Patentlandschaftsanalyse für Formgedächtnismaterialien

Es gibt zwei Haupttypen von Formgedächtnislegierungen: Formgedächtnislegierungen und Formgedächtnispolymere. Ihre Zusammensetzung, Mechanismen, Anwendungen und Hauptakteure (wie durch unsere Patentlandschaftsanalyse ermittelt) sind unten zusammengefasst.

• Formgedächtnislegierungen (SMAs)

Zusammensetzung:
Normalerweise hergestellt aus Metalllegierungen wie Nickel-Titan (NiTi), Kupfer-Aluminium-Nickel und Kupfer-Zink-Aluminium.

Mechanismus:
SMAs können eine reversible Phasenumwandlung zwischen zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen durchlaufen: einer Hochtemperaturphase namens Austenit und einer Niedertemperaturphase namens Martensit (siehe Abbildung unten, Bildquelle ).

Anwendungen:
SMAs werden in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt, unter anderem für:

• Medizinische Geräte (Stents, Führungsdrähte):
  • Medtronic verwendet SMAs in seinen selbstexpandierenden Stents, die zum Einsetzen komprimiert werden können und sich dann an der richtigen Stelle ausdehnen, um die Blutgefäße zu stützen.
  • Ormco ist für seine kieferorthopädischen Innovationen bekannt und integriert SMAs in zahlreiche Zahnspangen, von herkömmlichen Brackets und Drähten bis hin zu hochmodernen transparenten Alignern.
• Robotik:
  • SRI International hat Robotergreifer entwickelt, die mithilfe von SMAs ihre Form für eine bessere Objekthandhabung anpassen und so die Vielseitigkeit von Robotersystemen erhöhen.
• Luft- und Raumfahrtkomponenten:
  • Die NASA integriert SMAs in einsetzbare Strukturen für Raumfahrzeuge, wodurch sich die Komponenten während der Missionen an unterschiedliche Bedingungen anpassen können.
  • Boeing verwendet SMAs in Flugzeugsystemen, beispielsweise in sich verändernden Flügeldesigns, die sich anpassen, um die Treibstoffeffizienz und Manövrierfähigkeit zu verbessern.
• Unterhaltungselektronik:
  • Cambridge Mechatronics ist auf SMA-Aktuatoren spezialisiert, die in Smartphone-Kameras zur optischen Bildstabilisierung und für Autofokussysteme verwendet werden. Das Unternehmen hat für seine verschiedenen Marken bereits über 50 Millionen Einheiten ausgeliefert .
    

• Formgedächtnispolymere (SMPs)

Zusammensetzung:
Hergestellt aus Polymeren, die bei einem äußeren Reiz in ihre ursprüngliche Form zurückkehren können (siehe Kasten unten).

Die Analyse der Patentlandschaft bietet wertvolle Einblicke in Innovationen und hilft uns unter anderem dabei, die Zukunft der Technologie vorherzusagen. In diesem Teil teilen wir mit, was unsere Analyse der Patentlandschaft zu Innovationen bei SMMs uns über die nächste Generation dieser Materialien sagen kann, einschließlich der wichtigsten Akteure der Branche und der wichtigsten Forschungs- und Entwicklungsmärkte (F&E) hinter diesen innovativen Lösungen.

Methodik und Datenbasis

Um die Innovations- und F&E-Aktivitäten in dieser Technologie zu verstehen, haben wir mithilfe unserer proprietären IP-Intelligence-Software eine Makrosuche durchgeführt. Durch die Analyse der gesammelten Patente mithilfe unserer IP -Beratung konnten wir einen faszinierenden globalen Einblick in den Forschungsfortschritt und die Investitionen in diesem Bereich schaffen.

Insgesamt umfasst die Datenbank 34.267 Patentfamilien, die in den letzten 20 Jahren angemeldet wurden.

Patentdynamik: Wichtige Erkenntnisse zu Formgedächtnismaterialien

Wie die folgende Grafik zeigt, gab es von 2004 bis 2023 einen deutlichen Aufwärtstrend bei den SMM-Patentanmeldungen, der auf die wachsende Nachfrage nach dieser Technologie in verschiedenen Branchen, darunter der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und dem Gesundheitswesen, zurückzuführen ist. Ebenso hat der verstärkte Fokus auf Nachhaltigkeit und die Entwicklung intelligenter Materialien die Innovation vorangetrieben.

Die Dynamik veranschaulicht die Entwicklung der Patente für KMU über zwei Jahrzehnte. Der Höhepunkt der erteilten Patente wurde im Jahr 2020 mit 916 Patenten erreicht, verglichen mit 534 im Jahr 2010, was einer Steigerung von 71,5 % entspricht.

Darüber hinaus stieg die Zahl der angemeldeten Patente um 280 %, von 147 im Jahr 2004 auf 559 im Jahr 2020, was die anhaltende Innovation und die starke Marktnachfrage unterstreicht.

Die folgende Grafik listet die Top-Player im SMM-Bereich nach Patentaktivität auf.

