趙子強(qiáng) 張廣華

(國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300300)

混凝土作為最大宗的建筑材料，為國計(jì)民生作出卓越貢獻(xiàn)，然而混凝土在生產(chǎn)和使用過程中產(chǎn)生的高污染、高能耗已成為傳統(tǒng)混凝土技術(shù)發(fā)展的重大阻礙。源于上世紀(jì)80年代的3D打印技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的代表。3D打印過程為增材制造，成型無需模板、綠色環(huán)保、靈活高效，為混凝土可持續(xù)發(fā)展提供了新的方向[1-4]。

自3D打印混凝土問世以來，諸多專家學(xué)者和工程人員對其進(jìn)行應(yīng)用研究，并利用3D打印技術(shù)將混凝土打印出建筑、橋梁、方艙等結(jié)構(gòu)工程，但有關(guān)3D打印混凝土的專利分析鮮有報(bào)道。本文通過對3D打印混凝土相關(guān)國內(nèi)專利技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以期對其專利申請概況進(jìn)行梳理，對3D打印混凝土專利申請布局起到一定參考作用。

1 3D打印混凝土專利申請態(tài)勢分析

3D打印混凝土建筑作為新技術(shù)自問世以來備受廣大科研與工程人員關(guān)注，也成為建筑材料發(fā)展的增長極。3D打印混凝土屬于新興技術(shù)，通過對該技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行掌握，結(jié)合中國專利庫的特點(diǎn)和專利文獻(xiàn)分布特點(diǎn)，選擇中文專利數(shù)據(jù)庫CNABS和CNTXT進(jìn)行檢索，檢索選用關(guān)鍵詞3D、打印、混凝土、砂漿、水泥、油墨，分類號(hào)未進(jìn)行嚴(yán)格限制，檢索日期截止至2020年04月30日。

1.1 專利申請量趨勢分析

圖1為有關(guān)3D打印混凝土相關(guān)技術(shù)在全國專利申請趨勢圖。3D打印混凝土自被報(bào)道以來，便引起了廣泛關(guān)注和專利申請熱情，繼2013年由國外“D-shape”打印出首棟建筑后。中國于2014年成功利用3D打印技術(shù)建造了混凝土建筑，由此引發(fā)了有關(guān)3D打印混凝土的專利申請熱潮。由圖1可以看出，國內(nèi)首次關(guān)于3D打印混凝土技術(shù)的專利申請發(fā)生在2013年，并于2014-2015年出現(xiàn)大幅上升，相較于2015年，2016年的相關(guān)申請甚至實(shí)現(xiàn)了翻倍增長，我國申請人雖然進(jìn)入該領(lǐng)域略晚，但近期技術(shù)研究十分活躍，在國家“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”和“知識(shí)產(chǎn)權(quán)強(qiáng)國、助力經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型”的國家政策激勵(lì)下，3D打印混凝土作為環(huán)保高效的新技術(shù)在中國開拓了豐沃的土壤。由于專利自申請至公開需要部分時(shí)間，因此2019年的專利申請數(shù)量未被統(tǒng)計(jì)完全，給統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)造成誤差，相關(guān)科研單位、企業(yè)和研究人員同樣應(yīng)當(dāng)給予后續(xù)關(guān)注。

圖1 3D打印混凝土技術(shù)專利申請趨勢

1.2 申請人類型及主要申請人分布

圖2為3D打印混凝土國內(nèi)專利申請人類型分布。由圖可知，以企業(yè)為申請人的專利申請占據(jù)50%，其次是高校的專利申請占據(jù)45%，個(gè)人為申請人的專利申請量占比最少，約5%。3D打印混凝土設(shè)計(jì)、施工過程需要計(jì)算機(jī)建模，對設(shè)備、技術(shù)和材料具有較高技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)實(shí)力。因此，目前相關(guān)研究集中于企業(yè)和高校等具有較強(qiáng)研究實(shí)力和成果轉(zhuǎn)化能力的主體。

