1 引言
成立于1986年的3D SYSTEMS公司是全球最大的3D打印解决方案供应商,提供3D打印机、打印耗材、打印软件和培训等产品及服务。3D SYSTEMS率先发明了立体光刻解决方案,产品线包括SLA-立体光刻系列、SLS-选择性激光烧结系列、MJM-多喷头模型系列等,支持光敏聚合物、金属、尼龙纤维、工程塑料和热塑性塑料等多种材料的打印
[1]。
3D SYSTEMS公司业务涵盖3D打印硬件、软件、材料及工艺的全生产链。在自主研发的基础上,从2001年开始,3D SYSTEMS公司陆续收购了几十家3D打印企业,以补充产品线和提升技术实力（见
图1）。
在工艺方面,2001年,3D SYSTEMS公司收购了DTM公司,DTM公司是“选择性激光烧结”(SLS)技术的开发者,持有该技术的基础专利US515532IA;2009年收购了Acu-Cast Technologies公司,该公司拥有在精密零件的快速原型方法与制造方面的优势;2010年7月,收购了压铸模拟造型软件公司Protometal和选择性激光烧结专业技术企业CEP公司;2010年2月,收购位于华盛顿州的精密铸造快速制模企业Moeller Design公司以及两家法国快速成型企业;2012年1月3日收购了Z Corporation和Vidar Systems公司;2013年11月15日收购了PhenixSystems公司,其技术优势在激光烧结技术;2013年年底收购了施乐公司位于俄勒冈州Wilsonville市的产品设计、墨水技术及化学组相关团队的固体墨水打印技术。
在材料方面,2013年12月5日,收购了Figulo公司（3D打印陶瓷技术）;2013年11月15日,收购了PhenixSystems公司,获取其金属及陶瓷打印技术;2013年12月13日,收购了位于俄亥俄州的Village Plastics公司——这是一家制造ABS、PLA和HIPS等塑料材料长丝的3D打印材料制造商,3D SYSTEMS公司收购该公司的目的是获取其用于FDM 3D打印机的长丝材料技术和制造能力。
在应用方面,2013年1月14日,收购了COWEB公司,将应用领域扩展到定制化产品和收藏品;2013年9月10日,收购了SugarLab公司,将Sugar Lab的3D打印的食品技术整合到其消费内容打印平台上;2014年2月19日,收购了从事3D游戏设计与开发的Digital PlaySpace公司;2014年1月3日,收购了Gentle Giant Studios公司,将应用领域扩展到娱乐和玩具行业。
在计算机建模软件方面,2009年收购了桌面工厂(Desktop Factory);2011年4月15日收购了SYCODE;2012年10月9日收购了Rapidform技术;2013年8月7日收购了TeamPlatform公司,获得其云计算的协同设计和项目管理平台技术。
3D SYSTEMS公司主要通过自主研发和收购公司及专利技术进行较全面的专利布局
[2,3],为了解其专利申请态势及布局情况,本文采用定量分析的方法,利用Thomson Data Analyzer（TDA）、Excel等工具,以Thomson Innovation（TI）数据库为数据源,对3D SYSTEMS公司的专利进行了统计分析,揭示该公司专利技术的整体布局态势,以期对该公司的专利布局有较全面的了解。
2 数据获取与研究方法
本文分析数据来自于科睿唯安（Clarivate Analytics,原汤森路透知识产权与科技事业部）TI平台,该数据库除收录DWPI数据以外,还收录来自全球90多个国家和地区的专利数据。利用“专利权人/申请人”构建检索策略“专利权人=(3D ADJ SYSTEM* OR 3 ADJ D ADJ SYSTEM* OR 3DSYS),数据检索日期为2014年2月18日,共检索到527项DWPI专利家族,分析工具采用TDA、Excel等。本文提到的专利家族都来自TI专利数据库中的DWPI专利家族,在同一专利家族中,每件文件出版物互为同族专利,并规定专利家族中第一件被TI数据库收录的专利为基本专利。
3 3D SYSTEMS公司专利布局分析
3.1 专利申请量趋势
3D SYSTEMS公司在3D打印领域全球专利申请趋势如
图2所示,主要分为以下三个阶段。
（1）1984–1994年
