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3D打印行业巨头德国EOS公司专利分析

摘要:本文以3D打印行业巨头德国的EOS公司为研究对象,对其专利布局、专利策略、研发团队、产品研发情况进行了分析,旨在为我国相关企业提供参考。

  

  关键词:EOS公司 3D打印激光烧结专利申请专利布局专利策略

  

  一、EOS公司全球专利申请趋势分析

  

  德国EOS公司(Electro Optical System)是世界著名的快速成型设备制造商和e一制造方案提供商,其设备主要涉及3D打印的光固化工艺和选区激光烧结(SLS)工艺,主要快速成型产品有FORMIGAP系列、EOSINTP系列、EOSINT S系列和EOSrNTM系列等,其服务的产品涵盖了汽车、飞机、发动机、医疗、民用、机电设备、工业工具等领域。作为3D打印产业的三大龙头企业之一,EOS公司在产业分布和销售网络、核心技术、专利布局战略等方面具有很多值得我国企业学习的地方,因此,对其进行专利分析很有必要。本文的专利检索数据截至2013531日。

  

  图1显示了EOS公司的专利申请量随年度的变化趋势。图2显示了EOS公司的专利申请数量及对应授权量,图中黑色部分与当年申请量的授权量相对应(同族申请中有1件获得授权即统计在内)。在不同的国家申请、不同的审查制度、不同的时期、申请人的不同申请策略都会影响授权率。




EOS公司的专利申请呈现出明显的3个阶段,且在第一和第三阶段呈簇状发展。


  1.第一阶段:强势进驻期(1991 - 1996)


  1991 - 1996年是EOS公司专利申请量分布的第一簇状时期,其间共有41件专利申请(同族申请视为1件专利申请)。


  1991年,EOS公司开始了在快速成型领域的专利布局,其专利申请既包括激光烧结方面的专利申请,也包括光固化快速成型方面的专利申请。EOS公司的创始人汉斯·朗格博士认识到首先进行工艺方面的专利布局的重要性,其最早提出的3件专利申请均涉及塑料材料的工艺。


  在其第一阶段的专利布局中,EOS公司的专利申请主要涉及激光烧结的工艺方法和激光烧结装置,另外还涉及材料(2件)、粉末输送装置(DE19530295CI)、粉末涂覆装置和激光装置等。可见,EOS公司在早期就基本完成了在激光烧结各方面的全方位专利布局。其第一阶段的专利授权率基本在50%以内,说明在这一阶段,EOS公司的专利申请授权比在1/2以下。




2.第二阶段:平缓积累期(1997 - 2003)


  1997 - 2003年是EOS公司专利申请量较少的时期,7年间一共申请了18件专利,平均每年只有2.6件,这与EOS公司在这一阶段更为重视产品推广的运营策略有关。EOS公司在这一阶段的专利申请量虽然不大,但都是在其原来专利布局的基础上进行的,完善了针对金属激光烧结的EOSINT P系统设备,开发了材料管理系统IPCMS、针对金属激光烧结的EOSINT M系统设备、针对砂型激光烧结的EOSINT S系统设备。


  3.第三阶段:集中爆发期(2004 - 2013)


  2004年至今是EOS公司专利申请的第二簇状时期,其间年均申请专利10件。由于专利申请公开有一定的滞后期,该公司2012 - 2013年的专利申请暂时不能查到。这一时期EOS公司的专利申请涉及激光烧结方法,激光烧结装置、材料、辅助设备的比例基本上能够保证均衡发展,可见,随着研发技术的积累和研发团队构架的日趋合理,EOS公司在激光烧结各个领域的研发日趋完善,专利技术布局日趋完整,专利投入产出比也处于较高的水平。2004 - 2009年,其专利申请的授权率基本能达审查阶段)。


  二、EOS公司专利布局策略分析


  合理的专利布局可以提高企业的专利价值,提升企业的市场竞争力,最大限度地发挥专利武器在企业竞争中的作用。企业的专利布局必须服从企业专利战略,并服务于企业整体的竞争发展战略。


