基于專利分析的3D打印技術(shù)及材料研究與應(yīng)用進(jìn)展

張曉艷，任金晨

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基于專利分析的3D打印技術(shù)及材料研究與應(yīng)用進(jìn)展

張曉艷1，任金晨2

（1. 國家知識產(chǎn)權(quán)局，北京 100088； 2. 中國石油化工股份有限公司 撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

詳述了3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程，具體介紹了3D 打印技術(shù)的技術(shù)分類及其優(yōu)缺點(diǎn)，對3D技術(shù)在我國的專利分布情況進(jìn)行了初步分析，同時(shí)對3D打印技術(shù)在汽車工業(yè)、航天領(lǐng)域、醫(yī)藥行業(yè)和建筑行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了梳理，并進(jìn)一步展望了3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢，通過互聯(lián)網(wǎng)+3D打印，將創(chuàng)造出新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)我國從傳統(tǒng)制造向智能制造邁進(jìn)。

3D打??；專利分析；應(yīng)用進(jìn)展

1 3D打印技術(shù)概述與發(fā)展

1.1 3D 打印技術(shù)概述

3D 打印技術(shù)屬于快速成型技術(shù)中的一種，也稱增材制造或增量制造。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會中的3D 打印技術(shù)委員會認(rèn)為3D打印是一種與傳統(tǒng)的材料加工方法截然相反，基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通過增加材料逐層制造的方式。其采用直接制造與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型完全一致的三維物理實(shí)體模型的制造方法。3D打印技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和廣闊的市場前景，從理論上將，現(xiàn)存的物體均能由3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)制。3D 打印技術(shù)是一種多學(xué)科技術(shù)的交叉集成[1]。

1.2 3D 打印技術(shù)發(fā)展歷程

作為一項(xiàng)新興技術(shù)，3D打印技術(shù)起源于上世紀(jì)80年代。查爾斯.赫爾于1984年第一次開發(fā)出3D打印技術(shù)。1986年，此項(xiàng)技術(shù)獲得了美國專利授權(quán)。同一年，他創(chuàng)立了3D Systems公司，研制出第一臺商用3D打印機(jī)；4年后，該公司開發(fā)出SLA-250型3D打印機(jī)，這是首臺面向公眾的3D打印設(shè)備；1989年選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)（SLS）和三維打印技術(shù)（3DP）出現(xiàn)；1993年西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所在國內(nèi)率先開拓了光固化快速成型制造系統(tǒng)研究。1995年麻省理工學(xué)院（MIT）獲得“三維打印技術(shù)”專利,“3D打印”一詞出現(xiàn)。2000年西安交通大學(xué)與第四軍醫(yī)大學(xué)合作采用3D打印技術(shù)完成全球首例“下頜骨溶解修復(fù)”手術(shù)。Z公司2005年成功研制出市場上第一臺彩色高清晰3D打印機(jī)“SpectrumZ510”。 2008年，第一代RepRap機(jī)問世，它能夠打印近一半其本自身的部件。2009年北京航空航天大學(xué)利用激光快速成形技術(shù)制造出我國自主研發(fā)的大型客機(jī)C919的主風(fēng)擋窗框。2010年第一臺由3D打印成型制造的轎車-Urbee問世，它的整個(gè)車身是用巨型3D打印機(jī)打印出來的。2013年第一個(gè)3D打印人造耳朵，能夠“聽”到無線電頻率；2014年美國于為國際空間站提供一臺3D打印機(jī)，供宇航員在軌生產(chǎn)零部件，實(shí)現(xiàn)部分零部件的太空打印。3D打印技術(shù)始終處于不斷的發(fā)展與更新中[2]。

2 3D 打印技術(shù)及材料對比分析

2.1 熔融沉積技術(shù)及材料

熔融沉積技術(shù)的原理是充分利用了熱塑性材料自身的粘結(jié)性和熱熔性，首先加熱材料使其受熱熔化，熱熔性材料抽成絲狀，然后由送絲裝置進(jìn)入噴頭，在噴頭內(nèi)進(jìn)一步受熱熔化，噴頭按照零件截面輪廓和填充軌跡行走，同時(shí)將受熱融化后的物料擠噴出來并固化，然后進(jìn)一步與周圍的材料粘結(jié)，一層一次層堆積成型[4]。該項(xiàng)技術(shù)所采用的原材料要求粘度低、流動性好，有助于材料順利擠出；熔融溫度低，方便材料在較低溫度下擠出；具有一定的粘結(jié)性，避免在成型過程中因熱應(yīng)力會造成層與層之間開裂；收縮率對溫度不能太敏感。材料可以卷軸絲的形式提供，易于搬運(yùn)和快速更換，且費(fèi)用低。目前，常用的材料包括聚乳酸PLA、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、PC、PPSF、蠟等。

