从专利技术角度介绍3D打印

王文宏/中銓國際專利商標事務所 主任工程師

3D打印技术简介
一、  近代3D打印发展概况:
    拜电脑控制技术突飞猛进之赐，3D打印技术打破了过去只能打印2D之思维，什麼都可用3D打印复製，例如: 公仔、镜框、手机保护壳，乃至自行车、汽车、医疗器材、到人造脸、器官、骨骼……等等，统统都可以用3D打印技术复製出来。
由於3D打印相较於传统挤压或是射出成形的加工技术少了模具的需求，所以相对成本较低。再者，若与加工机切削成型的技术，则是少了材料的浪费，因此3D打印的优势会在於相对廉价的快速製造少量零件，无怪乎於2012 年3月英国《经济学人》杂誌以「第叁次工业革命」来预测这项技术将颠覆传统製造业的生态和生產方式。
在1984年，Charles Hull开始研发3D打印技术并自立门户，创办了世界上第一家3D打印技术公司，也是现在的3D市场领军者之一3D Systems 公司，且於2012年併购了Corp Z和Vidar Systems。
在1988年，Scott Crump发明了FDM（热熔挤制成型）技术，并成立了现在的Stratasys公司，且收购了以色列的Objet公司，从而成為全球最大的3D印表机製造商。
    在1989年，美国麻省理工学院的Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty等在美国申请了叁维印刷技术的专利，之后Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty又多次对该技术进行完善，形成了现在的叁维打印工艺。於1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利。另在1995年，美国Corp Z公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D印表机。
   在2005年，市场上首个高清晰彩色3D印表机Spectrum Z510由Corp Z公司研製成功。
   在2008年，Objet公司 推出Connex 500，让多材料3D打印成為可能。
    在2011年，发佈了全球第一款3D打印的比基尼。同年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力印表机。童年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。
    在2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次打印出人造肝臟组织
    综上所述，3D打印技术在美国已经產业化，目前全球有两家3D印表机製造巨头，分别Stratasys和3D Systems，均在美国纳斯达克上市，2011年营业收入分别為1.7亿美元和2.9亿美元。目前国外3D印表机製造商主要有：商用3D印表机主要製造商包括Stratasys，Objet Geometries，Z Corporation， 3D Systems等。家用3D印表机主要製造商有Reprap，Makerbot Industries，Ultimaker，Botmill，Fab@Home等。
    儘管最近3D打印技术之话题很火红，但到底是哪一国家、哪一家公司掌握到3D打印技术的关键零组件的专利，藉此抢佔3D打印產品的商机，因此我们可藉由3D打印技术的专利分析来一窥大厂的3D打印技术全球专利佈局的概况。
二、简述3D打印的技术原理
儘管3D打印有多种不同工艺技术，但基本原理都和3D打印相同，即将一定厚度的材料反覆打印在平台上，迴圈往复，直到生成整个成型件。按照不同的实作工艺，材料可以是纸张、塑料、金属、陶瓷等各种材料。一个浅显的事例為，儘管纸张看似是二维的，但是由於具有一定厚度，将纸张一层层叠加起来，就能组成3D实体。

叁、3D打印技术的种类
1. 光固化立体造型（SLA）
　　光固化技术是最早发展起来的快速成型技术，也是目前研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术之一。光固化技术，主要使用光敏树脂為材料，通过紫外光或者其他光源照射凝固成型，逐层固化，最终得到完整的產品，代表厂商： 3D System、Object公司等。其大致结构如下图所示：

2.熔融沉积造型（FDM）
　　熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料融化后从喷嘴喷出，沉积在製作面板或者前一层已固化的材料上，温度低於固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。大致结构如下图所示：

3.叁维粉末黏接（3DP）
3DP技术由美国麻省理工大学开发成功，原料使用粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末、塑胶粉末等，3DP技术工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域，让材料粉末黏接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、黏接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件。大致结构如下图所示：
4. 选择性镭射烧结（SLS）
该技术由美国德克萨斯大学提出，于1992年开发了商业成型机。SLS利用粉末材料在镭射照射下烧结的原理，由电脑控制层层堆结成型。SLS技术同样是使用层叠堆积成型，所不同的是，它首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用镭射在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成黏接，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型。大致结构如下：
镭射烧结技术可以使用非常多的粉末材料，并製成相应材质的成品，镭射烧结的成品精度好、强度高，但是最主要的优势还是在於金属成品的製作。镭射烧结可以直接烧结金属零件，也可以间接烧结金属零件，最终成品的强度远远优於其他3D打印技术。SLS家族最知名的是德国EOS的M系列。

四、专利检索
1、使用专利资料库:我们选用拥有八十多个国家等专利数的欧盟专利资料库為检索对象，据以提高专利地图统计分析的準确性。
2、技术主题的IPC国际专利分类的落点。


3、 检索策略:
参照上述技术主题所落入IPC国际专利分类的落点，迄今(西元2013/08/20以前)共有1千多笔专利家族数，且其总专利数共4千多件(这包含分割案、延续案)

3D打印专利分析
一、趋势分析
从下图得知，依3D打印技术专利之成长速度可区分第一阶段(萌芽期)為1958年～1987以前、第二阶段(成长期)為1987年～2013年，足见3D打印技术乃处於成长期。(註:2012、2013年因申请案尚未完全公开、公告的关系，其案件量均為0，故曲线会往下掉的情况)

从专利技术角度介绍3D打印

二、竞争国家分析TOP 10
1、国家拥有专利数越多，代表该技术在该国蓬勃发展。从下图可得知，关於3D打印技术专利数发展以日本、德国、美国為最多，其中又以日本為佼佼者。

从专利技术角度介绍3D打印

2、3D打印技术之专利权人的佈局现况，以日本、美国、欧盟為最多，足见日本、美国、欧盟為3D打印產品的主要市场

从专利技术角度介绍3D打印

叁、竞争公司分析TOP 10(以专利总数作统计)
1、公司拥有专利数越多，代表该公司是该技术领域的领导者。故从下表可得知:
TOP1：美国的3D SYSTEMS INC公司拥有全球699件专利总数。
TOP2：德国的EOS ELECTRO OPTICAL SYST公司拥有全球585件专利总数。
TOP3：美国的STRATASYS INC公司拥有全球306件专利总数。
透过竞争公司的专利数量分析，足见上述叁家公司居於全球3D打印產业的龙头地位。
2、美国的3D SYSTEMS INC公司的研发团队概况，据以了解其团队组织情况，其中以HULL CHARLES W个人发明了12件為最多。

从专利技术角度介绍3D打印

3、主要竞争公司间的合作关系
3D SYSTEMS INC公司与其他公司的合作关系

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