秦日京， 唐小青， 李勇飛

（桂林電器科學(xué)研究院有限公司， 廣西 桂林 541004）

0 引 言

3D打印技術(shù)又稱增材制造，是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)在模具制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用改善了傳統(tǒng)模具制造的弊端，為模具制造業(yè)提供更好的發(fā)展前景[1]。

目前，應(yīng)用廣泛的3D打印成型工藝主要有選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）、選擇性激光熔化（selective laser melting，SLM）、直接金屬激光燒結(jié)（direct metal laser sintering，DMLS）、立體光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）、熔融沉積成型（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）、分層物體制造（laminated object manufacturing，LOM）等[2]，分別被應(yīng)用到隨形冷卻水道、熔模-精密鑄造、陶瓷模具-精密鑄造、砂型模具-重力鑄造、快速模具等領(lǐng)域[3]。

現(xiàn)將3D打印技術(shù)在模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用與專利信息相結(jié)合，從專利視角對全球模具制造3D打印技術(shù)的申請趨勢、地域分布、技術(shù)構(gòu)成、主要申請人、重點(diǎn)專利、技術(shù)發(fā)展趨勢等方面開展分析，以期為中國模具制造3D打印技術(shù)提供技術(shù)支持。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

以下專利數(shù)據(jù)來源于科睿唯安全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫incoPat，檢索時(shí)間范圍為2023年1月1日前的公開專利，檢索主題為模具制造的3D打印技術(shù)，構(gòu)成的檢索要素如表1所示。

表1 模具制造的3D打印技術(shù)檢索要素

通過檢索要素表構(gòu)建和調(diào)整檢索式，在專利數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，并對得到的結(jié)果進(jìn)行機(jī)械去噪和人工去噪，最終得到與主題相關(guān)的專利數(shù)據(jù)6 273條，申請?zhí)柡喜⒑? 081件，構(gòu)建了3D打印技術(shù)在模具制造領(lǐng)域的專利數(shù)據(jù)庫，基于該數(shù)據(jù)庫對全球模具制造3D打印技術(shù)進(jìn)行專利分析。

2 模具制造3D打印技術(shù)專利分析

2.1 申請趨勢分析

基于構(gòu)建的專利數(shù)據(jù)庫，對3D打印技術(shù)在模具制造領(lǐng)域應(yīng)用的全球?qū)＠暾堏厔葸M(jìn)行分析。圖1所示為主要國家或地區(qū)的專利申請趨勢，模具制造領(lǐng)域采用3D打印技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下階段。

圖1 模具制造領(lǐng)域用3D打印技術(shù)全球?qū)＠暾堏厔?/p>

（1）技術(shù)萌芽期（1993-1998年）。3D打印起源于美國，20世紀(jì)80年代末，3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)根本性發(fā)展，誕生了光固化技術(shù)、分層實(shí)體制造技術(shù)、粉末激光燒結(jié)技術(shù)、熔融沉積制造技術(shù)和噴頭打印技術(shù)[4]，全球?qū)＠暾埩繛?4件。這一階段的專利申請主要在美國、世界知識產(chǎn)權(quán)局、歐洲專利局、澳大利亞、日本和加拿大，其中美國的申請量位居全球之首。麻省理工學(xué)院于1993年申請的專利WO9412284A1，該專利在世界知識產(chǎn)權(quán)局、歐洲專利局、加拿大申請了多項(xiàng)同族專利，公開了一種3D打印用于金屬鑄件的陶瓷模的技術(shù)；美國3D Systems公司以專利WO9711835A2為專利族在全球布局了8件專利，公開了以熱光固化快速成型、熔融沉積建模和選擇性沉積建模系統(tǒng)構(gòu)建的3D建模系統(tǒng)。

（2）技術(shù)發(fā)展期（1999-2013年）。這一階段的全球?qū)＠偵暾埩繛?18件，約是前一階段申請量的9.6倍，且除美國之外，中國、韓國、德國和日本的專利申請量都在逐漸增長，專利遍布全球。其中，美國96件，中國78件，韓國21件，日本31件，世界知識產(chǎn)權(quán)局61件，歐洲專利局70件。在申請量排名前五的申請人中，美國Stratasys公司和3D Systems公司位列第一、二位，主要開展熔融沉積成型和選擇性沉積建模技術(shù)的研究；德國弗勞恩霍夫協(xié)會位列第三位，主要集中在選擇性激光燒結(jié)和熔融沉積建模成型技術(shù)的研究，推動了德國選擇性激光熔化增材制造裝備的成功研制[5]；中國華中科技大學(xué)位列第四位，公開了具有隨形冷卻流道的注塑模具鑲塊的快速制造方法、選擇性激光燒結(jié)快速直接制造注塑模具的方法等專利；排名第五的丹麥3Shape公司公開了3D打印成型技術(shù)在個(gè)人設(shè)備用定制軟部件制造的應(yīng)用。

