吳 落

廣州三環(huán)專利商標(biāo)代理有限公司

1 引言

3D打印技術(shù)學(xué)名為增材制造技術(shù)，是一種直接根據(jù)圖形數(shù)據(jù)，通過疊加材料的方法生成立體空間物體的技術(shù)[1]。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展以及打印材料、工藝和設(shè)備的不斷成熟，3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，有醫(yī)療器械與用品、汽車零部件、軍用裝備等高端制造領(lǐng)域，也有日常生活用品，如造型奇特的擺件、精美的電子產(chǎn)品外殼，可見該技術(shù)正在改變?nèi)藗兊纳罘绞胶蜕a(chǎn)模式。

2016年我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在頒發(fā)的《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中提到“積極開展建筑業(yè)3D打印設(shè)備及材料的研究”。3D打印技術(shù)作為一項新興技術(shù)，其在建筑領(lǐng)域的運用，不僅可縮短工期、提高效率[2]，還可充分利用建筑垃圾減少環(huán)境污染并兼顧藝術(shù)性，不難預(yù)見其對建筑行業(yè)發(fā)展的影響是不可估量的。國內(nèi)外學(xué)者和相關(guān)行業(yè)，對3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域運用做了大量的研究和實踐，如表1所示，在該領(lǐng)域的研究主要集中在打印材料和打印設(shè)備兩個方面，國外研究人員更加注重在材料方面的研究，國內(nèi)主要集中在打印設(shè)備的研究[3]。如周奇才等人采用有限元分析論證了龍門式機架的可行性并闡述了打印機控制系統(tǒng)的控制思路和打印流程[4]。高鵬舉[5]提出應(yīng)從設(shè)計創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)力學(xué)的構(gòu)造和新材料三個方面來解決如何利用3D打印技術(shù)打印高層建筑的問題。韓立芳等人[6]就混凝土建筑3D打印中線寬控制問題，展開了詳細(xì)的因素分析，并針對出現(xiàn)的問題結(jié)合試驗測試，對線寬控制方法進行了改進，獲得了較為理想的打印效果。齊甦等人[7]從材料的可建造性、層間黏結(jié)強度、干燥收縮率、臨界失效時間等方面對3D打印建筑用混凝土材料的研究做了歸納總結(jié)，并指出混凝土材料是3D打印建筑施工中發(fā)展的基礎(chǔ)也是制約技術(shù)發(fā)展的瓶頸。中國混凝土與水泥制品協(xié)會3D打印分會發(fā)布了2019年度建筑3D打印行業(yè)技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展報告，報告中指出建筑3D打印軟件、設(shè)備、打印材料、建筑結(jié)構(gòu)體系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均是目前建筑3D打印技術(shù)發(fā)展中亟待解決的問題[8]。在實踐方面，我國的3D打印技術(shù)起步較晚，但發(fā)展迅速，于2014年在上海青浦園區(qū)利用建筑垃圾中提取制造出來的建筑原料僅用了24小時打印了10幢建筑物。首個原位3D打印技術(shù)試驗田在我國廣東河源開始動工;首例原位3D打印雙層建筑在我國誕生?？梢?，自3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的初探以來，諸多研發(fā)團體對其進行了大量研究并付諸實踐，在打印材料與設(shè)備方面的創(chuàng)新成果突出。

表1 建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)創(chuàng)新分布

本文以專利數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對建筑領(lǐng)域中3D打印的相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新進行了統(tǒng)計分析，并著重分析了國內(nèi)在設(shè)備方面的專利情況，以期通過對相關(guān)專利信息的梳理為建筑領(lǐng)域中3D打印設(shè)備的創(chuàng)新研究提供參考。

具體以商業(yè)數(shù)據(jù)庫HIMMPAT和INCOAPT為檢索數(shù)據(jù)來源，采用分類號與關(guān)鍵詞的方式進行專利檢索，經(jīng)過去噪和申請?zhí)柡喜⒑?，截?021年1月共獲得由691件專利申請文件組成的數(shù)據(jù)樣本；并對這些專利技術(shù)進行初步分析，以期獲得建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)中設(shè)備分支技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對該技術(shù)的未來發(fā)展進行展望。

2 專利分析

本節(jié)從我國專利技術(shù)發(fā)展趨勢、技術(shù)生命周期、國內(nèi)創(chuàng)新主體類型、專利當(dāng)前法律狀態(tài)、專利技術(shù)及其應(yīng)用等維度對建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)進行分析。

