建筑領域中3D打印技術的專利現狀分析

吳 落

廣州三環專利商標代理有限公司

1 引言

3D打印技術學名為增材制造技術，是一種直接根據圖形數據，通過疊加材料的方法生成立體空間物體的技術[1]。隨著數字化技術的不斷發展以及打印材料、工藝和設備的不斷成熟，3D打印技術的應用領域不斷擴大，有醫療器械與用品、汽車零部件、軍用裝備等高端制造領域，也有日常生活用品，如造型奇特的擺件、精美的電子產品外殼，可見該技術正在改變人們的生活方式和生產模式。

2016年我國住房和城鄉建設部在頒發的《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》中提到“積極開展建筑業3D打印設備及材料的研究”。3D打印技術作為一項新興技術，其在建筑領域的運用，不僅可縮短工期、提高效率[2]，還可充分利用建筑垃圾減少環境污染并兼顧藝術性，不難預見其對建筑行業發展的影響是不可估量的。國內外學者和相關行業，對3D打印技術在建筑領域運用做了大量的研究和實踐，如表1所示，在該領域的研究主要集中在打印材料和打印設備兩個方面，國外研究人員更加注重在材料方面的研究，國內主要集中在打印設備的研究[3]。如周奇才等人采用有限元分析論證了龍門式機架的可行性并闡述了打印機控制系統的控制思路和打印流程[4]。高鵬舉[5]提出應從設計創新、結構力學的構造和新材料三個方面來解決如何利用3D打印技術打印高層建筑的問題。韓立芳等人[6]就混凝土建筑3D打印中線寬控制問題，展開了詳細的因素分析，并針對出現的問題結合試驗測試，對線寬控制方法進行了改進，獲得了較為理想的打印效果。齊甦等人[7]從材料的可建造性、層間黏結強度、干燥收縮率、臨界失效時間等方面對3D打印建筑用混凝土材料的研究做了歸納總結，并指出混凝土材料是3D打印建筑施工中發展的基礎也是制約技術發展的瓶頸。中國混凝土與水泥制品協會3D打印分會發布了2019年度建筑3D打印行業技術與應用發展報告，報告中指出建筑3D打印軟件、設備、打印材料、建筑結構體系和技術標準規范均是目前建筑3D打印技術發展中亟待解決的問題[8]。在實踐方面，我國的3D打印技術起步較晚，但發展迅速，于2014年在上海青浦園區利用建筑垃圾中提取制造出來的建筑原料僅用了24小時打印了10幢建筑物。首個原位3D打印技術試驗田在我國廣東河源開始動工;首例原位3D打印雙層建筑在我國誕生。可見，自3D打印技術在建筑領域的初探以來，諸多研發團體對其進行了大量研究并付諸實踐，在打印材料與設備方面的創新成果突出。

表1 建筑領域中3D打印技術創新分布

本文以專利數據為基礎對建筑領域中3D打印的相關技術創新進行了統計分析，并著重分析了國內在設備方面的專利情況，以期通過對相關專利信息的梳理為建筑領域中3D打印設備的創新研究提供參考。

具體以商業數據庫HIMMPAT和INCOAPT為檢索數據來源，采用分類號與關鍵詞的方式進行專利檢索，經過去噪和申請號合并后，截至2021年1月共獲得由691件專利申請文件組成的數據樣本；并對這些專利技術進行初步分析，以期獲得建筑領域中3D打印技術中設備分支技術的發展現狀，并對該技術的未來發展進行展望。

2 專利分析

本節從我國專利技術發展趨勢、技術生命周期、國內創新主體類型、專利當前法律狀態、專利技術及其應用等維度對建筑領域中3D打印技術進行分析。

2.1 技術發展趨勢分析

通過專利申請和公開趨勢可以從宏觀層面把握我國建筑領域中3D打印技術在不同年份的專利申請的變化，其中統計的數據均為目前已公開的專利申請。圖1展示的是專利申請量的發展趨勢。由于專利申請從提交申請到公開需要一定時間，通過圖中的每年申請專利數量與公開專利數量的折線圖的對比，不難發現專利公開具有一定的滯后，同時也反映了我國專利公開速度正在加快。從該圖中可以發現，我國首次出現在建筑領域中3D打印技術中設備分支技術的專利申請是在2013年，具體為利用3D技術來修復歷史建筑磚雕、3D打印噴嘴、工程結構的3D打印等。同年，荷蘭建筑師與意大利發明家共同完成了兩層現代建筑的打印[1]。事實上，早年就出現了利用陶瓷粉末、塑料等材料進行3D建筑模型的制作，而此次完成的3D建筑打印尚為首次。在此之后，在短短兩年內我國專利申請量達到123件，并且至今一直保持著較高的專利申請，反映出我國在該技術上一直處于較高水平的研發狀態，但由于該技術的應用尚處于初級階段，還有諸多關鍵未突破，從專利申請量來看，尚未出現噴發式增長。

圖1 專利申請與公開量的發展趨勢

2.2 創新主體類型分析

專利申請人作為技術創新主體的權利擁有者，其類型反映了技術研發的主要來源。截至目前，我國建筑領域中3D打印技術的主要研發為企業、大專院校和個人。其中企業的占比最高，達到70%，大專院校次之為17%，個人為13%。而企業作為技術的主要實施者，在該技術發展初期就成為該技術的主要研發者，反映了我國在該技術上的研發主要是偏應用性，對于該技術的基礎性研究偏少，從大專院校的占比較少和無科研機構的參與也進一步說明了該現象。

2.3 專利當前法律狀態分析

專利法律狀態具體分為專利權審中、有效、失效三種狀態。經過分析不難發現，我國建筑領域中3D打印技術中有57%的專利處于有效狀態，專利處于實質審查的占比為26%，失效專利的占比為17%，其中有9%的專利因駁回而失效，這一定程度上反映了該領域專利的技術創新較低，亟待需要具有高價值的專利技術出現。

2.4 專利技術及其應用占比分析

對我國建筑領域中3D打印技術設備及其應用的專利技術作了分解，具體如圖2所示，從專利技術的角度來看，3D打印技術設備整體結構的改進占比最高為52.27%，其次，對打印噴頭以及材料供應系統方面的改進，對控制裝置的改進最少，而機器人的引入多是提高打印過程對整體打印過程的把控和節約人工對打印過程的干預。從專利技術應用的角度來看，對墻體、構件等建筑裝配部件的研發較多，多以利用3D打印來獲得建筑模塊化技術的應用。可見，3D打印建筑技術主要是在裝配式建筑中的應用。

圖2 專利技術及其應用分布圖

3 結束語

經過分析不難發現，我國建筑領域中3D打印技術仍處于技術發展的初級階段，仍有大量關鍵技術尚未突破，且企業則是該技術領域中主要的創新主體，說明我國在該技術領域的研究偏應用型；同時該技術領域的專利有效率偏低，缺乏高價值專利技術。基于上述緣由，現提出以下建議。

（1）繼續發揮3D打印技術應用于建筑部品、構件的生產，利用3D打印機技術可以輕松制作各類形狀奇特的構件，特別是與BIIM技術的融合，可為裝配式建筑提供可行性技術。

（2）將3D打印技術與傳統建筑技術相結合，體現了新基建思想，打破了建筑行業的傳統發展模式，促使其向高新技術領域拓展，推動建筑企業不斷升級發展。

（3）原位3D打印建筑技術是技術創新重要部分，特別是原位3D打印對高層建筑的施工和大規模化的建筑工程還有待于研發。