【导读】本报告系中国技术交易所(CTEX)情报分析师2013年第9期—《揭秘3D打印(下)》。本报分析了3D打印技术的应用前景及发展方向;对改进中3D打印成果进行了前瞻性分析;并对3D打印技术专利及技术文献的关键词做出介绍。

一、3D打印技术的应用前景及发展方向

(一)3D打印技术的应用前景

图1 3D打印技术的主要应用领域

3D打印技术的应用领域大致可以分为三大类:
一是大众消费级,多用于工业设计、工艺设计、珠宝、玩具、文化创意等领域;
二是工业级,一个方面是原型制造,主要用于模具、模型等行业;另外则是产品制造,包括大型金属结构件的直接制造和金属零部件的直接制造;
三是生物工程级,如打印牙齿、骨骼、细胞、器官、软组织等。
目前,3D打印技术在大众消费、工业和生物工程等领域的运用已经开始,并有了不同程度的产业化。在欧洲和美国,3D打印的普及程度要比国内高,2012年,世界3D打印行业的产值大概是100至110亿人民币,而国内大概在3亿人民币左右。美国和德国3D打印实现的产值,大概占行业总收入的80%。
据《沃勒斯报告2012》显示[1],截至2011年,全球累计销售4.9万台工业级3D打印机,其中近四分之三由美国制造,以色列和欧洲各国的份额分别为9.3%和10.2%,中国生产的设备仅占3.6%,与日本相当。

图2 世界上第一间3D照相馆“Party”创意实验室成品展示( 地点:东京原宿)

图3 北京DRC工业设计创意产业基地的3D打印照相馆作品展示
在大众消费级领域,3D照相馆、3D创客,正在国内推开,西安、北京、上海等城市都有3D照相馆陆续开张。对于如何将3D打印技术运用到大众消费领域,目前还缺乏一个成熟的商业模式。不仅在大众消费级、在工业级、在生物工程级,都同样存在这个问题。
传统工业企业的商业模式是生产设备卖设备,不管市场用户的需求,先把设备生产出来再去推销。3D打印这个行业还是沿袭了传统工业的老路。看来这条路子肯定是走不通的。要不然,经历了30年的发展,3D打印技术的在国内的产值怎么才只有区区3个亿呢?全球也才100亿人民币,说明目前该行业仍然缺乏成熟的商业模式引领。

(二)第三次工业革命-美国引领

2012年3月9日,美国总统奥巴马在卡内基梅隆大学宣布创立美国“制造创新国家网络”计划。这项由美国联邦政府和工业部门共同斥资10亿美元,遴选出制造领域15项前沿性、前瞻性的制造技术,建立15个制造业创新中心,以全面提升美国制造业竞争力。4月17日,“增材制造技术”被确定为首个制造业创新中心,8月16日,“国家增材制造创新中心”作为其首个“样板示范”创新中心剪彩成立。作为新技术研究、开发、示范、转移和推广的基础平台,号称要成为增材制造技术全球卓越中心并提升美国制造全球竞争力,并鼓励在美国进行投资。奥巴马总统亲自出席剪彩仪式。
2012年4月21日,《经济学人》推出了“第三次工业革命”的封面文章:尽管仍有待完善,但3D打印技术市场潜力巨大,势必成为引领未来制造业趋势的众多突破之一[2]。这些突破将使工厂彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具,而转变为一种以3D打印机为基础的,更加灵活、所需要投入更少的生产方式,这便是第三次工业革命的到来的标志。在这种势头下,传统的制造业将逐渐失去竞争力。以3D打印为代表的第三次工业革命,以数字化、人工智能化制造与新型材料的应用为标志。它的直接表现,是工控计算机、工业机器人技术已进入成熟阶段,即成本明显下降,性能明显提高,工业机器人足以在很多方面替代了流水线上的工人……

