國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心材料工程發(fā)明審查部

3D打印金屬材料成分的專利研究慨況

彭芳芳 徐方明 張明宇 周 瓏

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心材料工程發(fā)明審查部

本文綜述了3D打印金屬材料成分的專利情況，主要對Fe系、Cu系、Ni系、Ti系、Al系金屬及其合金方面的重點(diǎn)專利進(jìn)行分析和研究，并為今后3D打印耗材中金屬材料成分的專利發(fā)展提供建議。

3D打印；金屬；成分；專利

3D打印技術(shù)正在歐美掀起如火如荼的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展熱潮，是未來經(jīng)濟(jì)增長的重點(diǎn)領(lǐng)域?？蛇m用的材料成熟度卻跟不上整個3D打印市場的發(fā)展，尤其是金屬材料。因此，對3D 打印耗材金屬材料的研究具有重要的戰(zhàn)略性意義。專利是能夠反映科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平最新動態(tài)的情報文獻(xiàn)，其具有較高的使用價值或參考價值，使它成為促進(jìn)技術(shù)發(fā)展的先行技術(shù)情報[1]。

作為3D打印耗材的金屬材料在實(shí)際應(yīng)用中存在形貌、純度、密度、強(qiáng)度、流動性、成形性等方面的要求。為了提高3D打印金屬材料的上述性能, 主要采用的技術(shù)手段: 一是從材料本身的成分組成著手,開發(fā)各種性能優(yōu)異的新型3D打印金屬材料；二是從材料的制備方法著手，通過調(diào)整工藝參數(shù)以期許獲得優(yōu)異的材料性能。本文從3D打印金屬材料的成分入手，對Fe系、Cu系、Ni系、Ti系、Al系金屬及其合金方面的重點(diǎn)專利文獻(xiàn)細(xì)化分析和研究，以了解該領(lǐng)域的技術(shù)思路和技術(shù)動態(tài)以掌握其研究動向。

1.鐵系

JP2001152204 A公開的3D打印金屬材料包含球狀、平均粒徑為0.1-200μm的鐵系粉末或非鐵系粉末以及抗聚集劑，鐵系粉末包含50%以上的鐵，非鐵系金屬粉末可以為鎳、鎳系合金、銅系合金。由其所制得的模具致密高。

US2002073803 A1公開了一種改良的冶金粉末組成物，包括至少約85重量百分比的基底金屬粉末，其包含至少50重量百分比而密度介于2.75到4.6克/立方厘米的微粒霧化的鐵基粉末；以及 (b)約0.05至約7.5重量百分比的碳化硅。組成物中還可以包含潤滑劑、粘結(jié)劑和其他合金元素或粉末，例如銅、鎳、錳和石墨。采用該冶金粉末組成物可以獲得具有一定強(qiáng)度的緊密零件。

JP2014105373 A公開了一種適于制作3D打印模具制品的金屬粉末，所述金屬粉末包含71-76 wt.%鐵, 10-13 wt.% 鉻, 4-9 wt.%鎳, 4-7 wt.%銅, 2-3 wt.%銅, 0-4 wt.%鈷, 0-0.5 wt.% 硅 0-0.5 wt.% 錳，鉻鎳總量為16-19 wt.%，銅、鈦、鈷總量為 8-9 wt.%，硅和錳總量為 0-1 wt.%。采用該金屬粉末所獲得的制品具有高硬度、熱傳導(dǎo)性好、耐腐蝕性優(yōu)良。

CN104525960 A公開了一種可降解生物金屬合金材料Fe-Mn-Al-C-Pd系含Pd的金屬粉末，組成成分以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示為：碳（C）：0.6-1.2%，錳（Mn）：17-21%，鋁（Al）：0.6-2%，磷（P）＜0.004%，硫（S）＜0.004%，氮（N）＜0.02%，鈀（Pd）含0.6-2%。該金屬粉末采用3D打印出來具有24小時內(nèi)生物醫(yī)學(xué)降解速率超過0.5mg/cm2,48小時內(nèi)降解速率達(dá)到2.5mg/ cm2，屈服強(qiáng)度超過700MPa，抗拉強(qiáng)度超過1200Mp，均勻延伸率在30%以上，該粉末粉末粒度細(xì)且分布區(qū)間窄；流動性好；球形度高；松裝密度高。