圖2 3D打印混凝土專利申請人類型

圖3顯示了3D打印混凝土相關(guān)專利申請的主要申請人情況。在中國，排名靠前的14位申請人中，高校占8位，公司占6位，均為國內(nèi)水泥混凝土領(lǐng)域科研實(shí)力雄厚和施工技術(shù)先進(jìn)的單位。其中河北工業(yè)大學(xué)于2019年10月13日按趙州橋1：2的縮尺打印后現(xiàn)場裝配組裝成混凝土3D打印石拱橋，并對相關(guān)3D打印混凝土材料進(jìn)行專利布局；此外，盈創(chuàng)建筑科技(上海)有限公司自2014年開始完成了一系列3D打印建筑，使3D打印建筑技術(shù)在中國落地發(fā)芽。該公司及其負(fù)責(zé)人馬義和對3D打印建筑技術(shù)進(jìn)行持續(xù)專利布局，其專利申請技術(shù)分支涉及設(shè)備、產(chǎn)品、工藝、材料，覆蓋面廣，充分利用知識(shí)產(chǎn)權(quán)對技術(shù)進(jìn)行有效保護(hù)。由于涉及的材料專利布局相對較少，因此在進(jìn)行3D打印混凝土相關(guān)檢索時(shí)，其并未排入主要申請人分布前列。由此可見，在國內(nèi)企業(yè)和高校保持了對3D打印混凝土相關(guān)應(yīng)用研究的熱度和興趣，熱衷于產(chǎn)品轉(zhuǎn)化并進(jìn)行專利布局，對3D打印混凝土相關(guān)技術(shù)進(jìn)行保護(hù)與市場搶灘。3D混凝土技術(shù)的成功應(yīng)用和不斷挖掘，使得該技術(shù)成為建筑領(lǐng)域的一張名片，為建筑技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新與走出國門培養(yǎng)了良好的氛圍，3D打印混凝土技術(shù)同時(shí)預(yù)示著廣泛的市場前景。另外，專利保護(hù)對該技術(shù)的開發(fā)和運(yùn)營提供了可靠支持。

圖3 3D打印混凝土專利主要申請人分布

1.3 主要技術(shù)分支

3D打印混凝土作為建筑材料的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，離不開各領(lǐng)域技術(shù)支持。通過對全國專利申請的狀況進(jìn)行分析，相關(guān)申請主要涉及材料、產(chǎn)品、工藝、設(shè)備、測試方法和測試工具，各技術(shù)分支所占比例如圖4所示?？梢钥闯?，材料、產(chǎn)品、工藝、設(shè)備之間占比相差不大，技術(shù)發(fā)展較為平均。對不同技術(shù)分支下3D打印混凝土研究的技術(shù)熱點(diǎn)進(jìn)行研究，分析發(fā)現(xiàn)，關(guān)于材料的專利申請主要熱衷于低成本、力學(xué)性能、凝結(jié)時(shí)間和施工性能的研究；關(guān)于產(chǎn)品的專利申請主要集中于快速高效制備、低成本、綠色環(huán)保和力學(xué)性能需要；關(guān)于工藝的專利申請主要集中于快速高效、低成本、綠色環(huán)保和力學(xué)性能的研究；關(guān)于設(shè)備的專利申請主要致力于快速高效、低成本和工業(yè)化自動(dòng)化研究。3D打印混凝土從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化，需要相關(guān)產(chǎn)業(yè)的相互配合。同時(shí)，對3D打印混凝土材料的測試方法和測試工具也有少量申請。3D打印混凝土施工工藝由于與普通混凝土施工工藝相差甚大，對3D打印混凝土的性能指標(biāo)進(jìn)行重新評價(jià)并重新制定相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，也是本領(lǐng)域科研與從業(yè)人員亟待解決的技術(shù)問題。

圖4 技術(shù)分支申請量分布

2 主要技術(shù)演進(jìn)

3D打印混凝土自問世以來，得到全世界工程與科研人員的密切關(guān)注，并成功進(jìn)行了建筑施工應(yīng)用。作為新興建筑技術(shù)，以下以國內(nèi)專利申請作為研究樣本，對3D打印混凝土的技術(shù)演進(jìn)和技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行分析。