  1.主要申请模式


  EOS公司在专利申请模式上采取多边申请和单边申请相结合的方式。其专利申请主要通过以下4个途径提出:①直接向该国专利局提出申请;②通过PCT进入该国国家阶段;③通过EPO(欧洲专利局)进行申请;④通过PCT向EPO进行申请。其中②③④项均属于多边专利申请的情况。EOS公司的多边申请数量达到121件,单边申请有25件(多数集中在德国,只有2件在美国的单边申请),其公开频次达到599次,即有599件专利申请在不同的国家或地区进行了专利布局,平均单件专利申请的布局频次接近5次。EOS公司具有78件PCT申请,其中69件进入了EPO,此外还单独针对EPO有29件专利申请。


  2.合作申请


  合作研发是指企业针对自己研发实力较弱的领域或创新领域,借用人才、设备、资金等外力进行合作开发,在较短时间内解决技术难题,完成高水平的研发成果。专利合作申请是合作研发的一种主要体现形式。EOS公司的专利申请逐步出现了向多个申请主体、多个权利要求人转变的局面,其有合作专利申请23件,合作方包括上游企业、下游企业、同行企业、研究机构和个人。


  (1)与下游企业的合作申请


  与EOS公司合作申请的下游企业涉及汽车、机电、医疗等领域,具体有丰田赛车有限公司(TMG)、戴姆勒汽车有限公司(Daimler AG)、HEUGE数控机床有限公司、西门子能源有限公司。


  (2)与上游企业的合作申请


  EOS公司关于激光烧结辅助设备和烧结材料的技术并不处于领先地位,因此它非常重视与上游企业的合作专利申请。通过与上游企业的合作申请,EOS公司能够开发针对自身特点的产品,进而通过这些特定的产品实现利益的最大化。EOS公司的供应商主要分为材料供应商和激光烧结辅助设备供应商。MicroMac公司是EOS公司在激光器方面的供应商,二者的合作申请是申请号为W02008EP03622的PCT申请,具体涉及一种粉末涂覆装置。德国的SCAPS GmbH公司是EOS公司在定位装置方面的供应商,二者的合作申请是申请号为DE19961008632的德国专利申请,具体涉及一种激光定位装置。EOS公司与其主要材料供应商赢创(Evonik)集团的合作申请是1998年9月15日提出的欧洲专利申请EP19980117450,要求保护一种塑料粉末材料。


  EOS公司与其材料供应商法国阿科玛(Arkema)公司的合作申请是2009年4月8日提出的德国专利申请DE200910016881和2010年4月1日提出的中国专利申请CN201080001890,二者均要求保护一种用于三维制造工艺的粉末材料。


  (3)与同行企业的合作申请


  同行企业既是竞争对手,又存在一定的合作基础。根据自己的技术优势和市场拓展区域,灵活地进行竞争对手和合作伙伴之间的角色调整,已经成为常态。在EOS公司成立早期,它与3D systems公司有2件合作申请,分别为1994年1月1日提出的德国专利申请DE19944436695(涉及一种光固化技术)、1996年4月4日提出的欧洲专利申请EP19960105432(涉及一种立体光刻装置的刮板)。但是自从3D systems公司收购DTM公司后,因EOS公司的经营范围与其子公司的业务范围重合,朋友一朝公堂见。


  (4)与研究机构的合作申请


  研究机构的理论研究能力强,并具备较丰富的实验设备和实验手段,对前沿技术也比较关注。与研究机构合作,一是可以提高自身的创新能力,丰富自身的研发手段;二是能够将实验室中的理论投入到实际生产中,促进整个社会生产力的发展。EOS公司与研究机构的合作申请只有1件,是与位于瑞士圣加伦的FHS圣加伦应用科学大学RPD研究所于2006年6周27日合作提出的PCT申请W02007000069A(优先权日为2005年6月27日),涉及一种制造三维物体的方法和装置。通过该合作申请,EOS公司完成了其EOSINT M280产品中集成保护气体管理体系的建立,将氮气和氩气很好地兼容,能够实现多种模具钢到合金钢的金属材料的烧结,属于EOSINT M280产品的关键核心技术点。


