周梅萍,王中興趙云陳哲源
1.中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心,北京 100029 2.中國航空制造技術(shù)研究院,北京100024
增材制造技術(shù)(3D打印)與傳統(tǒng)的、對原材料進(jìn)行切削、組裝的加工模式不同,是通過材料累加的原理,增材制造技術(shù)直接通過CAD數(shù)據(jù)制成與之對應(yīng)的任何復(fù)雜CAD形狀的三維實(shí)體產(chǎn)品。隨著航空零部件研制工作日新月異,其設(shè)計思路在不斷拓寬和自由化,傳統(tǒng)工藝的局限性逐漸暴露出來。另外,航空零部件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,其對輕量化、長壽命、高可靠性、一體化的要求越來越高,使得傳統(tǒng)減材制造技術(shù)越來越難以滿足設(shè)計需求。增材制造技術(shù)擺脫了模具、加工可達(dá)性的束縛,可大幅地提高設(shè)計自由度,從而實(shí)現(xiàn)由“制造引導(dǎo)設(shè)計、制造性優(yōu)先的設(shè)計、經(jīng)驗(yàn)性的設(shè)計”傳統(tǒng)理念到“設(shè)計引導(dǎo)制造、功能性優(yōu)先的設(shè)計、最優(yōu)化設(shè)計”現(xiàn)代化理念的轉(zhuǎn)變,有助于將設(shè)計思想快速轉(zhuǎn)化為實(shí)物產(chǎn)品。此外,航空零部件的原材料通常很稀缺和價格昂貴,傳統(tǒng)的減材制造方式對原材料的利用率非常低,如某些大型結(jié)構(gòu)件材料的利用率不超過10%。增材制造技術(shù)是用材料累加的方式成形,其對材料的利用率非常高,相比減材制造方式大約可以節(jié)約50%的原材料。因此,增材制造這種“做加法”的技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)的“做減法”的制造方式,不再利用模具、刀具和工裝卡具便可快速且精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零部件,不僅可以大幅度節(jié)約原材料,而且可以使設(shè)計人員快速實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證設(shè)計方案,能由傳統(tǒng)功能/結(jié)構(gòu)線性累加的設(shè)計模式轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ芙Y(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計模式,實(shí)現(xiàn)輕量化、長壽命、高可靠性、一體化等要求的“自由制造”要求[1-8]。
專利文獻(xiàn)是各專利管理機(jī)構(gòu)(包括各專利局、知識產(chǎn)權(quán)局及相關(guān)國際或地區(qū)組織)在受理、審批、注冊專利過程中產(chǎn)生的記述發(fā)明創(chuàng)造技術(shù)及權(quán)利等內(nèi)容的官方文件及其出版物的總稱。專利文獻(xiàn)是世界上數(shù)量最大的信息源之一,專利信息資源是集法律性、技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性于一體的復(fù)合型戰(zhàn)略性資源。世界知識產(chǎn)權(quán)組織(WIPO)的統(tǒng)計表明:世界上每年發(fā)明創(chuàng)造成果的90%~95%可以在專利文獻(xiàn)中查到,而且有80%左右的發(fā)明成果僅通過專利文獻(xiàn)公開,未在非專利的科技文獻(xiàn)中發(fā)表過。充分利用專利文獻(xiàn)開展專利信息分析,是實(shí)現(xiàn)專利情報挖掘和專利信息增值的關(guān)鍵步驟,可以有效配置科技資源,提高技術(shù)創(chuàng)新活動的起點(diǎn)和水平,避免盲目性和重復(fù)性研究。根據(jù)WIPO的調(diào)查資料介紹,充分利用專利文獻(xiàn)可以縮短60%的科研周期,節(jié)約40%的科研經(jīng)費(fèi)。
本文結(jié)合其他非專利文獻(xiàn)信息,通過對航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)相關(guān)專利文獻(xiàn)中大量零碎的專利信息進(jìn)行檢索、分析、加工、組合,并采用統(tǒng)計學(xué)方法和技巧,對航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)的整體概況、發(fā)展態(tài)勢、分布狀況、競爭格局等內(nèi)容進(jìn)行多維度分析,明晰增材制造技術(shù)專利現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展路線圖,規(guī)避潛在的知識產(chǎn)權(quán)侵權(quán)風(fēng)險,為航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)的發(fā)展提供參考借鑒。
