徐美新，于 娟

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

增材制造技術(shù)又稱“3D打印”、快速成型技術(shù)，其采用材料累加層層制造的成型方式，直接通過CAD數(shù)據(jù)制成三維實(shí)體產(chǎn)品，這種“做加法”的加工方式不再利用模具、刀具和工裝卡具便可快速而精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件模型，顛覆了原有的“做減法”的傳統(tǒng)制造方式[1]。

增材制造技術(shù)根據(jù)具體的快速成型工藝來分，主要有光固化快速成型技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)或熔化技術(shù)、激光近凈成型技術(shù)、直接金屬燒結(jié)技術(shù)、3D打印技術(shù)、熔融沉積成型技術(shù)等，當(dāng)前3D打印成型技術(shù)領(lǐng)域中采用最多的就是選擇性激光燒結(jié)或熔化技術(shù)，德國的通用電氣公司是這類設(shè)備的主要制造商之一[2，3]。

增材制造中工件存在懸垂結(jié)構(gòu)，但其沒有鑄型和模具支撐約束，成形過程中容易塌陷、掛渣，發(fā)生嚴(yán)重變形，甚至中斷成形。因而需要設(shè)計(jì)支撐。即使部分成形技術(shù)有粉末或液體支撐約束，但其強(qiáng)度不夠，仍然需要設(shè)計(jì)支撐。合理的支撐設(shè)計(jì)對順利成形和保證工件精度具有重要意義。支撐設(shè)計(jì)依賴于成形工藝、成形材料、工件特征等多種因素，是增材制造的工藝難點(diǎn)之一。

本文通過準(zhǔn)確的CPC分類號B22F2003/1058、文獻(xiàn)量較大的IPC分類號B22F3/105、B33Y30/00、B33Y40/00與比較準(zhǔn)確的關(guān)鍵詞支撐結(jié)構(gòu)、支承結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)庫檢索、incopat數(shù)據(jù)分析等檢索策略相結(jié)合，獲取初步結(jié)果后將檢索文獻(xiàn)中的明顯噪聲清理，最終得到423項(xiàng)中文數(shù)據(jù)、600項(xiàng)外文數(shù)據(jù)，共1023項(xiàng)有效數(shù)據(jù)，并利用S系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)命令和Excel對該領(lǐng)域的中國專利申請數(shù)據(jù)和全球?qū)＠暾垟?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1 專利申請概況

1.1 申請量趨勢分析

該技術(shù)的專利申請出現(xiàn)于20世紀(jì)初，其發(fā)展過程可以分為兩個階段：一、2001年至2012年：該階段的專利申請量較少，呈平穩(wěn)趨勢，筆者推測，增材制造成型件懸垂結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量與支撐結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，故支撐結(jié)構(gòu)與成型件連接處要求較高，而支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)發(fā)展依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)離散運(yùn)算能力的突破，因此該項(xiàng)技術(shù)的研究在計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度沒有大幅度提升前一直沒有大規(guī)模地展開。二、到2013年后：該階段隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度大幅提升且技術(shù)已發(fā)展地較為成熟之后，使得金屬增材制造中支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究也開始迅速發(fā)展起來。

1.2 中國專利性分析

在2014年之前，專利申請量稀少，幾乎沒有，此時說明該項(xiàng)技術(shù)還未引入我國，2014年之前處于起步階段，市場需求還不大；在2014年~2018年期間，處于技術(shù)發(fā)展期，中國市場需求逐步打開，申請量增長迅速，處于發(fā)展高潮階段。中國專利申請中，申請量排名前3位的分別是中國、美國、德國，可以看出，國外申請人已經(jīng)對中國開展了一定的布局，但其數(shù)量與國內(nèi)申請有較大的差距，同時，也反映出國內(nèi)對于該技術(shù)也已進(jìn)行了相當(dāng)數(shù)量的研究，專利申請主要分布比較平均，在廣東、北京、江蘇、浙江、陜西、上海均有一定數(shù)量的分布。

1.2.1 申請人排名

以中國作為目標(biāo)市場的主要專利申請人的專利申請量，通用電氣公司數(shù)量排名居于首位，幾乎是第二位吉林大學(xué)的兩倍，由此可見其在中國市場上的主導(dǎo)地位，在中國競爭實(shí)力最強(qiáng)，顯示出其在該領(lǐng)域具有超強(qiáng)的研發(fā)能力和大規(guī)模的專利布局；同時，雖然美國申請數(shù)量達(dá)到62件，但最多的通用電氣公司只有17件，故并未有突出的某一家公司進(jìn)行大量申請，可以推測，美國國內(nèi)該領(lǐng)域中的申請人數(shù)量較多，申請數(shù)量分布比較平均，競爭應(yīng)較為激烈。