Die Top 5 sind:

• (1) Harbin Institute of Technology (HIT): Als führende Forschungsuniversität in China ist das HIT mit 231 erteilten Patenten führend in der Patentaktivität im Zusammenhang mit SMMs. HIT-Forscher haben den Einsatz von SMMs in Luft- und Raumfahrtanwendungen untersucht, beispielsweise in einsetzbaren Strukturen und adaptiven Komponenten, die die Zuverlässigkeit und Leistung bei Weltraummissionen verbessern. Ihre Forschung umfasst auch die Entwicklung weicher Robotergreifer unter Verwendung von SMMs und die Integration von SMMs in Textilien.
  
• (2) GM Global Technology Operations: GM hat eine hohe Anzahl an nicht mehr gültigen Patenten (205) im Vergleich zu erteilten Patenten (178). GM setzt Formgedächtnislegierungen (FGL) und Polymere (SMP) in einer Reihe von Fahrzeugkomponenten ein, um Funktionalität und Leistung zu verbessern. Beispiele hierfür sind ihre Verwendung in adaptiven Komponenten und aktiven Fahrzeugoberflächen.
  
• (3) Boston Scientific Scimed und (4) Medtronic: Diese Unternehmen zeichnen sich durch eine ausgewogene Patentverteilung aus, mit einer beachtlichen Anzahl erteilter Patente (130 bzw. 142) und einigen angemeldeten Patenten, aber auch einer beträchtlichen Anzahl nicht mehr erteilter Patente (84 bzw. 72).
  
  Die Patente von Boston Scientific umfassen ein breites Spektrum an Innovationen im Zusammenhang mit SMMs, wobei der Schwerpunkt auf deren Verarbeitung, Zusammensetzung, Anwendung in medizinischen Geräten und Leistungsverbesserungen liegt.
  
  Als führendes Unternehmen in der Forschung zu Thermoplasten mit Forschungsinteressen an nahezu allen Formgedächtnispolymeren besitzt Medtronic Patente für eine breite Palette medizinischer Anwendungen, darunter Stents, Ablationselemente, Gehörknöchelchenprothesen, chirurgische Instrumente zur Glaukombehandlung, Nähte, Zwischenwirbelimplantate und Vorhofshunts. Darüber hinaus hat das Unternehmen Methoden entwickelt, um dünne Filme aus Formgedächtnispolymeren, wie Nickel-Titan (Ni-Ti), mithilfe von Vakuumabscheidungsprozessen auf Substrate aufzubringen, um Mikroaktoren herzustellen.
  
• (5) Cook Medical: Cook Medical ist ein weltweit führendes Unternehmen für Medizinprodukte und hält eine beträchtliche Anzahl erteilter und angemeldeter Patente im Zusammenhang mit SMMs. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den innovativen Anwendungen von SMAs und SMPs für den Einsatz in Medizinprodukten. Dazu gehören endoskopische Geräte, Ablationsinstrumente sowie hämostatische Clips und Klemmen, die ihre Formgedächtniseigenschaften nutzen, um Blutungen bei chirurgischen Eingriffen effektiv zu stoppen.

Wenn wir die Daten nach dem Jahr der ersten Bewerbung untersuchen (siehe Tabelle unten), wird dieser Wechsel des Technologieschwerpunkts deutlicher, da neue Akteure auf das Feld drängen.

Dazu gehören:

• Cambridge Mechatronics , das   begann 2016 als wichtiger Akteur aufzutreten, wobei das schnelle Wachstum bei den Patentanmeldungen im Jahr 2020 seinen Höhepunkt erreichte und danach stark anhielt.
• Edwards Lebenswissenschaft begann nach 2017 ebenfalls zu wachsen und meldete in den Jahren 2017 und 2018 jeweils 11 Patente an. Seinen Aktivitätshöhepunkt erreichte das Unternehmen 2023 mit 37 Patenten.
• Unternehmen wie Samsung und LG haben ihre Aktivitäten zwischen 2006 und 2017 schrittweise gesteigert, was zeigt, wie sich der Sektor der Unterhaltungselektronik stärker mit SMM-Technologien beschäftigt.

Wie die Tabelle zeigt, haben einige Unternehmen die Patentierung von SMM gestoppt oder verlangsamt:

• Das Engagement von GM erreichte im Jahr 2010 seinen Höhepunkt und ging ab 2012 dramatisch zurück; nach 2014 gab es nur noch sehr wenige Patente. Dies deutet auf eine mögliche strategische Wende oder den Abschluss einer wichtigen F&E-Phase hin.
• Zwischen 2005 und 2009 war Cooks Aktivität konstant, danach ging die Patentierung jedoch zurück, und seit 2010 gab es praktisch keine Aktivität mehr.
• Panasonic war zwischen 2004 und 2007 stark vertreten, meldete nach 2012 jedoch praktisch keine Patente mehr an.

