3D打印产业技术的演变与预测研究——基于专利主路径分析

许冠南，谢梦娇，潘美娟，周源

(1.北京邮电大学 经济管理学院，北京　100876；2.清华大学 公共管理学院，北京　100084)



·经济与哲学·

3D打印产业技术的演变与预测研究

——基于专利主路径分析

许冠南1，谢梦娇1，潘美娟2，周源2

(1.北京邮电大学 经济管理学院，北京100876；2.清华大学 公共管理学院，北京100084)

作为新兴产业，3D打印产业在近年来受到了广泛关注，并在诸多技术方向上齐头并进，其当前研究重点及其技术未来应用方向值得进行深入的科学分析与探讨。该研究基于专利主路径分析对3D打印产业技术进行演变和预测分析，以德温特世界专利索引数据库为数据源检索3D打印相关技术专利，结合技术生命周期分析，将3D打印技术划分为三个发展阶段，借助Ucinet软件和Pajek软件分析不同阶段的技术发展主路径。结果表明，3D打印技术在设计与生物组织工程等方面的应用将是未来技术发展与市场应用的重要方向。

技术演变；技术预测；3D打印技术；专利引文；主路径分析

一、引　言

3D打印产业是近年来兴起的极具代表性及发展潜力的新兴产业。3D打印技术(即增材制造技术)是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法[1]，具有制作精度高、制作周期短、可以实现个性化制作、制作成本相对低等优点，很可能带来制造技术的范式转变。尤其是21世纪以后，3D打印技术发展瞬息万变，新兴技术不断涌现，技术发展分支众多，可面向金属、树脂、尼龙、生物组织等不同材料，其应用领域极其广泛。关于3D打印的技术预测受到学术界与产业界的普遍重视。科学分析3D打印技术的发展和应用趋势，能够为科研机构及企业单位制定技术战略、确立重点研发方向提供依据。

当前，技术预测已被大规模应用于对未来科技发展的研究，并发展出多种技术预测的方法[2]。然而，现有大部分技术预测都是偏重于专家德尔菲法等定性的预测，缺乏定量的数据分析，技术预测的客观性和有效性不足。因此，拟结合专利数据定量分析的方法来进行技术预测，以减少传统技术预测主观偏误性较高的问题。由于新兴产业技术创新高度活跃，多条技术轨迹并行发展，主导技术路线尚不明朗，由此可通过专利主路径分析法来对新兴产业技术及其应用进行有效地分析和预测。

应用基于专利引文网络的主路径分析方法对3D打印产业技术演化进行分析，通过梳理3D打印技术领域专利发展历程，探索产业专利技术发展的主路径，从而对新兴产业发展的重点技术方向进行分析和预测，从而增强技术预测的客观性、全面性和有效性，为把握重点技术演进过程和预测未来技术走向提供依据，同时对企业和组织制定相应的技术开发策略起到指示作用。

二、文献综述

1.3D打印产业技术情报分析

3D打印技术的快速发展以及其对制造范式的巨大影响引起了各界人士的广泛关注。3D打印可以面向金属、树脂、尼龙、生物组织等不同材料，亦可应用于工业生产、航空航天、生物医疗、建筑、创意设计等诸多领域。由于3D打印产业技术分支较多，其主导范式和方向尚不明朗。关于3D打印产业技术发展的预测研究大多是基于领域专家的主观判断，往往会产生主观偏误性，并且难以达成共识。

近年来，学者们开始尝试从文献和专利角度对3D打印技术进行分析研究。刘红光等[3]从专利情报分析的角度，对3D打印技术的申请量趋势、国家分布及主要专利权人等进行分析，研究该领域的整体发展态势和重要专利权人，识别该领域的核心技术以及存在的空白点。闫佳丽[4]以Pajek为工具，从专利权人的角度对3D打印技术的专利文献进行分析，从而揭示了该领域的合作概况。吴菲菲等[5]从作者合著关系的角度，对3D打印相关文献进行分析，识别3D打印技术研究团队，从而发现具有跨学科研究特征的桥梁型团队，分析团队中的关键成员、团队研究方向和研究领域，判断出3D打印技术的应用前景。当时，尽管关于3D打印技术方面的研究文献较多，但对其发展过程中技术演进的研究较少。

