3D打印混凝土国内专利技术综述

赵子强 张广华

(国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津 300300)

混凝土作为最大宗的建筑材料，为国计民生作出卓越贡献，然而混凝土在生产和使用过程中产生的高污染、高能耗已成为传统混凝土技术发展的重大阻碍。源于上世纪80年代的3D打印技术颠覆了传统生产模式，被誉为“第三次工业革命”的代表。3D打印过程为增材制造，成型无需模板、绿色环保、灵活高效，为混凝土可持续发展提供了新的方向[1-4]。

自3D打印混凝土问世以来，诸多专家学者和工程人员对其进行应用研究，并利用3D打印技术将混凝土打印出建筑、桥梁、方舱等结构工程，但有关3D打印混凝土的专利分析鲜有报道。本文通过对3D打印混凝土相关国内专利技术进行统计分析，以期对其专利申请概况进行梳理，对3D打印混凝土专利申请布局起到一定参考作用。

1 3D打印混凝土专利申请态势分析

3D打印混凝土建筑作为新技术自问世以来备受广大科研与工程人员关注，也成为建筑材料发展的增长极。3D打印混凝土属于新兴技术，通过对该技术发展脉络进行掌握，结合中国专利库的特点和专利文献分布特点，选择中文专利数据库CNABS和CNTXT进行检索，检索选用关键词3D、打印、混凝土、砂浆、水泥、油墨，分类号未进行严格限制，检索日期截止至2020年04月30日。

1.1 专利申请量趋势分析

图1为有关3D打印混凝土相关技术在全国专利申请趋势图。3D打印混凝土自被报道以来，便引起了广泛关注和专利申请热情，继2013年由国外“D-shape”打印出首栋建筑后。中国于2014年成功利用3D打印技术建造了混凝土建筑，由此引发了有关3D打印混凝土的专利申请热潮。由图1可以看出，国内首次关于3D打印混凝土技术的专利申请发生在2013年，并于2014-2015年出现大幅上升，相较于2015年，2016年的相关申请甚至实现了翻倍增长，我国申请人虽然进入该领域略晚，但近期技术研究十分活跃，在国家“大众创业、万众创新”和“知识产权强国、助力经济发展转型”的国家政策激励下，3D打印混凝土作为环保高效的新技术在中国开拓了丰沃的土壤。由于专利自申请至公开需要部分时间，因此2019年的专利申请数量未被统计完全，给统计数据造成误差，相关科研单位、企业和研究人员同样应当给予后续关注。

图1 3D打印混凝土技术专利申请趋势

1.2 申请人类型及主要申请人分布

图2为3D打印混凝土国内专利申请人类型分布。由图可知，以企业为申请人的专利申请占据50%，其次是高校的专利申请占据45%，个人为申请人的专利申请量占比最少，约5%。3D打印混凝土设计、施工过程需要计算机建模，对设备、技术和材料具有较高技术要求和经济实力。因此，目前相关研究集中于企业和高校等具有较强研究实力和成果转化能力的主体。

图2 3D打印混凝土专利申请人类型

图3显示了3D打印混凝土相关专利申请的主要申请人情况。在中国，排名靠前的14位申请人中，高校占8位，公司占6位，均为国内水泥混凝土领域科研实力雄厚和施工技术先进的单位。其中河北工业大学于2019年10月13日按赵州桥1：2的缩尺打印后现场装配组装成混凝土3D打印石拱桥，并对相关3D打印混凝土材料进行专利布局；此外，盈创建筑科技(上海)有限公司自2014年开始完成了一系列3D打印建筑，使3D打印建筑技术在中国落地发芽。该公司及其负责人马义和对3D打印建筑技术进行持续专利布局，其专利申请技术分支涉及设备、产品、工艺、材料，覆盖面广，充分利用知识产权对技术进行有效保护。由于涉及的材料专利布局相对较少，因此在进行3D打印混凝土相关检索时，其并未排入主要申请人分布前列。由此可见，在国内企业和高校保持了对3D打印混凝土相关应用研究的热度和兴趣，热衷于产品转化并进行专利布局，对3D打印混凝土相关技术进行保护与市场抢滩。3D混凝土技术的成功应用和不断挖掘，使得该技术成为建筑领域的一张名片，为建筑技术的发展创新与走出国门培养了良好的氛围，3D打印混凝土技术同时预示着广泛的市场前景。另外，专利保护对该技术的开发和运营提供了可靠支持。

