由專利地圖角度介紹3D列印技術(上)

王文宏/中銓國際專利商標事務所 主任工程師

由專利地圖角度介紹3D列印技術(上)

壹、3D列印技術簡介

一、  近代3D列印發展概況:

    拜電腦控制技術突飛猛進之賜，3D列印技術打破了過去只能列印2D之思維，什麼都可用3D列印複製，例如: 公仔、鏡框、手機保護殼，乃至自行車、汽車、醫療器材、到人造臉、器官、骨骼……等等，統統都可以用3D列印技術複製出來。

由於3D列印相較於傳統擠壓或是射出成形的加工技術少了模具的需求，所以相對成本較低。再者，若與加工機切削成型的技術，則是少了材料的浪費，因此3D列印的優勢會在於相對廉價的快速製造少量零件，無怪乎於2012 年3月英國《經濟學人》雜誌以「第三次工業革命」來預測這項技術將顛覆傳統製造業的生態和生產方式。

在1984年，Charles Hull開始研發3D列印技術並自立門戶，創辦了世界上第一家3D列印技術公司，也是現在的3D市場領軍者之一3D Systems 公司，且於2012年併購了Corp Z和Vidar Systems。

在1988年，Scott Crump發明了FDM（熱熔擠制成型）技術，並成立了現在的Stratasys公司，且收購了以色列的Objet公司，從而成為全球最大的3D印表機製造商。

    在1989年，美國麻省理工學院的Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty等在美國申請了三維印刷技術的專利，之後Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty又多次對該技術進行完善，形成了現在的三維列印工藝。於1993年，麻省理工學院獲3D印刷技術專利。另在1995年，美國Corp Z公司從麻省理工學院獲得唯一授權並開始開發3D印表機。

   在2005年，市場上首個高清晰彩色3D印表機Spectrum Z510由Corp Z公司研製成功。

   在2008年，Objet公司 推出Connex 500，讓多材料3D列印成為可能。

    在2011年，發佈了全球第一款3D列印的比基尼。同年7月，英國研究人員開發出世界上第一台3D巧克力印表機。童年8月，南安普敦大學的工程師們開發出世界上第一架3D列印的飛機。

    在2012年11月，蘇格蘭科學家利用人體細胞首次列印出人造肝臟組織。(註:上述年份發展資料取自網站: http://www.dddyin.com/thread-2754-1-1.html)

    綜上所述，3D列印技術在美國已經產業化，目前全球有兩家3D印表機製造巨頭，分別Stratasys和3D Systems，均在美國納斯達克上市，2011年營業收入分別為1.7億美元和2.9億美元。目前國外3D印表機製造商主要有：商用3D印表機主要製造商包括Stratasys，Objet Geometries，Z Corporation， 3D Systems等。家用3D印表機主要製造商有Reprap，Makerbot Industries，Ultimaker，Botmill，Fab@Home等。

    儘管最近3D列印技術之話題很火紅，但到底是哪一國家、哪一家公司掌握到3D列印技術的關鍵零組件的專利，藉此搶佔3D列印產品的商機，因此我們可藉由3D列印技術的專利分析來一窺大廠的3D列印技術全球專利佈局的概況。

二、簡述3D列印的技術原理

儘管3D列印有多種不同工藝技術，但基本原理都和3D列印相同，即將一定厚度的材料反覆列印在平台上，迴圈往複，直到生成整個成型件。按照不同的實作工藝，材料可以是紙張、塑料、金屬、陶瓷等各種材料。一個淺顯的事例為，儘管紙張看似是二維的，但是由於具有一定厚度，將紙張一層層疊加起來，就能組成3D實體。

三、3D列印技術的種類

1. 光固化立體造型（SLA）

　　光固化技術是最早發展起來的快速成型技術，也是目前研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的快速成型技術之一。光固化技術，主要使用光敏樹脂為材料，通過紫外光或者其他光源照射凝固成型，逐層固化，最終得到完整的產品，代表廠商： 3D System、Object公司等。其大致結構如下圖所示：

2.熔融沉積造型（FDM）

　　熔融沉積又叫熔絲沉積，它是將絲狀熱熔性材料加熱融化，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來。熱熔材料融化後從噴嘴噴出，沉積在製作面板或者前一層已固化的材料上，溫度低於固化溫度後開始固化，通過材料的層層堆積形成最終成品。大致結構如下圖所示：

3.三維粉末黏接（3DP）

3DP技術由美國麻省理工大學開發成功，原料使用粉末材料，如陶瓷粉末、金屬粉末、塑膠粉末等，3DP技術工作原理是，先鋪一層粉末，然後使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區域，讓材料粉末黏接，形成零件截面，然後不斷重複鋪粉、噴塗、黏接的過程，層層疊加，獲得最終列印出來的零件。大致結構如下圖所示：

4. 選擇性鐳射燒結（SLS）

該技術由美國德克薩斯大學提出，于1992年開發了商業成型機。SLS利用粉末材料在鐳射照射下燒結的原理，由電腦控制層層堆結成型。SLS技術同樣是使用層疊堆積成型，所不同的是，它首先鋪一層粉末材料，將材料預熱到接近熔化點，再使用鐳射在該層截面上掃描，使粉末溫度升至熔化點，然後燒結形成黏接，接著不斷重複鋪粉、燒結的過程，直至完成整個模型成型。大致結構如下：

鐳射燒結技術可以使用非常多的粉末材料，並製成相應材質的成品，鐳射燒結的成品精度好、強度高，但是最主要的優勢還是在於金屬成品的製作。鐳射燒結可以直接燒結金屬零件，也可以間接燒結金屬零件，最終成品的強度遠遠優於其他3D列印技術。SLS家族最知名的是德國EOS的M系列。

四、專利檢索

1、使用專利資料庫:我們選用擁有八十多個國家等專利數的歐盟專利資料庫為檢索對象，據以提高專利地圖統計分析的準確性。

2、技術主題的IPC國際專利分類的落點。

3、 檢索策略:

參照上述技術主題所落入IPC國際專利分類的落點，迄今(西元2013/08/20以前)共有1千多筆專利家族數，且其總專利數共4千多件(這包含分割案、延續案) 

…待續

關鍵字:3D列印、專利地圖、SLA、FDM、3DP、SLS、光固化、熔融沉積、粉末黏接、鐳射燒結、專利檢索、IPC、第三次工業革命