鉴于技术发展通常基于以前的重要技术，因此利用专利引文主路径分析可以定量描绘3D打印相关领域的关键技术及发展趋势，从而为分析技术的演化过程及趋势，为技术预测提供科学、客观的依据。

2. 技术预测与主路径分析

(1)技术预测

技术预测是对技术发展进行不间断的检测，初步找出技术或产品的潜在发展领域，并评价其在该领域内的发展潜能[6]，它是对技术变化(特别是发明、创新和采用)的效应、特性、潜在方向和变化速度等方面做出系统性、目标性的阐释和展望[7]，旨在提升技术竞争力。后来，Martin[8]进一步提出技术预见是对未来较长时期内的科学、技术、经济和社会发展进行系统研究，其目标就是要确定具有战略性的研究领域，以及选择那些可能产生最大经济与社会效益的通用新技术。

技术预测首先要识别技术发展阶段，对技术、贸易、商业等文献资料进行收集[9]。如果存在缺乏史料、外部因素(决策者、竞争者、公众观点)影响大于技术本身、道德主导技术发展等情况，则主要依赖专家观点[10]。此外，可以对新进入者、公开文献等数量变化进行分析识别技术发展阶段。在掌握了技术发展阶段后，仍无法预言未来重大的发展方向，还需要对该阶段的研究前沿、热点、空白点等方面做进一步分析。

传统的技术预测通常较多依赖专家的主观判断，并且强调技术对经济和社会单方面的作用，来识别未来的技术发展动向；而今技术预测发展的两个趋势是：一方面，借助数据资源进行定量分析，以克服单纯定性分析和主观判断所可能导致的有偏性；另一方面，综合分析科学、经济、环境、社会等因素，不只是考虑科学技术“推动”，还考虑未来经济和社会需要“拉动”，识别未来可能的发展趋势并作出选择。

(2)主路径分析

Hummon和Doreian最早提出了引文网络主路径的概念，其在搜索算法的基础上开发了主路径生成方法来描述DNA理论的发展[11]。随后，主路径分析被应用于社交网络分析中，通过分析《社会网络》期刊的文章、作者，构建引文网络，并对其结构进行分析[12]。主路径分析(Main Path Analysis, MPA)主要是通过识别出引文网络中具有最大连接度的系列文献来概述研究领域的发展态势。

近年来，许多学者在文献引文数据或专利引文数据的基础上使用主路径分析探讨技术发展的轨迹。Verspagen[13]使用专利引用数据识别了燃料电池技术的发展轨迹。Lucio-Arias[14]以炭纳米管与富勒烯为对象，利用HistCite软件生成引文网络，结合路径依赖转移分析和主路径分析方法得到相应的发展轨道。Liu et al[15]运用主路径分析方法识别了数据包络分析文献的发展轨迹。韩毅等[16]从科学史的研究需求和科学研究的揭示需求入手全面剖析了引文网络主路径分析的产生背景，讨论了主路径分析的算法实现，从实践应用和与其他方法的整合两方面探讨主路径分析法的研究现状，并总结引文网络主路径分析存在的主要问题。董克等以1998年以来所有引用《Informetric Analyses on the World Wide Web：Methodological Approaches to Webometrics》的文献为研究对象，绘制出网络计量学发展的引文编年图，并运用主路径分析法识别出主干文献节点，指出结合使用引文编年图和主路径分析法才能更好地分析科学发展的主要过程[17]。杨中楷等[18]阐述了技术轨道(即本文的主路径)识别的原理和基本算法，结合太阳能光伏电池板的专利数据，识别并绘制出该产业发展的主路径，并对主要节点进行分析，揭示和预测了该领域技术发展脉络与趋势。

