EPO發布3D列印專利趨勢分析報告

  • 世界經濟論壇創始人兼執行主席克勞斯.施瓦布(Klaus Schwab)在《第四次工業革命》一書中論及:「我們正處於以數位革命為基礎的第四次工業革命開端。」藉由整合物聯網、人工智慧、大數據和雲端運算技術,降低生產成本以提高生產效率及產值,開啟工業革命的發展進程,而3D列印則是新一波加速第四次工業革命的關鍵技術驅動力之一。

    3D列印又名積層製造(Additive Manufacturing, AM),其重要價值在於相較傳統製造工法,3D列印能夠在使用較少的資源之下,同時以更快速、更便宜、更輕易的方式建構出複雜形狀或是客製化的產品,這種優勢不但可以提高工業製造的效率,更可以幫助新創企業或是新技術,完成測試模型或是進行小量生產,更快達到技術商品化的目標。

    歐洲專利局(EPO)在2020年7月13~16日舉辦「Shaping tomorrow: 3D printing and its impact on IP」研討會,邀請產官學研專家一同分享3D列印的發展未來與趨勢,該研討會受COVID-19病毒影響以線上直播座談形式舉行,開幕首場由歐洲專利局醫療、生物技術和化學首席營運長Roberta Romano-Götsch主持,歐洲專利局主席António Campinos和歐盟智慧財產局執行主任Christian Archambeau共同與談,並邀請3D列印技術權威專家Chcuk Hull分享未來技術發展觀點,讓活動更受3D列印產業相關人員熱烈矚目。

    EPO透過此次機會發表「Patents and additive manufacturing-Trends in 3D printing technologies」(以下簡稱研究報告),該研究報告以歐洲專利資料庫進行全面性分析,揭露2000~2018年歐洲3D列印技術專利布局現況,從專利歷年趨勢、技術領域、重要申請人和重要申請國家等面向剖析,研究報告說明歐洲是全球3D列印技術發展重要樞紐,並揭示研究主要結論,如下說明:

主要結論一、3D列印是成長最快速的技術之一,著重健康產業應用

  • 1980年代後期是3D列印技術崛起的關鍵時刻,被譽為3D列印之父的Chuck Hull發明立體光固化成型技術(StereoLithography Apparatus,SLA),並於1987開始進行商業化使用,使3D列印成為近年來快速發展的行業。

    研究報告所提供的3D列印技術歷年專利申請趨勢圖(圖1),從2000年至2018年間,專利申請件數從325件成長至4,072件,2015~2018年的專利申請年增率平均達到36%,相較於EPO同時期的整體專利申請年增率平均(3.5%),超出10倍以上。

  • 圖 1、3D列印技術歷年專利申請趨勢圖
  •        3D列印技術屬於科技整合及多重領域的技術,以四大技術領域為基礎,包括技術應用領域(Application domains)-指3D列印技術應用產品、材料領域(Materials)-包括金屬、陶瓷等核心材料以及黏著劑等輔助材料、機器和程序領域(Machines and processes)-包括3D列印機和周邊相關器材技術產品、數位領域(Digital)-包括數位控制、製造監測等。
  • 從技術領域歷年趨勢分析圖(圖2)顯示,2014年起3D列印技術各技術領域專利申請件數開始蓬勃發展,自2014至2018的5年期間,技術應用領域申請件數急速成長,申請件數增加2倍,而同時期的材料領域和數位領域增加了240%及255%;此外,在2011年之前,機器和程序領域的發展大致穩定與材料領域呈現相同發展趨勢,到了2014年至2018年間,機器和程序領域的發展開始明顯超越材料領域,申請件數增加到1,755件,成長了約300%。

  • 圖 2、技術領域歷年趨勢分析圖
  • 3D列印技術產業的技術應用領域非常廣泛,除了取代傳統的工業製造之外,大至數公尺的風力渦旋機,小至微米的細胞,均有其技術可延伸利用之處,EPO分析3D列印前八大產業技術應用領域分別為健康、能源、運輸、工業工具、電子產品、結構、消費性產品及食品,其中專利申請最踴躍的產業為健康產業,自2010年起即蟬聯歷年冠軍(圖3)。