增材制造技術(shù)善于利用較少的原材料,加工蜂窩狀、大型薄壁件等對幾何形狀的復(fù)雜程度、性能要求較高的航空領(lǐng)域的零部件。鑒于增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的突出優(yōu)勢,世界各國正積極對航空領(lǐng)域的增材制造技術(shù)進(jìn)行廣泛的專利布局。當(dāng)前形勢下,對航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)進(jìn)行專利分析,有助于掌握世界先進(jìn)的增材制造關(guān)鍵技術(shù)專利技術(shù)現(xiàn)狀,提升航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)研制起點(diǎn),提高航空領(lǐng)域增材制造關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品質(zhì)量和工藝水平,規(guī)避潛在的知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險,為航空領(lǐng)域增材制造的發(fā)展提供參考。
當(dāng)前,航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)主要的發(fā)展方向是金屬材料增材制造技術(shù),主要集中在粉末床熔合和定向能量沉積這兩大領(lǐng)域。航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)根據(jù)成形方式可以分為:選區(qū)激光熔化(SLM)、選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)、電子束選區(qū)熔化(EBSM)、激光近凈成形(LENS)、電子束熔絲沉積(EBF3)和電弧熔絲沉積(WAAM)等方向[5-13]。
基于航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)關(guān)鍵詞(如增材制造、SLM、SLS、LENS、EBSM、LENS、EBF3和WAAM等),利用德溫特(Derwent)專利檢索系統(tǒng)和Incopat 全球?qū)@麛?shù)據(jù)庫,采用多次迭代、不斷取舍、不斷完善的檢索策略,經(jīng)過初步篩選、再次篩選和最終篩選,最終得到航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)的相關(guān)專利1226件(合并同族后為436件專利)。
對上述樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計分析和技術(shù)分析,可以得到航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)各個技術(shù)方向的專利態(tài)勢分析結(jié)果。
圖1 航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)專利申請量發(fā)展趨勢圖Fig.1 Development trend of patent applications for additive manufacturing technology in aviation field
圖1中的申請趨勢可以將航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)分為三個階段:第一階段,技術(shù)起步期(1999—2005 年);第二階段,技術(shù)發(fā)展期(2005—2011 年);第三階段,快速發(fā)展期(2012 年至今)。第一階段,每年申請的專利數(shù)均比較少。第二階段,在2006 年達(dá)到10 項(xiàng),之后增長較為平穩(wěn)。第三階段,在2012 年之后,專利申請的數(shù)量得到了大幅度的增長。在2016 年達(dá)到了最大值82 項(xiàng)。由于專利公開的滯后性,預(yù)計2017年、2018年實(shí)際專利申請量高于2016年,保持持續(xù)快速增長的趨勢。
圖2中英國著名的航空發(fā)動機(jī)公司羅爾斯-羅伊斯公司排在申請人的榜首,專利數(shù)量為17件。美國通用電氣公司和聯(lián)合技術(shù)公司分別名列第二和第三,其專利數(shù)量分別為16件和15件。德國的MTU航空發(fā)動機(jī)公司、波音公司、霍尼韋爾公司、空客集團(tuán)在航空增材制造領(lǐng)域也有不俗的表現(xiàn)。國內(nèi)申請人則以華中科技大學(xué)和西安交通大學(xué)申請專利最多,其數(shù)量分別為9件和8件。通過對比也可以發(fā)現(xiàn),國外專利申請人以產(chǎn)業(yè)公司為主,國內(nèi)專利申請人主要集中在高校。
通過分析同族專利數(shù)量及其地域分布(見圖3),可以發(fā)現(xiàn)航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)專利申請人的地域市場布局策略。對合并同族前的1226篇相關(guān)專利進(jìn)行統(tǒng)計分析得出:世界范圍航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)相關(guān)專利主要分布在美國、中國、歐洲(含德國、英國)三個主要國家和地區(qū)。其同族專利申請總量為864 件,占全世界同族專利申請總量的70%。其中美國的專利申請以377件雄居榜首,中國的專利申請為231 件位列第二。除了美國、中國、歐洲以外,日本的專利申請數(shù)量達(dá)到50 件,以上這些國家和地區(qū),代表了航空領(lǐng)域增材制造的最高水平。