专利记载了发明创造和技术创新成果，包含了技术发展及实际应用的相关数据，是从科学技术到产业化应用的重要桥梁，因此可作为衡量技术方向和创新点的工具[19]。由于对专利的内容、数量等进行分析可以准确、全面地了解技术现状和发展历程，而且可以对技术产业化应用方向做出趋势判断，因此成为了技术预测的一种重要方法。专利之间存在引用和被引用关系，这种关系表示专利之间的知识扩散[14]，其反映了技术的转移和发展过程。由于新专利不断出现，专利之间的引用关系越来越复杂，从而形成一个不断变化的错综复杂的专利引文网络。而正是由于专利引文网络的存在，技术不断积累和转移，新技术得以产生。分析专利之间的引用关系可以更好地理解特定技术领域的发展历程和趋势。主路径分析是一种从专利引文网络中提取技术发展路径的方法，其通过计算一个专利与其他专利连接时的需要程度，生成一条专利发展轨迹，借此揭示技术改进方向和预测技术发展趋势。

可见，主路径分析已成为了技术情报及预测分析领域中一种新兴的重要方法。而其中，专利主路径分析对于技术在产业化发展方向方面的预测具有优势。尤其对于新兴产业而言，技术发展动态性高，主导趋势尚不明晰，基于专利引文网络的主路径分析可以弥补传统的专家主观预测在客观性、全面性和有效性等方面的不足。

三、数据获取与研究方法

1.数据获取

本研究中的3D打印技术专利数据来自Thomson Innovation(TI)全球专利信息检索平台中的德温特世界专利索引数据库(DWPI)。DWPI数据库收录了来自全球40多个专利授权机构的专利数据，收录了全球49家专利机构的数据，包含超过2 300万条基本发明专利(专利同族)、超过5 000万条专利记录，覆盖全球96%的专利。与其他数据库相比，其在字段设置、标引质量、专利收录完整性、检索便利性等方面都具有优势，以DWPI数据库为检索数据源比单独检索某一个数据库更能全面地反映技术在全世界的发展情况。同时，DWPI数据库按照专利族记录专利信息，从而避免检索中出现大量重复的专利记录。

本研究参考《产业专利分析报告——增材制造》中3D打印技术的检索关键词，并结合专家访谈的意见，将专利检索式确定为“TI=(3*D printing) OR (three-dimensional printing) OR (3-dimensional printing) OR (material increase manufact*) OR (additive* manufact*) OR (rapid* prototyp*) OR (rapid manufact*) OR (rapid* prototyp* manufact*) OR (Layered Manufact* Technology) OR (Solid free-form Fabrication) OR (Stereo Lithography Apparatus) OR (Laminated Object Manufact*) OR (Selective Laser Sinter*) OR (Fused Deposition Model*) OR (Laser Engineered Net Shap*) OR (Patternless Casting Manufact*) OR (Direct Metal Laser-Sinter*) OR (Direct Laser Fabrication) OR (direct metal deposition) OR (Laser clad* forming technology) OR (Electron Beam Selective Melt*) OR (Digital bricklay*) OR (3D mosaic) OR (ballistic particle manufact*)”[20]。

由于专利申请至专利公开之间有18个月的滞后期，因此为了获得更完整的年度专利数据，将专利优先权年设置为1960年至2013年。最终检索结果为4282项专利。

2.研究方法与工具

(1)研究方法

本研究所采用的研究方法及步骤如下：

①划分技术发展阶段

基于产业相关专利数据，进行技术生命周期分析，通过历年专利数量趋势及专利申请人数量趋势，把产业技术发展划分为不同阶段。

②建立专利引文网络

通过提取所有专利数据之间的引用关系，得到不同时间阶段的交叉引用矩阵，构建专利引文网络。在专利引文网络中，专利被看作节点，专利之间的引用和被引用关系表示知识的扩散。节点一般包括源点、汇点、中介点和孤立点。没有先前的专利技术，但被其他专利引用的节点称为源点；汇点是只引用先前的专利，但未被专利引用的节点；中介点表示既引用了先前的专利技术又被其后面的专利引用的节点；孤立点则不存在引用和被引用关系[20]。

③提取并分析各阶段主路径

分别提取各技术发展阶段的专利主路径，并以此来分析产业主导技术的动态演化进程。计算源点到汇点每条边的遍历权重是主路径分析中的重要一步。生成主路径的方法有搜索路径连接数(Search Path Link Code，SPLC)、搜索路径节点对数(Search Path Node Pair，SPNP)和搜索路径数(Search Path Count，SPC)。由于SPC方法在分析大型和复杂的网络关系中的广泛应用，本文采用SPC方法来计算每条边的遍历权重，进而从引文网络中提取出所需的主路径。

