彩色3D打印专利技术分析
张文程（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广东 广州 511363）
摘 要： 3D打印作为一种新兴的快速成型技术，在各个领域都具有非常广泛的应用。而为了直接通过3D打印成型各种彩色制品，简化成型步骤，彩色3D打印技术近年来发展迅速，产业规模呈现迅猛的增长态势。文章从中国专利申请的角度，对我国彩色3D打印技术的研究现状进行了数据挖掘及分析，为该领域的发展提供参考。
关键词： 3D打印；彩色；专利技术
彩色3D打印可以直接生成彩色制品，比单色打印更有优势，然而这也是3D打印机研究难点所在[1]。现在市面上几乎没有能实现混色打印的3D打印机，主要有以下原因：①彩色3D打印成本较高；②部分技术算法落后，不支持彩色打印；③单喷头彩色打印不稳定，色彩质量无法精确控制；④人工上色仍然是最优选择。因此市面上的打印机大多都是单喷头设计，无法进行调色和混色，更难以打印渐变色物件。
1 专利数据统计分析
本文对国内有关彩色3D打印技术的专利进行了定量分析，包括对申请量、主要申请人等进行分析。统计分析基础为2019年5月前已经公开的在中国申请的专利数据。经检索，国内相关专利申请共653篇。
1.1 专利申请量
图1显示了自2001年以来彩色3D打印领域专利申请量的年际变化图。从图1中可以看出，进入21世纪以来，申请量总体上呈逐年递增的趋势，且2010年后出现了较明显的递增幅度，表明近十年来该领域的相关技术发展较快。需要说明的是，由于大多数发明专利申请需在申请日后满18个月再公开，因此近两年申请的部分专利尚未公开，导致数据的采集量小于实际申请量，所以在图1中2016-2018年的申请量相较2015年出现了下滑，但并不能表明2016年后该领域专利申请量开始下降，技术发展已到达顶峰。相反，2016年后该技术作为研究热点，根据相关分析可知，2016年以来该领域专利申请量仍然较大，相比2015年不会出现下降趋势，可能还会继续上升。
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图1国内相关专利申请量变化趋势图
还需要强调的是，在彩色3D打印领域，国内申请量在2010年后才明显增多，比欧美发达国家明显滞后，欧美2005-2009年已经在该领域出现较大量的申请，说明国内彩色3D打印技术的发展与欧美相比还存在较大的差距。
1.2 申请人分析
但需要强调的是，虽然国内企业的申请量比较大，但无论从数量还是质量角度，都没有出现在本领域研究特别深入、研发能力特别深厚的龙头企业。而美国在该领域则有Stratasys公司、微软公司等龙头企业，这些企业的申请量都远比国内企业大，而且都拥有一些对本领域技术的进步具有突出贡献的专利。
该类型的申请主要通过设置多个喷头来挤出不同颜色的原料，以实现彩色3D打印的功能。
图2申请人分布类型
图2为国内相关专利申请人类型分布。由图2可知，我国彩色3D打印技术相关专利的申请人以企业为主，占总申请量的约七成，是该领域发明申请专利的主体。从图2还可以看出，彩色3D打印领域的个人申请量较大，其申请量已接近该领域的高校申请量。这表明经过近年来的发展，该领域的技术壁垒已经逐渐降低，企业已经投入较多的成本到该技术相关的研发中，公众对该领域的关注度也比较高。
2 彩色3D打印技术专利申请主要技术类型分析
2.1 熔融挤出
该类型的申请通过同时向3D打印机供应白色或无色原料和不同颜色的墨水或颜料，在将原料熔融后加入调好颜色的墨水或颜料染色，从而实现彩色打印。
CN105252777A[2]公开了一种全彩3D打印机用调色机构，包括调色混合器和搅拌器，从各进料通道输入不同颜色原料，搅拌器的搅拌端设置在调色混合器的内腔中，搅拌不同颜色原料形成新的颜色混合物，调色混合器的内腔通过小孔输出口输出混合物。该机构能打印出和设计图一致的全彩或真彩物体。
2.2 多喷头挤出
此外，本文还对截至2019年5月公开的彩色3D打印领域主要申请人的申请量进行了统计分析。在高校中，中科院化学所和华南理工大学对该领域的相关研究较多，分别申请了6件专利；企业方面，他们对该领域的研究和投入明显比高校更多，申请量在前5位的企业申请量均为申请量最大的高校申请量的两倍或以上，其中三纬国际立体列印科技股份有限公司和金宝电子工业股份有限公司的申请量最大，为20件。
CN108454094A[4]公开了一种3D打印染色挤出头，主要包括一个雾化染色腔、一个加热腔和挤出头，雾化染色腔上分布有多个雾化染料喷射小孔。雾化染色腔上的雾化染料喷射小孔可喷射不同的染料，在加热作用下，染料与融化的打印耗材进行融合后再挤出，达到彩色3D打印的目的。
2.3 喷墨上色
该类型的申请主要通过向3D打印机中供应不同颜色的原料，然后再通过一定的方法控制原料的熔融挤出以达到彩色打印的目的。
CN109435241A[3]公开了一种3D打印装置，通过多个喷头与多种材质和/或色彩的丝材连接，实现了打印装置能够打印多材质和/或多色彩的成品，从而解决了现有打印装置打印成品材质和/或色彩单一的问题。
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3 结语
在彩色3D打印领域，国内专利申请数量远低于国外，尤其是与西方发达国家存在较大差距。面对国际竞争的不断加剧，以国内企业为代表的国内申请人应当加强国际行业信息的交流，密切关注国内外本领域知名企业以及其他潜在竞争对手在我国的专利活动，对其专利信息加以研究利用，提高国内企业在行业中的竞争力。
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结果表明，分别采用气体标准物质中n-C4架桥定量和样品气中n-C5架桥定量分析两个样品延伸组分时，其绝对偏差最大值为C6和C7的分析结果，均为0.0005%，说明两种定量分析方法获得的结果是一致的。
参考文献：
[1] 何留喜,陈广学.基于UV喷墨的彩色3D打印研究[J] .包装工程,2015,36(09):134-138.
[2] 杜晖.一种全彩3D打印机用调色机构及其调色方法[P] .中国,No.CN105252777A，2016-01-20.
[3] 河北工程大学.一种3D打印装置[P] .No.CN109435241A,2019-03-08.
[4] 北华大学.一种3D打印染色挤出头[P] .No.CN108454094A,2018-08-28.
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