图3 3D打印混凝土专利主要申请人分布

1.3 主要技术分支

3D打印混凝土作为建筑材料的技术实现，离不开各领域技术支持。通过对全国专利申请的状况进行分析，相关申请主要涉及材料、产品、工艺、设备、测试方法和测试工具，各技术分支所占比例如图4所示。可以看出，材料、产品、工艺、设备之间占比相差不大，技术发展较为平均。对不同技术分支下3D打印混凝土研究的技术热点进行研究，分析发现，关于材料的专利申请主要热衷于低成本、力学性能、凝结时间和施工性能的研究；关于产品的专利申请主要集中于快速高效制备、低成本、绿色环保和力学性能需要；关于工艺的专利申请主要集中于快速高效、低成本、绿色环保和力学性能的研究；关于设备的专利申请主要致力于快速高效、低成本和工业化自动化研究。3D打印混凝土从实验室走向工业化，需要相关产业的相互配合。同时，对3D打印混凝土材料的测试方法和测试工具也有少量申请。3D打印混凝土施工工艺由于与普通混凝土施工工艺相差甚大，对3D打印混凝土的性能指标进行重新评价并重新制定相应的国家标准与规范，也是本领域科研与从业人员亟待解决的技术问题。

图4 技术分支申请量分布

2 主要技术演进

3D打印混凝土自问世以来，得到全世界工程与科研人员的密切关注，并成功进行了建筑施工应用。作为新兴建筑技术，以下以国内专利申请作为研究样本，对3D打印混凝土的技术演进和技术内容进行分析。

3D打印混凝土构筑的建筑物于2014年03月被首次报道。在此之前的2013年，便有申请人针对3D打印混凝土相关技术进行专利申请，但申请的主题主要涉及设备与工艺，如国内首先涉及3D打印混凝土相关技术的为南京工程学院的申请CN203357623。该专利公开了一种快硬型混凝土3D打印喷嘴，紧随其后北京交通大学申请了专利CN103331817，其涉及工程结构的3D打印方法，吕诗林也发明了一种建筑物梁构件的3D打印方法CN103707387，具体公开了一种建筑物梁构件的3D打印方法。

进入2014年，3D打印混凝土相关申请量倍增。申请主题由侧重于设备和工艺延伸至3D打印制备的产品，并出现测试方法、工具和材料。同济大学公开了一种基于3D打印技术的建筑工程施工装置及应用方法CN103967276。中国建筑第八工程局有限公司设计开发了一系列利用3D打印的建筑构件，包括钢筋砼结构、剪力墙结构、构造柱、空心楼板、装配式异形柱(CN104120788、CN203947570、CN104153493、CN104264862、CN104328845、CN104453014、CN104514305、CN104532953、CN204356896、CN204356959)。为测定打印材料在挤出成型过程中的变形性能，上海利物宝建筑科技有限公司开发设计了对3D打印材料性能进行量化评价的测试方法和相应的测试工具(CN104297092、CN104297097、CN104297103)。中国建筑股份有限公司第一次公开了有关3D打印混凝土的配方CN104310918，盈创建筑科技(上海)有限公司，其负责人马义和也进行了相关专利布局，具体涉及打印设备和产品建筑板墙(CN204040486、CN204040487、CN204081129、CN104264873、CN104328877、CN104328890、CN104328910)。

2015年的相关专利申请涌现出大批混凝土材料和建筑构件，同时包括部分打印设备。南京师范大学设计开发了一种基于机器人集群控制的3D建筑打印系统CN104802406。黄贺明公开了一种用于3D打印的高性能粉末混凝土CN104961411，中国建筑股份有限公司公开了一种3D打印用双组分水泥基复合材料CN105384416，中国建筑第八工程局有限公司公开了3D打印构件层间粘结强度和剪切强度的测试结构与方法，对施工后的混凝土性能进行评价(CN104964875、CN105021470)。

相较于2015年，2016年的3D打印混凝土相关专利申请量实现了翻番，技术主题主要集中于材料和产品。武汉理工大学公开了一种3D打印砂浆CN106007587。新疆研科节能科技有限公司公开了一种3D打印用非水泥基胶凝材料及其制备方法CN106045435。中国建筑股份有限公司公开了3D打印用的地质聚合物复合材料CN106082898。重庆建工新型建材有限公司和重庆建工集团股份有限公司共同申请了一种用于3D打印的轻质混凝土及其制备方法CN105948668。南京工业大学公开了一种用于3D打印的绿色建筑材料及其打印方法CN106186974，原料选用水泥、废渣、骨料减水剂、消泡剂、速凝剂、水、纤维。卓达新材料科技集团和威海股份有限公司则针对3D打印混凝土用胶凝材料和外加剂进行一系列专利申请，外加剂涉及早强剂、缓凝剂、泵送剂、减水剂，从另一维度对3D打印混凝土用材料进行专利挖掘与布局。

2017年的专利申请主体材料占据更大比例，期间涌现出部分特种混凝土的3D打印技术，此外还涉及部分工艺和设备。万玉君公开了一种用于粉末黏合3D打印的水泥基复合材料及应用该材料的粉末黏合3D打印方法CN106800391。山东大学公开了基于CT扫描透明透水混凝土试件3D打印方法CN106827545。北京交通大学公开了一种基于装配式技术的单轨交通混凝土构件的3D打印方法CN107053427。西安建筑科技大学公开了一种透光水泥基复合材料的3D打印制备方法CN107129240。同济大学公开了一种用于水下施工的3D打印水泥基材料及其制备方法CN107311561。河北工业大学公开了一种可3D打印的尾矿砂纤维混凝土及其制备、使用方法CN107417204。南京理工大学公开了用于3D打印的功能梯度及密度梯度混凝土材料及其制备方法CN107555895。上海建工公开了一种3D打印桥梁CN208586502。

2018-2019年专利申请数量出现猛涨，主要技术主题为材料、工艺、设备，并出现部分测试方法。济南大学公开了一种3D打印的碱矿渣水泥混凝土及其制备方法CN108178567。清华大学公开了一种光固化砂模打印砂浆及其制备方法CN108191312。上海理工大学公开了基于3D打印技术制混凝土断裂性能测试试件的方法CN108274583。同济大学公开了一种水下3D打印建筑砂浆性能的测试方法CN108303524。河北工业大学公开了一种水泥基材料3D可打印性能的优化方法CN108318381。中煤能源研究院有限责任公司公开了井下3D打印混凝土体机器人CN108343240。北京工业大学公开了一种建筑3D打印水泥砂浆的连续性测试方法CN108444867。武汉理工大学公开了一种3D打印用水泥材料及利用其成型复杂水泥工艺品的方法CN108439939。天津大学公开了一种用于测定3D打印混凝土浆体材料变形量的测试仪器CN108592772。河海大学公开了用于桩基工程3D打印的新材料CN108623267。东南大学公开了一种基于光固化3D打印的仿生混凝土粗骨料及其制备方法和应用CN109734342。山东中岩建材科技有限公司公开了一种适用于3D打印混凝土剪切力墙的材料及其制备方法CN110540394。浙江大学公开了一种抗核爆防辐射3D打印混凝土CN110981370。济南大学公开了基于3D打印技术的异形透光混凝土砌块及其制备方法CN111015894。

3 总结与展望

通过专利研究热点不难发现，有关3D打印混凝土相关技术主要集中于快速高效制备、低成本、力学性能、凝结时间和施工性能的研究，此类性能与效果关乎3D打印混凝土的市场推广与应用，因此被申请人密切关注。其同时存在诸多研究空白，如混凝土耐久性能、节能降耗与大规模自动化推广等，值得广大科研及工程人士进一步研究与技术推广。随着中国基础设施建设单位的海外业务迅速扩张，将先进生产技术出口海外，离不开专利制度的保驾护航，中国企业应放眼世界，根据自身发展战略开展相应海外专利布局，为“中国创造”在海外创业过程中保驾护航。