(2)研究工具

本研究基于已有专利数据的主路径分析流程及所使用的工具如图1所示。所应用的主要研究工具包括：

① TDA软件

Thomson Data Analyzer软件(简称TDA软件)是由美国Thomson公司开发的专利分析工具，用于对Thomson Innovation数据库或其他数据库中的专利数据进行深度挖掘和可视化分析。本文主要使用TDA软件来分析历年专利数量的变化趋势和技术生命周期，从而划分3D打印技术的发展阶段。

② Java程序和Ucinet软件

使用Java程序提取3D打印技术不同发展阶段的专利数据中的引用关系对，并建立相应的引用矩阵，得到各阶段的专利交叉引用矩阵。利用Ucinet软件实现专利交叉引用矩阵的可视化，得到专利引文网络。

③ Pajek软件

Pajek软件是大型复杂网络分析和可视化工具，可用于拥有高达百万个结点的大型网络的分析和可视化操作。本研究利用Pajek软件中生成主路径的算法来提取3D打印技术专利引文网路中的主路径。基于专利之间的引用关系，Pajek软件会识别出源点和汇点之间的所有路径，通过计算每条路径上每条边的遍历权重，获得每条路径的总遍历权重，选取遍历权重值最高的路径为专利引文网络的主路径。

四、3D打印技术发展生命周期分析

3D打印技术领域的专利数量和专利申请人的增长情况可以用来表征技术发展阶段。因此可以通过绘制出每年专利数量和专利申请人数之间的关系，获得3D打印技术的生命周期，如图2所示。可以看出，3D打印相关技术发展正处于成长期，专利申请主体和专利数量都处于较快的增长时期。越来越多的人和机构开始重视3D打印技术的研究，研究主体的活跃度增加，这是因为3D打印产业作为新兴产业，目前处在技术的高速成长阶段，吸引了众多企业、研究机构和人员进入。

通过分析3D打印技术领域历年的专利数量(按最早优先权年)的变化趋势，可以判断该技术发展的总体趋势。从图2可以看出，从20世纪60年代始出现了3D打印相关专利技术，90年代起专利数量增长速度开始加快，在1999年时专利数量首次突破百件。随后专利数量波动增加，在2006年后，专利数量持续快速增长。

通过对专利文献增长趋势及技术生命周期的分析，可将技术发展划分为三个阶段：第一阶段为1960—1999年，这一阶段属于3D打印技术发展的萌芽期，专利数量增长较慢，且专利数均在百件以下；第二阶段是2000—2006年，这一时期的专利数量增长速度加快。1999年以后专利数量一直波动增加，在2006年达到局部最小值点，此后专利数量一直快速增长；第三阶段为2006至今，技术进入成长期，这一时期的专利量增速较前一时期加快，专利数量出现了井喷式的增长，3D打印技术发展显示出快速增长态势。

五、3D打印技术演化与预测分析

基于3D打印产业的世界专利数据，本研究利用Java程序编程和Ucinet软件构建了3D打印专利引文网络，并运用Pajek中的SPC算法提取3D打印技术的主路径，结合时间序列，将各主路径按时间重新梳理，可以得到3D打印产业技术三个发展阶段的主路径。

1. 第一阶段(—1999年)

如图3所示，1960—1999年间3D打印技术专利申请数量较少，主路径构成较为简单。专利WO1990003893A1是主路径的起点，是一种3D打印的改进装置和方法，主要利用激光束来产生薄片材料，从而制造出一个完整的物体。专利EP431924A2是主要介绍了3D打印的原理，即通过选择性地向平台上堆放的粉末喷洒黏结剂来制造模型和原型。专利US5943235A介绍了在热光固化系统中数据处理和控制方法的应用。专利US6136252A提出了使用热退火方式的电化学沉积方法，该发明提高物体的产生速度和降低设置和文件准备的次数，保持或降低设备成本。在专利US6136252A之后，主路径形成了四条分支。处于分支上的专利US20020011693A1介绍了快速成型装置，包括：分发器，可控地分配可流动材料，该材料在被分配后固化；平台，用来支撑三维物体的截面；控制器，使材料按所选样式分发在工作台。专利US20020079601A1介绍了一个包括多个喷头的三维打印机设备，这些喷头主要是将黏合剂或着色剂喷射到生成材料中。专利US20040075196A1和US20020008335A1描述了快速原型和制造系统中使用的各种支持结构和构建样式，尤其是热光固化系统、熔融沉积成型系统、选择性沉积模型系统，并提出了一个3D建模系统。