（3）技術(shù)快速增長期（2014-至今），這一階段3D打印技術(shù)在全球呈現(xiàn)快速增長的趨勢，在這期間專利總申請量達(dá)到4 502件，超過前兩個(gè)時(shí)期申請量總和的7倍，中國的申請量（2 216件）位列第一、其次是美國（422件）、世界知識產(chǎn)權(quán)局（371件）、歐洲專利局（331件）、韓國（281件）、日本（231件）。從圖1可以看出，中國專利的申請量增長最迅速，總申請量由上一階段的78件增長到2 216件；其次為韓國，申請量達(dá)到281件，是上一階段的13倍；日本申請量為237件，是上一階段的7倍；世界知識產(chǎn)權(quán)局的申請量為371件，是上一階段的6倍；歐洲專利局申請量為331件，是上一階段的4倍；美國總申請量為422件，是上一階段的4倍。

2.2 全球?qū)＠赜蚍植技皩＠行苑治?/h3>

模具制造領(lǐng)域用3D打印技術(shù)全球?qū)＠赜蚍植技皩＠行匀鐖D2、圖3所示，專利申請量排名前六為中國、美國、歐洲專利局、世界知識產(chǎn)權(quán)局、韓國、日本，其模具制造領(lǐng)域用3D打印技術(shù)專利申請總量占總申請量的83.63%。在專利有效性中，全球模具制造領(lǐng)域用3D打印技術(shù)有效專利占有率為42.75%，排名前六的國家或地區(qū)的有效專利和失效專利分別為2 269件、907件，分別占其申請總量的53.40%、21.39%。

圖2 3D打印技術(shù)在模具制造應(yīng)用中全球?qū)＠赜蚍植?/p>

圖3 3D打印技術(shù)在模具制造中應(yīng)用全球?qū)＠行?/p>

2.3 技術(shù)構(gòu)成分析

利用國際專利分類號IPC對模具制造領(lǐng)域用3D打印技術(shù)構(gòu)成進(jìn)行分析，通過分析可以了解模具制造領(lǐng)域用3D打印技術(shù)覆蓋的技術(shù)類別以及各技術(shù)分支的創(chuàng)新熱度。圖4所示展示了排名前10的IPC小類，分別為B33Y（2 597件，51.11%）、B29C（2 300件，45.27%）、B22F（903件，17.77%）、B22C（886件，17.44%）、B22D（390件，7.68%）、B28B（352件，6.93%）、C04B（217件，4.27%）、A61C（209件，4.11%）、B29L(192件，3.78%）、C22C（183件，3.60%）。中國排名前10的IPC小類：B33Y（1 333件，58.08%）、B29C（916件，39.91%）、B22C（487件，21.22%）、B22F（411件，17.91%）、B22D（193件，8.41%）、B28B（137件，5.97%）、B29L（108件，4.71%）、C04B（87件，3.79%）、C22C（87件，3.79%）、A61C（67件，2.92%）。

圖4 模具制造領(lǐng)域用3D打印技術(shù)專利構(gòu)成

表2所示展示了3D打印技術(shù)在模具制造領(lǐng)域應(yīng)用專利排名前10的IPC分類號，通過排名可以看出3D打印技術(shù)在模具制造領(lǐng)域的全球?qū)＠椭袊鴮＠饕性贐33Y增材制造技術(shù)方面，其次為B29C、B22F、B22C、B22D等領(lǐng)域，主要針對塑料成型、金屬粉末成型、鑄造成型等方面，占比均超過10%。中國與全球關(guān)注的技術(shù)熱點(diǎn)不同的是：全球?qū)＠麑τ谘揽颇＞?D打印技術(shù)的關(guān)注熱點(diǎn)較高，主要原因是全球牙科巨頭義獲嘉·偉瓦登特（Ivoclar Vivadent）公司、美國Dentsply公司在全球的專利布局；而中國在塑料成型B29L領(lǐng)域的關(guān)注度相對全球要高，源于主要申請人華中科技大學(xué)在這方面的技術(shù)研究。

