设为首页收藏本站优领域

优领域

 找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

搜索

浅析3D打印机的发展趋势

2014-5-14 21:09| 发布者: dzly| 查看: 788| 评论: 0|原作者: 杜 鹏 王 斌

摘要: 文章从时间活跃度、IPC技术分类、专利权人时间分布和排名、地区分布以及 专利分布状态等几方面对3D打印机进行了专利分析,阐述了3D打印的发展状 况,并对未来3D打印机的商业化和产业化进行了展望。

  3D打印机,是快速成型技术的一种机器,以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过逐层打印的方式来构造物体,3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的待制品原材料[1]。3D打印是一种累积制造技术,该技术应用的对象可以是任何行业,只要这些行业需要模型和原型,需求量较大的行业包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。
  1、3D打印机的打印介质和成型原理
  3D打印堆叠薄层的方式是多种多样的,一些3D打印机使用喷涂液态塑料的形式,类似于“喷墨”,还有的使用粉末微粒作为打印介质。而如今的打印介质从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。3D打印与激光成型技术一样,采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印[2]。
  首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,然后是喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态,这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型将会被“打印”成型[3]。
  2、3D打印机的专利分析
  3D打印带来了世界性制造业革命,以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现,而3D打印机的出现,将会颠覆这一生产思路,无需机械加工或模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体。尽管仍需完善,但3D打印市场的潜力巨大,势必成为未来制造业的高新技术之一。伴随3D打印技术的发展,世界领军企业申请和公开了大量3D打印技术的专利,本文将对近二十年来世界范围内3D打印技术的发展状况和趋势进行专利分析。
  2.1专利分析参数
  检索以功能更强大,覆盖范围更广的thomsoninnovation专利(TI)数据库为主,使用DII数据库进行辅助检索。运用TI数据库自带分析工具和ThomsonDataAnalyzer(TDA)分析软件产生专利分析图表。


  检索策略使用较为通用的检索式:(3Dorthreedimension*)andprinter*inthetitleorabstract,保证较大的覆盖范围,经数据清洗后的专利样本数量为4212项。
  检索时间范围:截至2013年11月本文主要从时间活跃度、IPC技术分类、专利权人时间分布和排名、地区分布以及专利分布状态等几方面进行分析。
  2.2时间活跃度分析
  时间活跃度分析的目的在于反映技术研究的起步、高潮时期、近年来的走势。
  3D打印技术从上世纪90年代中期逐渐兴起,总体上呈现逐渐且快速发展的趋势,如图1。1996年、2001年、2006年、2011年成为阶段性的高点,可以认为3D打印技术以五年为一个周期实现稳步的快速发展,第五年公开的专利数会达到阶段性的峰值,然后从下一年进入新的周期。从2000年的公开的150项专利到2010年的300项专利再到2013年的500项公开专利,3D打印技术正持续加速发展中。
  系统、图像的彩色和数据处理以及可粘合材料的成型等方面。
  表1按IPC排名的3D打印相关的国际专利分类表
  B41J000201                        油墨喷射
  H04N000160                       彩色校正或控制
  H04N000146                       彩色图像通信系统
  G06T000100                       通用图像数据处理
  B41J0002175                      通用图像数据处理
  B29C006700                       塑料的成型或连接;塑性状态物质的一般成型
  G06F000312                       到打印装置上去的数字输出
  B41J002938                       整套印刷机构用的传动装置、马达、控制或自动切割装置
  G03G001500                      应用电荷图形的电记录工艺的设备
  G03G001501                      用于生产多色复制品的
  图13D打印的专利公开趋势
  从申请年趋势专利图可以看到,见图2,从进入上世纪80年代就已经有3D打印技术相关专利的申请。前十几年进展较为缓慢,进入90年代中期,发展速度有着较为明显的提升。从2002年至2012年每年的专利申请数均超过250项,十年内有着较快且稳定的发展。
  图23D打印专利按年申请数量的发展趋势
  2.3IPC技术分类分析
  表1列举了按专利数量排名的关于3D打印技术的国际专利分类表。IPC为国际专利分类号,IPC号可以代表一种相对具体的技术、装置或方法。通过IPC排名可以发现3D打印机技术主要覆盖的领域、使用的技术以及研究的方向,见图3。前六名分别涉及了油墨喷射、彩色校正或控制、彩色图像通信系统、通用图像数据处理、油墨供应系统和塑料的成型或连接等技术领域。可见,从该图表可以了解到当前的3D打印技术主要的研究方向集中在油墨2.4专利权人时间分布和排名专利权人时间分布和排名主要分析了领域内的主要专利持有公司或机构,发展状况及地位。
  图4为按年划分的专利权人前几位的排名。从1996年开始,3D打印技术的专利主要集中在日本的几家公司手中。日本佳能公司一直占据着统治地位,2004年以前专利申请数会达到同年专利申请总数的一半以上。随着3D打印技术的发展和其它公司的崛起,2003年之后佳能公司所占的比率逐渐降低,直到2008年被爱普生公司所超越。但不可否认直到现在佳能公司在3D打印领域仍然发挥着举足轻重的作用。日本精工爱普生公司的专利申请数从2000年开始逐渐发展壮大,2008年开始确立了主导地位并延续至今,成为了领军企业。日本富士施乐公司和日本理光公司从1997年就参与至3D打印领域中,这十几年虽然没有飞跃性的发展,但是一直较为稳定,一直是不可或缺的力量。