经主路径分析可以看出，此阶段技术发展的重点在于3D打印技术的基础性原理、技术和设备方面的研究。

2. 第二阶段(—2006年)

如图4所示，1960—2006年的主路径图是在第一阶段的基础上沿着US6136252A、US20020011693A1这两个节点发展出了两条分支。

(1)分支一包括专利US20030151167A1、US20030043360A1、US20060197235A1和EP1769902A2。

该分支上的专利重点在于提高3D打印技术的精度和质量方面的研究。US20030151167A1是Objet Geometries公司于2003年公开的一项关于精确打印三维物体的设备、系统和方法的专利，其通过设置调整参数来修改物体数据，从而实现了3D打印的高精度和高质量。US20030043360A1是美光科技公司于2003年公开的一项用于促进多个电子元件组装的设备的专利，该设备为采用光固化成型技术制造和集成电子元件和零件提供了定位、定向、操作和保护的方法。专利US20060197235A1介绍了使用光固化立体成型技术在半导体基质(半导体模具或晶片，或合成的其他结构)上快速形成精确的由固化聚合物、热塑性材料和黏合剂组成的防护层的电子元器件。EP1769902A2是由3D Systems公司于2007年公开一项利用光固化成型技术打印三维物体的装置的专利，该装置在叶片间隙传感部分添加用来检测底座到液体树脂表面距离的传感器，从而改善原有激光系统，可以更有效地利用激光获得更精确的成像，提高快速成型和制造系统的生产能力和效率。

(2)分支二包括专利US20030107158A1、US20040187714A1、US20050104241A1、US20060206227A1、US20070032563A1、US20070173967A1和US20080121130A1。

US20030107158A1和US20070032563A1是Objet Geometries公司公开的两个具有反向热凝胶性质的合成材料的专利。US20030107158A1公开介绍的新型支撑材料是由温敏性聚合物和表面活性剂合成的。US20070032563A1公开的合成材料是由温敏性聚合物、降低表面张力的添加剂、光固化活性成分、光敏引发剂和稳定剂组成。这两个合成材料均具有反向热凝胶性质，当温度高于凝胶温度(Tgel)时，该材料会凝固，因而有足够的韧性和空间稳定性来支撑模型层。当降低温度后，其会形成低黏度液体，易于清理。US20040187714A1介绍了三维实体(如酒杯)的打印方法，以及两部分材料的存储。US20050104241A1是Objet Geometries公司于2005年公开的关于3D打印设备的专利，该项发明增加了滚轴装置，从而可以按照预设值来改变打印材料的厚度。US20060206227A1和US20070173967A1和分支一的专利US20030151167A1一样，均是介绍通过设置调整参数来修改物体数据，从而实现了3D打印的高精度和高质量的系统和方法。

经主路径分析可以看出，此阶段技术发展的重点在于3D打印技术在支撑和实体材料以及精度和质量上的改进。

3. 第三阶段(—2013年)

如图5所示，本阶段在第二阶段的专利US20040187714A1基础上形成了四条主路径分支，包括专利WO2009013751A2、US20130124151A1、WO2014174090A2和US20140025190A1。WO2009013751A2为固体成型技术系统在设计相关领域的应用。US20130124151A1提出了提高3D模型适应性的计算机实施方法。WO2014174090A2提出了一个混合支持系统，该方法是用来固化使用3D打印技术打印的物体。US20140025190A1提出了打印病人解剖模型的方法，如根据核磁共振数据集打印骨头。在此阶段，技术发展的重点除了工艺和流程方面的持续改进，已开始与3D打印的具体应用领域融合发展。