2.2 立體光固化技術(shù)及材料

立體光固化技術(shù)（SL，Stereo lithography ）中光敏樹脂是所有光固化技術(shù)的通用材料，包括聚合物單體和預(yù)聚體，并伴隨有光引發(fā)劑同時(shí)使用。通過紫外光照射引發(fā)發(fā)生聚合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)固化。其中，光敏樹脂通常是以液體形式存在，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)抗高溫、強(qiáng)度高、且具有防水性能的材料。根據(jù)紫外光照射方式以及樹脂鋪設(shè)方式的不同，分為SLA技術(shù)、 DLP技術(shù)、PolyJet技術(shù)以及LCD技術(shù)。用于SL的材料為液態(tài)光固化樹脂，或稱液態(tài)光敏樹脂，主要包括自由基光固化樹脂、陽離子光固化樹脂、混雜型光固化樹脂。

2.3 三維印刷技術(shù)及材料

三維印刷技術(shù)一般采用如陶瓷粉末，石膏粉末等粉末材料成形，不同于傳統(tǒng)技術(shù)中的采用燒結(jié)將粉末連接，而是通過采用粘接劑實(shí)現(xiàn)將各種零部件的截面“印刷”在材料上。該技術(shù)所采用的原型材料包括粉末材料（如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等）和粘結(jié)液（硅膠等）。工藝對粉末材料的基本要求顆粒小、尺度均勻，流動性好，確保供粉系統(tǒng)不堵塞；熔滴噴射沖擊時(shí)不產(chǎn)生凹坑、濺散和空洞；與粘結(jié)液作用后固化迅速。對粘結(jié)液，要求易于分散且穩(wěn)定，可長期儲存；不腐蝕噴頭；粘度低，表面張力高；不易干涸，能延長噴頭抗堵塞時(shí)間。

2.4 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)及材料

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)采用非金屬粉末成型，具體通過在已成型部件的上層表面分散粉末材料，然后將其刮平；并用CO2激光在剛鋪的新層上掃出零件截面；在強(qiáng)烈的激光作用下，材料粉末彼此燒結(jié)為一體，得到零件的截面，并與其下方的已成型部件粘在一起；當(dāng)其中的一層截面完成燒結(jié)后，重復(fù)上述過程，再次分散上一層新的材料粉末，并且有選擇的對下層截面進(jìn)行燒結(jié)。本項(xiàng)工藝技術(shù)要求材料呈現(xiàn)出優(yōu)良的燒結(jié)性能，采用現(xiàn)有工藝就能即能保證精準(zhǔn)快速地成型原型。常用的材料包括聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等高分子基粉末材料，鋼粉、鐵粉、鐵銅合金、鋼銅合金等金屬基粉末材料，氧化鋁、氧化鋯、碳化硅等陶瓷基粉末材料[5,6]。

2.5 選擇性激光熔融技術(shù)及材料

選擇性激光熔融技術(shù)（SLM，Stereo lithography Melting）采用高功率激光將金屬粉末在不用粘結(jié)劑的情況下實(shí)現(xiàn)冶金熔化并生成致密度接近鑄件的零件。在制造過程中，按預(yù)先設(shè)定的層厚將金屬粉末均勻鋪設(shè)在基板上，激光在振鏡控制下對待熔化區(qū)域進(jìn)行掃描熔化，然后基板下降一個(gè)層厚，重復(fù)下層的加工，如此往復(fù)，金屬零件被逐層加工完成。鈦合金、鈷鉻合金、鋁合金、高溫合金、結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼等材料已成功應(yīng)用，金、銀等貴金屬粉末材料也在金屬3D打印領(lǐng)域逐漸應(yīng)用。

2.6 薄材疊層技術(shù)及材料

薄材疊層技術(shù)（LOM，Laminated Object Manufacturing）系以披覆黏著劑的薄片材料，利用激光依計(jì)算機(jī)二維幾何數(shù)據(jù)切割外形，薄片以熱滾筒滾壓而與前一層薄片黏合，并將工作物之平臺下降一層的厚度，一般厚度為0.002"~0.02"。

該技術(shù)中原型材料多采用紙、塑料薄膜、金屬箔等，要求良好的抗?jié)裥浴⒔櫺浴⒖估瓘?qiáng)度、穩(wěn)定性、剝離性能，易打磨，表面光滑、收縮率小。粘結(jié)劑則多采用熱熔膠，要求具備良好的熱熔冷固性（約70~100 ℃開始熔化，室溫下固化），在反復(fù)“熔融－固化”條件下，具有較好的物理化學(xué)穩(wěn)定性，熔融狀態(tài)下與紙具有較好的涂掛性和涂勻性，與紙具有足夠粘結(jié)強(qiáng)度，良好的廢料分離性能。

