金属材料增材制造中支撑结构专利技术综述

徐美新，于 娟

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215000）

增材制造技术又称“3D打印”、快速成型技术，其采用材料累加层层制造的成型方式，直接通过CAD数据制成三维实体产品，这种“做加法”的加工方式不再利用模具、刀具和工装卡具便可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件模型，颠覆了原有的“做减法”的传统制造方式[1]。

增材制造技术根据具体的快速成型工艺来分，主要有光固化快速成型技术、选择性激光烧结或熔化技术、激光近净成型技术、直接金属烧结技术、3D打印技术、熔融沉积成型技术等，当前3D打印成型技术领域中采用最多的就是选择性激光烧结或熔化技术，德国的通用电气公司是这类设备的主要制造商之一[2，3]。

增材制造中工件存在悬垂结构，但其没有铸型和模具支撑约束，成形过程中容易塌陷、挂渣，发生严重变形，甚至中断成形。因而需要设计支撑。即使部分成形技术有粉末或液体支撑约束，但其强度不够，仍然需要设计支撑。合理的支撑设计对顺利成形和保证工件精度具有重要意义。支撑设计依赖于成形工艺、成形材料、工件特征等多种因素，是增材制造的工艺难点之一。

本文通过准确的CPC分类号B22F2003/1058、文献量较大的IPC分类号B22F3/105、B33Y30/00、B33Y40/00与比较准确的关键词支撑结构、支承结构，转库检索、incopat数据分析等检索策略相结合，获取初步结果后将检索文献中的明显噪声清理，最终得到423项中文数据、600项外文数据，共1023项有效数据，并利用S系统的统计命令和Excel对该领域的中国专利申请数据和全球专利申请数据进行统计分析。

1 专利申请概况

1.1 申请量趋势分析

该技术的专利申请出现于20世纪初，其发展过程可以分为两个阶段：一、2001年至2012年：该阶段的专利申请量较少，呈平稳趋势，笔者推测，增材制造成型件悬垂结构的表面质量与支撑结构息息相关，故支撑结构与成型件连接处要求较高，而支撑结构的设计发展依赖于计算机技术离散运算能力的突破，因此该项技术的研究在计算机运算速度没有大幅度提升前一直没有大规模地展开。二、到2013年后：该阶段随着计算机运算速度大幅提升且技术已发展地较为成熟之后，使得金属增材制造中支撑结构技术的研究也开始迅速发展起来。

1.2 中国专利性分析

在2014年之前，专利申请量稀少，几乎没有，此时说明该项技术还未引入我国，2014年之前处于起步阶段，市场需求还不大；在2014年~2018年期间，处于技术发展期，中国市场需求逐步打开，申请量增长迅速，处于发展高潮阶段。中国专利申请中，申请量排名前3位的分别是中国、美国、德国，可以看出，国外申请人已经对中国开展了一定的布局，但其数量与国内申请有较大的差距，同时，也反映出国内对于该技术也已进行了相当数量的研究，专利申请主要分布比较平均，在广东、北京、江苏、浙江、陕西、上海均有一定数量的分布。

1.2.1 申请人排名

以中国作为目标市场的主要专利申请人的专利申请量，通用电气公司数量排名居于首位，几乎是第二位吉林大学的两倍，由此可见其在中国市场上的主导地位，在中国竞争实力最强，显示出其在该领域具有超强的研发能力和大规模的专利布局；同时，虽然美国申请数量达到62件，但最多的通用电气公司只有17件，故并未有突出的某一家公司进行大量申请，可以推测，美国国内该领域中的申请人数量较多，申请数量分布比较平均，竞争应较为激烈。

1.2.2 专利申请有效性分析

授权率是体现发明质量的一个重要指标，除去正在实质审查的专利外，该领域的实际授权率接近70%，有效维持率75%，说明该领域的专利质量较高，技术比较先进，而且有效维持率高也体现了该领域的专利中垃圾专利较少。

1.3 全球专利性分析

全球范围内专利申请量排名前10位的申请人，其中以德国和美国的公司为主，10位申请人中有4家来源于德国，3家来自美国，其中，通用电气的申请总量占据榜首，为该技术领域中的主导企业，其次，西门子、CL产权管理有限公司、DESKTOP METAL INC、SEIKO EPSON CORPORATION、CONCEPT LASER GMBH等公司的申请量分布较为平均，在全球范围内都具备一定的竞争实力；这几家企业的专利申请量比较接近，技术实力相对均衡。

在全球内排名靠前的西门子、DESKTOP METAL INC、SEIKO EPSON CORPORATION、CONCEPT LASER GMBH、MTU发动机联同涡轮机慕尼黑有限公司等公司，其技术发展较早，且在通用电气公司对于该技术专利进行垄断后，这些公司在该领域的研究也逐步增加，但这些公司的技术申请并没有大举进入中国市场。

2 技术分析及其发展趋势

金属增材制造中使用的支撑结构通常可按支撑结构形状分为块状结构、柱状结构、网格结构以及复合结构四大技术分支，其中，块状结构技术是所有技术的基础，属于早期技术，目前已很少采用该技术，本文不作分析，柱状支撑结构申请量最大，属于目前主流技术，研究出的形式多种多样，而网格支撑是新兴技术，但其数量并不大，是因为在其基础上复合支撑结构具备更加优异的效果，从支撑效果和节省材料成本综合考虑，复合支撑将成为未来的主流支撑结构形式。

