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(1.西南交通大学公共管理与政法学院，四川成都 610031;2.南京理工大学知识产权学院，江苏南京 210094)

摘要：3D打印在中国面临大规模产业化的起点，作为一项新兴的融合型技术，其产业化路径具有区别于传统技术的特异性。从专利情报和技术融合视角探究其产业化模式和路径选择，提炼技术融合对技术产业化的影响机理，依托迈克尔波特对零散型产业的界定，提出“3D打印+”产业化模式选择，探究其与制造业、互联网融合趋势及前景。应用产业技术融合测量方法，实证揭示中国3D打印专利在技术结构上的不均衡性和技术融合上的多样性，为中国3D打印技术及其产业化发展提出相关对策与建议。

0 引言

3D打印又名“增材制造”，即采用分层叠加与材料逐层堆积方式制造产品。该种制造的产生与定义始于1972年Ciraud利用能量束对可熔材料进行分层塑型构造。1997年，在世界技术评价中心出版的报告中，Beaman指出日本人Hideo Kodama于1981年第一个制造出功能性分层叠加制造系统，3M公司的Alan Herbert随后在1982年发展了这一技术。1986年，Chuck Hull[1]发明了立体光刻(Stereolithography)3D打印技术并申请专利，成为3D打印领域最早的专利技术。但在接下来的20年， 3D打印技术一直停留在研究机构和大型企业实验室中，未实现产业化应用，一个原因就在于作为一项“颠覆性”技术，其未能与传统产业实现融合发展，应用市场尚未完全打开。

随着技术的不断发展及传统制造技术不能完全满足产业需求，3D打印逐渐走入市场与用户视野。3D打印可降低生产制造投入和产出成本，具有体量小、客户化定制、产品高价值及与其它产业高度融合等特点，将引起劳动力结构变化,导致供应链数字化和本土化[2]，并由此引发人们探索一条降低单位GDP能耗、保护生态环境、提升制造业集成与融合度的新型工业化之路。

1 研究进展与理论溯源

1.1 3D打印技术与产业发展

3D打印技术目前有十几种主要工艺过程，可基于打印材料的物理状态分为液态、固态和粉末3种工艺，亦可基于分子层面融化物质方式，分为热光、UV光、激光和电子束4种。2013年，全球3D打印市场规模约为40亿美元，相比2012年翻了一番，其中美国约占15亿美元，中国约占3亿美元。预计到2017年，3D打印设备销售额将接近60亿美元，而中国市场规模将突破16亿美元，全球3D打印市场规模将于2025年达到2 300～5 500亿美元[3]。根据产业化市场、用户、产品尺寸和用途，又可分为工业级3D打印和桌面级3D打印两类，其特点在于工业级3D打印与传统制造业融合和替代作用明显，具有助推制造业升级的潜力和战略意义，其技术性和战略性意义较大；而桌面级3D打印以生产具有工业美感的小尺寸物品为主，其对众创和互联网开源社区的潜在影响较大，与知识产权等制度要素的关联性较强[4]。目前，基于专利视角对3D打印的研究主要集中在技术竞争态势、技术热点与空白、技术主题等方面[5]，而对产业层面、技术与产业关联性的研究较少。3D打印作为战略性新兴技术，以引导和促进技术产业化为目的对其进行研究，对于厘清产业格局、促进产业化发展具有重要意义。