2.7 技術(shù)對比分析

對上述技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，如表1。

表1 3D打印技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

3 3D打印技術(shù)專利的分析

在國際上，美國作為3D技術(shù)發(fā)源地，無論是申請人數(shù)量、申請量還是申請質(zhì)量都處于領(lǐng)先地位，是多種3D打印技術(shù)專利的最早申請國；日本作為傳統(tǒng)打印技強(qiáng)國，其在噴頭等打印機(jī)基礎(chǔ)部件方面具有一定技術(shù)優(yōu)勢，在設(shè)備零部件等外圍進(jìn)行優(yōu)先權(quán)專利布局；中國3D打印技術(shù)起步較晚，最初的專利申請主要集中在幾個(gè)科研院所。目前從全球范圍來看，美國、歐洲是全球3D 打印主要研發(fā)力量，日本也具有較強(qiáng)競爭力，此外，國外3D 打印巨頭正加緊在中國進(jìn)行專利布局。

中國在3D打印領(lǐng)域的實(shí)力正逐步增強(qiáng)，專利申請量從2003 年起逐年快速增長，近年來申請量更是呈現(xiàn)井噴態(tài)勢，大量的企業(yè)開始進(jìn)入3D打印制造業(yè)。在國內(nèi)申請中，發(fā)明、實(shí)用新型、外觀設(shè)計(jì)三種專利申請分別占69%、29%、2%（見圖1）。小型3D打印設(shè)備特別是桌面級打印設(shè)備及相應(yīng)的打印材料等是我國專利申請較為集中的技術(shù)領(lǐng)域。對于3D打印機(jī)噴頭的改進(jìn)是目前的技術(shù)熱點(diǎn)之一。3D打印新型材料主要為有機(jī)高分子材料、無機(jī)材料和金屬材料三大類，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年有機(jī)高分子材料占3D打印材料47％的市場份額、陶瓷等無機(jī)材料占40％ 、金屬等其他材料 6％ ，復(fù)合材料占7％（見圖2）[7]。從發(fā)展趨勢來看，有機(jī)高分子材料具有巨大發(fā)展空間和良好的發(fā)展前景。

圖1 我國3D打印技術(shù)專利類別分布

圖2 3D打印新型材料的市場分布

4 3D打印技術(shù)應(yīng)用情況

3D打印機(jī)適用于需要原型和模型的所有行業(yè)，根據(jù)Wohlers Report 2015報(bào)道，截止至2014年，3D打印在航空航天的應(yīng)用所占比例為14.8%，工業(yè)應(yīng)用所占比例為17.5%，消費(fèi)電子所占比例為16.6%，汽車工業(yè)所占比例為16.1%，醫(yī)療應(yīng)用所占比例為13.1%，學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)應(yīng)用所占比例為8.2%（見圖3）。

圖3 我國3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域分布

4.1 汽車工業(yè)中

2014年，首輛采用3D打印技術(shù)的汽車成功問世，這也奠定了3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前，3D打印技術(shù)已在電動汽車、超級跑車等領(lǐng)域都取得了成功應(yīng)用。目前輪胎、汽車座椅等零部件仍需采用現(xiàn)有方式進(jìn)行生產(chǎn)，但采用3D技術(shù)生產(chǎn)這些大型零部件也已提上日程。

4.2 航空航天領(lǐng)域

3D打印在航天科技領(lǐng)域的應(yīng)用對于人類社會的發(fā)展具有重要的意義。美國宇航局通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了3D打印技術(shù)可以在火箭噴射器和活動機(jī)上應(yīng)用的可行性。波音公司是第一家在飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造上成功采用3D打印技術(shù)的航空制造公司。俄羅斯技術(shù)集團(tuán)公司于2015年成功采用3D打印制造出一臺飛行速度高達(dá)100 km/h、續(xù)航能力 1 h左右的無人機(jī)樣機(jī)。

4.3 醫(yī)藥行業(yè)中

在醫(yī)藥行業(yè)，通過醫(yī)學(xué)CT 數(shù)據(jù)的三維重建技術(shù)，利用3D 打印技術(shù)制造器官、骨骼等實(shí)體模型，可指導(dǎo)手術(shù)方案設(shè)計(jì)，也可打印制作組織工程和定向藥物輸送骨架等。目前，耳朵、骨骼也可以成功打印，而且隨著科技的發(fā)展，腎臟，血管和皮膚也會在不久的將來通過3D打印技術(shù)成功打印。