3D打印混凝土構(gòu)筑的建筑物于2014年03月被首次報(bào)道。在此之前的2013年，便有申請人針對3D打印混凝土相關(guān)技術(shù)進(jìn)行專利申請，但申請的主題主要涉及設(shè)備與工藝，如國內(nèi)首先涉及3D打印混凝土相關(guān)技術(shù)的為南京工程學(xué)院的申請CN203357623。該專利公開了一種快硬型混凝土3D打印噴嘴，緊隨其后北京交通大學(xué)申請了專利CN103331817，其涉及工程結(jié)構(gòu)的3D打印方法，呂詩林也發(fā)明了一種建筑物梁構(gòu)件的3D打印方法CN103707387，具體公開了一種建筑物梁構(gòu)件的3D打印方法。

進(jìn)入2014年，3D打印混凝土相關(guān)申請量倍增。申請主題由側(cè)重于設(shè)備和工藝延伸至3D打印制備的產(chǎn)品，并出現(xiàn)測試方法、工具和材料。同濟(jì)大學(xué)公開了一種基于3D打印技術(shù)的建筑工程施工裝置及應(yīng)用方法CN103967276。中國建筑第八工程局有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)了一系列利用3D打印的建筑構(gòu)件，包括鋼筋砼結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、構(gòu)造柱、空心樓板、裝配式異形柱(CN104120788、CN203947570、CN104153493、CN104264862、CN104328845、CN104453014、CN104514305、CN104532953、CN204356896、CN204356959)。為測定打印材料在擠出成型過程中的變形性能，上海利物寶建筑科技有限公司開發(fā)設(shè)計(jì)了對3D打印材料性能進(jìn)行量化評價(jià)的測試方法和相應(yīng)的測試工具(CN104297092、CN104297097、CN104297103)。中國建筑股份有限公司第一次公開了有關(guān)3D打印混凝土的配方CN104310918，盈創(chuàng)建筑科技(上海)有限公司，其負(fù)責(zé)人馬義和也進(jìn)行了相關(guān)專利布局，具體涉及打印設(shè)備和產(chǎn)品建筑板墻(CN204040486、CN204040487、CN204081129、CN104264873、CN104328877、CN104328890、CN104328910)。

2015年的相關(guān)專利申請涌現(xiàn)出大批混凝土材料和建筑構(gòu)件，同時(shí)包括部分打印設(shè)備。南京師范大學(xué)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于機(jī)器人集群控制的3D建筑打印系統(tǒng)CN104802406。黃賀明公開了一種用于3D打印的高性能粉末混凝土CN104961411，中國建筑股份有限公司公開了一種3D打印用雙組分水泥基復(fù)合材料CN105384416，中國建筑第八工程局有限公司公開了3D打印構(gòu)件層間粘結(jié)強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的測試結(jié)構(gòu)與方法，對施工后的混凝土性能進(jìn)行評價(jià)(CN104964875、CN105021470)。

相較于2015年，2016年的3D打印混凝土相關(guān)專利申請量實(shí)現(xiàn)了翻番，技術(shù)主題主要集中于材料和產(chǎn)品。武漢理工大學(xué)公開了一種3D打印砂漿CN106007587。新疆研科節(jié)能科技有限公司公開了一種3D打印用非水泥基膠凝材料及其制備方法CN106045435。中國建筑股份有限公司公開了3D打印用的地質(zhì)聚合物復(fù)合材料CN106082898。重慶建工新型建材有限公司和重慶建工集團(tuán)股份有限公司共同申請了一種用于3D打印的輕質(zhì)混凝土及其制備方法CN105948668。南京工業(yè)大學(xué)公開了一種用于3D打印的綠色建筑材料及其打印方法CN106186974，原料選用水泥、廢渣、骨料減水劑、消泡劑、速凝劑、水、纖維。卓達(dá)新材料科技集團(tuán)和威海股份有限公司則針對3D打印混凝土用膠凝材料和外加劑進(jìn)行一系列專利申請，外加劑涉及早強(qiáng)劑、緩凝劑、泵送劑、減水劑，從另一維度對3D打印混凝土用材料進(jìn)行專利挖掘與布局。