4. 综合分析与预测

根据主路径演化分析的结果可知，在第一阶段，3D打印技术积累了基础性原理、技术和设备方面的研究基础；在第二阶段，3D打印在支撑和实体材料以及精度和质量上均有明显改进，其基本方法、设备和工艺、流程相关技术已趋于成熟；在第三阶段中，3D打印的技术发展侧重于结合具体应用领域的纵深发展，且在其诸多应用与技术分支中，设计领域以及生物组织工程方面的应用成为了新的技术重点。如何把3D打印技术与生物技术、设计技术等相结合，将成为3D打印产业下一步发展的技术重点。同时，本研究由3D打印领域专家对三个发展阶段的分析结果进行验证判断，专家表示认可，认为专利主路径分析的结论对于3D打印产业技术发展有较好的分析及预测作用。

综上，通过上述专利主路径分析可以看出，总体来说，当前3D打印技术多集中于方法、装置和技术，其相关应用的专利并不是很多，尚未呈现出完整稳定的技术应用路径，但3D打印技术发展已经逐渐从技术原理进入实际应用阶段。近年来3D打印技术已经在艺术设计、航空航天、地理信息、军工、医疗和消费电子产品等诸多领域实现了应用。其中，两大技术应用趋势值得重点关注。一方面，3D打印技术在设计方面的应用能推动产品设计模式发生变革，拓展设计人员的想象空间，节省产品设计研发成本，缩短产品设计到成型的周期，具有良好发展前景，其固体成型技术和电脑设计方法将进一步拓展发展。另一方面，3D打印在生物组织工程方面的应用，比如根据核磁共振数据集打印骨头，将会给生物医学领域带来巨大影响。传统制造技术无法满足生物组织的精细复杂的要求，而3D打印技术在这方面的应用将会克服传统技术的缺点，相关技术的研究将会对传统生物医学产生重大影响，这也是3D打印产业最具前景的技术发展方向之一。

六、研究结论

采用基于专利引文网络的主路径分析方法，对3D打印产业进行分析，研究了不同阶段其产业技术的发展轨迹和演化趋势，预测3D打印在设计以及生物组织工程方面的应用将成为未来产业发展的重点方向。通过专利主路径分析，可以增强技术预测的客观性、全面性和有效性，能够为把握3D打印重点技术演进过程，为预测未来技术及其应用方向提供依据，同时对企业和科研机构制定相应的技术开发及市场拓展战略起到指导作用。

基于专利主路径分析进行3D打印产业技术演变和预测研究的局限在于，由于专利公开的滞后性(通常是18个月)，因此无法通过专利数据库获取最近的全部专利数据，尚不能完全反映3D打印产业当前专利技术的最新进展。另外，在“科学-技术-应用-市场”的产业生命周期中，文献产出通常是先导于专利产出的一个指标，故文献分析可作为基础性技术发展的一项前瞻性预测的补充。因此，在今后的研究中，可以把3D打印产业的文献主路径分析与专利主路径分析相结合来做进一步探索，以期能获得更全面、深入的分析结果。

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Technology Forecasting of 3D Printing Industry——Based on Main Path Analysis of Patent

XU Guan-nan1，XIE Meng-jiao1，PAN Mei-juan2，ZHOU Yuan2

(1. School of Economics and Management, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China;2. School of Public Policy and Management, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

As an emerging industry, 3D printing industry has gained much attention in recent years. 3D printing technology has been developing fast via different paths in various fields, so its technological focus and trends deserve in-depth exploration. Therefore, the 3D printing technology evolution and forecasting analysis is conducted via main path analysis of patent. Based on patent documents of 3D printing technology whose priority year is from 1960 to 2013, this paper divides 3D printing technology into three development phases by combining technology life cycle analysis. Through using Ucinet and Pajek, the main paths of 3D printing technology in different stages are analyzed. The results reveal that patents of 3D printing technology at present are mainly concentrated in the 3D printing methods, equipment and related technology, but have begun to study the application of this technique in biological tissue engineering, etc．

technology evolution; technology forecasting; 3D printing technology; patent citation; main path analysis

2016- 03 - 29

国家自然科学基金项目(71303130, 71203117, L1524015, 71233005)；清华大学绿色经济与可持续发展研究中心研究子项目(20153000181)

许冠南(1980—)，女，浙江宁波人，博士，北京邮电大学经济管理学院讲师，研究方向为技术创新与战略管理。

G306, G252

A

1008-7729(2016)04- 0077- 09