2.銅系

CN103801704 A公開一種適用于3D打印的成型銅粉，其特征在于，所述銅粉含氧量小于 500ppm，粒徑小于10μm，粒徑均一。

CN104177748 A公開了一種納米銅基3D打印用復(fù)合導(dǎo)電材料，其由下列重量比的原料組成：納米銅粉 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%。將納米銅粉分散在具有一定粘度的膠體溶液中，銅粉分布均勻，復(fù)合導(dǎo)電材料穩(wěn)定性好。所獲得的3D打印材料是一種流體材料，打印過程不會堵塞3D打印機(jī)噴頭，適用于現(xiàn)有的多數(shù)3D打印機(jī)，導(dǎo)電率高，達(dá)到105S/m量級。

3.鎳系

JP2001200305A公開了一種軟磁合金微粉末，具有高純度、高均勻性以及1-100nm的粒徑尺寸，組成例如可以是60wt%鎳和40wt%鐵。

CN103785860 A公開了一種3D打印機(jī)用的金屬粉末。其平均粒徑為10-50微米，所述的金屬粉末可以為鎳的純金屬粉。

4.鈦系

CN103381484 A公開一種能夠運(yùn)用3D打印技術(shù)的鈦基粉末，通過控制磁場，將純化的熔體降落到氣霧化室中，在超音速高壓氬氣霧化器和冷卻裝置作用下，熔體被霧化成球形度好、含氧量小于1800ppm、含氮量小于300ppm的球狀鈦基粉末。

CN104148658 A公開了一種增材制造專用Ti6Al4V合金粉末，所述合金成分比例為：Al：5.5%-6.75%，V：3.5%-4.5%，F(xiàn)e≤0.3%，C≤0.1%，N≤0.05%，H≤0.015%，O≤0.2%，余量為Ti，其中Ti的純度達(dá)到99.9%以上。

5.鋁系

CN103936392 A公開了一種3D打印成型材料及其制備方法，具體可以為鋁粉成型材料，其制備包括鋁粉預(yù)處理：在研磨機(jī)中，加入30mL 丙酮，加入70g鋁粉，開啟研磨機(jī)轉(zhuǎn)速在800轉(zhuǎn)/分鐘，室溫研磨40min，再加入6g γ―(2,3-環(huán)氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷，轉(zhuǎn)速在800轉(zhuǎn)/分鐘，室溫下繼續(xù)研磨1.5h，得到預(yù)處理鋁粉；3D打印鋁粉成型材料制備：在反應(yīng)器中，加入60 mL的丙酮，加入5g的聚乙烯醇縮甲醛，攪拌溶解，加入47g的預(yù)處理鋁粉，攪拌混合均勻，放入研磨機(jī)中，轉(zhuǎn)速在800轉(zhuǎn)/分鐘，常溫混合研磨7.5 h，然后噴霧干燥即得。

6.合金

CN104493184 A公開了一種可用于3D打印的青銅合金粉末，其成分按照重量百分比計為CudSnaXbYc,其中X表示Al、Be、Zn、Ni、Cr、Mn、Co、Fe、Ag、Sb、Pb元素之一或幾種組合，Y表示Li、Ti、In、RE、P、Si、B元素之一或幾種組合,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的重量百分比為余量。

3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的制造，而3D打印金屬零部件一直也是研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。3D打印金屬材料主要分為Fe系、Cu系、Ni系、Ti系、Al系金屬及其合金，我國3D打印金屬材料缺乏技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)有能力生產(chǎn)3D打印金屬材料的企業(yè)很少，制約著我國3D打印技術(shù)發(fā)展的獨(dú)立性。因此，加大3D打印金屬材料先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)、增加3 D打印金屬材料產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)和資金投入，加強(qiáng)3D打印材料自主知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，已成為一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)。

[1]累迪.專利地圖在專利情報分析中的應(yīng)用[J].情報探索，2011（2）：59-61.

彭芳芳（1981-），女，國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作中心，研究方向：專利分析。