3D打印金属材料成分的专利研究慨况

国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心材料工程发明审查部

3D打印金属材料成分的专利研究慨况

彭芳芳 徐方明 张明宇 周 珑

国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心材料工程发明审查部

本文综述了3D打印金属材料成分的专利情况，主要对Fe系、Cu系、Ni系、Ti系、Al系金属及其合金方面的重点专利进行分析和研究，并为今后3D打印耗材中金属材料成分的专利发展提供建议。

3D打印；金属；成分；专利

3D打印技术正在欧美掀起如火如荼的产业化发展热潮，是未来经济增长的重点领域。可适用的材料成熟度却跟不上整个3D打印市场的发展，尤其是金属材料。因此，对3D 打印耗材金属材料的研究具有重要的战略性意义。专利是能够反映科学技术发展水平最新动态的情报文献，其具有较高的使用价值或参考价值，使它成为促进技术发展的先行技术情报[1]。

作为3D打印耗材的金属材料在实际应用中存在形貌、纯度、密度、强度、流动性、成形性等方面的要求。为了提高3D打印金属材料的上述性能, 主要采用的技术手段: 一是从材料本身的成分组成着手,开发各种性能优异的新型3D打印金属材料；二是从材料的制备方法着手，通过调整工艺参数以期许获得优异的材料性能。本文从3D打印金属材料的成分入手，对Fe系、Cu系、Ni系、Ti系、Al系金属及其合金方面的重点专利文献细化分析和研究，以了解该领域的技术思路和技术动态以掌握其研究动向。

1.铁系

JP2001152204 A公开的3D打印金属材料包含球状、平均粒径为0.1-200μm的铁系粉末或非铁系粉末以及抗聚集剂，铁系粉末包含50%以上的铁，非铁系金属粉末可以为镍、镍系合金、铜系合金。由其所制得的模具致密高。

US2002073803 A1公开了一种改良的冶金粉末组成物，包括至少约85重量百分比的基底金属粉末，其包含至少50重量百分比而密度介于2.75到4.6克/立方厘米的微粒雾化的铁基粉末；以及 (b)约0.05至约7.5重量百分比的碳化硅。组成物中还可以包含润滑剂、粘结剂和其他合金元素或粉末，例如铜、镍、锰和石墨。采用该冶金粉末组成物可以获得具有一定强度的紧密零件。

JP2014105373 A公开了一种适于制作3D打印模具制品的金属粉末，所述金属粉末包含71-76 wt.%铁, 10-13 wt.% 铬, 4-9 wt.%镍, 4-7 wt.%铜, 2-3 wt.%铜, 0-4 wt.%钴, 0-0.5 wt.% 硅 0-0.5 wt.% 锰，铬镍总量为16-19 wt.%，铜、钛、钴总量为 8-9 wt.%，硅和锰总量为 0-1 wt.%。采用该金属粉末所获得的制品具有高硬度、热传导性好、耐腐蚀性优良。

CN104525960 A公开了一种可降解生物金属合金材料Fe-Mn-Al-C-Pd系含Pd的金属粉末，组成成分以质量分数表示为：碳（C）：0.6-1.2%，锰（Mn）：17-21%，铝（Al）：0.6-2%，磷（P）＜0.004%，硫（S）＜0.004%，氮（N）＜0.02%，钯（Pd）含0.6-2%。该金属粉末采用3D打印出来具有24小时内生物医学降解速率超过0.5mg/cm2,48小时内降解速率达到2.5mg/ cm2，屈服强度超过700MPa，抗拉强度超过1200Mp，均匀延伸率在30%以上，该粉末粉末粒度细且分布区间窄；流动性好；球形度高；松装密度高。

2.铜系

CN103801704 A公开一种适用于3D打印的成型铜粉，其特征在于，所述铜粉含氧量小于 500ppm，粒径小于10μm，粒径均一。

CN104177748 A公开了一种纳米铜基3D打印用复合导电材料，其由下列重量比的原料组成：纳米铜粉 20-30%，α-氰基丙烯酸甲酯 15-20%，二乙烯三胺15-20%，γ-氨丙基三乙氧基硅烷 15-20%，聚乙炔5-10%，丙酮20-30%。将纳米铜粉分散在具有一定粘度的胶体溶液中，铜粉分布均匀，复合导电材料稳定性好。所获得的3D打印材料是一种流体材料，打印过程不会堵塞3D打印机喷头，适用于现有的多数3D打印机，导电率高，达到105S/m量级。

3.镍系

JP2001200305A公开了一种软磁合金微粉末，具有高纯度、高均匀性以及1-100nm的粒径尺寸，组成例如可以是60wt%镍和40wt%铁。

CN103785860 A公开了一种3D打印机用的金属粉末。其平均粒径为10-50微米，所述的金属粉末可以为镍的纯金属粉。

4.钛系

CN103381484 A公开一种能够运用3D打印技术的钛基粉末，通过控制磁场，将纯化的熔体降落到气雾化室中，在超音速高压氩气雾化器和冷却装置作用下，熔体被雾化成球形度好、含氧量小于1800ppm、含氮量小于300ppm的球状钛基粉末。

CN104148658 A公开了一种增材制造专用Ti6Al4V合金粉末，所述合金成分比例为：Al：5.5%-6.75%，V：3.5%-4.5%，Fe≤0.3%，C≤0.1%，N≤0.05%，H≤0.015%，O≤0.2%，余量为Ti，其中Ti的纯度达到99.9%以上。

5.铝系

CN103936392 A公开了一种3D打印成型材料及其制备方法，具体可以为铝粉成型材料，其制备包括铝粉预处理：在研磨机中，加入30mL 丙酮，加入70g铝粉，开启研磨机转速在800转/分钟，室温研磨40min，再加入6g γ―(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷，转速在800转/分钟，室温下继续研磨1.5h，得到预处理铝粉；3D打印铝粉成型材料制备：在反应器中，加入60 mL的丙酮，加入5g的聚乙烯醇缩甲醛，搅拌溶解，加入47g的预处理铝粉，搅拌混合均匀，放入研磨机中，转速在800转/分钟，常温混合研磨7.5 h，然后喷雾干燥即得。

6.合金

CN104493184 A公开了一种可用于3D打印的青铜合金粉末，其成分按照重量百分比计为CudSnaXbYc,其中X表示Al、Be、Zn、Ni、Cr、Mn、Co、Fe、Ag、Sb、Pb元素之一或几种组合，Y表示Li、Ti、In、RE、P、Si、B元素之一或几种组合,a的重量百分比1-40，b的重量百分比0-30，c的重量百分比0-2，d的重量百分比为余量。

3D打印技术逐渐应用于实际产品的制造，而3D打印金属零部件一直也是研究和应用的重点。3D打印金属材料主要分为Fe系、Cu系、Ni系、Ti系、Al系金属及其合金，我国3D打印金属材料缺乏技术标准，国内有能力生产3D打印金属材料的企业很少，制约着我国3D打印技术发展的独立性。因此，加大3D打印金属材料先进技术的研发、增加3 D打印金属材料产业化的技术和资金投入，加强3D打印材料自主知识产权的保护，已成为一项刻不容缓的任务。

[1]累迪.专利地图在专利情报分析中的应用[J].情报探索，2011（2）：59-61.

彭芳芳（1981-），女，国家知识产权局专利局专利审查协作中心，研究方向：专利分析。