建筑领域中3D打印技术的专利现状分析

吴 落

广州三环专利商标代理有限公司

1 引言

3D打印技术学名为增材制造技术，是一种直接根据图形数据，通过叠加材料的方法生成立体空间物体的技术[1]。随着数字化技术的不断发展以及打印材料、工艺和设备的不断成熟，3D打印技术的应用领域不断扩大，有医疗器械与用品、汽车零部件、军用装备等高端制造领域，也有日常生活用品，如造型奇特的摆件、精美的电子产品外壳，可见该技术正在改变人们的生活方式和生产模式。

2016年我国住房和城乡建设部在颁发的《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》中提到“积极开展建筑业3D打印设备及材料的研究”。3D打印技术作为一项新兴技术，其在建筑领域的运用，不仅可缩短工期、提高效率[2]，还可充分利用建筑垃圾减少环境污染并兼顾艺术性，不难预见其对建筑行业发展的影响是不可估量的。国内外学者和相关行业，对3D打印技术在建筑领域运用做了大量的研究和实践，如表1所示，在该领域的研究主要集中在打印材料和打印设备两个方面，国外研究人员更加注重在材料方面的研究，国内主要集中在打印设备的研究[3]。如周奇才等人采用有限元分析论证了龙门式机架的可行性并阐述了打印机控制系统的控制思路和打印流程[4]。高鹏举[5]提出应从设计创新、结构力学的构造和新材料三个方面来解决如何利用3D打印技术打印高层建筑的问题。韩立芳等人[6]就混凝土建筑3D打印中线宽控制问题，展开了详细的因素分析，并针对出现的问题结合试验测试，对线宽控制方法进行了改进，获得了较为理想的打印效果。齐甦等人[7]从材料的可建造性、层间黏结强度、干燥收缩率、临界失效时间等方面对3D打印建筑用混凝土材料的研究做了归纳总结，并指出混凝土材料是3D打印建筑施工中发展的基础也是制约技术发展的瓶颈。中国混凝土与水泥制品协会3D打印分会发布了2019年度建筑3D打印行业技术与应用发展报告，报告中指出建筑3D打印软件、设备、打印材料、建筑结构体系和技术标准规范均是目前建筑3D打印技术发展中亟待解决的问题[8]。在实践方面，我国的3D打印技术起步较晚，但发展迅速，于2014年在上海青浦园区利用建筑垃圾中提取制造出来的建筑原料仅用了24小时打印了10幢建筑物。首个原位3D打印技术试验田在我国广东河源开始动工;首例原位3D打印双层建筑在我国诞生。可见，自3D打印技术在建筑领域的初探以来，诸多研发团体对其进行了大量研究并付诸实践，在打印材料与设备方面的创新成果突出。

表1 建筑领域中3D打印技术创新分布

本文以专利数据为基础对建筑领域中3D打印的相关技术创新进行了统计分析，并着重分析了国内在设备方面的专利情况，以期通过对相关专利信息的梳理为建筑领域中3D打印设备的创新研究提供参考。

具体以商业数据库HIMMPAT和INCOAPT为检索数据来源，采用分类号与关键词的方式进行专利检索，经过去噪和申请号合并后，截至2021年1月共获得由691件专利申请文件组成的数据样本；并对这些专利技术进行初步分析，以期获得建筑领域中3D打印技术中设备分支技术的发展现状，并对该技术的未来发展进行展望。

2 专利分析

本节从我国专利技术发展趋势、技术生命周期、国内创新主体类型、专利当前法律状态、专利技术及其应用等维度对建筑领域中3D打印技术进行分析。

2.1 技术发展趋势分析

通过专利申请和公开趋势可以从宏观层面把握我国建筑领域中3D打印技术在不同年份的专利申请的变化，其中统计的数据均为目前已公开的专利申请。图1展示的是专利申请量的发展趋势。由于专利申请从提交申请到公开需要一定时间，通过图中的每年申请专利数量与公开专利数量的折线图的对比，不难发现专利公开具有一定的滞后，同时也反映了我国专利公开速度正在加快。从该图中可以发现，我国首次出现在建筑领域中3D打印技术中设备分支技术的专利申请是在2013年，具体为利用3D技术来修复历史建筑砖雕、3D打印喷嘴、工程结构的3D打印等。同年，荷兰建筑师与意大利发明家共同完成了两层现代建筑的打印[1]。事实上，早年就出现了利用陶瓷粉末、塑料等材料进行3D建筑模型的制作，而此次完成的3D建筑打印尚为首次。在此之后，在短短两年内我国专利申请量达到123件，并且至今一直保持着较高的专利申请，反映出我国在该技术上一直处于较高水平的研发状态，但由于该技术的应用尚处于初级阶段，还有诸多关键未突破，从专利申请量来看，尚未出现喷发式增长。

图1 专利申请与公开量的发展趋势

2.2 创新主体类型分析

专利申请人作为技术创新主体的权利拥有者，其类型反映了技术研发的主要来源。截至目前，我国建筑领域中3D打印技术的主要研发为企业、大专院校和个人。其中企业的占比最高，达到70%，大专院校次之为17%，个人为13%。而企业作为技术的主要实施者，在该技术发展初期就成为该技术的主要研发者，反映了我国在该技术上的研发主要是偏应用性，对于该技术的基础性研究偏少，从大专院校的占比较少和无科研机构的参与也进一步说明了该现象。

2.3 专利当前法律状态分析

专利法律状态具体分为专利权审中、有效、失效三种状态。经过分析不难发现，我国建筑领域中3D打印技术中有57%的专利处于有效状态，专利处于实质审查的占比为26%，失效专利的占比为17%，其中有9%的专利因驳回而失效，这一定程度上反映了该领域专利的技术创新较低，亟待需要具有高价值的专利技术出现。

2.4 专利技术及其应用占比分析

对我国建筑领域中3D打印技术设备及其应用的专利技术作了分解，具体如图2所示，从专利技术的角度来看，3D打印技术设备整体结构的改进占比最高为52.27%，其次，对打印喷头以及材料供应系统方面的改进，对控制装置的改进最少，而机器人的引入多是提高打印过程对整体打印过程的把控和节约人工对打印过程的干预。从专利技术应用的角度来看，对墙体、构件等建筑装配部件的研发较多，多以利用3D打印来获得建筑模块化技术的应用。可见，3D打印建筑技术主要是在装配式建筑中的应用。

图2 专利技术及其应用分布图

3 结束语

经过分析不难发现，我国建筑领域中3D打印技术仍处于技术发展的初级阶段，仍有大量关键技术尚未突破，且企业则是该技术领域中主要的创新主体，说明我国在该技术领域的研究偏应用型；同时该技术领域的专利有效率偏低，缺乏高价值专利技术。基于上述缘由，现提出以下建议。

（1）继续发挥3D打印技术应用于建筑部品、构件的生产，利用3D打印机技术可以轻松制作各类形状奇特的构件，特别是与BIIM技术的融合，可为装配式建筑提供可行性技术。

（2）将3D打印技术与传统建筑技术相结合，体现了新基建思想，打破了建筑行业的传统发展模式，促使其向高新技术领域拓展，推动建筑企业不断升级发展。

（3）原位3D打印建筑技术是技术创新重要部分，特别是原位3D打印对高层建筑的施工和大规模化的建筑工程还有待于研发。