    今年COVID-19病毒侵襲全球之際,醫療器材供應鏈受到疫情影響而斷鏈,唯3D列印技術幫助製造口罩、面罩及許多重要醫療器材,例如義大利廠商利用3D列印技術幫助生產維持病患生命的呼吸器閥門,成為最特殊的疫情英雄。

  • 圖 3、3D列印技術專利申請應用領域件數分析圖

主要結論二、多元化的申請人顯示3D列印技術影響各個產業

  • 從3D列印技術專利申請人件數分析圖(圖4)中顯示,2000年至2018年間,前25名申請人所申請的3D列印專利件數總和,約占申請總數的30%(約6,548件),其中共有11家美國企業、8家歐洲企業,專利申請件數前五大申請人依序分別為美國GENERAL ELECTRONIC、美國UNITED TECHNOLOGY、德國SIEMENS、美國HP及德國BASF。GENERAL ELECTRONIC積極發展3D列印製造,除於2016年砸下14億美金併購瑞典ARCAM和德國的SLM SOLUTIONS GROUP兩間金屬列印儀器製造商外,更成功研發利用3D列印製造引擎噴油嘴及金屬零件,以減輕重量並降低成本。

    此外,專利申請人除了純3D列印技術廠商,如STRATASYS、3D SYSTEMS和EOS等公司外,也有電子、化學、資訊、運輸等不同領域企業投入3D列印技術研發,申請人遍布各種產業,例如:運動用品大廠NIKE和ADIDAS位居消費性產品專利申請數量前兩名,NIKE和ADIDAS近年積極推動3D列印製鞋技術,不僅提升製鞋效率,更透過3D列印開發出功能性更強的運動鞋,例如ADIDAS推出的「極速工廠計畫」(Speedfactory),利用3D列印和自動化技術,將過去需要花費將近18個月的製造時間,縮短至1年之內,設計完成的運動鞋,甚至最快可在1天內交貨,未來將有望大幅降低勞力成本,同時可能對製鞋業帶來產業轉型衝擊。

    圖 4、2000年至2018年間前25大3D列印技術專利申請人件數分析圖
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  • 從3D列印技術專利申請人屬性分析(圖5)及3D列印技術各技術領域申請人占比(圖6)觀察,目前有66.6%的專利是由規模超過1,000人的大型企業所提出申請,幾乎領導3D列印各技術領域之發展;其次為不到1000名員工的企業占22%,其中個人發明家和小型企業(員工少於15人)占12%,以技術應用領域為主要發展,員工數介於15~1000人的企業占10%,以數位領域為主要發展;大學、醫院和公立研究機構占11.4%,主要為發展材料領域相關專利。

    圖 5、3D列印技術專利申請人屬性分析圖
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    圖 6、3D列印技術專利申請人屬性分析圖

主要結論三、歐洲是技術領頭羊

  • 歐洲國家於2010年至2018年間在歐洲專利局提交3D列印專利申請占申請總量的47.5%,共計7,863件,其中德國的表現居要,該國就貢獻了19.1%,共計3,155件;美國則占34.8%,共計5,747件。除了歐洲國家和美國外,日本在歐洲專利局3D列印技術布局也不容小覷,占9.2%,詳圖7。

    圖 7、2010年至2018年3D列印技術專利申請國分析圖
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  •       在研究報告中,亦採用相對技術優勢指標(Revealed technological advantage, RTA)進行評比,若RTA指數大於1,表示該國家/地區在特定產業技術具相對優勢,我國在3D列印技術的RTA指數位居第五名,根據EPO分析RTA大於1的歐洲國家有西班牙、比利時、英國、瑞士、德國和荷蘭等,不過若以歐洲專利聯盟成員國(EPC)來看,則僅有0.97,而國際間具有3D列印技術優勢的非歐洲國家則有以色列、美國、我國及澳大利亞。詳圖8。
    圖 8、3D列印技術相對技術優勢指標分析圖
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  •       從3D列印技術專利申請發明人所屬國籍占比(圖9)及發明人所屬國籍歷年3D列印技術專利申請件數趨勢(圖10)來看,來自美國和歐洲地區的發明人3D列印技術專利申請件數占整體五分之四,共計80.3%,從2014年起投入3D列印技術發明人的申請量開始明顯成長。從2014至2018年間歐洲發明人的專利申請件數增加了近2000件,成長率達220%;美國發明人的申請件數增加超過1400件,成長率達288%。

