全球與中國3D打印的專利發展態勢對比分析

劉少芳

【摘 要】本文基于Innography分析平臺，對全球及中國3D打印技術的專利發展態勢進行了對比研究，通過對總體發展態勢、專利區域部署、技術構成、研究熱點和專利權人競爭力分析，揭示了中國在該領域的發展現狀和存在問題，并相應地提出相關發展建議。

【關鍵詞】3D打印；科學計量；專利分析；研究態勢

中圖分類號： TP391.73；G306 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0011-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.004

A Comparative Technological Development Situation Study on 3D Printing of Global and China

LIU Shao-fang

（The Science and Technology Library of Guangdong；Guangdong Institute of Scientific & Technical Information and Developmental Strategy， Guangzhou 510070， China）

【Abstract】The global and Chinese technological development situations of 3D printing are compared by using the Innography system. Patent application tendency， patent regional distribution， technical composition， research hotspots and patentees competitiveness in this field are analysed. At last， developing situations， existing problems and some proposals are presented based on the patent analysis of China.

【Key words】3D printing； Scientometrics； Patent analysis； Research situation

0 引言

3D打印又稱增材制造、積層制造，是快速成型領域的一項革命性制造技術。該技術近年來取得快速發展，受到廣泛關注，世界各國都不斷加大研發力度，力爭占領產業制高點。美國為振興制造業，在奧巴馬政府的主導下制定了《先進制造國家戰略計劃》，并于2012年由聯邦政府、高校和企業共同出資建立了國家3D打印創新研究所（NAMII），推動了美國3D打印技術產學研鏈條的有效鏈接[1]。德國于2010年發布《高技術戰略2020》，提出“工業4.0”戰略，3D打印作為工業4.0實現“智能生產”和“智能工廠”的重要途徑，德國政府每年對其科研定向投入超過2000萬歐元，以強化高校和科研機構在該領域的研發作用[2]。2013年日本經濟產業省為促進3D打印機研發增加45億日元財政預算，并召開創造發明研究會議，探討如何將3D打印應用于相關產業等課題[3]。我國于2015年出臺了《中國制造2025》，將3D打印產業作為發展重點，后續又相繼制定了《國家增材制造產業發展推進計劃（2015-2016年）》[4]和《增材制造產業發展行動計劃（2017-2020年）》，可見，我國高度重視3D打印技術的發展。因此，本文從專利的角度對3D打印的發展態勢和技術現狀進行分析，以期為我國相關研究機構提供參考。

1 3D打印技術領域的專利態勢分析

1.1 研究方法

采用CPA Global公司的qu專利信息檢索和分析平臺，通過制定關鍵詞檢索式在分析平臺鎖定3D打印相關專利，檢索式具體見附錄，檢索式除3D打印及其同義詞外，還包括其常用工藝名稱，以盡量查全。由于專利的保護期限一般為10～20年之間，因此選取1999～2018年間的專利作為研究對象。檢索獲得89255件專利，經同族專利去重處理后，共獲得專利61078件。然后根據不同分析目的，運用科學計量法并結合分析平臺的專利強度分析功能對3D打印專利發展態勢進行對比研究，進而分析出我國目前在該領域的發展現狀及存在問題。

1.2 總體發展態勢分析

分析全球及不同國家的3D打印技術的專利申請量，如圖1所示。1999-2012年間，全球申請量保持平穩發展，其中2006年出現了一個小高峰，這主要是由于日本的專利申請量出現大幅增長引起的，而從2013年開始全球申請量急劇增長，全球對該領域的研究熱度持續上漲，而2017-2018年的數據，由于專利從申請到公開有18個月的滯后期，因此數據量僅做參考。從專利的申請國別來看，3D打印專利申請國以中國、美國、日本和韓國為主，其中中美兩國的專利申請發展趨勢與全球基本一致，但美國的申請量峰值出現在2015年，2016年的申請量小幅下滑。而日本和韓國在1999-2018年間的專利申請量基本保持持平狀態，無明顯增長趨勢，但兩國在1999-2002年期間就比較注重該領域的研發，兩國每年的合計專利申請量均占全球申請總量的58.5%以上。

1.3 專利技術區域部署分析

從專利申請的國別來看，具體情況見圖2。中國是3D打印專利的申請大國，共申請相關專利21686件，占申請總量的35.5%，其次分別為日本（16293件）、美國（8837件）、韓國（8828件）和德國（4823件），分別占整體的26.7%、14.5%、14.5%及7.9%。從圖2還發現3D打印技術的PCT國際專利申請（WIPO）共4815件，EPO申請3631件，占比分別為7.9%和5.9%。其他主要申請國還包括英國、法國、西班牙、意大利、瑞典等。