1.2 3D打印产业化模式

未来3D打印将实现以下突破：一是被用于制造更加复杂的几何结构；二是通过网络平台实现用户参与；三是实现供应链数字化和本地化重构[6]。作为一次“新工业革命”，3D打印的设计蓝图将被互联网加速传播，并将带来个人化和本土化制造普及。有学者将3D打印比作社会变迁的重要组成部分，其将数据变成实物，又将实物变成数据，为知识经济作出巨大贡献。在对知识经济的影响方面，3D打印时代，制造变得更加分散而信息变得更无边界，由此将重新定义社会经济活动的新边界[7]。国外学者对3D打印产业化模式进行了一些探索。Rayna和Striukova[8]围绕价值主张、价值创造、价值获取、价值交流、价值传递5个方面，对3D打印商业模式创新进行了系统论述；West 和Kuk[9]依托开放式创新理论，对MakerBot和Thingiverse两大3D打印网络平台经营案例进行挖掘，理论性探讨了3D打印开放式创新模式及其对在线营销的现实影响；Rayna等[10]研究了3D打印协作创造与用户创新模式，归纳提出3D打印大规模定制产业化创新模式。国内学者在本领域的研究比较少见。

1.3 3D打印与技术融合

通过技术融合理论和测量方法衡量一个特定技术对其它不同技术整合吸纳程度[11]，亦指不同技术轨道整合导致不同技术元素的整合过程[12]。Rosenberg基于对美国机械产业与通用技术整合的研究，于20世纪60年代提出“技术融合”的概念，由此开启了“产业融合”领域研究。产业融合建立在规模化技术融合的基础上，是技术融合在产业层面的具体体现，也是技术进入新产业领域的表征。依据Curran的技术融合演化路径，知识融合带来的不同学科领域交叉融合会催生面向应用的技术融合，缩短技术发展与应用科学之间的距离。而新技术融合又会引发新市场与新应用的融合，为技术产业化带来机会。当新技术实现了对新产品与新市场的创造和整合后，就会使不同产业间的邻近性增强，最终形成产业融合[13]。产业融合并非知识融合的终结，相反，其将继续作用于新知识的产生，孕育下一轮新知识融合，同时形成技术产业化规模效应(见图1)。

从专利产业分类角度看，3D打印涵盖特殊机械、材料冶金、医学技术、纺织和造纸机器、计算机技术、高分子化学聚合物六大产业领域；从市场应用角度看，则涉及先进制造、软件、生物、材料、电子、互联网等产业大类，是一个典型的多领域技术交叉融合型产业。 3D打印技术范式的产生既是知识融合、技术融合的结果，又是对多技术轨道进行融合创新的代表性产物，其产业化依赖于市场融合与产业融合的形成。

2 3D打印产业化路径选择机理

波特[14]指出，零散型产业主要包括服务业、零售业、分销业、木材和金属制作加工业、创造性行业及农产品业。这些零散型产业面临高初始成本和后期成本急剧下降、无规模经济或经验曲线、技术和商业模式不确定、行业法律法规不健全等战略局限，同时还存在进入壁垒较低、产品质量不稳定、规模优势不明显、产品差异化不明显、知识产权风险较高等产业化障碍。基于对3D打印全产业链的研究可以发现，3D打印产业有着鲜明的零散型产业特征。实际上，3D打印可实现对多个零散型产业的整合，形成“3D打印+”制造新模式(见图2)。结合技术专家咨询意见及上文论述，工业级3D打印工艺方法属于制造业范畴，其对传统制造业有着潜在替代效应，但由于目前技术成本较高，对传统制造业的完全替代效应尚难实现，其与传统制造技术融合、并存可能成为未来一段时间内3D 打印技术产业发展的重要趋势[3]。与工业级3D打印不同，桌面级3D打印带来的数字共享与商业模式创新离不开互联网技术的有效支撑，与互联网产业融合越深，3D打印产业商业模式越成熟[10]。本文从专利情报视角，对3D打印在制造业与互联网两个领域的融合发展趋势进行研究。

