专利视域下我国增材制造技术研发热点及趋势

2020-12-31郑晓晨姚福林

天津科技 2020年12期

郑晓晨，姚福林

(1. 天津展誉专利代理有限公司天津300400；2. 天津工业大学机械工程学院天津300387)

0 引言

增材制造作为一项代表性技术已被纳入国家重点发展领域的规划之中。随着我国航空航天、船舶领域的高速发展，大型化、轻量化、复杂化的结构件正得到广泛应用[1,2]，同时对成型制造工艺也提出了更高的要求。相比于传统制造工艺，增材制造具有生产效率高、加工成本低及成型性能良好等特点，可直接成型组织致密的三维空间形状结构件[3]。目前，智能制造已被定为“中国制造 2025”的主攻方向，是解决我国制造业由大变强的根本途径。增材制造是制造业中有代表性的颠覆性技术，而目前我国增材制造技术对智能制造的驱动作用尚未完全显现[4]。因此，加强对增材制造技术的研究，对推动和加快实施“中国制造 2025”具有重要意义。本文从专利的角度出发，剖析增材制造技术的专利现状及其在智能制造中的应用模式，揭示当前增材制造技术的研究热点及发展趋势，以期为相关领域的技术研究提供有价值的信息。

1 增材制造技术专利概况

截止申请日2019年12月31日，涉及增材制造技术的已公开专利申请记录共 7705条，经过去噪和筛选，确定并选取其中 7614条申请记录作为本次专利分析的基础数据，其中包括发明专利 6302项，实用新型专利1312项。

图 1显示增材制造技术相关专利申请量的年度分布。从中可以看出，我国增材制造技术虽然起步较晚，但发展较快，与增材制造技术相关的专利于2009年被首次申请，此后与该技术领域相关专利的申请量以成倍数的趋势逐年增长，至 2018年，该技术领域的专利申请量达到顶峰，反映出近十年来我国相关领域的技术人员对增材制造技术关注度越来越高，增材制造技术的研发和应用也逐步趋于成熟。

图1 增材制造技术专利申请量年度分布Fig.1 Annual distribution of additive manufacturing technology patent applications

为了研究增材制造技术领域专利申请人的分布状况，本文对采集的数据按照各主要申请人的申请量排名进行了统计。图 2显示增材制造技术领域专利申请人及其申请量的分布状况。专利申请量前 10名的申请人中有5家企业公司，4所高校和1个研究院所，可见在增材制造技术领域，企业及高校的申请量占主要地位。同时由图 2可以看出，通用电气公司凭借其在制造业内多年的经验积累占据了领先优势，在申请量上以271项专利申请领先，西安增材制造国家研究院有限公司以 254项申请位居第二，华中科技大学、西安交通大学、西门子股份公司和安徽恒利增材制造科技有限公司紧随其后。以上4家单位构成了第二集团，专利申请量均在100项以上。

图2 增材制造技术专利申请量前10位Fig.2 Top ten patent applications of additive manufacturing technology

2 增材制造领域的技术分解与专利分析

通过对统计数据进行分析，增材制造技术的应用主要分布在金属零部件制造、非金属零部件制造和生物结构制造3个领域。

基础数据中，涉及金属零部件增材制造技术的专利共有 2733项，而金属零件增材制造过程中，制造工艺多数集中于激光束、电子束、电弧焊接等。其中，涉及激光束金属增材制造工艺的专利共有532项，如CN111604500A公开了一种基于激光诱导击穿光谱的金属增材制造监控系统及工艺方法，CN104775116A公开一种以选择性激光熔化增材来制造金属构件的工艺方法；而采用电子束作为金属增材制造工艺的专利共有 409项，代表性专利为CN105750548A一种电子束金属喷射增材制造装置及方法、CN105935770A一种基于电子束熔丝成型的增材制造装置；涉及电弧焊接工艺的专利共有 955项，以 CN106180710A基于等离子体电弧熔覆的 3D金属增材制造装置及方法、CN109317793A一种等离子电弧熔丝增材制造装置最为典型。统计数据中，涉及非金属零部件增材制造技术领域的专利共有2912项，加工材料涵盖了树脂、陶瓷及多种非金属基复合材料。较为典型的有 CN111531870A一种高性能纤维增强热塑性树脂基复合材料增材制造方法、CN110576498A一种用于陶瓷先驱体材料的增材制造装置和工艺、CN107498856A一种光固化树脂基复合材料零部件的增材制造方法及系统、CN107098714A一种基于 3DP增材制造技术的碳化硅基陶瓷零件制造方法。上述大量金属与非金属材料增材制造技术的自主知识产权，标志着我国已进入由“减材”到“增材”的制造业新时代。

在本文统计数据中，涉及生物结构增材制造技术的专利共有887项，例如CN111905145A一种生物活性玻璃人工骨及其增材制造方法、CN206822742U高精度超声防堵多细胞生物增材制造装置、CN106923916A一种个性化牙冠的增材制造方法等。生物结构增材制造技术领域的快速发展也使我国的医疗水平不断提高。

3 增材制造技术的研究热点及趋势

通过对本文统计数据和脉络进行分析可知，近年来关于增材制造设备和专用材料相关领域专利申请数量的占比较大，且增材制造加工过程中的成形质量控制也同样是相关领域技术人员研究的热点。

当前商用的各类增材制造设备已经相对成熟，但国内设备尤其是高端增材制造设备的关键元器件仍依靠进口，与此同时，应用于增材制造技术的材料大多基于传统制造方法开发而来，在一定程度上无法最大化地发挥材料的潜能，因此从专利分析的角度来看，开发适用于增材制造技术的高性能专用材料是未来该技术领域要突破的一个重点。此外，随着工艺技术的不断改进和突破，增材制造的效率将会不断提高，而快速且高质量的净成形也将是增材制造技术所追求的目标。