3D Systems公司與Stratasys公司的專利創(chuàng)新與發(fā)展戰(zhàn)略研究

李 媛 趙蘊華 李志榮

(中國科學技術信息研究所,北京 100038)

增材制造(俗稱3D打印)是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術[1]。由于其具有生產(chǎn)周期短、個性化定制、節(jié)省原材料等優(yōu)點,被稱為“一項改變世界的技術”,受到世界各主要國家的戰(zhàn)略性關注[2]。

在增材制造30多年的發(fā)展歷史中,誕生了一些非常優(yōu)秀的公司。美國3D Systems公司[3]和Stratasys公司[4]就是全球增材制造領域代表性龍頭企業(yè)。3D Systems公司和Stratasys公司分別是光固化成型(Stereo Lithography Apparatus,SLA)技術和熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM)技術的最早開發(fā)者,在相關領域積累了豐富的技術經(jīng)驗,也擁有一批重要專利。2013年,3D打印技術在我國引發(fā)熱潮時,殷媛媛[5]和薛亮[6]曾對3D Systems公司和Stratasys公司的專利情況進行初步研究,并建議國內企業(yè)對這兩家公司保持關注。隨著增材制造進入快速發(fā)展階段,市場和產(chǎn)業(yè)競爭越來越激烈,為了保持和提高自身競爭優(yōu)勢,最近幾年這兩家公司在全球范圍內通過并購、合作等多種方式,不斷提升自身實力和影響力,這其中的成功經(jīng)驗值得我國增材制造產(chǎn)業(yè)和企業(yè)學習和借鑒。

本文從專利創(chuàng)新情況、企業(yè)并購和技術發(fā)展路線3個方面對3D Systems和Stratasys兩家公司的專利創(chuàng)新情況和發(fā)展戰(zhàn)略進行了探討。

1 專利創(chuàng)新情況

專利數(shù)據(jù)來自德溫特創(chuàng)新索引數(shù)據(jù)庫DII(Derwent Innovations Index)。該數(shù)據(jù)庫收錄了自1963年至今,來自全球40多個專利出版機構共1430萬條基本發(fā)明專利文獻,是目前全球最權威的專利文獻深度加工數(shù)據(jù)庫。公司資料主要來源于企業(yè)官方網(wǎng)站和相關行業(yè)網(wǎng)站。

企業(yè)專利數(shù)據(jù)通過專利權人名稱和權利權人代碼共同限定,檢索式分別為“AC=(THDE_C) AND AN=(3D SYSTEMS)” 以 及“AC=(STTS_C) AND AN=(STRATASYS)”,檢索時間范圍為1980-2017年。檢索到3D Systems公司的專利家族數(shù)量為355個,Stratasys公司的專利家族數(shù)量為345個。

主要使用TDA和Excel等數(shù)據(jù)處理軟件進行專利數(shù)據(jù)分析。由于專利數(shù)據(jù)存在滯后性,2016年和2017年的數(shù)據(jù)僅供參考。

1.1 專利授權趨勢

圖1 3D Systems和Stratasys公司基礎專利授權數(shù)量的逐年變化情況

截至2017年12月,3D Systems公司公開了355個專利家族,Stratasys公司公開了345個專利家族。由于專利家族包含多件專利,主要通過統(tǒng)計基礎專利的授權時間來考察兩家公司歷年來專利的授權情況,如圖1所示。3D Systems公司的專利授權情況可以分為3個階段。從1986年第一項專利成功獲得授權到2003年,3D Systems公司專利授權數(shù)量逐漸增長,2003年達到高峰。2004年到2008年,年均授權數(shù)量維持在20項左右。從2009年開始獲授權的基礎專利數(shù)量下降到年均10項左右。Stratasys公司的第一項專利于1991年獲得授權,比3D Systems公司的延后5年左右。此后的10多年,其獲授權的專利數(shù)量以較慢的速度增長。到2009年,Stratasys公司的專利年授權數(shù)量首次超過3D Systems公司,并在之后維持了快速增長態(tài)勢。而2017年Stratasys公司獲得63項專利的授權,數(shù)量遠超3D Systems公司。

雖然3D Systems公司和Stratasys公司兩家公司的專利家族總數(shù)相當。但3D Systems公司所獲得的授權專利更多集中在公司創(chuàng)立后的1986—2008年,2008年之后的專利獲授權數(shù)量較少。因專利的有效期最長為20年,所以3D Systems公司面臨專利過期的壓力較大。相比之下,Stratasys公司在2009之前所獲得的授權專利數(shù)量占比較低,2009年之后增長較快,從專利數(shù)量上看未來更有優(yōu)勢。