2.1 与传统制造业技术融合

技术变迁对于产业的影响有时是革命性的，这种革命性主要是由于新技术的产生对传统技术生态系统带来更多不确定，打破了原有技术生态系统的稳定性，相关产业可能会在新技术轨道上延续发展，这种技术路径转轨或中断会对以原始技术为主导的产业价值创造与掘取带来较大冲击，并导致产业格局发生重大调整[15]。3D打印技术与传统产业融合应具备以下几个条件：①传统产业制造工艺应与3D打印工艺原理相关联，这是促使3D打印实现产业化应用的基础；②3D打印技术工艺创新可为传统制造工艺带来明显进步，使产品性能更优，使3D打印产业化更具市场前景；③3D打印技术与传统制造业融合，具有压缩传统制造业原有成本的空间和潜力。

3D打印相对于传统制造技术在工艺上的革新亦将对原始技术生态系统带来扰动，并对传统制造业技术创新和产业格局产生深刻影响。法国科技观察所、法国国家工业产权局与德国弗朗霍夫系统和创新研究所共同编制的《国际专利分类号与技术领域对照表》将产业与专利对应起来[16]，通过对检索得到的全球3D打印发明专利申请的IPC与制造业涵盖的IPC进行关联统计发现，3D打印与制造业相关的专利申请从2002年起就保持较高水平，从2012年起增长显著，说明3D打印与制造业融合趋势与日俱增(见图3)。

(数据来源：incoPat专利数据库，检索时间：2016年5月28日，下同)

2.2 与互联网技术融合

从3D打印产品数字化模型构建，到设计文件传播与共享，再到3D打印机与计算机设备互联与控制，都离不开互联网支撑，互联网与传统产业融合扩大了传统产业的受众范围和影响程度。随着中国3D打印技术和产业的不断发展，形成了一大批互联网产业化运作平台，这些3D打印与互联网融合形成的商业化平台为3D打印创意设计、设备、材料、产品商品化、市场化和产业化提供了新营销渠道与行业空间，每一种平台又具有特定供货方、消费群、商品载体、技术支撑和盈利模式，这种互联网视野下的3D打印产业化模式是对主要依赖研发创新和传统营销、物流渠道的传统制造业产业化模式的创新，也为 “互联网+制造”产业化运作提供了新机遇。

本文通过对检索得到的全球3D打印发明专利申请的IPC与互联网涵盖的IPC进行关联统计发现(见图4)，3D打印技术中与互联网技术相关的专利申请从2010年起显著增加，这一时间节点与媒体对3D打印关注度的上升基本一致，标志着3D打印与互联网融合开始，随后下降趋势则与桌面级3D打印技术门槛降低和商业模式不成熟密切相关。未来，随着技术瓶颈突破带来的需求扩张，“互联网+3D打印”将有更大的市场空间。

3 基于专利的3D打印产业技术融合

3.1 3D打印产业化专利基础

专利作为技术发展与产业测量的最佳载体，对于揭示技术产业化市场与技术空间有着重要启示。通过检索incoPat专利数据系统与咨询技术专家意见，本文构建囊括3D打印主流技术工艺与核心技术关键词的专利检索式(TIAB=((("3D print*") OR ("three dimension* print*") OR (3D manufact*) OR (three dimension* manufact*) OR ("additive manufact*") OR (selective laser sintering) OR (direct metal laser sintering) OR (fused deposit model*) OR (stereolithograph*) OR (digital light processing) OR (fused filament fabricat*) OR (melted extrusion model*) OR (laminated object* manufact*) OR (electron* beam freeform fabricat*) OR (selective heat sintering) OR (powder bed inkjet head))))。基于发明专利申请年份可见，3D打印专利申请从1997年起至今均保持在700件/年以上。从2006年起，“3D打印”这一更富商业化的词汇逐渐替代“增材制造”，全球由技术研发转向研发与商业化并举态势，市场逐渐繁荣，全球呈3D打印专利申请激增态势。2014年达到3 500件，出现申请峰值，中国专利申请激增趋势较其它各国及地区更为明显，反映出当前中国3D打印专利竞争趋热(见图5)。通过对技术文献梳理和咨询行业专家意见，本文整理了全球3D打印19种主要工艺及其技术路线图的时间轴演进趋势，对与每种工艺相关的专利申请数量进行统计(见图6)。从中发现，数字光处理(DLP)、立体光刻(SLA)、选择性激光烧结/选择性热烧结(SLS/SHS)、电子束熔炼(EBM)和分层实体制造(LOM)相关专利数量最多，具备较好的专利技术基础。

