從專利視角看3D打印助力產業轉型升級
2021-01-07 18:16:56
3D打印技術，即增材制造技術，可以通過不斷疊加和粘合材料層，從無到有地構建出一個完整的功能部件。3D打印帶來的這一轉變對制造流程和產品形態所產生的影響是巨大的，借助3D打印技術，制造產品不再需要設計或制造昂貴的模具，設計者的創意可以直接通過3D打印機成為現實，極大降低了成本和時間。3D打印技術不僅提高了效率，其一體成形的特點可以用于優化復雜零部件的結構，從而達到減輕重量、增加使用壽命、提升性能等效果。 由于3D打印技術對于產業界的革命性影響，各國均重視和鼓勵3D打印這一新興產業的發展。近年來全球3D打印產業產值以兩位數的速度不斷增長，2018年達到了97.95億美元。我國的3D打印產業近5年來始終保持25%以上的增速，2018年我國的3D打印產業達到約319億元的規模。由于相對傳統加工技術，如數控機床加工或注塑成型加工具有突出的優勢，《經濟學人》雜志將3D打印技術比作第四次工業革命。
整體現狀
1986年美國得克薩斯大學率先提出了選擇性激光燒結專利技術（公開號：US4863538A），1989年美國3D系統公司的聯合創始人Charles W. Hull提出了立體光刻專利技術（公開號：US4929402A），同年美國斯特拉特西斯公司率先提出了選擇性熔融沉積技術（公開號：US5121329A），1994年麻省理工學院提出了三維印刷專利技術（公開號：US5340656A），以這些原始專利技術為起點，各類3D打印技術不斷深入發展。 美國是3D打印技術的起源地， 2010年前美國的3D打印專利申請量占據全球的近90%，絕大多數的重要專利申請人來自美國，比如惠普公司申請量達901件，通用電氣478件，斯特拉特西斯公司345件、3D系統公司327件。近年來國內3D打印產業快速發展，3D打印技術專利申請量大幅增長，其中西安交通大學專利申請量達到347件，華南理工大學310件，華中科技大學236件，珠海天威飛馬209件。 由于3D打印技術存在著制造效率較低、可打印材料種類不多等現實問題，目前的3D打印技術還不能完全取代傳統制造加工技術，市場對于3D打印進入了冷靜觀察期。然而，3D打印雖不能顛覆傳統制造業，但可以助推傳統制造業的轉型升級，使傳統行業煥發新的生機。下面以三個傳統行業為例，從專利視角說明3D打印技術對于傳統產業轉型升級的推動作用。
輪胎產業
輪胎花紋的結構往往呈現出空間三維扭曲、多弧度、多角度的特點，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量，更對駕駛安全和舒適性產生重要影響。采用傳統的銑削、沖壓等手段對機床、刀具的要求很高，而且步驟繁瑣，容易影響輪胎的質量。
米其林在3D打印輪胎上取得了一定的突破，其在中國的相關專利申請達到了31件，其中大多數是選擇性激光燒結制備輪胎模具，如專利（公告號：CN103534050B）描述了制造輪胎模具的方法，模具包括燒結部分和固定在燒結部分上的非燒結部分，燒結部分具有外殼和位于外殼內的芯體，芯體為內部具有多個空腔的網狀結構，制造時在安裝板的平坦表面上逐層熔合金屬粉末制造燒結部分，該方法簡單、經濟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周期內制造出復雜的幾何形狀，只需一步打印就能完成過去幾個步驟才能完成的刀槽花紋，也無需人工安裝和焊接，節省成本、精度也有保證，對輪胎產業的轉型升級具有推動力。
制鞋產業
對于熱愛運動的人們來說，一雙合腳又懂腳的運動鞋非常難得。3D打印技術在運動鞋領域的不斷創新與發展，讓量腳定制鞋子變成了現實。專利數據顯示，耐克、阿迪達斯等海外制鞋巨頭的專利布局已有十年且專利數量眾多，而國內企業近兩年才開始布局且數量較少。 耐克在中國目前有63件3D打印制鞋專利，這些技術不僅涉及鞋構件的制造，也涉及模具制作等上游技術。耐克在其flyprint跑鞋的鞋面中使用了3D打印技術，如專利（公告號：CN104428126B）可以基于鞋面的局部或整體的期望性能來調控材料性質，比如增加剛度、支撐、柔性等。 阿迪達斯則在Futurecraft跑鞋產品中運用了3D打印技術，相關的專利（公開號：CN106263250A）描述了一種3D打印制作的網格鞋底，這樣可以根據鞋的專業用途而調控局部網格結構。 匹克也推出了3D打印運動跑鞋，其專利申請文件（公開號：CN108477752A）公開了SLS燒結TPU粉末得到的緩震網格結構鞋底，既能保證了強度，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人定制化的3D打印運動鞋，專利申請文件（公開號：CN106447453A）公開了李寧的數字化鞋產品定制方法。 可見3D打印技術不僅有助于實現個性化定制，即“合腳”，也能夠實現功能化鞋體的制作，即“懂腳”，提高了產品的附加值和技術含量，助推了產業升級。
鑄造產業
鑄造企業大都依賴于傳統的鑄造模式，其中占用時間最長的是模具制造、制芯、造型等過程，這大大影響了產品的交付周期。
寧夏共享集團是具有50年歷史的鑄造企業，近年來其在砂芯3D打印方面布局了約223件專利。寧夏共享集團在專利（公告號：CN104028711B）中，提出可以設置多個工作箱，某一工作箱位于打印工位時，鋪粉器和打印頭分別鋪設粉末和噴射粘合劑進行3D打印，打印后轉換其他工作箱與打印單元位置對應進行3D打印，之前進行的工作箱可進行清理工作，該方案節省了清理工作箱的時間，提高了設備的利用率。
寧夏共享集團將3D打印砂芯模具應用到鑄造生產線上，相比傳統的鑄造工藝，3D打印與鑄造結合的生產線省去了模具制造環節，大大縮短了鑄件交付周期，不僅使得鑄造業不再是“傻大黑粗”的行業，更提升了市場競爭力，實現了產業轉型升級。
3D打印技術雖然目前還不能完全取代傳統制造技術，但是3D打印在輪胎、制鞋、鑄造等傳統產業已經嶄露頭角。面臨發展困境的傳統企業一方面可以借助3D打印技術壓縮生產流程，降低制造成本，如省去模具制造環節或利用3D打印壓縮模具制造環節周期；另一方面可以借助3D打印技術開發傳統制造技術難以制造的新產品，開發新工藝，如常規技術難以制備的網格鞋底。相信隨著3D打印技術深入開發，越來越多的傳統行業會從中受益，實現轉型升級。