1.2 技術領域分布

3D Systems公司和Stratasys公司專利家族的Top 10 IPC(小類)的分布情況,如圖2所示。其中,B29C、B33Y、G06F、B28B、C08L、B29K為兩家公司均有較多專利分布的技術領域。這6個技術領域主要與制造工藝和材料相關,作為增材制造的重點技術領域,是兩家公司共同的重點布局技術。3D Systems公司在G03F、B22F、C09D、C08G等領域有較多布局。而Stratasys公司更側重于G05B、G03G、B32B、B41J領域。兩家公司Top 10 IPC的含義見表1。

圖3、圖4是兩家公司5個代表性專利IPC的逐年公開情況。其中,B29C保持每年IPC數(shù)量的第一位,所屬的技術領域是塑料成型的基礎技術。B33Y是世界知識產(chǎn)權組織(WIPO)于2015年專門為增材制造新增的IPC分類號,其釋義即為3D打印,近年來專利數(shù)量快速增長。

3D Systems公司的第一件專利US 4575330于2004年到期。在2000年首次出現(xiàn)的包括光敏樹脂技術在內的涂料組合物C09D在2000-2003年每年均有幾件專利成功授權?？紤]到光固化成型(SLA)的核心打印技術專利到期,3D Systems公司加強了對核心專利的外圍技術,即光敏樹脂的專利布局,從材料角度入手繼續(xù)保持在SLA打印設備的優(yōu)勢。除此之外,金屬材料B22F在2006年、黏土材料B08B在2007年均達到了該技術領域專利數(shù)量上的峰值,而C09D在2014年顯著提高,可以看出近幾年3D Systems公司在專利技術的發(fā)展上仍然以材料控制為主。

1.3 專利區(qū)域布局

圖2 3D Systems和Stratasys公司IPC技術領域分布情況

3D Systems公司和Stratasys公司在全球的專利部署情況如圖5所示。圖5中,橫坐標為兩家公司的專利所覆蓋的主要國家或地區(qū),縱坐標為某個國家或地區(qū)擁有的專利家族數(shù)量。

表1 3D Systems公司和Stratasys公司的Top10 IPC及含義

圖3 3D Systems公司專利代表性IPC的公開數(shù)量逐年變化情況

圖4 Stratasys公司專利代表性IPC的公開數(shù)量逐年變化情況

圖5 3D Systems公司和Stratasys公司專利在全球主要國家的布局情況

從圖5可以看出,兩家公司重點布局的國家/地區(qū)基本是一致的。美國作為兩家公司的所在國,他們均優(yōu)先在本國進行了專利保護。從專利布局的區(qū)域分布來看,除EPO和德國外,日本、中國、韓國、印度等亞洲地區(qū)國家也是兩家公司專利布局的重點區(qū)域。歐洲是目前增材制造最發(fā)達的地區(qū),而亞洲是增材制造最具發(fā)展活力的地區(qū)。中國是近幾年亞太地區(qū)(日本除外)3D打印機出貨量增長最快、區(qū)域最大的增材制造市場,因此搶占中國市場意義重大,也意味著中國企業(yè)面臨著更大的挑戰(zhàn)[7]。

1.4 重要發(fā)明人

根據(jù)每位發(fā)明人所擁有的專利家族數(shù)量排名,表2列出了兩家公司Top 5發(fā)明人及其專利家族數(shù)量情況。

3D Systems公司的專利數(shù)量排名第一的發(fā)明人是Chuck Hull,是3D Systems公司的創(chuàng)始人。1986年Chuck Hull申請了世界上第一個實體制造的專利,并將該技術命名光固化成型(SLA)。除SLA技術外,Chuck Hull還發(fā)明了3D打印文件的通用格式“.stl”(the stlfile format)。由于其在SLA的商業(yè)化應用上作出的卓越貢獻,Chuck Hull被稱為3D打印之父,并于2014年被列入美國發(fā)明家名人堂,榮獲歐洲發(fā)明家大獎[3]。

Stratasys公司的創(chuàng)始人同樣是擁有較多專利的重要發(fā)明人,即位列第四名的Scott Crump。1989年Scott Crump提交關于消費級桌面3D打印機的核心技術“熔融沉積成型”(FDM)的專利申請。同年,Scott Crump與妻子共同創(chuàng)立Stratasys公司。2013年,Scott Crump被制造工程師學會授予快速成型技術及增材制造(RTAM)行業(yè)杰出成就獎,2017年入選TCT名人堂[4]。