(数据来源：incoPat专利数据库，检索时间：2016年3月5日；根据专利申请数量，实线表示成熟技术工艺，虚线表示欠成熟技术工艺)

3.2 3D打印产业技术融合度测量

(1)3D打印产业专利技术融合结构。“技术融合”体现在同一件专利的多个IPC分类上，即如果一项专利包含多个IPC分类号，则该件专利技术就是一项融合性专利技术。本文将检索得到的6 263件全球已授权且有效发明专利和其中的2 426件中国发明专利的全部IPC进行人工统计归类，与《国际专利分类号与技术领域对照表》中的35个产业领域相对应，刻画全球和中国3D打印产业专利技术融合结构，进而建立产业技术融合矩阵，厘清中国3D打印产业专利交叉融合现状。例如，《对照表》中第26类机器工具对应的IPC包括B21#、B23#、B24#、B26D、B26F、B27#、B30#、B25B、B25C、B25D、B25F、B25G、B25H、B26B，对检索得到的包含以上IPC分类的专利出现频次进行简单计数，得出表1所示的产业专利技术融合结构。从中发现，3D打印产业全球专利占比由高到低融合了机器工具、其它特殊机械、纺织和造纸机器、材料冶金、测量、化学工程、表面加工技术与涂层等24个关键产业领域。将全球与中国专利技术融合结构进行对比可知，中国3D打印技术在传统机械工程和电气工程领域具有专利占比优势，而在材料冶金、化工、表面加工技术与涂层、医学技术、其它消费品、高分子化学与聚合物、半导体、测量、基础材料化学、家具与游戏、食品化学、发动机泵涡轮机等领域则与全球水平差距较大，反映出中国3D打印专利在技术结构上存在一定不均衡现象，尤其在3D打印材料、高精度3D打印(取决于表面加工和测量技术)和面向应用市场的医学技术、消费品、家具与游戏、发动机等领域，关键技术不足制约专利技术商品化、市场化和产业化的实现。

(2)3D打印产业专利技术融合矩阵。为进一步刻画不同技术与产业间的融合紧密度，本文以5个产业大类中我国3D打印专利占比分别较大的两个关键产业小类(共计10个产业小类)为坐标，构建产业专利技术融合矩阵，测量中国3D打印产业专利技术融合度(基于检索得到的2 426件中国发明专利)。表2中数字为同时融合横坐标轴与纵坐标轴相对应的两类产业3D打印专利数，这一数值表明了专利在不同产业的共现和融合情况。

本文借鉴Breschi提出的量化研究技术融合度余弦相似度法(Breschi et al.，2003)，即：

其中，Sxy代表两项技术(或产业)x和y基于共现理论与其它技术类别的关联度，m代表技术(或产业)类别，Sxy值越趋近于1，表明x与y间的融合度越高；反之，Sxy越趋近于0，则表明融合度越低。由此，对表2中数值使用SPSS软件进行余弦相似度换算，可得如表3所示的技术融合度测量结果。由表3可见，我国3D打印专利十大产业(或称关键技术)之间融合度高低差异化明显，虽然技术融合呈现多样性，但关键技术间紧密度不一致。

