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從專利角度詳解3D打印技術發展概況

3D打印又稱增材制造、快速成型技術,其特點是采用數字化手段快速制造不同材質具有復雜結構的單件或小批量制品,使制品的生產在人們的生活中即可實現,被譽為引領制造業未來發展的新興力量。據Wohlers協會報告顯示,全球增材制造市場規模從2009年的10.7億美元增長至2016年的60.63億美元,年增長率近30%,顯示了巨大的發展活力。

 此外,我國也明確將增材制造產業作為發展的重點,在國家政策支持與引導之下,眾多科研院所和企業紛紛投身3D打印領域,國內的3D打印產業近年來得到了快速的發展。據中國增材制造產業聯盟對23家規模以上企業的經營數據統計,2016年規模以上增材制造企業總產值20.3億元,比2015年的10.8億元增長87.5%。

隨著世界各國對知識產權的日益重視,專利技術的爭奪逐步成為高科技企業競爭的主要戰場,專利也成為反映技術發展狀況的重要指標,在本文中,筆者將從專利角度對 3D打印技術的發展脈絡進行探析。

國外企業占據優勢

商業3D打印技術最早始于1984年,美國3DSystems公司創始人CharlesW.Hull提交了世界上第一件光固化制造三維立體物體的專利申請,隨后推出了第一臺商業化的3D打印機,正式宣告了3D打印時代的到來。

由于3D打印潛在的巨大商業價值,眾多國外企業紛紛投身到3D打印領域,分層實體制造、熔融沉積成型、激光燒結等新型3D打印技術不斷涌現,同時3D打印技術在航天、醫療、汽車等領域的應用也得到廣泛研究,3D打印領域的專利申請量也隨之快速增長。經過多年的發展,國外企業通過自主研發、企業并購等方式,不斷完善產業鏈布局,逐漸涌現出了一批行業領先企業,產業與技術集中度越來越高,并在世界多個國家和地區進行了大量的專利布局。 以3DSystems公司為例,其專利申請量達358件,從歷年專利申請情況來看,大概每5年會出現一次專利申請高峰。筆者經統計發現,3DSystems公司39%以上的專利申請分布在美國、歐洲、日本、中國等不同的國家和地區。此外,3DSystems公司非常重視對產業鏈的整體布局,通過自身研發、企業并購以及購買專利等方式,擴大了專利技術領域覆蓋面,所提供的產品涉及設備、方法、材料、應用、服務、軟件等各個方面。

 3DSystems公司不同的是,德國EOS公司更重視產業鏈的縱向發展,專注于激光燒結成型技術的研究,尤其在塑料與金屬粉末材料燒結成型技術方面處于世界領先地位。在其已公開的專利申請中,金屬粉末與塑料粉末的占比分別高達52%、22%。EOS公司圍繞該技術的上下游如燒結材料與應用等也進行了產業合作與專利布局。其通過與贏創德固賽、威格斯、豐田、戴姆勒等上下游企業的合作,生產出各種經過改進的原材料,并不斷擴展其應用領域,將原材料的改進方向與終端市場的需求進行了緊密結合。

 國內企業加快追趕

國內從1988年就開始了3D打印技術方面的研究,與國外基本同步,但是發展速度較為緩慢,各創新主體的專利保護意識也稍顯欠缺。自2013年以來,國內3D打印領域的專利申請量呈劇增態勢,但是主要集中在金屬材料及其打印設備上,并且基本上為國內專利申請,近兩年才開始出現國際專利申請。產業化方面,國內3D打印行業也處于跟隨階段,缺乏完整的產業鏈布局,國內企業多而不強,缺少具有國際影響力的龍頭企業。

西安交通大學作為國內較早從事3D打印技術研究的高校,在1998年提交了第一件發明專利申請,隨后幾年該領域的專利申請量維持在個位數,直至2013年之后才出現爆發式增長。尤其是該校盧秉恒與李滌塵的研究團隊在生物相容性材料、金屬、陶瓷及其復合材料的快速成型方面取得較多成果,提交了一系列專利申請。此外,其以陜西恒通智能機器有限公司、西安瑞特快速制造工程研究有限公司以及西安增材制造國家研究院有限公司等公司為載體,進行了技術成果轉化,實現了快速成型設備與模具制造設備的產業化。

從打印原料方面來看,目前國內3D打印技術在金屬材料方面取得較多成果,例如由西北工業大學黃衛東教授創建的西安鉑力特增材技術股份有限公司,提交的126件專利申請基本覆蓋了金屬3D打印技術的重要領域,其自主研發的機型涵蓋激光熔融、激光修復、雙激光頭、四激光頭等多種成形工藝和成形技術,其承擔的“激光立體成形技術及國家C919飛機復合鈦合金構建生產制造”項目獲得國家重大科技成果轉化項目資助。

在打印軟件方面,杭州先臨三維科技股份有限公司作為國內三維數字化的代表,其已提交專利申請200余件,并且其三維數字化與3D打印技術已經進入產業化階段。

在應用方面,湖南華曙高科有限責任公司在打印義齒方面取得了較好的成果,并且通過與中國商飛、巴斯夫等企業的合作在民用飛機、汽車等方面也進行了諸多嘗試。

3D打印作為一種新興的技術,誕生至今不過三十余年,雖然歐美等國家經過一段時期的發展,技術上取得了一些成果,但是由于材料、成本、制品性能等方面的限制,距離大規模的推廣應用還有較長的路要走,而這也恰好為國內相關企業的迎頭趕上提供了機遇。筆者建議,國內企業一方面可以借鑒國外領先公司發展的經驗,聚焦自身核心技術,提前進行專利布局,促進產業化發展;另一方面國內3D打印企業也可結合各自優勢,加強企業間的合作,實現優勢互補、互惠共贏,以期突破國外企業所構建的專利技術壁壘。

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