3D SYSTEMS公司成立于1986年,这一阶段,申请的专利数量为178项,以立体光刻工艺专利技术为主。其中,仅1988年的数量就达到了88项,占这一阶段专利总数量的49%。
（2）1995–2008年
这一阶段,3D SYSTEMS公司申请的专利数量为318项,占该公司专利总量的60%,此阶段立体光刻的比重开始下降,开始在多喷头技术和热塑性材料选择性喷洒技术方面进行专利布局。
（3）2009年以来
从2009年开始,3D SYSTEMS公司申请专利的数量开始减少,年均数量不足10项,这可能与3D SYSTEMS公司近几年的战略部署有关,同时也与2012年的数据不完整有关,因为专利申请日期和公开日期之间通常有18个月的间隔。在打印工艺方面,这一阶段申请的专利所涉及的工艺有立体光刻、多喷头打印技术等。
3.2 专利申请国家/地区分布
专利申请国家/地区与市场保护地域有直接关联,通过分析3D SYSTEMS公司的专利申请国家/组织分布情况,可以得知其市场保护区域分布。3D SYSTEMS公司的美国专利申请占比最高,如
图3所示,达到该公司专利总量的91.5%,共有482项专利,因此美国是3D SYSTEMS公司的3D打印专利布局的重点。其他主要国家/组织有欧盟、日本、中国,这三个国家/地区专利申请占比为9.5%。
3.3 3D SYSTEMS公司专利技术热点
通过对国际专利分类统计分析得出3D SYSTEMS公司专利技术排名前20位的IPC代码,如
图4和
表1所示。由图表可以看到3D SYSTEMS公司在3D打印领域的专利布局贯穿了3D打印的产业链,在工艺（B29C67/00、B29C 41/12等）、材料（B29K105/24等）、硬件（G05B19/4099等）及软件（G06T17/00等）等方面均进行了专利申请。
根据对专利文献的内容判读,将3D SYSTEMS公司的专利进行工艺、材料、应用的标引,分别对打印工艺、打印材料、应用领域进行专利分析。
3.3.1 打印工艺
在工艺方面,3D SYSTEMS公司通过自主研发加收购的专利布局策略,在3D打印的几种主要工艺方面均有专利布局,如
图5所示。其中,立体光刻（stereolithography,SLA）的专利申请数量最多,其余依次是选择性激光烧结（selective laser sintering,SLS）、熔融沉积成形（fused deposition modeling, FDM）、多喷头打印（multi-jet printing）、热塑性材料选择性喷洒（ink-jet）、叠层实体制作(laminated object manufacturing,LOM)、固基光敏液相 (solid ground curing,SGC)等。
图6对比了3D SYSTEMS公司几种主要工艺的专利申请量随年代的变化趋势,可以看出,SLA工艺起步时间较早,专利以自主研发为主,在1984–2000年间的专利数量领先于其他工艺,是3D SYSTEMS公司最主要的3D打印工艺之一,且SLA持续研发,近几年仍有进行专利申请。其他技术的起步时间虽然略晚,但3D SYSTEMS公司通过“自主研发+收购”的专利模式,扩充了其在SLS、FDM等方面的专利。
在第一阶段（1984–1994年）,3D SYSTEMS公司的专利申请主要集中在SLA和SLS方面,其中SLA共90项,仅1988年就有52项,SLS专利数量为15项。
在第二阶段（1995–2008年）,SLA专利申请数量达到95项,远高于其他工艺。SLS专利数量也较多,共计25项,仅次于SLA。FDM工艺专利数量为17项。在这一阶段,3D SYSTEMS公司开始申请多喷头工艺方面的专利,专利数量为15项,其中1995年申请了12项。Ink-jet工艺专利数量为13项,LOM工艺专利数量为9项。
在第三阶段（2009年–2012年）,专利数量开始减少,这可能与专利申请日期和公开日期之间通常有18个月的间隔导致2012年的数据不完整有关。该阶段SLA专利数量为5项,多喷头1项。
3.3.2 打印材料
材料是3D打印的关键要素之一,3D SYSTEMS公司在3D打印材料方面的专利数量分布见
图7,主要的3D打印材料有聚合物、树脂（包括ABS）、光敏聚合物、金属、蜡、陶瓷、共聚合物等,其中聚合物连同光敏聚合物所占的比重最大,这与3D SYSTEMS公司在立体光刻技术方面的显著优势有关。树脂（包括ABS）也是3D SYSTEMS公司最主要的3D打印材料之一。
