从专利视角看3D打印助力产业转型升级
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2024-11-05 12:39:44
来源：patent.com.cn
作者：国家知识产权局知识产权检索咨询中心
从专利视角看3D打印助力产业转型升级
来源：中国知识产权报作者：发布时间：2023/10/12 9:43:26
3D打印技术，即增材制造技术，可以通过不断叠加和粘合材料层，从无到有地构建出一个完整的功能部件。3D打印带来的这一转变对制造流程和产品形态所产生的影响是巨大的，借助3D打印技术，制造产品不再需要设计或制造昂贵的模具，设计者的创意可以直接通过3D打印机成为现实，极大降低了成本和时间。3D打印技术不仅提高了效率，其一体成形的特点可以用于优化复杂零部件的结构，从而达到减轻重量、增加使用寿命、提升性能等效果。
由于3D打印技术对于产业界的革命性影响，各国均重视和鼓励3D打印这一新兴产业的发展。近年来全球3D打印产业产值以两位数的速度不断增长，2018年达到了97.95亿美元。我国的3D打印产业近5年来始终保持25%以上的增速，2018年我国的3D打印产业达到约319亿元的规模。由于相对传统加工技术，如数控机床加工或注塑成型加工具有突出的优势，《经济学人》杂志将3D打印技术比作第四次工业革命。
整体现状
1986年美国得克萨斯大学率先提出了选择性激光烧结专利技术（公开号：US4863538A），1989年美国3D系统公司的联合创始人Charles W. Hull提出了立体光刻专利技术（公开号：US4929402A），同年美国斯特拉特西斯公司率先提出了选择性熔融沉积技术（公开号：US5121329A），1994年麻省理工学院提出了三维印刷专利技术（公开号：US5340656A），以这些原始专利技术为起点，各类3D打印技术不断深入发展。
美国是3D打印技术的起源地， 2010年前美国的3D打印专利申请量占据全球的近90%，绝大多数的重要专利申请人来自美国，比如惠普公司申请量达901件，通用电气478件，斯特拉特西斯公司345件、3D系统公司327件。近年来国内3D打印产业快速发展，3D打印技术专利申请量大幅增长，其中西安交通大学专利申请量达到347件，华南理工大学310件，华中科技大学236件，珠海天威飞马209件。
由于3D打印技术存在着制造效率较低、可打印材料种类不多等现实问题，目前的3D打印技术还不能完全取代传统制造加工技术，市场对于3D打印进入了冷静观察期。然而，3D打印虽不能颠覆传统制造业，但可以助推传统制造业的转型升级，使传统行业焕发新的生机。下面以三个传统行业为例，从专利视角说明3D打印技术对于传统产业转型升级的推动作用。
轮胎产业
轮胎花纹的结构往往呈现出空间三维扭曲、多弧度、多角度的特点，轮胎花纹由模具压制而成，模具的精密程度直接影响到轮胎的精度和质量，更对驾驶安全和舒适性产生重要影响。采用传统的铣削、冲压等手段对机床、刀具的要求很高，而且步骤繁琐，容易影响轮胎的质量。
米其林在3D打印轮胎上取得了一定的突破，其在中国的相关专利申请达到了31件，其中大多数是选择性激光烧结制备轮胎模具，如专利（公告号：CN103534050B）描述了制造轮胎模具的方法，模具包括烧结部分和固定在烧结部分上的非烧结部分，烧结部分具有外壳和位于外壳内的芯体，芯体为内部具有多个空腔的网状结构，制造时在安装板的平坦表面上逐层熔合金属粉末制造烧结部分，该方法简单、经济且确保了模具较低的变形量和较高的安全水平。
3D打印可以在很短的生产周期内制造出复杂的几何形状，只需一步打印就能完成过去几个步骤才能完成的刀槽花纹，也无需人工安装和焊接，节省成本、精度也有保证，对轮胎产业的转型升级具有推动力。
制鞋产业
对于热爱运动的人们来说，一双合脚又懂脚的运动鞋非常难得。3D打印技术在运动鞋领域的不断创新与发展，让量脚定制鞋子变成了现实。专利数据显示，耐克、阿迪达斯等海外制鞋巨头的专利布局已有十年且专利数量众多，而国内企业近两年才开始布局且数量较少。
耐克在中国目前有63件3D打印制鞋专利，这些技术不仅涉及鞋构件的制造，也涉及模具制作等上游技术。耐克在其flyprint跑鞋的鞋面中使用了3D打印技术，如专利（公告号：CN104428126B）可以基于鞋面的局部或整体的期望性能来调控材料性质，比如增加刚度、支撑、柔性等。
阿迪达斯则在Futurecraft跑鞋产品中运用了3D打印技术，相关的专利（公开号：CN106263250A）描述了一种3D打印制作的网格鞋底，这样可以根据鞋的专业用途而调控局部网格结构。
匹克也推出了3D打印运动跑鞋，其专利申请文件（公开号：CN108477752A）公开了SLS烧结TPU粉末得到的缓震网格结构鞋底，既能保证了强度，也提供了出色的柔软度及缓冲回弹性能。李宁则宣布推出完全个人定制化的3D打印运动鞋，专利申请文件（公开号：CN106447453A）公开了李宁的数字化鞋产品定制方法。 可见3D打印技术不仅有助于实现个性化定制，即“合脚”，也能够实现功能化鞋体的制作，即“懂脚”，提高了产品的附加值和技术含量，助推了产业升级。
铸造产业
铸造企业大都依赖于传统的铸造模式，其中占用时间最长的是模具制造、制芯、造型等过程，这大大影响了产品的交付周期。
宁夏共享集团是具有50年历史的铸造企业，近年来其在砂芯3D打印方面布局了约223件专利。宁夏共享集团在专利（公告号：CN104028711B）中，提出可以设置多个工作箱，某一工作箱位于打印工位时，铺粉器和打印头分别铺设粉末和喷射粘合剂进行3D打印，打印后转换其他工作箱与打印单元位置对应进行3D打印，之前进行的工作箱可进行清理工作，该方案节省了清理工作箱的时间，提高了设备的利用率。
宁夏共享集团将3D打印砂芯模具应用到铸造生产线上，相比传统的铸造工艺，3D打印与铸造结合的生产线省去了模具制造环节，大大缩短了铸件交付周期，不仅使得铸造业不再是“傻大黑粗”的行业，更提升了市场竞争力，实现了产业转型升级。
3D打印技术虽然目前还不能完全取代传统制造技术，但是3D打印在轮胎、制鞋、铸造等传统产业已经崭露头角。面临发展困境的传统企业一方面可以借助3D打印技术压缩生产流程，降低制造成本，如省去模具制造环节或利用3D打印压缩模具制造环节周期；另一方面可以借助3D打印技术开发传统制造技术难以制造的新产品，开发新工艺，如常规技术难以制备的网格鞋底。相信随着3D打印技术深入开发，越来越多的传统行业会从中受益，实现转型升级。