圖6、圖7中圓的大小及數(shù)字表示兩家公司Top 5位發(fā)明人每年申請專利的多少及申請專利的數(shù)量。通過圖6、圖7可以看出,目前兩家公司重要發(fā)明人的專利申請逐年變化情況。除Xu P和Manners C R外,3D Systems公司的其余3位發(fā)明人的專利申請時間主要集中在2008年之前,其中Smalley D R和Almquist T A近年來并未提出新專利申請。盡管Chuck Hull近幾年仍然在申請專利,由于年齡原因,其數(shù)量已經(jīng)非常少了。而Stratasys公司,其Top 5發(fā)明人的專利申請集中在2008年之后,保持了創(chuàng)新活力。

表2 3D Systems公司和Stratasys公司的重要發(fā)明人

圖6 3D Systems公司Top 5發(fā)明人專利申請的逐年變化情況

對于美國發(fā)明專利,1995年6月8日之前的,其保護期為自授權之日起17年；1995年6月8日之后的,其保護期為自最早申請日起20年。3D Systems公司的重要發(fā)明人的大部分專利都集中在2008年之前,一部分專利已經(jīng)到期,同時部分專利正面臨到期。而Stratasys公司的這些專利面臨到期的壓力相對較小。我國相關企業(yè)應該多關注這些重要專利的公開公用狀態(tài),把握機會提升企業(yè)技術實力。

圖7 Stratasys公司Top 5發(fā)明人專利申請的逐年申請變化情況

表3 3D Systems公司高被引Top 5專利家族

表4 Stratasys公司高被引Top 5專利家族

1.5 高被引專利

3D Systems公司和Stratasys公司被引次數(shù)最高的專利家族如表3、表4所示。其中主入藏號是Derwent分配給每個專利家族的唯一識別碼。專利被引用次數(shù)的多少表明了該專利價值的大小,被引用次數(shù)多的專利一般認為具有更高的價值。

3D Systems被引用次數(shù)最高的專利是SLA工藝的核心專利US 4575330。該專利為3D Systems公司的創(chuàng)始人Chuck Hull于1984年在美國申請,并于1986年獲得授權。該專利所屬專利家族中共包含37件專利,被引用總次數(shù)達到920次,其中3D Systems公司自引用的次數(shù)為104次,被Stratasys公司引用38次,其余他引共計778次。

Stratasys公司被引用次數(shù)最高的專利是FDM工藝的核心專利US 5121329。該專利為Stratasys公司的創(chuàng)始人Scott Crump于1989年在美國申請,并于1992年獲得授權。該專利所屬專利家族中共包含6件專利,被引用總次數(shù)達到516次,其中Stratasys公司自引用的次數(shù)為145次,被3D Systems引用53次,其余他引共計318次。

以上專利多次自引,說明兩家企業(yè)圍繞各自的重要專利進行了多次技術改進。在表3和表4一共列出的10件基礎專利中,除Stratasys公司的高被引專利US 6259962的有效期不到1年外,兩家企業(yè)的其余9件專利均已到期。

2 企業(yè)并購

3D Systems公司是世界上第一個生產(chǎn)3D打印機并商業(yè)化的公司,主要擁有SLA、SLS、CJP等3D打印技術,目前是工業(yè)級、專業(yè)級和消費級增材制造設備生產(chǎn)和服務巨頭。Stratasys公司是FDM打印機的最大生產(chǎn)制造商,主要擁有FDM和PolyJet等兩大技術,目前是全球領先的3D打印機和3D生產(chǎn)系統(tǒng)制造商。

2012年美國成立首個制造業(yè)創(chuàng)新中心“國家增材制造創(chuàng)新中心”(2013年改名為“美國制造”)大力推動了美國以及全球增材制造技術的快速發(fā)展,引發(fā)全球熱潮。從上述兩家企業(yè)的專利創(chuàng)新和競爭情況分析可知,3D Systems和Stratasys兩家公司均存在著核心專利已經(jīng)到期的問題。而在打印設備方面,由于非金屬打印設備和桌面級打印設備進入門檻較低,大量的中小企業(yè)進入市場,而且工業(yè)級打印設備也面臨新的競爭者,設備價格下降,行業(yè)競爭加劇,兩家企業(yè)的盈利能力受到一定影響。

