鄭曉晨，姚福林

(1. 天津展譽(yù)專利代理有限公司 天津300400；2. 天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津300387)

0 引 言

增材制造作為一項(xiàng)代表性技術(shù)已被納入國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域的規(guī)劃之中。隨著我國(guó)航空航天、船舶領(lǐng)域的高速發(fā)展，大型化、輕量化、復(fù)雜化的結(jié)構(gòu)件正得到廣泛應(yīng)用[1,2]，同時(shí)對(duì)成型制造工藝也提出了更高的要求。相比于傳統(tǒng)制造工藝，增材制造具有生產(chǎn)效率高、加工成本低及成型性能良好等特點(diǎn)，可直接成型組織致密的三維空間形狀結(jié)構(gòu)件[3]。目前，智能制造已被定為“中國(guó)制造 2025”的主攻方向，是解決我國(guó)制造業(yè)由大變強(qiáng)的根本途徑。增材制造是制造業(yè)中有代表性的顛覆性技術(shù)，而目前我國(guó)增材制造技術(shù)對(duì)智能制造的驅(qū)動(dòng)作用尚未完全顯現(xiàn)[4]。因此，加強(qiáng)對(duì)增材制造技術(shù)的研究，對(duì)推動(dòng)和加快實(shí)施“中國(guó)制造 2025”具有重要意義。本文從專利的角度出發(fā)，剖析增材制造技術(shù)的專利現(xiàn)狀及其在智能制造中的應(yīng)用模式，揭示當(dāng)前增材制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，以期為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究提供有價(jià)值的信息。

1 增材制造技術(shù)專利概況

截止申請(qǐng)日2019年12月31日，涉及增材制造技術(shù)的已公開(kāi)專利申請(qǐng)記錄共 7705條，經(jīng)過(guò)去噪和篩選，確定并選取其中 7614條申請(qǐng)記錄作為本次專利分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其中包括發(fā)明專利 6302項(xiàng)，實(shí)用新型專利1312項(xiàng)。

圖 1顯示增材制造技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)量的年度分布。從中可以看出，我國(guó)增材制造技術(shù)雖然起步較晚，但發(fā)展較快，與增材制造技術(shù)相關(guān)的專利于2009年被首次申請(qǐng)，此后與該技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專利的申請(qǐng)量以成倍數(shù)的趨勢(shì)逐年增長(zhǎng)，至 2018年，該技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量達(dá)到頂峰，反映出近十年來(lái)我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)增材制造技術(shù)關(guān)注度越來(lái)越高，增材制造技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用也逐步趨于成熟。

圖1 增材制造技術(shù)專利申請(qǐng)量年度分布Fig.1 Annual distribution of additive manufacturing technology patent applications

為了研究增材制造技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)人的分布狀況，本文對(duì)采集的數(shù)據(jù)按照各主要申請(qǐng)人的申請(qǐng)量排名進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。圖 2顯示增材制造技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)人及其申請(qǐng)量的分布狀況。專利申請(qǐng)量前 10名的申請(qǐng)人中有5家企業(yè)公司，4所高校和1個(gè)研究院所，可見(jiàn)在增材制造技術(shù)領(lǐng)域，企業(yè)及高校的申請(qǐng)量占主要地位。同時(shí)由圖 2可以看出，通用電氣公司憑借其在制造業(yè)內(nèi)多年的經(jīng)驗(yàn)積累占據(jù)了領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，在申請(qǐng)量上以271項(xiàng)專利申請(qǐng)領(lǐng)先，西安增材制造國(guó)家研究院有限公司以 254項(xiàng)申請(qǐng)位居第二，華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、西門子股份公司和安徽恒利增材制造科技有限公司緊隨其后。以上4家單位構(gòu)成了第二集團(tuán)，專利申請(qǐng)量均在100項(xiàng)以上。

圖2 增材制造技術(shù)專利申請(qǐng)量前10位Fig.2 Top ten patent applications of additive manufacturing technology