1.2.2 專利申請有效性分析

授權(quán)率是體現(xiàn)發(fā)明質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，除去正在實(shí)質(zhì)審查的專利外，該領(lǐng)域的實(shí)際授權(quán)率接近70%，有效維持率75%，說明該領(lǐng)域的專利質(zhì)量較高，技術(shù)比較先進(jìn)，而且有效維持率高也體現(xiàn)了該領(lǐng)域的專利中垃圾專利較少。

1.3 全球?qū)＠苑治?/h3>

全球范圍內(nèi)專利申請量排名前10位的申請人，其中以德國和美國的公司為主，10位申請人中有4家來源于德國，3家來自美國，其中，通用電氣的申請總量占據(jù)榜首，為該技術(shù)領(lǐng)域中的主導(dǎo)企業(yè)，其次，西門子、CL產(chǎn)權(quán)管理有限公司、DESKTOP METAL INC、SEIKO EPSON CORPORATION、CONCEPT LASER GMBH等公司的申請量分布較為平均，在全球范圍內(nèi)都具備一定的競爭實(shí)力；這幾家企業(yè)的專利申請量比較接近，技術(shù)實(shí)力相對均衡。

在全球內(nèi)排名靠前的西門子、DESKTOP METAL INC、SEIKO EPSON CORPORATION、CONCEPT LASER GMBH、MTU發(fā)動機(jī)聯(lián)同渦輪機(jī)慕尼黑有限公司等公司，其技術(shù)發(fā)展較早，且在通用電氣公司對于該技術(shù)專利進(jìn)行壟斷后，這些公司在該領(lǐng)域的研究也逐步增加，但這些公司的技術(shù)申請并沒有大舉進(jìn)入中國市場。

2 技術(shù)分析及其發(fā)展趨勢

金屬增材制造中使用的支撐結(jié)構(gòu)通?？砂粗谓Y(jié)構(gòu)形狀分為塊狀結(jié)構(gòu)、柱狀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以及復(fù)合結(jié)構(gòu)四大技術(shù)分支，其中，塊狀結(jié)構(gòu)技術(shù)是所有技術(shù)的基礎(chǔ)，屬于早期技術(shù)，目前已很少采用該技術(shù)，本文不作分析，柱狀支撐結(jié)構(gòu)申請量最大，屬于目前主流技術(shù)，研究出的形式多種多樣，而網(wǎng)格支撐是新興技術(shù)，但其數(shù)量并不大，是因?yàn)樵谄浠A(chǔ)上復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)具備更加優(yōu)異的效果，從支撐效果和節(jié)省材料成本綜合考慮，復(fù)合支撐將成為未來的主流支撐結(jié)構(gòu)形式。

2.1 柱狀支撐結(jié)構(gòu)

柱狀支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)是目前支撐結(jié)構(gòu)的主流技術(shù)，其具備支撐效果好、節(jié)省材料的共同優(yōu)勢，針對柱狀支撐結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的塊狀支撐存在支撐接觸面積小、支撐效果差的缺點(diǎn)，其發(fā)展路線基本可以概括為經(jīng)歷了對柱狀支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐、改進(jìn)柱狀結(jié)構(gòu)的上端形狀、以及改進(jìn)整體支撐結(jié)構(gòu)三個方向的技術(shù)改進(jìn)。2014年起，對柱狀支撐進(jìn)行交錯式的支撐以提高其支撐效果的專利大量出現(xiàn)，其中具有代表性的為WO2015/019070、WO2015/145346、CN106180708等；2016年起，開始出現(xiàn)樹枝狀的支撐結(jié)構(gòu)，其中，西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司提出的CN106853527包括柱狀支撐主干1、沿支撐主干圓周均勻分布的一級分支2，沿每個一級分支的圓周均勻分布的二級分支3，2017年成都優(yōu)材科技有限公司提出CN107856311一種用于3D打印的樹形支撐結(jié)構(gòu)，具有樹干，在樹干頂部具有至少兩根樹枝，在樹枝的頂部設(shè)有插入零件的上插入部，上插入部的長度為打印層厚的1～4倍。通用電氣公司針對柱狀支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的申請，代表性的有CN106853527、EP3205423A1、EP3205426A1、US20180141122A1、WO2018106371A2、US20180154441A1、US20190009368A1、EP3205422A1。

2.2 網(wǎng)格支撐結(jié)構(gòu)