2017年的專利申請主體材料占據(jù)更大比例，期間涌現(xiàn)出部分特種混凝土的3D打印技術(shù)，此外還涉及部分工藝和設(shè)備。萬玉君公開了一種用于粉末黏合3D打印的水泥基復(fù)合材料及應(yīng)用該材料的粉末黏合3D打印方法CN106800391。山東大學(xué)公開了基于CT掃描透明透水混凝土試件3D打印方法CN106827545。北京交通大學(xué)公開了一種基于裝配式技術(shù)的單軌交通混凝土構(gòu)件的3D打印方法CN107053427。西安建筑科技大學(xué)公開了一種透光水泥基復(fù)合材料的3D打印制備方法CN107129240。同濟(jì)大學(xué)公開了一種用于水下施工的3D打印水泥基材料及其制備方法CN107311561。河北工業(yè)大學(xué)公開了一種可3D打印的尾礦砂纖維混凝土及其制備、使用方法CN107417204。南京理工大學(xué)公開了用于3D打印的功能梯度及密度梯度混凝土材料及其制備方法CN107555895。上海建工公開了一種3D打印橋梁CN208586502。

2018-2019年專利申請數(shù)量出現(xiàn)猛漲，主要技術(shù)主題為材料、工藝、設(shè)備，并出現(xiàn)部分測試方法。濟(jì)南大學(xué)公開了一種3D打印的堿礦渣水泥混凝土及其制備方法CN108178567。清華大學(xué)公開了一種光固化砂模打印砂漿及其制備方法CN108191312。上海理工大學(xué)公開了基于3D打印技術(shù)制混凝土斷裂性能測試試件的方法CN108274583。同濟(jì)大學(xué)公開了一種水下3D打印建筑砂漿性能的測試方法CN108303524。河北工業(yè)大學(xué)公開了一種水泥基材料3D可打印性能的優(yōu)化方法CN108318381。中煤能源研究院有限責(zé)任公司公開了井下3D打印混凝土體機(jī)器人CN108343240。北京工業(yè)大學(xué)公開了一種建筑3D打印水泥砂漿的連續(xù)性測試方法CN108444867。武漢理工大學(xué)公開了一種3D打印用水泥材料及利用其成型復(fù)雜水泥工藝品的方法CN108439939。天津大學(xué)公開了一種用于測定3D打印混凝土漿體材料變形量的測試儀器CN108592772。河海大學(xué)公開了用于樁基工程3D打印的新材料CN108623267。東南大學(xué)公開了一種基于光固化3D打印的仿生混凝土粗骨料及其制備方法和應(yīng)用CN109734342。山東中巖建材科技有限公司公開了一種適用于3D打印混凝土剪切力墻的材料及其制備方法CN110540394。浙江大學(xué)公開了一種抗核爆防輻射3D打印混凝土CN110981370。濟(jì)南大學(xué)公開了基于3D打印技術(shù)的異形透光混凝土砌塊及其制備方法CN111015894。

3 總結(jié)與展望

通過專利研究熱點(diǎn)不難發(fā)現(xiàn)，有關(guān)3D打印混凝土相關(guān)技術(shù)主要集中于快速高效制備、低成本、力學(xué)性能、凝結(jié)時(shí)間和施工性能的研究，此類性能與效果關(guān)乎3D打印混凝土的市場推廣與應(yīng)用，因此被申請人密切關(guān)注。其同時(shí)存在諸多研究空白，如混凝土耐久性能、節(jié)能降耗與大規(guī)模自動(dòng)化推廣等，值得廣大科研及工程人士進(jìn)一步研究與技術(shù)推廣。隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)單位的海外業(yè)務(wù)迅速擴(kuò)張，將先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)出口海外，離不開專利制度的保駕護(hù)航，中國企業(yè)應(yīng)放眼世界，根據(jù)自身發(fā)展戰(zhàn)略開展相應(yīng)海外專利布局，為“中國創(chuàng)造”在海外創(chuàng)業(yè)過程中保駕護(hù)航。