2 增材制造領(lǐng)域的技術(shù)分解與專利分析

通過(guò)對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，增材制造技術(shù)的應(yīng)用主要分布在金屬零部件制造、非金屬零部件制造和生物結(jié)構(gòu)制造3個(gè)領(lǐng)域。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中，涉及金屬零部件增材制造技術(shù)的專利共有 2733項(xiàng)，而金屬零件增材制造過(guò)程中，制造工藝多數(shù)集中于激光束、電子束、電弧焊接等。其中，涉及激光束金屬增材制造工藝的專利共有532項(xiàng)，如CN111604500A公開(kāi)了一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的金屬增材制造監(jiān)控系統(tǒng)及工藝方法，CN104775116A公開(kāi)一種以選擇性激光熔化增材來(lái)制造金屬構(gòu)件的工藝方法；而采用電子束作為金屬增材制造工藝的專利共有 409項(xiàng)，代表性專利為CN105750548A一種電子束金屬噴射增材制造裝置及方法、CN105935770A一種基于電子束熔絲成型的增材制造裝置；涉及電弧焊接工藝的專利共有 955項(xiàng)，以 CN106180710A基于等離子體電弧熔覆的 3D金屬增材制造裝置及方法、CN109317793A一種等離子電弧熔絲增材制造裝置最為典型。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，涉及非金屬零部件增材制造技術(shù)領(lǐng)域的專利共有2912項(xiàng)，加工材料涵蓋了樹(shù)脂、陶瓷及多種非金屬基復(fù)合材料。較為典型的有 CN111531870A一種高性能纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料增材制造方法、CN110576498A一種用于陶瓷先驅(qū)體材料的增材制造裝置和工藝、CN107498856A一種光固化樹(shù)脂基復(fù)合材料零部件的增材制造方法及系統(tǒng)、CN107098714A一種基于 3DP增材制造技術(shù)的碳化硅基陶瓷零件制造方法。上述大量金屬與非金屬材料增材制造技術(shù)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，標(biāo)志著我國(guó)已進(jìn)入由“減材”到“增材”的制造業(yè)新時(shí)代。

在本文統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，涉及生物結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)的專利共有887項(xiàng)，例如CN111905145A一種生物活性玻璃人工骨及其增材制造方法、CN206822742U高精度超聲防堵多細(xì)胞生物增材制造裝置、CN106923916A一種個(gè)性化牙冠的增材制造方法等。生物結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展也使我國(guó)的醫(yī)療水平不斷提高。

3 增材制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)及趨勢(shì)

通過(guò)對(duì)本文統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和脈絡(luò)進(jìn)行分析可知，近年來(lái)關(guān)于增材制造設(shè)備和專用材料相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量的占比較大，且增材制造加工過(guò)程中的成形質(zhì)量控制也同樣是相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)。

當(dāng)前商用的各類增材制造設(shè)備已經(jīng)相對(duì)成熟，但國(guó)內(nèi)設(shè)備尤其是高端增材制造設(shè)備的關(guān)鍵元器件仍依靠進(jìn)口，與此同時(shí)，應(yīng)用于增材制造技術(shù)的材料大多基于傳統(tǒng)制造方法開(kāi)發(fā)而來(lái)，在一定程度上無(wú)法最大化地發(fā)揮材料的潛能，因此從專利分析的角度來(lái)看，開(kāi)發(fā)適用于增材制造技術(shù)的高性能專用材料是未來(lái)該技術(shù)領(lǐng)域要突破的一個(gè)重點(diǎn)。此外，隨著工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)和突破，增材制造的效率將會(huì)不斷提高，而快速且高質(zhì)量的凈成形也將是增材制造技術(shù)所追求的目標(biāo)。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)增材制造技術(shù)領(lǐng)域近年來(lái)的專利申請(qǐng)情況進(jìn)行分析可知，雖然我國(guó)增材制造技術(shù)起步較晚，但近年來(lái)該技術(shù)領(lǐng)域研究人員對(duì)于增材制造技術(shù)的關(guān)注度持續(xù)升高。通過(guò)剖析增材制造技術(shù)的專利現(xiàn)狀，分析當(dāng)前增材制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)問(wèn)題及趨勢(shì)，為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究提供有價(jià)值的信息參考。