图8对比了3D SYSTEMS公司主要打印材料的专利申请量随年代的变化趋势。在第一阶段（1985–1994年）,光敏聚合物、树脂、聚合物是3D SYSTEMS公司最主要的打印材料。在第二阶段（1995–2008年）,光敏聚合物的专利数量有所下降,这与光敏聚合物主要应用于SLA技术且SLA技术专利数量下降有关。聚合物的专利数量在这一阶段上升。树脂的专利走势在经历了第一阶段的较高增长态势后,在第二阶段保持了较稳定的发展,专利数量不断增长,在2005年专利数量达到13项。金属打印材料的专利申请主要集中在第二阶段。
3.3.3 应用领域
3D SYSTEMS公司3D打印技术的应用领域主要有模型制作、医学、电路、航空航天、汽车等,如
图9所示。其中专利申请中提及模型制作应用的专利数量有71项,医学方面的专利数量有35项,电路方面的专利数量为26项。
3.4 3D SYSTEMS公司立体光刻专利分析
3.4.1 申请趋势及主题分析
SLA是3D SYSTEMS公司的优势技术,迄今为止共申请了190项专利族。
图10给出了3D SYSTEMS公司SLA的专利申请数量随年代的趋势变化。在1988–1992年之间其专利申请量出现一个高峰,其中仅1988年就申请了52项专利。1994–2006年期间,SLA的年均专利数量有所减少,不过在1995年和1999年仍旧出现小高峰。对3D SYSTEMS公司在SLA方面的190项专利族进行主题聚类分析,如
图11所示,该公司的SLA技术主题主要涉及“radiation curable catlonic compound”“ultrasonic remove resin”“spacing laminae adjacent formed”等。
3.4.2 SLA重要专利分析
（1）重要专利的筛选
重要专利的筛选需要综合考虑专利的施引专利数量、申请年份及同族专利数量等信息。对于申请年在1990年以前的专利选择引证频次30次以上的,1991–2000年的选择引证频次20次以上的,2000–2010年的选择引证频次10次以上的,近几年的专利选择引证频次在3次以上的;专利家族同族专利成员数量大于4;申请年份：对于某一领域中的重要专利来说,存在的年代越久,为人知晓的可能性就越大,在该专利技术的基础上进行改进的可能性也越大（被淘汰的技术除外）,因此专利的重要性是随着年代而衰减的,所以时间也是判断专利是否重要的一个因素。
依据以上原则,筛选出3D SYSTEMS公司在SLA领域的重要专利,见
表2。其中,US4575330A“Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by Stereolithography”的发明人是3D SYSTEMS公司创始人Hull,是世界上第一件SLA专利,是SLA的基础专利,共被697件专利引用。
2005年申请的专利US20070075461A1,采用了一种可以容纳液态树脂的resin vat应用在立体光刻设备,该resin vat拥有电源端口,可以为加热元件提供电力以加热树脂。
2003年申请的专利US20040229002A1,发明了一种用于立体光刻的半导体晶圆密封和支撑结构,该半导体元件由抗酸腐蚀的材料组成。
（2）SLA重要专利的引证关系分析
3D SYSTEMS公司创始人Hull申请的SLA第一件专利US4575330A,施引专利数量高达697次。筛选出其引用专利和施引专利中被引频次最高的5件专利,作出引证关系如
图12(a)所示。
2005年申请的美国专利US20070075461A1,其DWPI同族专利国家/地区39个,施引专利19件,遴选被引频次TOP5的施引专利作出其引证关系图,如
图12(b)所示。其中被引频次最高的4件专利均属于德国EnvisionTEC GMBH公司,该公司的光敏树脂固化成型的3D打印技术主要应用在牙科等领域,2013年4月该公司推出了其专门面向牙科的3D打印机——3D Dent。
在自引方面,2010年3D SYSTEMS公司在专利US200700754641A1的基础上,申请了US7785093B2,该专利的新颖性体现在每个chamber都有用来升降支撑平台的升降组件。