2.1 技術(shù)發(fā)展趨勢分析

通過專利申請和公開趨勢可以從宏觀層面把握我國建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)在不同年份的專利申請的變化，其中統(tǒng)計的數(shù)據(jù)均為目前已公開的專利申請。圖1展示的是專利申請量的發(fā)展趨勢。由于專利申請從提交申請到公開需要一定時間，通過圖中的每年申請專利數(shù)量與公開專利數(shù)量的折線圖的對比，不難發(fā)現(xiàn)專利公開具有一定的滯后，同時也反映了我國專利公開速度正在加快。從該圖中可以發(fā)現(xiàn)，我國首次出現(xiàn)在建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)中設(shè)備分支技術(shù)的專利申請是在2013年，具體為利用3D技術(shù)來修復(fù)歷史建筑磚雕、3D打印噴嘴、工程結(jié)構(gòu)的3D打印等。同年，荷蘭建筑師與意大利發(fā)明家共同完成了兩層現(xiàn)代建筑的打印[1]。事實上，早年就出現(xiàn)了利用陶瓷粉末、塑料等材料進行3D建筑模型的制作，而此次完成的3D建筑打印尚為首次。在此之后，在短短兩年內(nèi)我國專利申請量達到123件，并且至今一直保持著較高的專利申請，反映出我國在該技術(shù)上一直處于較高水平的研發(fā)狀態(tài)，但由于該技術(shù)的應(yīng)用尚處于初級階段，還有諸多關(guān)鍵未突破，從專利申請量來看，尚未出現(xiàn)噴發(fā)式增長。

圖1 專利申請與公開量的發(fā)展趨勢

2.2 創(chuàng)新主體類型分析

專利申請人作為技術(shù)創(chuàng)新主體的權(quán)利擁有者，其類型反映了技術(shù)研發(fā)的主要來源。截至目前，我國建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的主要研發(fā)為企業(yè)、大專院校和個人。其中企業(yè)的占比最高，達到70%，大專院校次之為17%，個人為13%。而企業(yè)作為技術(shù)的主要實施者，在該技術(shù)發(fā)展初期就成為該技術(shù)的主要研發(fā)者，反映了我國在該技術(shù)上的研發(fā)主要是偏應(yīng)用性，對于該技術(shù)的基礎(chǔ)性研究偏少，從大專院校的占比較少和無科研機構(gòu)的參與也進一步說明了該現(xiàn)象。

2.3 專利當(dāng)前法律狀態(tài)分析

專利法律狀態(tài)具體分為專利權(quán)審中、有效、失效三種狀態(tài)。經(jīng)過分析不難發(fā)現(xiàn)，我國建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)中有57%的專利處于有效狀態(tài)，專利處于實質(zhì)審查的占比為26%，失效專利的占比為17%，其中有9%的專利因駁回而失效，這一定程度上反映了該領(lǐng)域?qū)＠募夹g(shù)創(chuàng)新較低，亟待需要具有高價值的專利技術(shù)出現(xiàn)。

2.4 專利技術(shù)及其應(yīng)用占比分析

對我國建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)設(shè)備及其應(yīng)用的專利技術(shù)作了分解，具體如圖2所示，從專利技術(shù)的角度來看，3D打印技術(shù)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的改進占比最高為52.27%，其次，對打印噴頭以及材料供應(yīng)系統(tǒng)方面的改進，對控制裝置的改進最少，而機器人的引入多是提高打印過程對整體打印過程的把控和節(jié)約人工對打印過程的干預(yù)。從專利技術(shù)應(yīng)用的角度來看，對墻體、構(gòu)件等建筑裝配部件的研發(fā)較多，多以利用3D打印來獲得建筑模塊化技術(shù)的應(yīng)用?？梢?，3D打印建筑技術(shù)主要是在裝配式建筑中的應(yīng)用。

圖2 專利技術(shù)及其應(yīng)用分布圖

3 結(jié)束語

經(jīng)過分析不難發(fā)現(xiàn)，我國建筑領(lǐng)域中3D打印技術(shù)仍處于技術(shù)發(fā)展的初級階段，仍有大量關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，且企業(yè)則是該技術(shù)領(lǐng)域中主要的創(chuàng)新主體，說明我國在該技術(shù)領(lǐng)域的研究偏應(yīng)用型；同時該技術(shù)領(lǐng)域的專利有效率偏低，缺乏高價值專利技術(shù)。基于上述緣由，現(xiàn)提出以下建議。

（1）繼續(xù)發(fā)揮3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑部品、構(gòu)件的生產(chǎn)，利用3D打印機技術(shù)可以輕松制作各類形狀奇特的構(gòu)件，特別是與BIIM技術(shù)的融合，可為裝配式建筑提供可行性技術(shù)。

（2）將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)建筑技術(shù)相結(jié)合，體現(xiàn)了新基建思想，打破了建筑行業(yè)的傳統(tǒng)發(fā)展模式，促使其向高新技術(shù)領(lǐng)域拓展，推動建筑企業(yè)不斷升級發(fā)展。

（3）原位3D打印建筑技術(shù)是技術(shù)創(chuàng)新重要部分，特別是原位3D打印對高層建筑的施工和大規(guī)模化的建筑工程還有待于研發(fā)。