(三)3D打印技术的改进与发展方向

像所有技术一样,3D打印将继续发展。针对3D打印技术本身存在的局限,结合可预见的市场需求,3D打印技术的发展方向主要有以下几个方面:
  •  降低成本
成本和价格是技术能否广泛应用的绝对性因素。降低成本主要包括:打印原材料成本、系统硬件成本、数据处理软件成本以及打印工艺成本等。其中,原材料成本需要从现有原材料工艺的改进以及研究新材料的角度入手;系统硬件成本则需要结合工艺改进以及软件处理算法的速度和精度,综合降低系统成本。
  • 小型化、轻量化
小型化、轻量化是影响商业应用的主要因素。和降低系统成本一样,小型化、轻量化同样需要从系统硬件、软件、数据处理算法等多方面综合考虑。
  • 提高打印速度
3D打印技术的基本原理决定了现有的3D打印机的打印速度并不高。在现有打印工艺的基础上,提高数据处理的效能,减小数据量,优化打印路径,并提高电机以及驱动伺服系统的动态响应性能是在保证打印精度的基础上提高打印速度的关键。
  • 研发种类更为广泛的打印材料
从前面的分析可知,现有的打印原材料可供选择的并不多,开发更广泛的打印材料,以满足不同产品的打印需求显得十分必要。
  • 打破印尺寸和多材料整合局限
从前文对工艺的分析可知,现有的工艺水平,对打印尺寸有着较为严格的限制,特别是商用技术,打印尺寸更为有限。结合打印速度、兼顾打印精度的基础上打破打印尺寸的局限是市场化道路上必不可少的一步。而多材料整合的突破有助于制造更复杂的产品。
  • 研究与传统削减工艺相结合的技术方案
由于大多数3D打印制造的金属部件需要人工干预进行精加工或抛光。将3D打印(添加式制造过程)和传统消减生产过程的优势(如,数控加工)相整合,可以同时使用3D打印和机械加工,省去后期处理过程。进而可以节省部分打印时间。如日本重型机械制造公司——松浦机械制作公司开发的系统,整合3D打印(激光烧结技术)和高速铣削,能够对打印成品的边缘进行五层增量铣削。

二、前瞻:改进中的3D打印成果

(一)在打印速度和尺寸上的提升

维也纳工业大学的研究人员已经使用一种称为“双光子光刻”的技术,创建出只有微米级大小的3D物品。研究人员的突破加速了技术的前进,使其更适宜工业生产。过去,打印速度以“毫米/秒”为单位;现在以“米/秒”为单位。图4中的赛车,车身长约为285微米(人类头发丝的平均直径为40-120微米),在四分钟内分100层打印完成。尽管这样的物体结构已经是小到微乎其微,但是人们仍希望3D打印机有朝一日打印出更小的物体,从而为各个领域(如医药)的创新开启新的可能性。

图4微米级赛车

(二)在多材料整合上的突破

目前领先的多材料3D打印机是Objet Connex500,最多允许同时打印14种塑料类材料,可以是橡胶塑料或者更坚硬的ABS塑料。神奇的是,所有这些材料在一次作业任务中完成打印,在同一时间内完成融合,而不需要独立打印各个零件后再逐一组装。

图5 Objet Connex500打印机多材料整合打印出的产品

(三)3D打印与技术交易结合的猜想——以中技所为例

你想象过将3D打印技术与技术交易相结合吗?以下一段分析来自新浪微博@張知恥IPPlayer
1、3D打印的优势

表1 3D打印与传统打印的比较分析
由上述数据可以分析:3D打印技术比较适合需要小批量实体样品以及经常需要改样的企业。
2、技术交易的现状
在一项技术交易或者寻求投资的过程中,技术产品展示是不可或缺的一环,以中技所为例,见下图

