從專利視角看3D打印助力產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級

　　3D打印技術(shù)，即增材制造技術(shù)，可以通過不斷疊加和粘合材料層，從無到有地構(gòu)建出一個完整的功能部件。3D打印帶來的這一轉(zhuǎn)變對制造流程和產(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)計或制造昂貴的模具，設(shè)計者的創(chuàng)意可以直接通過3D打印機成為現(xiàn)實，極大降低了成本和時間。3D打印技術(shù)不僅提高了效率，其一體成形的特點可以用于優(yōu)化復雜零部件的結(jié)構(gòu)，從而達到減輕重量、增加使用壽命、提升性能等效果?！　∮捎?D打印技術(shù)對于產(chǎn)業(yè)界的革命性影響，各國均重視和鼓勵3D打印這一新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近年來全球3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值以兩位數(shù)的速度不斷增長，2018年達到了97.95億美元。我國的3D打印產(chǎn)業(yè)近5年來始終保持25%以上的增速，2018年我國的3D打印產(chǎn)業(yè)達到約319億元的規(guī)模。由于相對傳統(tǒng)加工技術(shù)，如數(shù)控機床加工或注塑成型加工具有突出的優(yōu)勢，《經(jīng)濟學人》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年美國得克薩斯大學率先提出了選擇性激光燒結(jié)專利技術(shù)（公開號：US4863538A），1989年美國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(shù)（公開號：US5121329A），1994年麻省理工學院提出了三維印刷專利技術(shù)（公開號：US5340656A），以這些原始專利技術(shù)為起點，各類3D打印技術(shù)不斷深入發(fā)展?！　∶绹?D打印技術(shù)的起源地， 2010年前美國的3D打印專利申請量占據(jù)全球的近90%，絕大多數(shù)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(tǒng)公司327件。近年來國內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，3D打印技術(shù)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?！　∮捎?D打印技術(shù)存在著制造效率較低、可打印材料種類不多等現(xiàn)實問題，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(tǒng)制造業(yè)，但可以助推傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，使傳統(tǒng)行業(yè)煥發(fā)新的生機。下面以三個傳統(tǒng)行業(yè)為例，從專利視角說明3D打印技術(shù)對于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的推動作用。

　　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，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、沖壓等手段對機床、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，其在中國的相關(guān)專利申請達到了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：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)部具有多個空腔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，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(jié)部分，該方法簡單、經(jīng)濟且確保了模具較低的變形量和較高的安全水平?！　?D打印可以在很短的生產(chǎn)周期內(nèi)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(jié)省成本、精度也有保證，對輪胎產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級具有推動力。

　　制鞋產(chǎn)業(yè)

　　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(shù)在運動鞋領(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。專利數(shù)據(jù)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(shù)量眾多，而國內(nèi)企業(yè)近兩年才開始布局且數(shù)量較少?！　∧涂嗽谥袊壳坝?3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：CN104428126B）可以基于鞋面的局部或整體的期望性能來調(diào)控材料性質(zhì)，比如增加剛度、支撐、柔性等?！　“⒌线_斯則在Futurecraft跑鞋產(chǎn)品中運用了3D打印技術(shù)，相關(guān)的專利（公開號：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)?！　∑タ艘餐瞥隽?D打印運動跑鞋，其專利申請文件（公開號：CN108477752A）公開了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(shù)字化鞋產(chǎn)品定制方法。　　可見3D打印技術(shù)不僅有助于實現(xiàn)個性化定制，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。

　　鑄造產(chǎn)業(yè)

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

　　寧夏共享集團是具有50年歷史的鑄造企業(yè)，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(shè)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(shè)粉末和噴射粘合劑進行3D打印，打印后轉(zhuǎn)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(jié)省了清理工作箱的時間，提高了設(shè)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(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)，更提升了市場競爭力，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

　　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)開發(fā)傳統(tǒng)制造技術(shù)難以制造的新產(chǎn)品，開發(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)深入開發(fā)，越來越多的傳統(tǒng)行業(yè)會從中受益，實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。