從專利視角看3D打印助力產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)

來(lái)源：中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)報(bào)

導(dǎo)讀：3D打印技術(shù)可以通過(guò)不斷疊加和粘合材料層,，從無(wú)到有地構(gòu)建出一個(gè)完整的功能部件。3D打印帶來(lái)的這一轉(zhuǎn)變對(duì)制造流程和產(chǎn)品形態(tài)所產(chǎn)生的影響是巨大的,，借助3D打印技術(shù)，制造產(chǎn)品不再需要設(shè)計(jì)或制造昂貴的模具,，設(shè)計(jì)者的創(chuàng)意可以直接通過(guò)3D打印機(jī)成為現(xiàn)實(shí),，極大降低了成本和時(shí)間。3D打印技術(shù)不僅提高了效率,，其一體成形的特點(diǎn)可以用于優(yōu)化復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu),，從而達(dá)到減輕重量、增加使用壽命,、提升性能等效果,。

由于3D打印技術(shù)對(duì)于產(chǎn)業(yè)界的革命性影響，各國(guó)均重視和鼓勵(lì)3D打印這一新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,。近年來(lái)全球3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值以兩位數(shù)的速度不斷增長(zhǎng),，2018年達(dá)到了97.95億美元,。我國(guó)的3D打印產(chǎn)業(yè)近5年來(lái)始終保持25%以上的增速，2018年我國(guó)的3D打印產(chǎn)業(yè)達(dá)到約319億元的規(guī)模,。由于相對(duì)傳統(tǒng)加工技術(shù),，如數(shù)控機(jī)床加工或注塑成型加工具有突出的優(yōu)勢(shì)，《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志將3D打印技術(shù)比作第四次工業(yè)革命,。

整體現(xiàn)狀
1986年美國(guó)得克薩斯大學(xué)率先提出了選擇性激光燒結(jié)專利技術(shù)（公開(kāi)號(hào)：US4863538A）,，1989年美國(guó)3D系統(tǒng)公司的聯(lián)合創(chuàng)始人Charles W. Hull提出了立體光刻專利技術(shù)（公開(kāi)號(hào)：US4929402A），同年美國(guó)斯特拉特西斯公司率先提出了選擇性熔融沉積技術(shù)（公開(kāi)號(hào)：US5121329A）,，1994年麻省理工學(xué)院提出了三維印刷專利技術(shù)（公開(kāi)號(hào)：US5340656A）,，以這些原始專利技術(shù)為起點(diǎn)，各類(lèi)3D打印技術(shù)不斷深入發(fā)展,。
美國(guó)是3D打印技術(shù)的起源地,， 2010年前美國(guó)的3D打印專利申請(qǐng)量占據(jù)全球的近90%，絕大多數(shù)的重要專利申請(qǐng)人來(lái)自美國(guó),，比如惠普公司申請(qǐng)量達(dá)901件,，通用電氣478件，斯特拉特西斯公司345件,、3D系統(tǒng)公司327件,。近年來(lái)國(guó)內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，3D打印技術(shù)專利申請(qǐng)量大幅增長(zhǎng),，其中西安交通大學(xué)專利申請(qǐng)量達(dá)到347件,，華南理工大學(xué)310件，華中科技大學(xué)236件,，珠海天威飛馬209件,。

由于3D打印技術(shù)存在著制造效率較低、可打印材料種類(lèi)不多等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,，目前的3D打印技術(shù)還不能完全取代傳統(tǒng)制造加工技術(shù),，市場(chǎng)對(duì)于3D打印進(jìn)入了冷靜觀察期。然而,，3D打印雖不能顛覆傳統(tǒng)制造業(yè),，但可以助推傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，使傳統(tǒng)行業(yè)煥發(fā)新的生機(jī),。下面以三個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)為例,，從專利視角說(shuō)明3D打印技術(shù)對(duì)于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的推動(dòng)作用。


輪胎產(chǎn)業(yè)
輪胎花紋的結(jié)構(gòu)往往呈現(xiàn)出空間三維扭曲,、多弧度,、多角度的特點(diǎn)，輪胎花紋由模具壓制而成,，模具的精密程度直接影響到輪胎的精度和質(zhì)量,，更對(duì)駕駛安全和舒適性產(chǎn)生重要影響,。采用傳統(tǒng)的銑削、沖壓等手段對(duì)機(jī)床,、刀具的要求很高,，而且步驟繁瑣，容易影響輪胎的質(zhì)量,。

米其林在3D打印輪胎上取得了一定的突破,，其在中國(guó)的相關(guān)專利申請(qǐng)達(dá)到了31件，其中大多數(shù)是選擇性激光燒結(jié)制備輪胎模具,，如專利（公告號(hào)：CN103534050B）描述了制造輪胎模具的方法,，模具包括燒結(jié)部分和固定在燒結(jié)部分上的非燒結(jié)部分，燒結(jié)部分具有外殼和位于外殼內(nèi)的芯體,，芯體為內(nèi)部具有多個(gè)空腔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),，制造時(shí)在安裝板的平坦表面上逐層熔合金屬粉末制造燒結(jié)部分，該方法簡(jiǎn)單,、經(jīng)濟(jì)且確保了模具較低的變形量和較高的安全水平,。　　3D打印可以在很短的生產(chǎn)周期內(nèi)制造出復(fù)雜的幾何形狀,，只需一步打印就能完成過(guò)去幾個(gè)步驟才能完成的刀槽花紋,，也無(wú)需人工安裝和焊接，節(jié)省成本,、精度也有保證,，對(duì)輪胎產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)具有推動(dòng)力。