  从该图看出澳洲的Silverbrook公司是打破日本垄断的企业,2000年之后涉足3D打印领域,有着较快速的发展,占有着相当的比重。
  图5为领军企业专利权人(申请人)排名,在3D打印领域中佳能公司和爱普生公司在不同的时期发展,如今所处的地位也发生了变化,但两者依然是世界上申请该领域专利最多的两个公司,齐头并进,申请的专利数量在400上下。除了上面提到的公司,专利申请公司还有日本夏普公司、日本三菱电机、日本富士胶片等。整个3D打印的领军企业几乎被日本企业所囊括。
  2.5国家地区分布分析
  地区分析目的在于考察专利在世界各个国家和地区布局的情况,从而体现3D打印技术在不同地区市场的活跃度。
  国家地区排名(在该国申请的专利)前六位的是日本、美国、中国、西班牙、韩国和澳大利亚,见图6。可见掌握着3D打印核心技术的公司把开拓或攻占市场的目标定位在东亚地区、北美的美国和加拿大、欧洲的德国和西班牙以及澳洲。在一定程度上也反映了这些市场的需求以及该市场的重要程度,这也将是3D打印领军企业诸豪强争夺的战场。
  2.6专利分布状态
  图7显示的是3D打印技术专利在不同大小的专利权人之间的分布状态,专利权人按照专利持有的数量分为持有100项以上、21~100项、6~20项、2~5项专利和仅持有一项专利五个档次。该图能体现出专利权人在该领域内的相对强度,有28%的专利被少数持有100项专利以上的专利持有者所拥有,他们掌握着更加成熟完备的3D打印技术,而26%的专利分配在仅持有一项专利的众多小专利持有者中,他们代表着3D打印技术新的动态发展的技术方向。图中不能明显看出3D打印技术领域中存在垄断迹象,大中小专利权人持有的专利数量分布相对均衡,呈现百花齐放的发展状态。
  2.7小结
  3D打印技术伴随着计算机技术和加工制造技术的突飞猛进,也得到了飞速的发展。当前世界已经拥有了相对成熟雄厚的3D打印技术基础,正处于专利实用化的关键时期。虽然诸如日本佳能公司和爱普生公司持有了最多的专利技术,但是由于潜在的市场巨大,更多的小专利权人或许更是推动整个产业实用化的有生力量。降低成本,将3D打印产品应用于民,3D打印技术向各个领域应用普及是未来重要的发展方向。
  3 结语
  3D打印技术给人们带来了巨大的生产自由度,但目前只能做些小规模的装饰品,要谈到大规模工业生产,取代传统的工业生产方式,仍还有很长的路要走。目前我国已经非常重视3D打印技术的研发和应用,比如华中科技大学科研团队研发的全球最大的“3d打印机”,理论上可加工长宽尺寸不超过1.2米的零件(高度无限制)[4]。相信市场的巨大需求会加速3D打印机及其应用的普及,势必像电脑一样走入千家万户,更好地方便人们生活,为提升人们的生活品质提供服务。
  
  

相关阅读

网站统计|优领域|优领域 ( 粤ICP备12011853号-1 )  

GMT+8, 2019-1-17 19:15 , Processed in 0.114356 second(s), 12 queries .

Copyright © 2008-2014 优领域

回顶部