增材制造產(chǎn)業(yè)經(jīng)過30多年的發(fā)展,目前已經(jīng)形成較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈條,大致可以分為上游材料和軟件板塊、中游設備生產(chǎn)板塊和下游應用板塊[8-9]。面對核心專利到期以及市場競爭日益激烈等問題,兩家公司均通過全球并購與合作,在產(chǎn)業(yè)鏈上進行擴張,增強自身的實力和競爭力。表5是根據(jù)企業(yè)官網(wǎng)以及行業(yè)網(wǎng)站信息整理的3D Systems公司和Stratasys公司的主要并購情況[10-11]。

從表5可以看出,除3D Systems公司于2001年收購DTM、2009年收購Desktop Factory外,兩家企業(yè)的大規(guī)模并購行為都發(fā)生在2010年之后。從并購企業(yè)的數(shù)量上看,3D Systems公司明顯多于Stratasys公司。Stratasys公司并購的企業(yè)多為中大規(guī)模,而3D Systems公司除了關注中大規(guī)模企業(yè)外,同樣關注很多初創(chuàng)企業(yè)。

除了在增材制造產(chǎn)業(yè)鏈的設備生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行橫向擴張外,3D Systems公司還通過收購CAD/CAM軟件廠商Cimatron公司、牙科材料公司Vertex-Global Holding B.V.等,同時向軟件、應用等產(chǎn)業(yè)鏈的上、下游進行縱向擴張。為搶占高利潤市場,3D Systems公司削減了附加值較低的桌面級3D打印機業(yè)務,把更多力量放到附加值較高的軟件和醫(yī)療應用等領域。

相對3D Systems公司而言,Stratasys公司的產(chǎn)業(yè)鏈擴張途徑則比較謹慎。首先,其收購企業(yè)數(shù)量明顯少于3D Systems公司,但其收購的企業(yè)均為大型公司。其次,被收購企業(yè)類型大多為設備類,僅有少量的是材料類、軟件類和服務類企業(yè),基本不涉及應用類企業(yè)。3D Systems公司通過并購進行產(chǎn)業(yè)鏈材料和應用等上游和下游擴展,而Stratasys公司則更傾向于通過與應用類企業(yè)進行合作的形式來進行業(yè)務擴展。

3 技術發(fā)展路線

通過并購促進技術創(chuàng)新是企業(yè)提升競爭力的常見方式[12],3D Systems公司和Stratasys公司均通過并購設備生產(chǎn)公司以緩解核心專利到期的問題,從而擴大公司的技術布局。兩家公司在自有技術的基礎上,通過并購,不斷提升自身在技術領域的布局。將兩家公司以技術獲取為主要導向的并購情況,按照年代和技術領域繪制出各自的技術發(fā)展路線圖,具體見圖8、圖9,圖中各技術的具體含義見表6。

表5 3D Systems公司和Stratasys公司的主要并購情況

通過圖8、圖9可以看出,3D Systems公司通過并購DTM公司、Z Corp公司等,獲得了選擇性激光燒結(SLS)、粘合劑噴射技術(BJT)等打印技術。Stratasys公司通過并購Solidscape公司獲得蠟模鑄造(SCP)工藝；通過與Objet公司合并,由Stratasys Inc.更名為Stratasys Ltd.,獲得了聚合物噴射成型(PolyJet)等打印技術。目前3D Systems公司和Stratasys公司各自擁有多種打印技術,并均可以實現(xiàn)金屬、高分子、陶瓷等多種材料的打印成型。

根據(jù)2018年的行業(yè)研究報告統(tǒng)計顯示[13],2016年,Stratasys公司的FDM技術收入占全球所有增材制造打印工藝總收入的65%,排名第一。3D Systems公司推出的SLA+DLP技術以18%的份額在總收入中排名第二。除此之外,兩家企業(yè)還分別通過并購擁有了排名第三的SLS技術和第四的PolyJet技術,如圖10所示。可以看出兩家企業(yè)非常注重新技術的開發(fā),以保持技術創(chuàng)新能力和行業(yè)領導地位,引領了增材制造領域的技術發(fā)展。