2.1 柱状支撑结构

柱状支撑结构技术是目前支撑结构的主流技术，其具备支撑效果好、节省材料的共同优势，针对柱状支撑结构相较于传统的块状支撑存在支撑接触面积小、支撑效果差的缺点，其发展路线基本可以概括为经历了对柱状支撑结构进行支撑、改进柱状结构的上端形状、以及改进整体支撑结构三个方向的技术改进。2014年起，对柱状支撑进行交错式的支撑以提高其支撑效果的专利大量出现，其中具有代表性的为WO2015/019070、WO2015/145346、CN106180708等；2016年起，开始出现树枝状的支撑结构，其中，西安铂力特激光成形技术有限公司提出的CN106853527包括柱状支撑主干1、沿支撑主干圆周均匀分布的一级分支2，沿每个一级分支的圆周均匀分布的二级分支3，2017年成都优材科技有限公司提出CN107856311一种用于3D打印的树形支撑结构，具有树干，在树干顶部具有至少两根树枝，在树枝的顶部设有插入零件的上插入部，上插入部的长度为打印层厚的1～4倍。通用电气公司针对柱状支撑结构进行了大量的申请，代表性的有CN106853527、EP3205423A1、EP3205426A1、US20180141122A1、WO2018106371A2、US20180154441A1、US20190009368A1、EP3205422A1。

2.2 网格支撑结构

网格支撑结构技术属于新兴技术，对其进行的研究经历了网格本身——梯度网格——实体网格复合的路线；2017年，西安国宏天易智能科技有限公司提出了，支撑结构包括若干个在同一平面上呈阵列布置的支撑单元；每个支撑单元包括若干个支撑单体，支撑单体为水平方向设置的空管结构，以空管的长度方向为X方向，若干个支撑单体在Y方向和Z方向上均呈阵列设置，相邻支撑单元通过空管管壁相互连接形成支撑单元，空管形成支撑单元的侧向出粉通道，设置生成时，直接对支撑单元进行加强保证了其支撑效果CN107598167A。2018年之后，随着申请量的大幅提高出现了多种梯度网格支撑结构，其中具有代表性的有，CN110802837提出了支撑结构包括至少一层支撑区域，每层所述支撑区域具有网格结构，且下层所述支撑区域网格间距大于上层所述 支撑区域网格间距。根据支撑结构的尺寸参数确定FDM设备的打印参数，使用逐层渐变式网格支撑结构，有效节省支撑结构的材料、减少打印支撑结构消耗的时间，同时，能够对打印产品起到支撑作用并保证打印产品不塌陷。采用网格支撑结构技术的专利申请还有CN110435143、CN109434106、CN108724698、CN109332692、CN109382516、CN109570504、CN109501249、CN208324240、CN208628433。

2.3 复合支撑结构

复合支撑结构技术是目前最前沿的支撑结构，其是从网格支撑结构发展而来的，综合了实体支撑和网格支撑的优点，其将成为未来增材制造中支撑结构的主流形式。2017年，提出了两种改进，首都航天机械公司和中国运载火箭技术研究院，进一步提出一种抑制薄壁结构变形的辅助支撑结构CN108145161。该辅助支撑结构包括固定连接的网格支撑部分和实体支撑部分，即辅助支撑结构采用生长方向截面呈“网格+实体”形式且实体部分与网格部分相固连的整体式辅助支撑；所述的网格 支撑部分的下端支撑在实体支撑部分上，在薄壁结构的悬空端与实体支撑部分间形成支撑；所述的网格支撑部分采用薄片式或“山”字型结构形 式；所述的实体支撑部分的上端支撑在网格支撑部分下端面，下端支撑在成形基板上；所述的实体支撑部分采用“山”字型或“Y”型结构形式。CN107471651A提出的支撑结构包括使用第一材料打印的实体部分和使用第二材料打印的非实体部分，所述实体部分包括网格结构，所述网格结构的每一个网格单元内及网格单元外均填充有所述非实体部分；其中，所述第一材料的硬度较所述第二材料的硬度大；所述网格结构的网格密度在打印平面内存在变化，和/ 或所述网格单元的连接边的横截面的面积，沿垂直于所述打印平面的方向存在变化。该支撑结构不同部位的强度存在差异，从而能有效防止支撑结构进行固化过程中或之后受到应力的作用时的应力集中现象导致的支撑结构开裂的不利影响。具备复合支撑结构技术的专利申请还有CN106475561、CN208615318U、CN209206458U、CN210755171U、CN111318703。

3 结语

通过以上分析可以看出，金属增材制造中支撑结构技术的研发具体集中在美国和德国，尤其以通用电气公司为代表的美国企业一家独大，而德国公司呈现集中蓬勃发展的态势，目前通用电气申请量趋于相对稳定，该公司在金属增材制造中支撑结构技术领域异军突起，而且已经在中国开始大规模进行布局，足以见其对中国市场的重视，但其他国家申请数量偏少，研究数量不多，目前中国在该方面技术也有一定量的研究，但在申请量方面以及研究深度方面都尚未达到一定规模；从目标市场申请量方面分析可以看出，中国在该领域的市场还是很有发展潜力，中国申请人也应多研究和借鉴通用电气公司的该领域的前沿技术，增强我国该方面技术的竞争实力。