1.4 專利技術構成分析

通過Innography分析平臺對國際IPC分類進行統計分析，可以得出該領域涉及的關鍵技術，具體情況見表1。分析發現在3D打印的全球專利中，與塑料成型或連接相關的成型技術（B29C 67/00）所占數量最多，達7197件。其次是由金屬粉末制造工件或制品（B22F 3/00），共2036件。排名前5的還有燃燒發動機的電氣控制（F02D 41/00和F02D 45/00），申請量共1950件，以及靠傳動裝置的控制變速或換向功能而傳送的旋轉運動（F16H 61/00），854件。此外，3D打印專利申請量排名靠前的還有生物醫療領域的假體、支架（A61F 2/00），制造或處理半導體或固體器件的方法或設備（H01L 21/00），車輛子系統的聯合控制（B60W 10/00）以及由黏土或陶瓷等材料生產成型制品（B28B 1/00）等。

表1 全球和中國的3D打印專利技術領域分布

對比中國在該領域的專利IPC分類情況發現，中國專利的技術構成主要包括與塑料成型或連接相關的成型技術，金屬粉末的制造（B22F 9/00）及其制造工件或制品，生物醫療領域的假體、支架和假體材料（A61L 27/00）、高分子組合物以及陶瓷成型制品（C04B 35/00）。可見，中國對該領域的研究主要集中在成型技術、原材料制造、金屬及陶瓷制品以及生物醫療應用領域，與全球的技術構成相比，設備機械控制方面的研發能力較弱。

1.5 專利研究熱點分析

為分析核心專利的研究熱點，本文利用Innography分析平臺自身的本文聚類功能進行聚類分析，具體情況見圖3。全球專利方面，選取專利強度[5]在8-10之間的專利作為分析對象，而中國專利方面，由于強度為8-10的專利只有71件，數量較少，因此選擇強度在6-10之間的專利作為研究對象。分析發現，3D打印的全球核心專利主要集中在快速成型（Rapid Prototyping）、旋轉速度（Rotational Speed）、發動機轉速（Engine RPM）、三維目標物（Three Dimensional Object）和3D打印/增材制造的研究，具體涉及打印頭、3D打印機、工藝、模型、部件、粉末材料、支撐結構和轉速等方面。而中國核心專利主要集中在打印頭（Printing Head）、原材料（Raw Material）、打印技術（Print Technology）、3D打印機和DEG、攪拌等步驟的研究，中國比較注重打印頭方面的研究，涉及噴頭、Z軸和打印平臺等方面。

1.6 專利權人競爭力分析

注：氣泡分析圖中的氣泡大小代表專利多少；橫坐標（技術實力）與專利比重、專利分類、引用情況相關，橫坐標越大說明其專利技術性越強；縱坐標（經濟實力）與專利權人的收入高低、專利國家分布、專利涉案情況有關，縱坐標越大說明專利權人實力越強。

專利權人的競爭力分析可利用Innography分析平臺，從技術實力和經濟實力兩個維度進行比較。為對比全球研發能力較強的專利權人的競爭力，本文選取專利強度在3-10之間的高強度專利作為研究對象，所得氣泡分析圖如圖4所示。分析發現，全球在3D打印領域競爭力較強的專利權人主要集中在德國、美國和日本。技術實力方面，競爭力較強的專利權人有博世公司、Stratasys公司、3D Systems公司、美國聯合技術公司、通用電氣和西門子，其中，Stratasys公司和3D Systems公司技術實力排名靠前，但經濟實力較弱，說明這兩家公司的研發創新能力較強。經濟實力方面，排名靠前的專利權人包括豐田汽車、三星電子、通用電氣、通用汽車、博世公司和本田汽車，其中，豐田汽車的經濟實力遠超其他競爭對手，而三星電子雖然經濟實力較強，但專利申請量較少，技術方面的競爭力較弱。