圖8 3D Systems公司技術發(fā)展路線圖

圖9 Stratasys公司技術發(fā)展路線圖

表6 增材制造部分打印技術的名稱及含義

結合圖8、圖9以及圖10,可以看出由于SLA技術和FDM技術的核心專利到期,兩家企業(yè)的技術獨占優(yōu)勢正在受到挑戰(zhàn),因此近幾年來3D Systems公司和Stratasys公司均開始收購一些小型設備企業(yè),以獲得新的打印技術和工藝。例如2015年3D Systems公司在BotObjects公司備受質疑的情況下仍對其進行收購,獲得PJP塑料打印工藝。2016年,Stratasys公司收購Massivit3D,獲得GDP凝膠點膠打印工藝。3D Systems公司和Stratasys公司這兩家公司,均對新興打印技術表現(xiàn)出高度關注并積極收購,這樣的發(fā)展戰(zhàn)略思維值得增材制造領域的相關企業(yè)學習和借鑒。

圖10 2016年全球增材制造主要技術的市場占有情況

4 結論及建議

本文從專利創(chuàng)新情況、企業(yè)并購和技術發(fā)展路線3個方面對3D Systems和Stratasys兩家公司的發(fā)展戰(zhàn)略進行了探討。結果表明,3D Systems公司和Stratasys公司目前均擁有一批重要專利以及優(yōu)秀的發(fā)明人,技術研發(fā)實力很強。兩家公司的基礎技術側重點集中在制造工藝和材料研究等領域,全球布局的國家和地區(qū)也非常相似。從專利申請隨時間的變化來看,3D Systems公司近幾年的專利數(shù)量增長趨于平緩,而Stratasys公司的專利數(shù)量增長很快。兩家企業(yè)均通過并購進行業(yè)務擴張,并通過對圍繞核心專利的外圍技術進行專利布局,緩解了各自核心專利到期的競爭壓力。相比之下,3D Systems公司的并購次數(shù)多而且全面,尤其表現(xiàn)在通過并購實現(xiàn)向產(chǎn)業(yè)鏈的上游原材料以及下游應用領域的縱向擴張。而Stratasys公司則更注重對新技術的吸收與開發(fā)。

我國自20世紀90年代開始發(fā)展增材制造。2013年,在863計劃中首次將增材制造納入其中；2015年出臺了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃(2015-2016年)》；2015年發(fā)布了《中國制造2025》發(fā)展規(guī)劃以及2017年推出了《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃(2017-2020年)》等專項規(guī)劃,以推動我國增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前,我國已成為全球增材制造領域專利數(shù)量最多的國家之一。截至2017年年底,我國增材制造企業(yè)數(shù)量已超過500家。然而,我國增材制造產(chǎn)業(yè)總體上還處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的初級階段,核心領域的原創(chuàng)技術開發(fā)不足,領域專業(yè)化分工較弱,產(chǎn)業(yè)規(guī)?；潭炔桓?整體競爭力較弱,急需向這些行業(yè)龍頭企業(yè)學習。

通過研究這兩家公司的發(fā)展經(jīng)驗,對我國增材制造產(chǎn)業(yè)及相關企業(yè)的發(fā)展提出以下建議。

(1)重視基礎技術研發(fā),選擇重點突破

增材制造目前還是以技術和工藝為主導的高新科技產(chǎn)業(yè),應用領域市場尚未打開,新技術新工藝的開發(fā)仍然是企業(yè)發(fā)展的根基。我國相關企業(yè)可在加強自身優(yōu)勢業(yè)務的同時,在新材料開發(fā)和新工藝設備研發(fā)方面加強投入。比如多關注電子束增材制造工藝、市場空間更大的增材制造應用等領域。

(2)保護核心專利和技術,加強知識產(chǎn)權布局

3D Systems公司和Stratasys公司為解決其核心專利到期問題進行了專利擴展和全球并購等戰(zhàn)略性布局。建議我國增材制造領域,特別是規(guī)模較大的企業(yè),加強對自身核心專利的全球布局和保護,以增強企業(yè)在發(fā)展中面對專利侵權的應對能力和競爭力。

(3)加強合作,提升競爭力

我國作為增材制造的重要市場備受關注,外國企業(yè)通過收購或控股我國增材制造企業(yè),以及與相關企業(yè)進行合作,逐步占有了我國市場,必然對中國本土企業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生相當大的影響。而且,目前我國增材制造領域的企業(yè)仍以中小企業(yè)為主,規(guī)模和實力還不足以與行業(yè)巨頭相抗衡。在面對激烈的市場競爭時,行業(yè)內部和企業(yè)之間需要加強合作,取長補短,強強聯(lián)合,形成技術聯(lián)盟,提升競爭力,共同應對外國企業(yè)的挑戰(zhàn)。