表2 3D打印技術(shù)在模具制造領(lǐng)域應(yīng)用專利排名前10的IPC分類號

2.4 主要申請人分析

在全球排名前10的申請人中（見圖5），位列第1、3、5位的均為美國企業(yè)，分別為通用電氣公司、Stratasys公司、3D Systems公司。其中美國的通用電氣公司以69件專利位居榜首，主要關(guān)注增材制造、金屬粉末加工領(lǐng)域的研究；Stratasys公司主要關(guān)注熔融沉積技術(shù)的研究；3D Systems公司主要關(guān)注在選擇性激光熔融技術(shù)的研究。位列第4、7、8、9位的是德國企業(yè)，分別是Voxeljet公司、Siemens公司、Continental Reifen Deutschland公司、Flc Flowcastings公司。Voxeljet公司主要關(guān)注水溶性鑄模制造模制品技術(shù)；Siemens公司主要開展選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在陶瓷模具制造的應(yīng)用研究；Continental Reifen Deutschland公司開展了選擇性激光熔化方法在車輛輪胎硫化模具的制備研究；Flc Flowcastings公司主要開展3D打印技術(shù)在熔模鑄造中的應(yīng)用研究。位列第2、10位的來自中國，分別是華中科技大學(xué)、東莞市康銘光電科技有限公司，華中科技大學(xué)是排名前10申請人中唯一的高等院校，其在中國申請了29件專利，在國外申請了5件專利，分別為2018年在美國申請2件專利（US9302338B2、US10946448B2）、2011年、2015年、2017年在世界知識產(chǎn)權(quán)局申請3件專利（WO2011127798A1、WO2015185001A1、WO2018091000A1）；東莞市康銘光電科技有限公司是排名前10的申請人中唯一未在國外布局相關(guān)專利的申請人。

圖5 模具制造領(lǐng)域3D打印技術(shù)全球?qū)＠暾埲伺琶ㄇ?0）

在中國排名前10的申請人中（見圖6），除位居第一的美國通用電氣公司外，其他均為中國本土的企業(yè)或高校，其中高校4家，分別為華中科技大學(xué)、中國科學(xué)院金屬研究所、西安交通大學(xué)、重慶大學(xué)。華中科技大學(xué)重點(diǎn)關(guān)注選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、3D打印隨形冷卻水道及其應(yīng)用；中國科學(xué)院金屬研究所重點(diǎn)關(guān)注3D打印技術(shù)在高溫合金熔模精密鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用；西安交通大學(xué)重點(diǎn)關(guān)注光固化成型制作樹脂注射模及注射方法、3D打印技術(shù)的陶瓷鑄型制造方法；重慶大學(xué)重點(diǎn)關(guān)注電弧增材與激光熔覆制備熱沖壓模具鑲塊的方法、隨形冷卻水道的熱沖壓成形模具鑲塊的制備方法。5家企業(yè)分別為東莞市康銘光電科技有限公司、北京機(jī)科國創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院有限公司、鉑力特（江蘇）增材制造有限公司、上海鐳鏌科技有限公司、共享鑄鋼有限公司。北京機(jī)科國創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院有限公司重點(diǎn)關(guān)注砂型3D打印成型技術(shù)，鉑力特（江蘇）增材制造有限公重點(diǎn)關(guān)注3D打印壓鑄模∕注射模；上海鐳鏌科技有限公司重點(diǎn)關(guān)注3D打印隨形水路研究；共享鑄鋼有限公司重點(diǎn)關(guān)注鑄造行業(yè)生產(chǎn)鑄件的3D打印砂型技術(shù)研究。

圖6 模具制造領(lǐng)域3D打印技術(shù)中國專利申請人排名（前10）

2.5 技術(shù)路線分析

圖7所示為基于專利文獻(xiàn)信息分析的3D打印技術(shù)在模具制造中應(yīng)用的主要技術(shù)發(fā)展路徑和關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)。在萌芽期（1972-1998年），分層實(shí)體制造技術(shù)、光固化快速成型技術(shù)、熔融沉積成型技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、電子束熔融技術(shù)、選擇性激光熔融技術(shù)等3D打印技術(shù)逐漸在美國、德國等歐美國家發(fā)展。光固化快速成型技術(shù)（AU7550396 A）、熔融沉積在消失模制造的應(yīng)用（US5824250A）、選擇性激光燒結(jié)SLS技術(shù)在注射模的應(yīng)用（AU4157496A）以及金屬∕大型壓鑄模（DE19856783）等專利相繼申請公開。這一時(shí)期3D Systems公司、麻省理工學(xué)院、Stratasys公司等專利申請人起到了技術(shù)引領(lǐng)的作用，美國3D Systems公司、Stratasys公司在這期間推出了快速成型設(shè)備，麻省理工學(xué)院發(fā)明了快速成型技術(shù)（three-dimensional printing，3DP），提出了利用粘接劑將金屬、陶瓷等粉末黏結(jié)成型技術(shù)[6]。