  (5)与个人的合作申请


  EOS公司共有7件与个人的合作申请,全都是与发明人的合作申请,其中与Actech公司的发明人温特( Went)合作的3件专利申请,开始了其将激光烧结用于三维铸模的应用拓展。


  三、EOS公司的发明团队分析

  

  1.主要发明人


  研发人才是产品研发的基础,发明人是专利申请的奠基石。朗格.J.汉斯(Langer)博士是EOS公司的专利发明之父,在增材制造技术上具有较深的造诣,共有83件专利申请。他在1991 - 1995年间作为发明人参与了EOS公司的29件专利的研发,主要涉及立体光固技术,激光烧结的系统、工艺和装置等,在他的带领下诞生了一个发明人团队,建成了EOS公司的基础专利池,其专利引用总频次达到881次。另外,奥博霍弗(Oberhofer)、维尔克宁(Wilkning),克勒(Keller)、玛特斯(Mattes)、费利佩(Phillipi)、哈尔德(Harder)、穆勒(Mueller)和罗伊特勒(Leuterer)也是EOS公司中非常高产的发明人。





3反映的是EOS公司参与专利申请量排名前9位的发明人在激光烧结工艺、烧结装置、材料、粉末相关装置、激光相关装置以及其他方面的研发领域对应矩阵图。可以看出,穆勒在各方面较为均衡,其余8位发明人都在某些领域有相对较为集中的贡献。专利发明贡献集中在激光烧结工艺和装置领域的发明人有朗格、玛特斯和雷彻(Reichle)。在材料方面贡献突出的发明人是维尔克宁,其参与了12件与材料相关的专利申请。贡献集中在粉末运输以及粉末涂覆装置领域的发明人为哈尔德、克勒、佩莱特(Perret)。哈尔德共参与了13件专利申请的研发,全部为第一发明人,他是EOS公司新生代研发团队的核心人物。在激光装置方面贡献突出的发明人是佩莱特,其参与了6件与激光装置相关的专利申请。

  

  2.人才的引进与培养

  

  专利开发人才可以从内部培养、提拔,也可以从外部引进,甚至挖竞争对手墙角。人才的引进与培养同等重要,不同时期、不同项目可以有所侧重,但是不能偏废,企业必须建立起可持续创新的长效机制,不能因为少数人的流失而造成大起大落。分析EOS公司的发明人团队,可以发现以下几点:

  

  第一,研发人员引进情况。其人才引进可以按时间分为4个阶段,1989 - 1995年和2005年至今是其人才引进的两个主要阶段。1995 - 2005年间,EOS公司虽然也引入了一些发明人参与专利研发,但是这些发明人专利产出量不大,在该公司的研发寿命也不长。这也与图1EOS公司专利申请量爆发的两个阶段相对应,充分体现了专利研发人才的引进对于专利产出的重要性。

  

  第二,人才培养情况。EOS公司的研发团队中,朗格(CEO)、塞尔斌(市场总监)、奥博霍弗(首席财政官)、维尔克宁(材料与工艺总监)、克勒(产品研发总监)等经过内部的培养、锻炼、提拔,逐渐组成了现在的管理团队核心。

  

  第三,核心发明人情况。EOS公司2005年后引进的发明团队核心成员哈尔德、穆勒和罗伊特勒非常高产且术有专攻,都是不可或缺的研发人才。

  