制鞋產(chǎn)業(yè)
對(duì)于熱愛(ài)運(yùn)動(dòng)的人們來(lái)說(shuō),，一雙合腳又懂腳的運(yùn)動(dòng)鞋非常難得,。3D打印技術(shù)在運(yùn)動(dòng)鞋領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，讓量腳定制鞋子變成了現(xiàn)實(shí),。專利數(shù)據(jù)顯示,，耐克、阿迪達(dá)斯等海外制鞋巨頭的專利布局已有十年且專利數(shù)量眾多,，而國(guó)內(nèi)企業(yè)近兩年才開(kāi)始布局且數(shù)量較少,。

耐克在中國(guó)目前有63件3D打印制鞋專利，這些技術(shù)不僅涉及鞋構(gòu)件的制造,，也涉及模具制作等上游技術(shù)。耐克在其flyprint跑鞋的鞋面中使用了3D打印技術(shù),，如專利（公告號(hào)：CN104428126B）可以基于鞋面的局部或整體的期望性能來(lái)調(diào)控材料性質(zhì),，比如增加剛度、支撐,、柔性等,。

阿迪達(dá)斯則在Futurecraft跑鞋產(chǎn)品中運(yùn)用了3D打印技術(shù),，相關(guān)的專利（公開(kāi)號(hào)：CN106263250A）描述了一種3D打印制作的網(wǎng)格鞋底，這樣可以根據(jù)鞋的專業(yè)用途而調(diào)控局部網(wǎng)格結(jié)構(gòu),。

匹克也推出了3D打印運(yùn)動(dòng)跑鞋,，其專利申請(qǐng)文件（公開(kāi)號(hào)：CN108477752A）公開(kāi)了SLS燒結(jié)TPU粉末得到的緩震網(wǎng)格結(jié)構(gòu)鞋底，既能保證了強(qiáng)度,，也提供了出色的柔軟度及緩沖回彈性能,。李寧則宣布推出完全個(gè)人定制化的3D打印運(yùn)動(dòng)鞋，專利申請(qǐng)文件（公開(kāi)號(hào)：CN106447453A）公開(kāi)了李寧的數(shù)字化鞋產(chǎn)品定制方法,。
可見(jiàn)
3D打印技術(shù)不僅有助于實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制,，即“合腳”，也能夠?qū)崿F(xiàn)功能化鞋體的制作,，即“懂腳”,，提高了產(chǎn)品的附加值和技術(shù)含量，助推了產(chǎn)業(yè)升級(jí),。

鑄造產(chǎn)業(yè)
鑄造企業(yè)大都依賴于傳統(tǒng)的鑄造模式,，其中占用時(shí)間最長(zhǎng)的是模具制造、制芯,、造型等過(guò)程,，這大大影響了產(chǎn)品的交付周期。

寧夏共享集團(tuán)是具有50年歷史的鑄造企業(yè),，近年來(lái)其在砂芯3D打印方面布局了約223件專利,。寧夏共享集團(tuán)在專利（公告號(hào)：CN104028711B）中，提出可以設(shè)置多個(gè)工作箱,，某一工作箱位于打印工位時(shí),，鋪粉器和打印頭分別鋪設(shè)粉末和噴射粘合劑進(jìn)行3D打印，打印后轉(zhuǎn)換其他工作箱與打印單元位置對(duì)應(yīng)進(jìn)行3D打印,，之前進(jìn)行的工作箱可進(jìn)行清理工作,，該方案節(jié)省了清理工作箱的時(shí)間，提高了設(shè)備的利用率,。

寧夏共享集團(tuán)將3D打印砂芯模具應(yīng)用到鑄造生產(chǎn)線上,，相比傳統(tǒng)的鑄造工藝，3D打印與鑄造結(jié)合的生產(chǎn)線省去了模具制造環(huán)節(jié),，大大縮短了鑄件交付周期,，不僅使得鑄造業(yè)不再是“傻大黑粗”的行業(yè)，更提升了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí),。

3D打印技術(shù)雖然目前還不能完全取代傳統(tǒng)制造技術(shù)，但是3D打印在輪胎、制鞋,、鑄造等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)嶄露頭角,。面臨發(fā)展困境的傳統(tǒng)企業(yè)一方面可以借助3D打印技術(shù)壓縮生產(chǎn)流程，降低制造成本,，如省去模具制造環(huán)節(jié)或利用3D打印壓縮模具制造環(huán)節(jié)周期,；另一方面可以借助3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)制造技術(shù)難以制造的新產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)新工藝,，如常規(guī)技術(shù)難以制備的網(wǎng)格鞋底,。相信隨著3D打印技術(shù)深入開(kāi)發(fā)，越來(lái)越多的傳統(tǒng)行業(yè)會(huì)從中受益,，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí),。