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3D打印产业技术的演变与预测研究(三)

(2)研究工具
        本研究基于已有专利数据的主路径分析流程及所使用的工具如图1所示。所应用的主要研究工具包括:
图1-基于专利数据的主路径分析流程和工具

① TDA软件
        Thomson Data Analyzer软件(简称TDA软件)是由美国Thomson公司开发的专利分析工具,用于对Thomson Innovation数据库或其他数据库中的专利数据进行深度挖掘和可视化分析。本文主要使用TDA软件来分析历年专利数量的变化趋势和技术生命周期,从而划分3D打印技术的发展阶段。
② Java程序和Ucinet软件
        使用Java程序提取3D打印技术不同发展阶段的专利数据中的引用关系对,并建立相应的引用矩阵,得到各阶段的专利交叉引用矩阵。利用Ucinet软件实现专利交叉引用矩阵的可视化,得到专利引文网络。
③ Pajek软件
        Pajek软件是大型复杂网络分析和可视化工具,可用于拥有高达百万个结点的大型网络的分析和可视化操作。本研究利用Pajek软件中生成主路径的算法来提取3D打印技术专利引文网路中的主路径。基于专利之间的引用关系,Pajek软件会识别出源点和汇点之间的所有路径,通过计算每条路径上每条边的遍历权重,获得每条路径的总遍历权重,选取遍历权重值最高的路径为专利引文网络的主路径。

四、3D打印技术发展生命周期分析
        3D打印技术领域的专利数量和专利申请人的增长情况可以用来表征技术发展阶段。因此可以通过绘制出每年专利数量和专利申请人数之间的关系,获得3D打印技术的生命周期,如图2所示。可以看出,3D打印相关技术发展正处于成长期,专利申请主体和专利数量都处于较快的增长时期。越来越多的人和机构开始重视3D打印技术的研究,研究主体的活跃度增加,这是因为3D打印产业作为新兴产业, 目前处在技术的高速成长阶段,吸引了众多企业、研究机构和人员进入。通过分析3D打印技术领域历年的专利数量(按最早优先权年)的变化趋势,可以判断该技术发展的总体趋势。从图2可以看出,从2O世纪60年代始出现了3D打印相关专利技术,90年代起专利数量增长速度开始加快,在1999年时专利数量首次突破百件。随后专利数量波动增加,在2006年后,专利数量持续快速增长。
图2-3D打印技术生命周期情况

        通过对专利文献增长趋势及技术生命周期的分析,可将技术发展划分为三个阶段:第一阶段为1960-1999年,这一阶段属于3D打印技术发展的萌芽期,专利数量增长较慢,且专利数均在百件以
下;第二阶段是2000-2006年,这一时期的专利数量增长速度加快。1999年以后专利数量一直波动增加,在2006年达到局部最小值点,此后专利数量一直快速增长;第三阶段为2006至今,技术进入成长期,这一时期的专利量增速较前一时期加快,专利数量出现了井喷式的增长,3D打印技术发展显示出快速增长态势。

五、3D打印技术演化与预测分析
    基于3D打印产业的世界专利数据,本研究利用Java程序编程和Ucinet软件构建了3D打印专利引文网络,并运用Pajek中的SPC算法提取3D打印技术的主路径,结合时间序列,将各主路径按时间重新梳理,可以得到3D打印产业技术三个发展阶段的主路径。

1.第一阶段(一1999年)
        如图3所示,1960-1999年问3D打印技术专利申请数量较少,主路径构成较为简单。专利WO1990003893A1是主路径的起点,是一种3D打印的改进装置和方法,主要利用激光束来产生薄片材料,从而制造出一个完整的物体。专利EP431924A2是主要介绍了3D打印的原理,即通过选择性地向平台上堆放的粉末喷洒黏结剂来制造模型和原型。专利US5943235A介绍了在热光固化系统中数据处理和控制方法的应用。专利US6136252A提出了使用热退火方式的电化学沉积方法,该发明提高物体的产生速度和降低设置和文件准备的次数,保持或降低设备成本。在专利US6136252A之后,主路径形成了四条分支。处于分支上的专利US20020011693A1介绍了快速成型装置,包括:分发器,可控地分配可流动材料,该材料在被分配后固化;平台,用来支撑三维物体的截面;控制器,使材料按所选样式分发在工作台。专利US20020079601A1介绍了一个包括多个喷头的三维打印机设备,这些喷头主要是将黏合剂或着色剂喷射到生成材料中。专利US20040075196A1和US20020008335A1描述了快速原型和制造系统中使用的各种支持结构和构建样式,尤其是热光固化系统、熔融沉积成型系统、选择性沉积模型系统,并提出了一个3D建模系统。

        经主路径分析可以看出,此阶段技术发展的重点在于3D打印技术的基础性原理、技术和设备方面的研究。

图3-3D打印技术主路径(1960-1999)


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