图6 中技所技术交易流程示意图
而现有的技术展会中,考虑到市场风险,制造商或者投资方倾向于选择已有实体样品,甚至是已经有一定销售规模的技术项目进行投资或者交易。对于那些自己没有生产能力的实体,尤其是寻求天使投资的初创型企业而言,传统开模成本过高与技术交易的不确定性,导致了他们作出“投入数万元成本在产品3D视觉效果上”的次优选择。
目前国内的3D打印技术在样品表面处理中的表现可圈可点,这也进一步增强了样品的真实感。因此,在技术交易中引入3D打印具有相当的市场空间。笔者猜想在技术转移中,两种主体能够与3D打印较好地结合:
1、技术交易平台,凭借平台交易量的优势降低打印成本,使得平台小微企业能够获得比市场更优惠的3D打印服务,并以此通过“眼球效应”提高平台知名度;
2、研究型大学/研究所,这类主体的创新能力比较强,而本身的生产能力有限,通过3D打印能够促进创新技术市场化转移进程。
3、中技所开展“中小企业信息披露与融资交易平台”研究的分析师认为,可以根据平台建设中收集的中小企业关于样品制作的需求,批量通过大学、研究所的实验室做样品,由此可帮助研究机构获取3D技术的实验数据,帮助其提高3D打印技术研究水平,同时,企业又可以获得样件,并进一步在中技所进行技术展示。

三、3D打印技术中与专利和技术文献相关的关键字

通过几位情报分析师多日整理汇总,我们现将真正的“干货”呈现给大家,以下对于技术关键词和主要研发主体的梳理总结,将更好地帮助我们为未来的专利分析工作打下良好基础。
好的专利情报分析的基础来自于扎实的技术关键词整理分析——我们来一同检阅修正。

(一)与打印工艺相关的关键词

(二)与研发公司和机构相关的关键词

国外主要公司
3D Systems
Object Geometries
Stratasys
Z Corporation  
envisiontec
DTM
Helisys
ExOne
Vidar Systems 
日本Kira
瑞典Sparx
新加坡Kinergy
Extrude Hone(打印材料)
TDK(打印材料)
Shapeways(3D打印服务)
Kraftwurx(3D打印服务)
i.materialise(3D打印服务)
Freedom Of Creation(3D打印服务)
国内主要公司
北京殷华
滨湖机电
西安恒通
中航重机激光
北京隆源
国外主要研究机构
荷兰应用科学研究组织(TNO) 科学和工业分支机构
欧洲宇航防务集团(EADS, the European aerospace and defense group)
奥地利维也纳工业大学 Vienna University of Technology
美国康奈尔大学 Cornell University
英国南安普顿大学University of Southampton
美国麻省理工大学 MIT
美国卡内基梅隆大学 Carnegie Mellon University
哈佛大学 Harvard University
美国戴顿大学 University of Dayton
美国密歇根大学 University of Michigan,
 美国德克萨斯大学 University of Texas
国内主要研究机构(学者)
清华大学 颜永年教授
北京航空天大学 王华明教授
华中科技大学 史玉升教授
西安交通大学 卢秉恒教授
上海交通大学
南京航空天大学
华南理工大学
【参考文献】
1. 沈又天. 3D打印技术概述和未来市场前景的基本判断. http://wenku.baidu.com/view/b3371e28bcd126fff7050bc7.html
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本期情报分析师
Baggio  清华大学机械学院 助理研究员
李 想  北京中天安泰信息科技有限公司知识产权部门负责人
李怀周  北京科龙寰宇知识产权代理有限公司专利代理部
张宇翔  任浙江英普律师事务所专利代理人助理
总策划  郭书贵
总监制  黄翠琼
封面摄影  泥土
编 辑  Joyce (email:lzhang@ctex.cn)  木木 (email:qlzhang@ctex.cn)  Emma ( email: xywen@ctex.cn
本期支持机构
思博知识产权网、杭州先临三维科技股份有限公司、杭州达那福医疗器械有限公司
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投稿邮箱:lzhang@ctex.cn
情报提供:请私信或留言至:@中国技术交易所CTEX (新浪官方微博)
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