網(wǎng)格支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)屬于新興技術(shù)，對其進(jìn)行的研究經(jīng)歷了網(wǎng)格本身——梯度網(wǎng)格——實(shí)體網(wǎng)格復(fù)合的路線；2017年，西安國宏天易智能科技有限公司提出了，支撐結(jié)構(gòu)包括若干個在同一平面上呈陣列布置的支撐單元；每個支撐單元包括若干個支撐單體，支撐單體為水平方向設(shè)置的空管結(jié)構(gòu)，以空管的長度方向?yàn)閄方向，若干個支撐單體在Y方向和Z方向上均呈陣列設(shè)置，相鄰支撐單元通過空管管壁相互連接形成支撐單元，空管形成支撐單元的側(cè)向出粉通道，設(shè)置生成時，直接對支撐單元進(jìn)行加強(qiáng)保證了其支撐效果CN107598167A。2018年之后，隨著申請量的大幅提高出現(xiàn)了多種梯度網(wǎng)格支撐結(jié)構(gòu)，其中具有代表性的有，CN110802837提出了支撐結(jié)構(gòu)包括至少一層支撐區(qū)域，每層所述支撐區(qū)域具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，且下層所述支撐區(qū)域網(wǎng)格間距大于上層所述 支撐區(qū)域網(wǎng)格間距。根據(jù)支撐結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)確定FDM設(shè)備的打印參數(shù)，使用逐層漸變式網(wǎng)格支撐結(jié)構(gòu)，有效節(jié)省支撐結(jié)構(gòu)的材料、減少打印支撐結(jié)構(gòu)消耗的時間，同時，能夠?qū)Υ蛴‘a(chǎn)品起到支撐作用并保證打印產(chǎn)品不塌陷。采用網(wǎng)格支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)的專利申請還有CN110435143、CN109434106、CN108724698、CN109332692、CN109382516、CN109570504、CN109501249、CN208324240、CN208628433。

2.3 復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)

復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)是目前最前沿的支撐結(jié)構(gòu)，其是從網(wǎng)格支撐結(jié)構(gòu)發(fā)展而來的，綜合了實(shí)體支撐和網(wǎng)格支撐的優(yōu)點(diǎn)，其將成為未來增材制造中支撐結(jié)構(gòu)的主流形式。2017年，提出了兩種改進(jìn)，首都航天機(jī)械公司和中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，進(jìn)一步提出一種抑制薄壁結(jié)構(gòu)變形的輔助支撐結(jié)構(gòu)CN108145161。該輔助支撐結(jié)構(gòu)包括固定連接的網(wǎng)格支撐部分和實(shí)體支撐部分，即輔助支撐結(jié)構(gòu)采用生長方向截面呈“網(wǎng)格+實(shí)體”形式且實(shí)體部分與網(wǎng)格部分相固連的整體式輔助支撐；所述的網(wǎng)格 支撐部分的下端支撐在實(shí)體支撐部分上，在薄壁結(jié)構(gòu)的懸空端與實(shí)體支撐部分間形成支撐；所述的網(wǎng)格支撐部分采用薄片式或“山”字型結(jié)構(gòu)形 式；所述的實(shí)體支撐部分的上端支撐在網(wǎng)格支撐部分下端面，下端支撐在成形基板上；所述的實(shí)體支撐部分采用“山”字型或“Y”型結(jié)構(gòu)形式。CN107471651A提出的支撐結(jié)構(gòu)包括使用第一材料打印的實(shí)體部分和使用第二材料打印的非實(shí)體部分，所述實(shí)體部分包括網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，所述網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的每一個網(wǎng)格單元內(nèi)及網(wǎng)格單元外均填充有所述非實(shí)體部分；其中，所述第一材料的硬度較所述第二材料的硬度大；所述網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格密度在打印平面內(nèi)存在變化，和/ 或所述網(wǎng)格單元的連接邊的橫截面的面積，沿垂直于所述打印平面的方向存在變化。該支撐結(jié)構(gòu)不同部位的強(qiáng)度存在差異，從而能有效防止支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行固化過程中或之后受到應(yīng)力的作用時的應(yīng)力集中現(xiàn)象導(dǎo)致的支撐結(jié)構(gòu)開裂的不利影響。具備復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)的專利申請還有CN106475561、CN208615318U、CN209206458U、CN210755171U、CN111318703。

3 結(jié)語

通過以上分析可以看出，金屬增材制造中支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)的研發(fā)具體集中在美國和德國，尤其以通用電氣公司為代表的美國企業(yè)一家獨(dú)大，而德國公司呈現(xiàn)集中蓬勃發(fā)展的態(tài)勢，目前通用電氣申請量趨于相對穩(wěn)定，該公司在金屬增材制造中支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域異軍突起，而且已經(jīng)在中國開始大規(guī)模進(jìn)行布局，足以見其對中國市場的重視，但其他國家申請數(shù)量偏少，研究數(shù)量不多，目前中國在該方面技術(shù)也有一定量的研究，但在申請量方面以及研究深度方面都尚未達(dá)到一定規(guī)模；從目標(biāo)市場申請量方面分析可以看出，中國在該領(lǐng)域的市場還是很有發(fā)展?jié)摿?，中國申請人也?yīng)多研究和借鑒通用電氣公司的該領(lǐng)域的前沿技術(shù)，增強(qiáng)我國該方面技術(shù)的競爭實(shí)力。