  四、EOS公司在主要技术分支的专利布局分析




EOS公司专注于激光烧结,其必然在激光烧结的各个方面都有所涉及,以期实现对该领域的全面控制和垄断。从图4可以发现,EOS公司的专利申请可划分为4个方面:烧结工艺(29%)、烧结装置(31%)、烧结材料(12%)和辅助设备(28%),基本上涵括了激光烧结相关技术的各个方面,说明其专利研发投入均衡。其中,激光烧结工艺和激光烧结装置一般是成对出现的,即一种烧结工艺对应特定的烧结装置,这点在该公司的专利布局上能够清晰地显现,烧结工艺方面的专利申请占到其专利申请总量的2g%,烧结装置方面的专利申请占到其专利申请总量的31%。在该公司在辅助设备方面的专利申请中,涉及粉末涂覆相关装置的有22件,涉及激光器的有11件,涉及粉末输送的有6件,涉及其他(保护气体工艺等)6件。

  

  同一项技术中的烧结工艺和烧结装置的技术功效基本对应,二者的功效主要集中在对烧结成型质量的控制和加工效率的改善上,主要是为了避免成形体翘曲、孔洞、变形、开裂等的影响。另外,粉末材料、涂覆装置、激光器的选择也会对烧结体的成型质量造成影响。使用寿命提高能够有效地降低装置的使用成本,关注节能环保能够适应社会发展的趋势,因此,对于使用寿命和节能环保两方面研发的投入,能够更好地扩展EOS公司激光烧结设备的市场占有率。

  

  五、EOS公司关于激光烧结技术的专利策略

  

  激光烧结工艺是美国DTM公司(3D Syetems公司并购)的原创技术。EOS公司在对付DTM公司的外围专利布局策略上,采取了围魏救赵的进攻策略,对SLS技术的外围专利(如涉及粉末输送涂覆装置和粉末烧结材料的专利)进行针对性的重点突破,并最终与DTM公司达成专利交叉许可,从而拥有其核心专利DE1993004300478的使用权,在此基础上进行改进或改良(SLM),并最终建立了属于自己的技术体系(DMLS),完成了源头开花的改进型专利技术的开发。在专利的地域布局方面,EOS公司放弃DTM公司布局严密的澳大利亚市场,转而对DTM公司没有涉及的中国市场进行专利布局,这说明EOS公司很重视中国市场的开发。

  

  六、EOS公司步步为营的产品研发

  

  EOSINT M系列是EOS公司针对金属烧结工艺专门开发的系列产品,从1998年至今,前后共开发了4代产品。

  

1.第一代产品

  

  EOSINT M250是基于SLS的激光直接成型机制下的熔化/凝固机制,其具有200WC0:激光器(对应专利为EP9603382A),激光扫描速度为4m/s,聚集光斑0.4mm,采用金属粉末专用的粉末输送装置(对应专利为DE19530296AIDE1994004400523),通过振荡原理将金属粉末高效、准确地进行输送。针对EOSINT M250开发出的金属粉末材料有需要渗树脂的EOSINT M Cu3201(其是NiCuSnCu3P的混合物),不需要渗树脂的金属粉末混合物DirectStee150-VIDirectStee120-VI. DirectStee150,这些材料组成的具体技术方案在1997年的专利申请DE9801410A中均有涉及。

  

  2.第二代产品

  

  德国专利申请DE1995100016972涉及EOSINTM250 Xtend系统使用的金属粉末预热装置,该预加热装置能够调节高度和角度,能够控制粉末合适的加热温度,提高加工效率和加工精度。EOSINT M250Xtend使用的材料有主要成分为青铜粉的DirectMetal 50DirectMetal 20以及钢基体系列的DirectSteel 20DirectSteel H20,这些材料均不需要渗树脂就能烧结成型,且致密度能达到95%以上,这在专利申请DE98014IOA中有体现。

  

  3.第三代产品

  

