由专利地图角度看待3D打印技术(上)

壹、3D打印技术简介

一、近代3D打印发展概况 :

拜计算机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，什么都可用3D打印复制，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打印技术复制出来。

由于3D打印相较于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打印的优势会在于相对廉价的快速制造少量零件，无怪乎于2012 年3月英国《经济学人》杂志以「第三次工业革命」来预测这项技术将颠覆传统制造业的生态和生产方式。

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，且于2012年并购了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，从而成为全球最大的3D打印机制造商。

在1989年，美国麻省理工学院的Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty等在美国申请了三维印刷技术的专利，之后Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty又多次对该技术进行完善，形成了现在的三维打印工艺。于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打印机。

在2005年，市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由Corp Z公司研制成功。

在2008年，Objet公司推出Connex 500，让多材料3D打印成为可能。

在2011年，发布了全球第一款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巧克力打印机。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脏组织。

综上所述，3D打印技术在美国已经产业化，目前全球有两家3D打印机制造巨头，分别Stratasys和3D Systems，均在美国纳斯达克上市，2011年营业收入分别为1.7亿美元和2.9亿美元。目前国外3D打印机制造商主要有：商用3D打印机主要制造商包括Stratasys，Objet Geometries，Z Corporation，3D Systems等。家用3D打印机主要制造商有Reprap，Makerbot Industries，Ultimaker，Botmill，Fab@Home等。

尽管最近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，藉此抢占3D打印产品的商机，因此我们可藉由3D打印技术的专利分析来一窥大厂的3D打印技术全球专利布局的概况。

二、简述3D打印的技术原理

尽管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复打印在平台上，循环往复，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。一个浅显的事例为，尽管纸张看似是二维的，但是由于具有一定厚度，将纸张一层层迭加起来，就能组成3D实体。

3D打印技术原理(图片摘录自网站:

http:/www.me.ntut.edu.tw/chinese/introduction/rplab/index.htm

三、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，主要使用光敏树脂为材料，通过紫外光或者其他光源照射凝固成型，逐层固化，最终得到完整的产品，代表厂商：3D System、Object公司等。其大致结构如下图所示：

光固化立体造型SLA

(图片摘录自自网站:http://blog.sina.com.cn/s/blog_b713485001013zqg.html)

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，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于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：

熔融沉积造型FDM

(图片摘录自网站:http://en.wikipedia.org/wiki/Fused_deposition_modeling)

3.三维粉末黏接（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、塑料粉末等，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，层层迭加，获得最终打印出来的零件。大致结构如下图所示：

三维粉末黏接3DP

(图片摘录自网站:http://www.rpyinhua.com/case/3dp.htm)

4.选择性激光烧结（SLS）

该技术由美国得克萨斯大学提出，于1992年开发了商业成型机。SLS利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制层层堆结成型。SLS技术同样是使用层迭堆积成型，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，再使用激光在该层截面上扫描，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：