圖3 航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)專利申請地域分布圖Fig.3 Geographical distribution of patent applications for additive manufacturing in aviation
各增材制造技術(shù)方向在不同時期、不同應(yīng)用場景下,存在專利申請量趨勢的趨同現(xiàn)象如圖4所示。從各增材制造技術(shù)方向的專利申請趨勢來看,在2011 年之前,各個技術(shù)方向的專利申請數(shù)量均較少,增長也相對平緩。其中,WAAM、EBF3和LENS技術(shù)方向?qū)@暾埖脑鲩L趨勢具有趨同性,EBSM、SLM和SLS技術(shù)方向?qū)@暾埖脑鲩L趨勢也具有趨同性,WAAM 的專利申請數(shù)量最高,SLS 的專利申請數(shù)量最低。
圖4 航空增材制造各技術(shù)方向?qū)@暾埩口厔輬DFig.4 Marked chart of patent applications in various fields of aeronautical add-on manufacturing
從2011年開始,各個技術(shù)方向的專利申請數(shù)量快速增長且差距逐漸拉大。其中,WAAM 的專利申請量增幅最大,其分別在2013 年和2015 年有較大增幅,發(fā)展趨勢非常強(qiáng)勁;EBF3 和LENS 的專利數(shù)量增長次之,二者的增長曲線趨同,發(fā)展趨勢也較好。EBSM 的專利申請數(shù)量增長曲線與EBF3和LENS的專利申請數(shù)量增長曲線類似,但鑒于專利申請數(shù)量的原始基數(shù)較小,EBSM 的專利申請數(shù)量的增幅雖然較大,但專利申請數(shù)量相對較少;SLM、SLS 的專利申請數(shù)量增長相對較慢,專利申請數(shù)量也較少。
如圖5 所示,在 SLM、SLS、EBSM、LENS、EBF3 和WAAM 的各個技術(shù)方向中,細(xì)分出“材料”“方法”“應(yīng)用”和“裝置”這4個專利技術(shù)類別。圖中氣泡的大小與對應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域?qū)@暾埩砍收嚓P(guān)。綠色氣泡所對應(yīng)的方法技術(shù)類別和紫色氣泡所對應(yīng)的裝置技術(shù)類別的專利數(shù)量較多,二者共占總申請量的50%以上。說明這兩個技術(shù)類別的技術(shù)研發(fā)投入較多,技術(shù)也比較成熟。其中,“應(yīng)用”和“材料”的技術(shù)分類的專利數(shù)量較少,說明該區(qū)域還存在一定的技術(shù)空白。
圖5 航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)類別分布圖Fig.5 Distribution of additional manufacturing technologies in aviation
如圖6所示,結(jié)合技術(shù)方向?qū)@鲩L的趨勢分析,對專利文獻(xiàn)樣本進(jìn)行全文閱讀,篩選出代表航空領(lǐng)域增材制造關(guān)鍵技術(shù)路線的相關(guān)專利。相關(guān)專利的申請時間可以分為4個時間區(qū)間:第一階段:2000—2005年;第二階段:2006—2010年;第三階段:2011—2015 年;第四階段:2016—2018 年。SLM和SLS在第一、第二階段的專利申請量較為集中。EBSM、LENS 在第二、第三階段的專利申請量比較集中。EBF3 和WAAM在第四階段的專利申請量比較集中。
圖6 航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)發(fā)展路線圖Fig.6 Road map of additional manufacturing technology in aviation
(1)SLM技術(shù)方向
SLM技術(shù)方向代表性專利為:2008年,華中科技大學(xué)申請的金屬零件選區(qū)激光熔化快速成形設(shè)備(CN201300207Y)的專利[14]。2009 年,空中客車集團(tuán)申請的Support For An Aircraft Structural Component Produced In A Selective Laser Melting Method(CA2732934C)的專利[15]。2015 年,華中科技大學(xué)申請的采用選擇性激光熔化快速成形技術(shù)制備高溫鈦合金的方法(CN105154701B)的專利[16]。
SLM技術(shù)方向的發(fā)展特點(diǎn)為:適應(yīng)于小尺寸的零部件加工,其加工精較高,但加工效率低。從專利增長的趨勢來看,SLM 的增長趨勢相對緩慢,預(yù)期未來一段時間仍會緩慢發(fā)展。
(2)SLS技術(shù)方向
SLS技術(shù)方向代表性專利為:2005年,華中科技大學(xué)申請的激光燒結(jié)快速成形材料的制備方法(CN100393452C)的專利[17]。2018 年,通用電氣公司申請的用于生產(chǎn)增材制造部件(CN109483877A)的專利[18]。
SLS 技術(shù)方向的發(fā)展特點(diǎn)為:適應(yīng)于小尺寸的零部件加工,其精度較高,但力學(xué)性能較差,效率也很低,有時還需要經(jīng)過高溫重熔。從專利增長的趨勢來看,SLS專利增長的趨勢相對緩慢,預(yù)期未來一段時間,專利申請量較難有所突破。
(3)EBSM技術(shù)方向