4 研究结论与启示

研究发现，3D打印产业技术融合呈现多样性，但关键技术之间的紧密度分化明显。具体而言，计算机与电子信息在3D打印产业的融合度为0.79，机器工具与电子信息、计算机、测量、控制、材料冶金、化学工程的技术融合度普遍较高，测量与电子信息、计算机技术的专利技术融合度分别为0.86和0.96，位于较高水平，表明我国3D打印在上述领域产业融合与技术协同创新已初步形成。而面向3D打印大众应用市场的家具游戏、其它消费品与其它产业融合度则普遍偏低，反映出3D打印产业大众应用市场尚未完全打开，专利技术大众市场应用性尚未完全发挥；代表3D打印材料技术的材料冶金和化学工程两个领域的融合度也均未达到0.5，纺织造纸机器和测量技术与其它产业的融合度仅为0.01，技术融合水平偏低，说明该领域的专利研发范畴相对独立，尚未形成与其它技术和产业的有效结合。以上体现出的产业专利环境现状构成当前我国3D打印技术产业化的潜在机会与障碍，促进或制约着技术产业化实施和推广。

产业化路径选择离不开持续技术创新，3D打印专利申请量的快速增长，体现出全球3D打印技术市场比较活跃，为大众创新创业与技术产业化路径形成提供了技术支撑。相关研发与市场主体的3D打印技术专利布局是其产业化路径不可或缺的环节，尤其是在3D打印材料、19种主流技术工艺、3D打印设备、软件等方面的研发与专利申请，为技术产业化、规模化发展提供了技术机会。产业融合发展对于新旧产业来说都会面临新机遇和新挑战，与传统产业和互联网融合时，3D打印产业化有效实施路径之一，是对具有较高附加值的大规模个性化定制商业模式进行补充与发展。3D打印产业化与传统产业在结合方式、盈利模式、功能性互联网平台构建等方面已具备较好的商业模式基础，未来应将产业化路径拓展重点放在市场需求挖掘和对接上。

3D打印对于传统产业的颠覆性是“温和的”，传统产业与3D打印融合的必要性目前仅体现在复杂零部件制造和个性化定制上，3D打印技术选择障碍来源于技术使用成本较高、应用需求不明确。因此，专利布局、技术创新和不断推动技术融合是破解上述问题的关键。此外，3D打印与互联网融合并借助互联网平台进行推广应用的产业化路径，在目前互联网知识产权风险较高与互联网立法欠缺背景下，3D打印带来的个人设计、创意分享、家庭化制造等热潮使得知识产权保护难度加大，复制仿冒等行为门槛变得更低，而侵权证据收集在互联网环境下又比较困难，进而引发新的互联网知识产权尤其是专利权侵权高发态势，这不利于3D打印产业的健康良性发展。因此，应通过立法形式规范相关商业模式下的知识产权保护问题，促进产业化模式创新与技术创新互动融合。

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The Paths Selection of 3D Printing Industrialization Oriented towards the Theory of Patent Technological Convergence

(1.School of Public Administration and Law,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.School of Intellectual Property,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Abstract：3D printing is facing with the starting point of industrialization in a large scale in China.As a newly emerged fusion technology,the path of 3D printing technology industrialization has its own characteristics.This research explores the mode and path selection of 3D printing technology industrialization from the views of patent information and technological convergence.We refines the influential mechanism on 3D printing technological industrialization by technological convergence based on the definition of fragmented industry raised by Michael Porter and find out the trend and prospect of the its convergence with manufacturing and internet industry.By the method of patent technological convergence measurement,the disproportion of China's 3D printing technological structure and diversity of its technological convergence have been revealed empirically,thus to raise several suggestions on the development of China's 3D printing industry.

Key Words:Patent Technology; Technological Convergence; Industrialization Path; 3D Printing

基金项目：国家社会科学基金项目(15BGL037)；四川省社会科学规划项目(17GL048)

作者简介：刘鑫(1988-)，男，陕西宝鸡人，博士，西南交通大学公共管理与政法学院讲师，研究方向为知识产权管理、科技创新政策、专利信息分析；武兰芬(1978-)，女，河北邢台人，博士，南京理工大学知识产权学院副教授，研究方向为专利分析、科技政策。

面向专利技术融合的3D打印产业化路径选择研究