圖7 3D打印技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用專利技術(shù)路線

在技術(shù)發(fā)展期（1999-2013年），3D打印技術(shù)逐漸成熟并廣泛應(yīng)用于模具制造領(lǐng)域，除歐美國家外，其他發(fā)展中國家的3D打印技術(shù)在模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了快速發(fā)展，能應(yīng)用于復(fù)雜內(nèi)部鑄件的制造。在這一時(shí)期，美國通用電氣公司申請了光固化快速成型失蠟熔模精密鑄造應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪機(jī)部件（GB2465181A）、直接金屬燒結(jié)∕選擇性激光燒結(jié)復(fù)雜內(nèi)部鑄件的制造（EP2517808A2）專利，并在多國和地區(qū)申請了同族專利。中國3D打印技術(shù)在模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了發(fā)展，以華中科技大學(xué)為代表，在這一時(shí)期申請了8件專利，其中包括美國專利（熔融沉積成型用于制造零件和模具的方法（US20130197683A1））和PCT專利（零件與模具的熔積成型復(fù)合制造方法（W02011127798A1）），其最早公開的專利（CN1093446C）提出了分層物體制造的金屬模具技術(shù)，此外，還公開了選擇性激光燒結(jié)快速直接制造注塑模具的方法（CN1970202A），具有隨形冷卻流道的注塑模具鑲塊的快速制造方法（CN1850396A）等專利。

自2014年3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破發(fā)展，3D打印產(chǎn)品線拓展到普通消費(fèi)者，可兼容多種材料的立體光固化3D打印機(jī)和SLS工藝打印機(jī)的推出，美國惠普公司開發(fā)了多射流熔融（multi jet fusion，MJF）3D打印技術(shù)，3D打印在太空艙、空中客機(jī)、心臟植入醫(yī)療器械、火箭等領(lǐng)域的應(yīng)用[7]，推動了其在模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用。在光固化成型領(lǐng)域，日本專利（JP2021518271A）公開了一種數(shù)字光處理DLP用于填充熔體的模具的制造方法及模具；2022年浙江大學(xué)公開了PCT專利（WO2022170820A1），用于軟硬組織缺損同步修復(fù)仿生復(fù)合支架的3D打印成型方法；韓國生產(chǎn)技術(shù)研究院2019年公開了在制造人工器官模具中使用熔融沉積法（KR1020170051754）；2021年Siemens公司公開了熔融沉積成型人工器官消失模鑄（WO2021164026A1）。在粉末熔融技術(shù)方面，韓國專利（KR1020200140750A）公開了選擇性激光燒結(jié)制造具有精細(xì)圖案的金屬模具的方法；2021年Continental Reifen Deutschland公司的PCT專利（WO2021254653）公開了選擇性激光燒結(jié)制造車輛硫化輪胎模鍛件的方法；2022年中南大學(xué)公開了激光熔覆氮化制備刀模的方法（CN113118457B），利用在激光熔覆過程中載氣和保護(hù)氣實(shí)現(xiàn)金屬粉末在沉積過程中的氮化，實(shí)現(xiàn)了高性能刀模的制備。在隨形冷卻水道方面，隨著激光功率、光斑聚焦以及模具鋼粉末等關(guān)鍵技術(shù)的突破，金屬3D打印技術(shù)在注塑模具隨形冷卻水道制作中的工程應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)[8]；2018年重慶大學(xué)公開了基于電弧增材與激光熔覆制備熱沖壓模具鑲塊的方法（CN108746 375A），通過在基體上預(yù)先設(shè)置與隨形冷卻水道形狀相適應(yīng)的管道，再依次電弧增材過渡層、激光熔覆強(qiáng)化層，解決熱沖模鑲塊存在冷卻效率低、使用壽命短且隨形冷卻水道難以加工的問題。韓國專利（KR1020220139808A）公開了具有形狀自適應(yīng)冷卻通道的模具鑄件，通過拱形輔助通道將冷卻通道與輔助通道隔開一定的距離，保證了模具的耐用度，降低了模具內(nèi)的熱偏差。