2003年申请的美国专利US20040229002A1,施引专利12件,其施引专利中被引频次最高的四件专利均为Micon Technology 公司引用,引证关系如
图12(c)所示。
1999年申请的美国专利US6193923B1,虽然其DWPI同族专利国家仅一个,但其施引专利高达107件,遴选其高被引的施引专利,引证关系如
图12(d)所示。
1998年申请的美国专利US5989476A,其DWPI同族专利国家/地区81个,施引专利37件,其中被GEO2 Technologies Inc公司的3件专利引用;在引用专利方面,该专利引用了Minnesota Mining and Manufacturing公司的3件施引次数较高的专利。
1990年申请的美国US5141680A,其DWPI同族专利国家/地区仅一个,却是3D SYSTEMS公司SLA施引专利计数最高的专利,施引专利数为145件,引证关系如
图12(f)所示。
从
图12(a)(d)(f)可以看出,3D SYSTEMS公司与另一个3D打印的“巨头”Stratasys公司之间在SLA领域的多项技术存在交叉引证的现象。它们在各自的技术中具有相关性或在彼此的基础上进行了技术改进,有效地避开对手公司利用专利所造成的技术壁垒。
3.5 3D SYSTEMS公司选择性激光烧结专利分析
3.5.1 申请趋势及主题分析
SLS是利用粉末材料在激光照射下烧结的原理,在计算机控制下层层堆积成型。3D SYSTEMS公司在SLS方面的专利战略是“自主研发+收购”,截止2014年2月,共有SLS专利族41项。
图13给出了SLS专利申请数量随年代的变化趋势。可以看到,SLS研发态势总体保持基本平稳,只是在2002–2004年出现了申请小高峰。2001年,3D SYSTEMS公司收购了DTM公司,DTM公司是SLS技术的最早开发者,持有该技术的基础专利US515532IA,之后2013年3D SYSTEMS公司收购了Phenix Systems,Phenix是一家全球领先的直接金属SLS打印机生产商。
通过对41项SLS专利族进行主题聚类分析,发现3D SYSTEMS公司的SLS专利技术主题主要集中在“Peaks,Disclosed Two-tier Distribution,Rates”“Resinforcement Powder, Polycarbonate Polystyrene”“Controlling Raster Pitch”等,如
图14所示。
3.5.2 重要专利分析
根据SLS专利的被引整体情况,采用“申请时间1990–2000年被引频次大于25次且专利家族同族专利成员数量大于3或申请时间2001–2010年被引频次大于4次且专利家族同族专利成员数量大于3”的规则遴选出SLS的重要专利如
表3所示。
2003年申请的US6814926B2是3D SYSTEMS公司的自主研发专利,研发了一种可用于激光烧结的粉末混料,该混料由合金钢、聚合粘合剂、高熔点微粒子组成。该专利公开后,共被8件专利引用（如
图15所示）。其中,波音公司2003年申请的US7540996B2是将钛合金等金属材料应用在选择性激光烧结技术,ORMCO公司将SLS应用在牙科方面,用来制作牙齿矫正支架。
在US6814926B2专利的引用专利方面,
图15只列举了被引频次排名前5位的引用专利,3D SYSTEMS公司2003年申请的SLS专利引用了麻省理工学院1992年和1993年申请的3D打印专利、得克萨斯大学1986年和1989年申请的SLS制造零件及波束烧结多材料系统的专利。
4 结语
3D SYSTEMS作为世界最早研发3D打印的公司,通过30年来对3D打印技术创新的持续投入,针对3D打印工艺、材料、应用等形成了深厚的技术积累,持有全球最多的3D打印专利,已经发展成覆盖3D打印工艺、材料到应用服务的全产业链的巨头。3D SYSTEMS公司的专利布局意识强烈,在美国、欧洲、中国等主要市场形成了有针对性的专利布局战略。本文运用专利分析的方法,从3D打印工艺、材料、应用三个方面针对3D SYSTEMS公司的专利布局进行了详细分析,以期从专利的角度了解3D SYSTEMS公司,同时为国内3D打印企业如何进行专利布局提供些许思路。
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