    日本是第三大發明人國家,占11.8%,來自世界其他國家的發明人總共約有7%,其中加拿大、以色列、韓國、澳大利亞及我國各有約1%,並且自2014年開始呈現積極成長的趨勢。

  • 圖 9、3D列印技術專利申請發明人所屬國籍占比圖
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  • 圖 10、發明人所屬國籍歷年3D列印技術專利申請件數趨勢分析圖
  •      綜上分析,3D列印正處於技術發展期,因其技術應用領域廣泛,在技術研發上呈現群雄爭霸的狀態,各領域的領導廠商希望透過3D列印技術鞏固產業地位,不過除了持續精進3D列印技術,已有許多申請人搶先布局下一個世代的機會,研究報告中進一步針對4D列印(4D printing)、生物列印(Bioprinting)以及陶瓷材料進行專題研究,指出這些領域將會是下一世代的重要技術機會。 
    • 4D列印技術

4D列印是利用3D列印方式製造出三維物體,並隨著時間產生不同形狀、顏色或大小的變化,技術目前尚處於概念驗證(proof of concept)階段,然而自2013年以來專利申請量大幅成長,目前估計2020年4D列印技術全球市場價值將近1億美元,預測2025年將達5.4億美元,且可預期於10年內成為技術主流。

    • 生物列印

3D列印應用於製造人體組織和器官,即稱為「生物列印」,根據市場調查,2019年全球生物列印機器和材料的交易金額達到6.51億美元,預計2024年將突破15億美元,未來技術成熟後,將有助於解決器官捐贈供需不均的問題,解決人類在醫療技術上長期以來無法突破的瓶頸,提升醫療效率,實現精準醫療的目標。

    • 陶瓷材料

陶瓷是工業上的重要材料,良好的穩定性以及生物相容性等優點,讓陶瓷廣泛應用於航空、電子、半導體、汽車等高科技設備或醫療器材,像是牙冠、義肢等用途。不過與其他3D列印材料應用的市場規模相比,陶瓷材料的3D列印市場仍處於早期發展階段,2019年市場規模目前未達2億歐元,如何提升陶瓷3D列印的良率以及降低成本是尚待突破的技術門檻。 

結論

3D列印技術重新塑造了工業製造的規則,迫使製造業重新思考經營模式,來因應新的競爭型態與創新發明商品化之重力加速度,隨著3D列印技術逐漸成熟,估計未來將可占全球製造業5%或更多產值。透過EPO所發布的最新3D列印技術專利布局資訊,能夠幫助各產業領域進行研發投資評估或擬訂專利布局策略,掌握利用3D列印技術幫助產業升級、企業永續經營之機會。

不過3D列印為產業帶來的便利性,卻也埋藏了智慧財產權訴訟的隱憂,3D列印機器能夠快速製造出產品,但製造者卻可能侵犯該產品原始設計者的智慧財產權,尤其3D列印是高度跨領域的技術,因此在技術研發或使用上必須更加注意智慧財產權的問題,現今市面上也越來越多小型3D列印機,提供個人或小量製造用途,因此不僅企業需注意智慧財產權問題,民眾在使用3D列印機製作產品之時,也需有智慧財產權的認知,以避免陷入侵權糾紛。

有關EPO「Shaping tomorrow: 3D printing and its impact on IP」研討會線上影音,有興趣的民眾可至EPO網站上觀看,網址為https://www.epo.org/news-events/events/conferences/3d-printing/broadcast_fr.html。 

參考來源: