Beispielhafte statistische Auswertung von Patentdaten im Bereich additive Fertigungsverfahren

Die additive Fertigung, häufig auch als »3D-Druck« bezeichnet, umfasst eine ganze Gruppe von Technologien zur Herstellung verschiedenster Produkte. Neben vielen anderen Produkten werden nicht nur Implantate, Schuhe oder Triebwerksteile mit diesen Fertigungsverfahren hergestellt, auch der Druck von Gebäuden - auch auf fremden Himmelskörpern -, wird praktiziert oder geplant.

Es wurde eine patentstatistische »Demo«-Analyse erstellt, um einen Teil der 3D-Druck-Patente genauer zu betrachten, und die zeitliche Entwicklung, die Top-Anmelder im Technologiegebiet oder auch die Verbindung dieser Technologien mit anderen zu analysieren.

Dazu wurde die Hauptgruppe B33Y 80/00 gewählt, in die 3D-Druck-Patente klassifiziert sind, die die Herstellung von Produkten, die durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt werden, beschreiben. In der Ergebnismenge wurden viele Patentdokumente erwartet, die additiv gefertigte Produkte betreffen.

Am 25.12.2020 wurden mit der Abfrage

ipc or cpc = B33Y0080

50.953 Patentdokumente gefunden, die gemäß IPC oder CPC in die Hauptgruppe B33Y 80/00 klassifiziert waren. Diese Patentdokumente betrafen 13.103 Patentfamilien beziehungsweise Erfindungen, die in der Folge genauer betrachtet werden sollen.

In der folgenden Grafik 1 ist der starke Anstieg der Anmeldungen ab etwa 2013 zu erkennen. Weiterhin wird deutlich, dass die Anzahl von Erfindungen, die mit einer Suche auf Basis von Klassifikationen gefunden werden können, von der für die Suche gewählten Klassifikation abhängt. Vor 2013 angemeldete Erfindungen werden hauptsächlich über die CPC gefunden.

Schuhe, Schuhe, Schuhe - lassen die Top-20-Klassifikationen Rückschlüsse auf bestimmte Produkte zu?

Bei einer patentstatistischen Analyse oder einer Stand der Technik-Recherche kann es interessant sein, die Verteilung von vergebenen Klassifikationen - zum Beispiel auf Unterklassen-Niveau - in der Ergebnismenge zu betrachten. Im vorliegenden Fall einer nur auf einer Klassifikation beruhenden Datenbankabfrage kann dann von einer »Co-Klassifikationsanalyse« gesprochen werden.

Die zusammen mit der gesuchten Klassifikation vergebenen Klassifikationen und ihre Häufigkeiten können Hinweise darauf liefern, mit welchen anderen Technologien die untersuchte Technologie in Beziehung steht. Dabei können sowohl die zeitlichen, als auch die quantitativen Verhältnisse betrachtet werden.

In der Grafik 2 unten sind die Top-20 IPC/CPC-Unterklassen aufgeführt, die zusammen mit der Hauptgruppe B33Y 80/00 vergeben wurden. Einige der angezeigten Unterklassen lassen Rückschlüsse auf die mit den Verfahren der Erfindungen verbundenen Produkte zu.

Mehr als 40 % aller gefundenen Erfindungen sind auch in die Unterklasse B29C klassifiziert, die die Formgebung von Kunststoffen im plastischen Zustand, die Formgebung von Materialien im plastischen Zustand und deren Nachbehandlung betrifft. Die ersten Erfindungen auf dem Gebiet der additiven Fertigung betrafen die Verarbeitung von Kunststoffen.

Als zweite Unterklasse folgt, schon mit deutlichem Abstand, B22F, die das Verarbeiten und die Herstellung von Metallpulvern, sowie die Herstellung von Gegenständen daraus, betrifft.

Somit betreffen die beiden am häufigsten vertretenen Unterklassen nicht klar definierte Produktgruppen, sondern vielmehr die Materialien, mit denen die Produkte hergestellt werden. In den Top-20 IPC/CPC-Unterklassen finden sich weitere »Materialklassen«, die auf die Verwendung von Kunststoffen, Metallen, Keramik beziehungsweise zementartige Materialien hinweisen.

Grafik 2 sollte aber nicht so verstanden werden, als würde als Ausgangsmaterial für durch additive Fertigung hergestellte Produkte Kunststoff in Patentdokumenten häufiger zu finden sein als Metall. Auch die Verarbeitung von Metallpulvern ist oft in die Unterklasse B29C eingeordnet.

In den Top-20 finden sich aber auch Unterklassen, die auf bestimmte Produkte beziehungsweise Produktgruppen hinweisen. Diese betreffen die Herstellung oder Bearbeitung von zahnärztlichen Produkten, Strömungsmaschinen wie z. B. Dampfturbinen oder Teile derselben, oder Produkte, die ihre Wirkung im oder am Körper eines Patienten entfalten, wie Implantate, Prothesen oder beispielsweise Bandagen. Wenn auch die gefundenen Patentdokumente sich auf eine Vielzahl von Produkten beziehen, so scheint die Aktivität bei den aufgeführten Produkten besonders hoch zu sein.

Es ist interessant, dass die ersten Unterklassen, die Produkte betreffen, medizinische Klassifikationen sind (A61F, A61B, A61L und A61C). Die Vergabe der Unterklasse A61L kann in Zusammenhang mit additiven Fertigungsverfahren auch das Verdrucken von biologischem Material wie beispielsweise pflanzliche, tierische oder menschliche Zellen umfassen. Insofern kann die Unterklasse A61L auch als »Materialklasse« verstanden werden.

Die Unterklassen F01D und F05D weisen auf eine hohe Aktivität in den Bereichen Strömungsmaschinen, Gasturbinenanlagen und Strahltriebwerksbau hin, die dem Energiesektor oder z. B. dem Flugzeugbau zugeordnet werden können.

Die Unterklasse G06F als letzte produktbezogene Unterklasse in den Top-20 unterstreicht die Bedeutung der elektronischen Datenverarbeitung im 3D-Druck. Die entsprechenden Patentdokumente könnten sich auf Drucker, Scanner oder andere für den 3D-Druck nötige Vorrichtungen oder Verfahren beziehen.

Das Produkt »Schuhe« hat es nicht in die Top-20 geschafft. Es gibt drei Unterklassen, in die Schuhe, oder besser »Schuhwerk«, Teile davon oder Mittel zur Herstellung oder Reparatur derselben klassifiziert werden. In der Treffermenge sind sie auf den Plätzen 41, 57 und 200 gelandet.

Die Top-12-Anmelder im Datensatz

Die nächste Grafik zeigt die Anzahl der Erfindungen der Top-Anmelder. Mit mehr als 400 Erfindungen liegt »Anmelder 1« deutlich auf dem ersten Platz. Die Anzahl der Erfindungen der nachfolgenden Anmelder liegen dichter beisammen. In dieser anonymisierten Form ist dieser Grafik schon so gut wie alle Information entnommen. Wird zu den Anmeldern noch mehr in Erfahrung gebracht? Die kurze Antwort ist: »Ja«.

Der Vergleich einzelner Anmelder miteinander und ein Gesamtüberblick über die technologischen Ausrichtungen durch Betrachtung der Co-Klassifikationen ihrer Erfindungen lässt auch ohne einen Blick in die Patentdokumente Einschätzungen zu, welche Märkte von ihnen bedient werden.

Natürlich sind mit der Prüfung der Schriften genauere Angaben möglich. Das wird im Rahmen dieser Demo-Statistik natürlich nicht gemacht.

Vergleich einzelner Anmelder

Der direkte technologische Vergleich der beiden Anmelder mit den meisten Erfindungen im untersuchten Bereich wird mit den Grafiken 4a und 4b versucht. Diese beiden Anmelder haben leicht bis deutlich mehr Erfindungen angemeldet, die sich mit der Herstellung oder Verarbeitung von Metallpulvern befassen (B22F), als die hier untersuchte Grundgesamtheit, in der die Unterklasse B29C die häufigste war, siehe dazu Grafik 2.

Gemäß Grafik 4a ist Anmelder 1 auf dem technischen Gebiet der Strömungsmaschinen (F01D) und auf dem Gebiet der Gasturbinenanlagen beziehungsweise im Strahltriebwerksbau (F02C) sehr aktiv. Anmelder 1 scheint also im Energiesektor und gegebenenfalls auch beispielsweise im Flugzeugbau sehr aktiv zu sein. Die Unterklasse B28B zeigt an, dass er nicht nur Metalle und (vermutlich auch) Kunststoffe mit additiven Fertigungsverfahren verarbeitet, sondern auch keramische beziehungsweise zementartige Materialien.

Bemerkenswert ist, dass die Unterklasse B29C, die auf Kunststoffverarbeitung hinweisende Unterklasse, nicht zu den Top-12 Unterklassen von Anmelder 1 zählt.

Auch Anmelder 2 ist auf dem Gebiet der Strömungsmaschinen aktiv. Viele Erfindungen beider Anmelder sind in die Unterklasse Y02P (nur CPC, wie auch F05D) klassifiziert, die darauf hinweist, dass diese Erfindungen die Auswirkungen der Herstellung und Verarbeitung von Gütern auf den Klimawandel reduzieren wollen. Anmelder 2 ist außerdem zumindest in einem Teilbereich der Elektrotechnik (H04R) sehr engagiert, der etwa Mikrofone, Lautsprecher oder Hörgeräte umfasst, und etwa 8 % der Erfindungen von Anmelder 2 betreffen den medizinischen Bereich (A61B).

Auch Anmelder 2 befasst sich mit der Verarbeitung keramischer beziehungsweise zementartiger Materialien. Etwa 8 % seiner Erfindungen sind in die Unterklasse C04B klassifiziert. Auch diese Unterklasse betrifft keramische Massen, anders als die Unterklasse B28B allerdings unter »chemischen Gesichtspunkten«.

Vergleich zweier Druckerhersteller

In den folgenden Grafiken 5a und 5b sind die Top-12-Unterklassen zweier Druckerhersteller im untersuchten Bereich gegenübergestellt. In diesem Fall sollten die Erfindungen überwiegend »Drucker« beziehungsweise Druckmaterialien betreffen. Sollte ein Anmelder viele Erfindungen auf Drucker für bestimmte Produktgruppen richten, könnten auch »Produktklassen« in den Top-12 erscheinen.

Beide Anmelder haben ihren Schwerpunkt bei der Verarbeitung von Kunststoffen oder von Materialien im plastischen Zustand (B29C). Mehr als 90 % ihrer Anmeldungen sind so klassifiziert. Da in die Unterklasse B29C auch die Verarbeitung von Metallpulvern klassifiziert ist, ist eine Aussage über die Häufigkeit der Verwendung von Kunststoffmaterialien so nicht möglich.

Etwa 12 % der Erfindungen von Anmelder 11 betreffen die Formgebung keramischer beziehungsweise zementartiger Materialien (B28B). Die Verarbeitung anderer Materialien ist aus den Top-12-Unterklassen nicht abzulesen.

Die Materialauswahl und die Häufigkeit der Beschreibung der Materialien scheint in den Erfindungen von Anmelder 12 größer zu sein. Die entsprechenden Unterklassen (B29C, B22F, B28B) weisen eine größere Häufigkeit auf. Etwa jede dritte Erfindung von Anmelder 12 betrifft Metallpulver oder ihre Verarbeitung (B22F). Der Anteil an Erfindungen, die sich auf keramische beziehungsweise zementartige Materialien (B28B) bezieht, ist dreimal so groß wie bei Anmelder 11.

Die Unterklasse C09D, die bei beiden Anmeldern zu den Top-12-Unterklassen zählt, betrifft »Beschichtungszusammensetzungen«. Im Zusammenhang mit Druckern sollten mit diesem Begriff »Tinten« gemeint sein. Anmelder 11 weist mit den Unterklassen B41M und B41J zwei weitere Unterklassen auf, die häufig bei Erfindungen im Bereich der Drucktechnologie vergeben werden. Sie betreffen Drucker beziehungsweise Druckverfahren oder Druckträger.

Vergleich der wichtigsten Technologien der Top-12-Anmelder

Die technologischen Schwerpunkte der Top-12-Anmelder sollen anhand der Grafik 6 miteinander verglichen werden. In dieser Grafik sind die Top-12-Unterklassen der Anmelder nebeneinander gestellt. Diese Herangehensweise zur Untersuchung der wichtigsten Technologien der Anmelder auf dem Gebiet der additiven Fertigung liefert 53 Unterklassen beziehungsweise Technologiefelder.

Die Anmelder sind auf der y-Achse der Grafik nicht wie bisher gemäß ihrer Dokumentenzahl, sondern nach ihren Firmennamen sortiert. Die Unterklassen sind alphabetisch auf der x-Achse abgetragen.

Wenn die Grafik von links nach rechts gelesen wird, stellt man fest, dass die ersten drei Unterklassen auf medizinische Sachverhalte verweisen. Nur drei der Top-12-Anmelder zeigen in dieser Grafik Aktivitäten im medizinischen Bereich. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Unterklasse A61C.

Die Unterklasse A61C betrifft die Zahnheilkunde und Geräte oder Verfahren der Zahnheilkunde. Nur für die Anmelder 5 und 6 sind Aktivitäten zu erkennen. Dabei ist interessant, dass nahezu alle Erfindungen von Anmelder 6, mehr als 90 %, die Zahnheilkunde betreffen. Bei Anmelder 5 sind es mehr als 50 %. Überraschend ist, dass für diese beiden Anmelder keine Erfindungen zu finden sind, die in die Unterklasse B22F klassifiziert sind und damit eindeutig die Verarbeitung von Metallpulvern betreffen.

Die Unterklasse B29C und die C08-Unterklassen - die makromolekulare Verbindungen betreffen - deuten vielmehr darauf hin, dass die zahnmedizinischen Produkte im Wesentlichen kunststoffbasierte Produkte sind. Da aber auch mit Metallpulvern additiv gefertigte Gegenstände in die Untergruppe B29C klassifiziert sind, müsste zur Klärung eine weitere Prüfung erfolgen.

Die durch die große Aktivität von Anmelder 5 und 6 im Bereich Zahnheilkunde nahegelegte technologische Nähe der Anmelder wird relativiert, wenn die weiteren Klassifikationen betrachtet werden. Während Anmelder 5 Schwerpunkte im Bereich Chemie hat (Klassen C08, C09), sind bei Anmelder 6 viele zur Physik zählende Klassifikationen zu erkennen (G05B bis G16H).

Wenn der medizinische Bereich (A61) verlassen wird, finden sich die nächsten hohen Intensitäten in den Unterklassen B22F und B29C. Für drei Anmelder ist - auf Unterklassen-Niveau - nicht zu erkennen, dass sie die additive Fertigung mit Metallpulvern verfolgen. Die übrigen Anmelder setzen hier zumeist deutliche Schwerpunkte.

Die schon vorgestellte Unterklasse C09D, die in der Grafik eher unauffällig ist und Produkte wie Tinten betrifft, gehört bei drei Anmeldern zu den Top-12 Technologiefeldern. Außer den schon vorgestellten Druckerherstellern Anmelder 11 und 12 weist auch Anmelder 7 diese Klassifizierung auf. Tatsächlich ist auch Anmelder 7 - unter anderem - Druckerhersteller.

Die nächsten Stellen hoher Aktivität betreffen Strömungsmaschinen, z. B. Dampfturbinen (F01D), und Gasturbinenanlagen beziehungsweise den Strahltriebwerksbau (F02C). Fünf Anmelder weisen hier eine hohe technologische Aktivität auf. Neun der zwölf untersuchten Anmelder haben viele Erfindungen angemeldet, die darauf abzielen, die Auswirkungen der Herstellung und Verarbeitung von Gütern auf den Klimawandel zu reduzieren, und in die Unterklasse Y02P eingeordnet sind.

Untersuchung der zeitlichen Aktivität der Anmelder

Die additive Fertigung ist eine relativ junge Technologie, oder besser, eine ganze Gruppe junger, teilweise sehr unterschiedlicher Verfahren. Es lassen sich kaum Patentdokumente zur additiven Fertigung finden, die vor den 1980er Jahren angemeldet wurden.

Die hier untersuchte Menge von Erfindungen, die die Herstellung von Produkten, die durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt werden, betrifft, lieferte eine Anmeldung aus dem Jahr 1984 als früheste Erfindung.

Die Grafik 7 unten zeigt, dass die Top-12-Anmelder erst in den 90er Jahren Erfindungen machen, die in die Unterklasse B33Y 80/00 klassifiziert sind. Lediglich die Anmelder 5, 6 und 10 zeigen in dem untersuchten Bereich vor den 2000er Jahren deutliche Aktivität.

Unter den Top-Anmeldern scheint vor allem Anmelder 1 spät und massiv in das Technologiefeld eingestiegen zu sein. Natürlich ist bei dieser Aussage zu berücksichtigen, dass mit der Unterklasse B33Y 80/00 nur ein Teilgebiet der additiven Fertigungsverfahren untersucht wird.

Die Druckerhersteller Anmelder 7, 11 und 12 gehören zu den Anmeldern mit der geringsten Anzahl an Erfindungen vor den 2010er Jahren. Das kann daran liegen, dass zu diesem Zeitpunkt erstmalig ein Markt für eigene Produkte gesehen und Investitionen in den Bereich als sinnvoll erachtet wurden.

Weiteres zum Thema additive Fertigung

Im zweiten Teil der Analyse soll eine Möglichkeit geboten werden, eine Übersicht über die gesamten Daten zum Thema zu sehen - und in den Daten zu »surfen«. Im zweiten Teil wird eine Heatmap der Daten vorgestellt, die den zeitlichen Verlauf der Aktivität im Bereich B33Y 80/00 und die Verbindung der untersuchten Technologie zu anderen Technologien darstellt. Dabei sind die Daten aller 13.103 Erfindungen verarbeitet worden. Der zweite Teil der Analyse ist über diesen Link zu erreichen.