圖5分析了中國主要專利權人的競爭力。中國在該領域競爭力較強的專利權人以高校為主，技術實力較強的專利權人有華南理工大學、中國科學院、天威控股有限公司（Print-Rite）、西安交通大學和浙江大學，經濟實力較強的專利權人為中國石油化工公司、通用電氣和現代汽車，其中，中國石油化工集團在經濟實力方面遠超其他專利權人，但技術競爭力較弱。此外，我國的研發實力主要集中在高校，綜合實力排名前20名單內，只有中國石油化工集團和天威控股有限公司、寧夏共享集團股份有限公司（Ningxia Kocel）、西安中科麥特電子技術設備有限公司、成都jincai技術有限公司、安徽省春谷3D打印智能裝備產業技術研究院有限公司及成都I-Make科技有限公司6家中小型企業。全球綜合競爭力排名前20的專利權人只有中國科學院是中國機構，沒中國企業出現，說明中國在該領域的產業競爭力整體不強。而在中國區域綜合競爭力排名前100的專利權人中，國外企業有通用電氣、現代汽車、惠普、西門子、Stratasys公司、美國聯合技術公司、LG電子、豐田汽車、3D Systems公司和陶氏杜邦公司，說明國外企業比較注重3D打印技術在中國市場的戰略布局。

2 結論及建議

本文基于Innography分析平臺對近20年全球和中國3D打印領域的專利進行計量分析，得出主要結論如下：（1）全球專利申請量自2013年開始快速增長，中國的申請量最多，其次分別為日本、美國、韓國和德國，說明中國對3D打印技術的研究熱度非常高。雖然中國是申請大國，但專利強度在8以上的核心專利占比僅為0.3%，專利質量亟待提升。（2）從研究熱點和技術構成來看，全球核心專利的研究主要集中在快速成型、旋轉速度、發動機轉速和三維目標物方面，而中國的主要研究方向為打印頭、原材料、打印技術和3D打印機，其中對打印頭和原材料方向的研究比較集中，其次在金屬及陶瓷制品和生物醫療應用方面的研究也有一定優勢。但與其他技術強國相比，中國在設備機械控制方面的研發競爭力還亟待增強。（3）專利權人綜合競爭力方面，全球競爭力較強的專利權人主要集中在德國、美國和日本，而中國競爭力較強的專利權人以高校和科研機構為主，競爭力排名靠前的企業基本都是中小型企業，全球競爭力排名前20的名單內沒中國企業出現，中國在該領域的產業競爭力亟待提高。同時，目前已有部分國外企業在中國市場實施專利戰略布局，對中國本土企業發展造成一定威脅。

結合上述結論，本文就我國3D打印技術的后續發展提出以下兩點建議：（1）緊抓政策利好機遇，加強關鍵核心技術攻關，占領行業制高點。目前我國對該領域的研發熱情高漲，我國應針對自身研發優勢的若干核心技術，組織研發能力較強的研究團隊進行技術攻關，以獲取該領域的國際領先地位。（2）加強產學研合作，促進科技成果轉化。鑒于目前我國對該領域的研究主要還停留在高校和科研機構的實驗室階段，研究方向容易與市場需求脫節，加之企業規模普遍較小，創新能力薄弱，產業化程度不高。可見加強產學研合作，促進科技成果轉化顯得尤為重要。一方面，積極制定促進產學研結合的有關政策措施，鼓勵高校、科研院所與企業的合作和聯盟，使科研機構的研發優勢切合市場需求，同時增強企業研發實力。另一方面，健全科技成果轉化的相關政策法規及管理體制，推動地方出臺有利于成果擁有者、成果轉化承擔者的激勵機制，鼓勵科研工作者進行技術成果轉化。

【參考文獻】

[1]劉鑫，余翔，張奔.中美3D打印技術專利比較與產業發展對策研究[J].情報雜志， 2015，34（5）：41-46.

[2]李陶.工業4.0背景下德國應對3D打印技術的法政策學分析——兼論我國對3D打印技術的法政策路徑選擇[J]. 科技與法律，2015，（2）：322-338.

[3]李壯，閆亞飛，陳小莉，劉雅靜.3D打印技術專利發展態勢分析[J]. 科學觀察， 2016，11（3）：44-54.

[4]李方正.中國增材制造產業發展及應用情況綜述[J].工業技術創新，2017，4（4）：1-5.

[5]專利強度（Patent Strength）是專利價值判斷的綜合指標，其高低可綜合反映出該專利的文獻價值大小，受權利要求數量、引用與被引用次數、是否涉案、專利時間跨度、同族專利數量等因素影響.

附錄

Innography檢索式：

@（abstract，title）（"three dimension* print*" OR "3 dimension* print*" OR "3D print*" OR "rapid prototyp*" OR "RPM" OR "additive manufact*" OR "digital manufact*" OR "intelligent manufact*" OR "additive fabrica*" OR "additive layer manufact*" OR "freeform fabricat*" OR "Stereo Lithography Apparatu*" OR "Laminat* Object Manufact*" OR "Select* Laser Sinter*" OR "Fused Deposition Model*" OR "Laser Engineer* Net Shap*" OR "Patternless Cast* Manufact*"）

檢索日期2018年4月12日