  EOSINT M270激光烧结系统最大功率为5.5kW,采用的是配备200WYb-fibre固体激光发射器(在专利申请EP2006004849A中有体现),最小光斑仅为100um,是EOSINT M2501/2 - 1/3EOSINTM270激光烧结系统采用精准的光学系统F-theta-lens(专利申请W02007009526A中涉及),通过该光学系统能够保证成型模型的表面光滑度和准确度,能够减小纯金属粉末直接进行激光烧结时产生的孔洞。EOSINT M270激光烧结系统采用欧洲专利EP2007001390A保护的标准的氮气发生装置以及空压系统,使设备的使用更加安全。

  

  除了专利申请US20070037002A1中提到的EOSNikel IN718EOS Aluminium Al-Silo Mg材料外,EOSTNT M270激光烧结系统还可成型医用不锈钢、模具钢、铜基合金、高温合金等多种金属材料。

  

  4.第四代产品

  

  EOSINT M280系统最大功率为8.5kW,配备200W400WYb-fibre固体激光发射器(通过专利申请DE202009012628U中的技术方案实现功率加倍),结合高速扫描光学系统F-theta-Iens,能够提供高性能、高稳定性、高质量的激光。EOSINT M280系统配备专利申请DE102009016585A中提及的LPM系统,使得在烧结的全过程中都可以监控激光的状态,以100 - 500μm的可变聚焦直径,熔化20 - 80 u m的金属粉末,尺寸精度可以达到±20μm,可以最大程度地保证成型产品的质量。EOSINT M280系统配备专利申请W02007000069AI中所述的集成的保护气体管理体系,保障了长时间连续烧结部件的高品质,此系统兼容氮气及氩气两种保护气体,从而使得M280系统兼容从轻金属到不锈钢、从模具钢到超级合金的多种金属材料。

  


七、EOS公司中国专利布局分析

  

  EOS公司在中国申请专利使用的名称有EOS有限公司电镀光纤系统、EOS电光系统有限责任公司、EOS电子光学系统股份有限公司、EOS有限公司、EOS有限公司电光学系统、电光系统有限责任公司。其在中国布局的专利申请中有2件合作申请,分别与丰田赛车有限公司和法国阿科玛股份有限公司合作。从图6可以发现,早在1995年,EOS公司就开始在中国进行专利布局,但是直至2003年才又开始在中国申请专利,在1996 - 2002年间没有任何中国专利申请。从2005年开始,该公司连续大规模地提出中国专利申请。据快速成型专家清华大学林峰教授介绍,中国自2000年前后才开始对3D打印技术的大规模研究。这说明EOS公司在中国的专利布局是在紧盯中国3D打印市场动态的基础上进行的。从专利申请的类型可以发现,在EOS公司的中国专利申请中,PCT申请占了30件,占到其中国专利申请总量的7g%,而其余的21%也都享有国外申请的优先权。可见,EOS公司的中国专利申请都是多边申请,其并没有针对中国市场单独申请专利。从其中国专利申请量随年代分布趋势可以发现,自2004年开始,EOS公司的中国专利申请量基本上呈现出逐年递增趋势。从其中国专利申请技术点的分布可以发现,涉及烧结工艺、烧结装置、烧结材料的专利申请比例,与其全球专利申请技术点分布的比例大致对应,这说明EOS公司在中国的专利布局策略与其全球技术布局策略是一致的。

  

  EOS公司的中国专利申请中,处于授权后专利权维持状态的有19件,处于复审阶段的有2;因为驳回和欠费而专利权终止的仅占10%;处于实质审查阶段或等待进入实质审查阶段的专利申请占到了3g%,这些专利申请代表了EOS公司最新的技术研发情况。国内相关企业应根据自己的需要对其相应的专利申请进行监测。

  

  八、结语

  

  虽然EOS公司的专利矛头暂时还未指向中国企业,但是面对在激光烧结尤其是金属3D打印领域技术领先、市场占有率高、专利布局全面细致的EOS公司,国内相关企业应当高度重视,一方面,应学习EOS公司的专利研发、专利布局和市场推广手段,一方面要作好专利分析,避免踏到EOS公司布设的专利雷区,努力破除其专利壁垒