族专利在各个区域内都占了很大比例，其次是日本专利，这表明了3D打印专利申请人对美国和日本专利申请的重视程度。中国的同族专利数则较少。虽然中国专利的总数较多，但属于国外专利的同族专利的并不多，大多数还是来自于国内高校的贡献。

3　结语

（1）技术研发重点

受关注最多的3D打印技术分支是打印工艺，相关的专利申请量占3D打印领域专利申请总量的55%。在打印工艺下面的技术分支中，SLS，FDM和SLA技术是研究的重点。SLS和FDM技术相关的专利申请量目前仍在迅速增长；SLA技术已经发展得相对成熟，专利申请趋势趋于平缓。

在3D打印技术功效方面，提高可靠性、降低成本和提高效率是研究机构关注的热点。3D打印技术在工艺的可靠性方面仍存在很大的提升空间，比如在打印头的精准度控制、提高控温效果、提高成形模型的机械性能、减少环境污染等方面仍需要不断改进。目前3D打印设备、打印材料价格普遍偏高，中小企业难以承受高昂的使用和维护成本，而对于个别价格低廉的3D打印机，其性能又会大打折扣，不适合工业化用途，因此开发性能稳定、价格低廉的3D打印设备也是目前的研究热点。提高3D打印设备的工作效率，缩短快速成型的时间，可以使3D打印技术相对于传统的制造技术具有更大的优势。

（2）潜在的技术发展点

在3D打印技术领域，寻找新的打印材料、开发新的成型工艺、三维模型制作、降低3D打印设备成本等方面是值得关注的技术发展点，这些技术之间的关系密切，是实现3D打印不可或缺的组成部分。其中，影响3D打印技术发展的重要因素是打印材料，只有进行更多的新材料开发，才能不断地拓展3D打印技术的应用领域。

（3）主要专利权人

在3D打印技术领域，国外值得关注的主要专利权人有美国的3D Systems公司、Stratasys公司和DTM Corporation，德国的EOS公司和赢创德固赛公司，瑞典的ArcamAB公司，日本的Teijin Seiki公司；国内值得关注的主要专利权人有珠海天威飞马打印耗材有限公司、中国科学院化学研究所、西安中科麦特电子技术设备有限公司、浙江大学、华中科技大学、西安交通大学、清华大学等在3D打印技术研发领域比较活跃的专利权人。

［1］郭令春.聚焦“3D打印+”:科技赢未来［J］.资源再生，2015（5）:34-36.

［2］辛建军.3D打印真相［J］.商业价值，2012（12）:42-47.

［3］李小丽，马剑雄，李萍，等.3D打印技术及应用趋势［J］.自动化仪表，2014，35（1）:1-5.

［4］陈立，陈胜迁.3D打印——未来制造业的新模式 ［J］.轻工科技，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

袁梦女1977年生硕士工程师目前从事专利信息利用及情报分析工作