EBSM技術(shù)方向的代表性專利為:2015年北京航空航天大學(xué)申請的一種實(shí)現(xiàn)電子束選區(qū)熔化增材制造金屬零部件原位熱處理的方法(CN105499566B)專利[19]。2016 年,MTU Aero Engines AG 申請的Additive Manufacture Of High Temperature Components From Tial(EP3249064A1)的專利[20]。 2017 年1月,北京航空制造技術(shù)研究院申請的一種低應(yīng)力電子束快速成形裝置及成形方法(CN108372299A)的專利[21]。
EBSM 技術(shù)方向的發(fā)展特點(diǎn)為:適應(yīng)于小尺寸的零部件加工,加工精度非常高,加工效率也非常高,可適用于多種材料。從專利增長的趨勢來看,雖然目前專利申請數(shù)量不高,但專利申請增長的速度較快,預(yù)期未來一段時間,專利申請速度會持續(xù)走高。
(4)LENS技術(shù)方向
LENS技術(shù)方向代表性專利為:2002年,北京航空航天大學(xué)提出的激光近凈成形的工藝原理和相關(guān)裝置(CN1180901C)[22]和用于激光近凈成形的金屬硅材料(CN02129176)的專利[23]。2003年,北京航空航天大學(xué)提出的激光近凈成形的高效冷卻方法(CN03119343)的專利[24]。
LENS技術(shù)方向發(fā)展特點(diǎn)為:適應(yīng)于大尺寸的零部件加工,加工精度非常高,加工效率很高,但生產(chǎn)的零件形狀受到局限,不能生產(chǎn)復(fù)雜形狀的零件。從專利增長的趨勢來看,LENS的發(fā)展態(tài)勢較佳,預(yù)期未來一段時間專利申請數(shù)量會有很大的上升空間。
(5)EBF3技術(shù)方向
EBF3技術(shù)方向代表性專利為:2016年11月,北京航空航天大學(xué)申請的一種帶筋鈦合金曲率構(gòu)件的組合制造方法(CN106425314A)的專利[25]。2016 年 12 月,北京航空制造技術(shù)研究院申請的一種實(shí)現(xiàn)梯度材料制備的電子束熔絲增材制造裝置及方法(CN108372355A)的專利[26]。
EBF3技術(shù)方向發(fā)展特點(diǎn)為:適應(yīng)于大尺寸的零部件加工,加工速度快,但加工精度稍低。由于適用于大尺寸的零部件加工,從專利增長的趨勢來看,EBF3 的發(fā)展態(tài)勢較佳,預(yù)期未來一段時間,專利申請速度仍會較快增加。
(6)WAAM技術(shù)方向
WAAM 技術(shù)方向的代表性專利為:2016 年 12 月,北京航空航天大學(xué)申請的一種電弧填絲增材制造方法及裝置(CN106735730A)的專利[27]。2017年2月,哈爾濱工業(yè)大學(xué)申請的用于電弧增材制造熔敷道尺寸無滯后實(shí)時檢測裝置及實(shí)時檢測方法(CN106643525A)的專利[28]。
WAAM技術(shù)方向的發(fā)展特點(diǎn)為:適應(yīng)于大尺寸的零部件加工,能耗較低、加工效率較高,但加工精度較低。
WAAM 技術(shù)由于適應(yīng)于大尺寸的零部件加工、低能耗、低成本、速度快,可以生產(chǎn)大型鈦合金結(jié)構(gòu)件(可以用于C919機(jī)頭主風(fēng)擋的雙曲面窗框等)等優(yōu)點(diǎn),目前,該技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢較佳。在日益注重環(huán)保的時代,預(yù)期未來一段時間,WAAM發(fā)展前景較佳,專利申請量仍會有所突破。
(7)技術(shù)發(fā)展趨勢預(yù)測
目前,大型整體鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件成形制造技術(shù),被國內(nèi)外公認(rèn)為飛機(jī)研制與生產(chǎn)的核心關(guān)鍵制造技術(shù)之一,增材制造技術(shù)適宜于制造大型整體鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。此外,可預(yù)測適用大尺寸、高精度、高效率、低能耗、低成本將會成為航空領(lǐng)域增材制造未來技術(shù)發(fā)展的趨勢。
航空領(lǐng)域增材制造是一項(xiàng)跨學(xué)科的復(fù)雜技術(shù),橫跨了飛機(jī)設(shè)計與制造、機(jī)電控制、信息技術(shù)、數(shù)字建模、材料科學(xué)與化工等多個學(xué)科領(lǐng)域。近些年來,尤其是2013 年之后,隨著增材制造技術(shù)研究的深入及增材制造材料成本的下降,增材制造技術(shù)開始蓬勃發(fā)展。目前,我國國內(nèi)航空領(lǐng)域增材制造起步稍晚,相比于世界領(lǐng)先水平尚存差距,建議從如下幾個方面開展相應(yīng)研究工作和做好專利布局。
(1)加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)
首先需要加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè),穩(wěn)定、補(bǔ)充和培養(yǎng)技術(shù)人才隊(duì)伍。目前我國增材制造技術(shù)還沒有專門的學(xué)科設(shè)置,從事增材制造技術(shù)的人員大部分是相近專業(yè)的轉(zhuǎn)行人員,完成滿足增材制造技術(shù)設(shè)計、制造、后處理、檢驗(yàn)檢測等的標(biāo)準(zhǔn)要求還存在一定差距,因此,人才隊(duì)伍建設(shè)是增材制造技術(shù)研究、成果轉(zhuǎn)化推廣并工程化發(fā)展的首要任務(wù)。