Im Gegensatz dazu ist das Engagement für Folgendes stabil geblieben oder hat zugenommen:

• Im Bereich HIT ist ein deutlicher Anstieg der Patentierungsaktivität zu verzeichnen, insbesondere nach 2017, mit einem Höhepunkt im Jahr 2022. Dieses Wachstumsmuster deutet auf eine kontinuierliche Ausweitung der Forschung hin, wobei Chinas akademischer Sektor potenziell die zukünftige Entwicklung von SMM vorantreiben könnte.
• Obwohl Medizintechnikunternehmen (Medtronic, Boston Scientific) im Vergleich zu ganzen Regionen wie China nicht die größte Anzahl an Patenten aufweisen, sind sie in der Tabelle immer noch präsent. Dies deutet darauf hin, dass sich SMM weiterhin auf medizinische Anwendungen konzentriert.

Die vorrangige Länderausfüllung erfolgt am häufigsten in dem Land, in dem die Forschung und Entwicklung durchgeführt wird. Die Betrachtung dieser Daten zeigt uns also, welche Länder am innovativsten sind und welche sich am aktivsten um den Schutz ihrer Erfindungen bemühen.

Mehrere Technologiebereiche erscheinen für SMM-Anwendungen besonders relevant:

Medizin: Diese rot hervorgehobene Domäne deutet auf einen starken Fokus auf SMMs im medizinischen Bereich hin. Mögliche Anwendungen könnten sein:

• Stents und Implantate mit Formgedächtnisfunktionen für die kontrollierte Arzneimittelverabreichung oder das Tissue Engineering.
• Orthopädische Hilfsmittel, die sich den individuellen Bedürfnissen des Patienten anpassen.
• Minimalinvasive chirurgische Instrumente mit erhöhter Präzision.

Materialien, Metallurgie: Dieser Bereich zeigt ein Hauptinteresse an der Entwicklung neuer SMM-Materialien und der Verbesserung ihrer Eigenschaften. Die Forschungsanstrengungen könnten sich auf folgende Punkte konzentrieren:

• Optimierung der Legierung und Zusammensetzung für gewünschte Formgedächtniseffekte.
• Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen zur Verbesserung der SMM-Leistung.
• Entwicklung kostengünstiger und skalierbarer SMM-Herstellungsprozesse.

Mechanische Elemente: Dieser Bereich schlägt mögliche Anwendungen von SMMs in verschiedenen mechanischen Komponenten vor. Beispiele könnten sein:

• Formgedächtnisaktoren für Robotik und Automatisierung.
• Selbstheilende Komponenten für längere Haltbarkeit und geringeren Wartungsaufwand.
• Adaptive Strukturen mit erhöhter Tragfähigkeit.

Andere Konsumgüter: Obwohl dieser Bereich breit gefächert ist, deutet er auf das Potenzial von SMMs in Alltagsprodukten hin. Mögliche Anwendungen könnten sein:

• Selbstanpassende Brille oder Kleidung.
• Möbel oder Spielzeuge, die ihre Form verändern.
• Intelligente Verpackungsmaterialien mit erweiterter Funktionalität.

Zusammenfassend hat unsere Analyse der Patentlandschaft im Bereich Formgedächtnismaterialien (SMM) eine klare Entwicklung von 2004 bis 2024 gezeigt.

Im Zeitraum von 2004 bis 2012 gab es einen stetigen Anstieg der Patente, gefolgt von einem starken Anstieg der erteilten Patente ab 2013, insbesondere im Gesundheitssektor. Medizinische Geräte, angeführt von Unternehmen wie Medtronic und Boston Scientific, dominieren weiterhin, wobei auch der Automobilsektor (z. B. Toyota und GM) eine entscheidende Rolle spielt. Der jüngste Aufstieg von Unternehmen wie Cambridge Mechatronics und beständige akademische Beiträge von Institutionen wie dem Harbin Institute of Technology unterstreichen die Bedeutung sowohl der Industrie als auch der Forschung für die Weiterentwicklung dieses Bereichs.

Geografisch hat sich China als dominanter Akteur herauskristallisiert. Hunderte von Unternehmen haben einige relevante Patente angemeldet, sodass das Land konstant Spitzenreiter bei den Patentanmeldungen ist. Die USA und Südkorea sind weiterhin beständig aktiv. In Japan und Deutschland ist in den letzten Jahren jedoch ein Rückgang zu verzeichnen.

Die zunehmende Präsenz von SMMs in Branchen wie Unterhaltungselektronik und Luft- und Raumfahrt zeigt, dass diese Materialien vielseitiger und für Innovationen wichtiger werden. Ebenso lässt das anhaltende Interesse und die Entwicklung von SMMs in zahlreichen Branchen, vom Gesundheitswesen bis zur Automobilindustrie, darauf schließen, dass diese Materialien weiterhin an Bedeutung gewinnen werden. Ihre einzigartigen Eigenschaften machen sie für die Förderung technologischer Innovationen unverzichtbar, und die kontinuierliche Patentaktivität unterstreicht das Potenzial für zukünftiges Wachstum und neue Anwendungen.

Die Analyse der Patentlandschaft kann wertvolle Einblicke in Forschungs- und Innovationstrends und -märkte liefern, wie diese Analyse von KMU hoffentlich veranschaulicht. Für weitere Einzelheiten zur Patentaktivität in diesem Sektor oder für spezifische Beratung oder Unterstützung zu anderen Themen wenden Sie sich an das Questel IP -Beratung -Team .