2.6 重點(diǎn)核心專利

被引頻次和被引持續(xù)時(shí)間在一定程度上反映對象在某領(lǐng)域研發(fā)中的基礎(chǔ)性和引導(dǎo)性，通過專利被引頻次和被引持續(xù)時(shí)間來篩選核心或重點(diǎn)專利是專利引文分析方法中最典型的應(yīng)用。同時(shí)，同族專利也是評價(jià)重點(diǎn)專利的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，同族專利在專利家族中越多，顯示專利家族規(guī)模越大，在全球區(qū)域布局越廣，說明布局中花費(fèi)專利成本較多，也是核心技術(shù)相關(guān)專利。綜合被引頻次、被引持續(xù)時(shí)間、同族數(shù)量、同族國家或地區(qū)等幾項(xiàng)客觀評價(jià)指標(biāo)，篩選3D打印技術(shù)在模具制造領(lǐng)域應(yīng)用研究的重點(diǎn)核心專利（見表3）。US7125512B2、US7255821B2、US7087200B2三件專利的被引頻次均超過100次，US20150375419A1專利被引頻次為73次，該專利是2016年申請，目前仍然在有效期內(nèi)。從被引的持續(xù)時(shí)間可以看出，以上專利從申請之日起就在業(yè)內(nèi)受到了持續(xù)的關(guān)注，是該領(lǐng)域內(nèi)基礎(chǔ)和核心的專利。4件專利均在全球多個(gè)國家和地區(qū)布局多項(xiàng)同族專利；專利US7125512B2、US7255821B2經(jīng)歷了1次轉(zhuǎn)讓，受讓人都是美國Stratasys公司；專利US20150375419A1經(jīng)歷了2次轉(zhuǎn)讓，受讓人分別是德國Voxeljet公司和瑞士的Fluidsolids公司；專利US7125512B2、US7255821B2、US7087200B2涉及了熔融沉積成型技術(shù)；專利US20150375419A1涉及了一種基于粉末床的逐層制造水溶性鑄模的方法。

表3 3D打印技術(shù)在模具制造領(lǐng)域應(yīng)用研究的重點(diǎn)核心專利

3 結(jié)束語

全球3D打印技術(shù)在模具制造領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)專利申請公開始于20世紀(jì)90年代，歐美作為技術(shù)發(fā)源地，早期已在全球多個(gè)國家和地區(qū)布局專利。21世紀(jì)初期，3D打印技術(shù)在模具制造領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)專利申請量快速增長，特別是中國、韓國、日本的專利申請?jiān)鲩L幅度較大。與全球相比，中國的3D打印技術(shù)起步較晚，但2013年后迎來了快速的增長，現(xiàn)已成為全球申請專利數(shù)量最多的國家，同時(shí)有效專利量居全球第一；在全球排名前十的申請人中，中國占據(jù)2個(gè)席位。全球申請趨勢、專利有效性、全球主要申請人排名等多個(gè)維度反映該專利技術(shù)在中國市場上的活躍度較高、技術(shù)創(chuàng)新性較高。

基于技術(shù)構(gòu)成分析，中國與全球關(guān)注的熱點(diǎn)集中在B33Y增材制造技術(shù)、B29C塑料成型技術(shù)、B22F金屬粉末加工、B22C鑄造技術(shù)、B22D金屬鑄造等方面，中國專利關(guān)注的熱點(diǎn)與全球一致，說明中國緊跟全球技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)。

基于主要申請人方面，全球排名前10的申請人中，美國、德國、法國占據(jù)了領(lǐng)先地位，以企業(yè)申請人為主，且美國通用電氣公司、Stratasys公司、3D Systems公司除在美國本土申請專利外，也在全球多個(gè)國家和地區(qū)布局專利，而中國排名前10的申請人與之相比，在國外專利布局上還存在較大的差距，同時(shí)中國高等院校的占比相對較高，企業(yè)占比相對較少。在全球化的背景下，國外專利布局對于企業(yè)開拓國際市場至關(guān)重要，為加強(qiáng)對企業(yè)產(chǎn)品的保護(hù)、抗衡或制約競爭對手、增加產(chǎn)品的附加值，企業(yè)應(yīng)重視國外市場的專利布局。同時(shí)，加強(qiáng)校企合作，推動高校的科技成果轉(zhuǎn)化，有助于3D打印成型技術(shù)革新，也將擴(kuò)大在模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用。