(2)加快技術(shù)研發(fā)投入
縱觀全球增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,國外航空強(qiáng)國保持著較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。我國的航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)還存在著短板,電子束選區(qū)熔化和電子束熔絲沉積兩個技術(shù)方向相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)、應(yīng)用場景、產(chǎn)業(yè)發(fā)展有待加強(qiáng)。增材制造的“應(yīng)用”和“材料”技術(shù)類別還存在較多技術(shù)空白,亟須加大投入予以突破。
針對大尺寸零件的迫切加工需求,在LENS、EBF3 和WAAM等技術(shù)方向仍需要突破技術(shù)瓶頸,以減少成形零件內(nèi)部應(yīng)力,減少形變,提高零件加工的精度、提高制造效率,應(yīng)加快這些領(lǐng)域的研發(fā)投入。
(3)加強(qiáng)創(chuàng)新成果的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)
我國增材制造領(lǐng)域的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)要向全球領(lǐng)軍企業(yè)學(xué)習(xí)。例如,全球最大增材制造商Stratasys 的年總營收45億人民幣左右,其申請專利1600 余件,而代表我國增材制造最高水準(zhǔn)的北京航空航天大學(xué)王華明團(tuán)隊(duì)申請專利不足30 件,西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)申請專利60 余件,華中科技大學(xué)張海鷗團(tuán)隊(duì)申請專利50余件;西安鉑力特公司申請專利220余件,國內(nèi)專利申請數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。
上述可知,我國在增材制造某些領(lǐng)域(包括航空以外的技術(shù)領(lǐng)域)水平較強(qiáng),而我國的專利保護(hù)相對不足,我國應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)創(chuàng)新成果的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù),運(yùn)用專利布局等形式將成果進(jìn)行保護(hù)。
(4)適時構(gòu)建增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟
當(dāng)前,中國航空領(lǐng)域增材制造相關(guān)專利有相當(dāng)一部分集中在高校或科研機(jī)構(gòu),這說明航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)以研究為主,距離技術(shù)商品化尚有一定的距離。高校或科研機(jī)構(gòu)具有良好的技術(shù)積累、人力資源優(yōu)勢等,因此企業(yè)在發(fā)展增材制造時應(yīng)與高?;蚩蒲袡C(jī)構(gòu)聯(lián)合,提高技術(shù)研發(fā)能力,加強(qiáng)專利申請質(zhì)量,同時可以節(jié)約研發(fā)投入,實(shí)現(xiàn)資源互補(bǔ),最終實(shí)現(xiàn)共贏。
(5)跟蹤主要競爭對手專利申請動向
跟蹤主要競爭對手的專利申請動向,不僅可以及時、精確了解當(dāng)前增材制造技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀和態(tài)勢,防止重復(fù)研究和規(guī)避專利侵權(quán)風(fēng)險,還可以在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上,主動進(jìn)行創(chuàng)新性研究,緊隨或者引領(lǐng)增材制造技術(shù)的發(fā)展潮流。
增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景,對制造業(yè)研制模式轉(zhuǎn)型具有重大意義。針對航空技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)的大型整體化、構(gòu)型拓?fù)浠⑻荻葟?fù)合化、結(jié)構(gòu)功能一體化等特征,需要開展適應(yīng)增材制造技術(shù)工藝特征的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計與后續(xù)系列考核等科研工作;同時要充分利用增材制造技術(shù)相關(guān)專利文獻(xiàn),通過開展相關(guān)專利檢索和分析,獲得有效專利信息,用于輔助科研開發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)預(yù)測,避免盲目性和重復(fù)性研究,有利于航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)發(fā)展和相應(yīng)技術(shù)成熟度提升,助力航空制造業(yè)發(fā)展。