4.4 建筑行業(yè)中

采用3D打印技術(shù)打印的建筑于2014年在上海、蘇州分別成功交付使用，而且，打印過程中所使用的油墨是以建筑垃圾為原料生產(chǎn)的。其中，上海的10幢房屋完工時(shí)間僅僅用了一天。2015年，在西安建成了一棟采用3D打印的別墅，用時(shí)3 h就完成了整個(gè)別墅的安裝。

5 發(fā)展趨勢與前沿

目前，3D 打印技術(shù)已成功應(yīng)用于各種領(lǐng)域，尤其在海軍艦艇、機(jī)械制造、航天科技、汽車工業(yè)、電子行業(yè)、工業(yè)設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、軍事、教育、房屋建筑等領(lǐng)域取得了一些突破性進(jìn)展。

隨著技術(shù)自身的發(fā)展以及材料技術(shù)的進(jìn)步， 3D打印開創(chuàng)了以小規(guī)模和個(gè)性化產(chǎn)品生產(chǎn)為潮流的新時(shí)代；3D打印已逐步走向控形控性制造；3D打印設(shè)備實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步智能化；對3D打印的產(chǎn)品進(jìn)行二次設(shè)計(jì)是其獲取收益的一種重要方式；3D打印實(shí)現(xiàn)從宏觀向微觀的結(jié)構(gòu)調(diào)整。

同時(shí)，3D打印技術(shù)將在高端裝備制造與研發(fā)、智能制造、生命科學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的前沿應(yīng)用[8]。高端裝備制造與研發(fā)方面，集中在新概念航空器技術(shù)、高效氣動技術(shù)、高超飛機(jī)和超燃發(fā)動機(jī)、高效推進(jìn)技術(shù)、復(fù)雜外形與內(nèi)流道設(shè)計(jì)等領(lǐng)域；在智能制造領(lǐng)域，智能傳感器、柔性光電子器等微納打印，太空活動、在軌修復(fù)等太空3D打印有較好的應(yīng)用前景，在生命科學(xué)領(lǐng)域，伴隨著人體骨組織、軟骨、韌帶、軟組織、腦組織、細(xì)胞組織、活體器官等個(gè)性化替代物的臨床需求，3D打印也展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

化工新材料是3D打印技術(shù)的重要基礎(chǔ)和支撐。目前，我國3D打印材料市場上，普通材料占據(jù)了半壁江山，國內(nèi)自行研發(fā)的中端材料約占40％，國外高品質(zhì)進(jìn)口材料占10％。提高3D打印材料的多樣性，開發(fā)具有成本優(yōu)勢的國產(chǎn)化材料是當(dāng)務(wù)之急。通過現(xiàn)有塑料生產(chǎn)企業(yè)與3D打印機(jī)生產(chǎn)企業(yè)或科研機(jī)構(gòu)合作，加快開發(fā)材料的改性技術(shù)，是擴(kuò)大化工材料在3D打印領(lǐng)域應(yīng)用的主要路徑。

克里斯·安德森在《創(chuàng)客：新工業(yè)革命》一書中，賦予了第三次工業(yè)革命全新的解讀—“創(chuàng)客運(yùn)動”的工業(yè)化，即數(shù)字制造和個(gè)人制造的合體。3D打印時(shí)代的到來，讓個(gè)性化定制不再依賴于大工廠。如果你會使用CAD軟件進(jìn)行三維制圖，再擁有一臺小型家用3D打印機(jī)并會使用3D掃描儀，那么，每個(gè)人都可以成為他書中所說的創(chuàng)客，創(chuàng)作設(shè)計(jì)出自己的作品。互聯(lián)網(wǎng)+3D制造，在未來會形成遠(yuǎn)程定制、異地設(shè)計(jì)、就地生產(chǎn)和銷售的協(xié)調(diào)化新型生產(chǎn)模式，也將滿足豐富多樣的客戶群需求。正如克里斯·安德森在該書中文版序中所提到的：中國主導(dǎo)了20世紀(jì)的制造工業(yè)，開源創(chuàng)新將是中國在21世紀(jì)繼續(xù)主導(dǎo)制造業(yè)的必經(jīng)之路[9]。

［1］ 李小麗，等．3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢[J]．自動化儀表，2014，35（1）:1-5.

［2］張桂蘭．解密3D打印[J]．印刷技術(shù)，2013（10）：38-41.

［3］郭振華，等．3D打印技術(shù)與社會制造[J]．寶雞文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013,33（4）：64-70．

［4］巫恒兵，宋昌才．零件制造的快速成型技術(shù)[J]．農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2007,33（4）：36-39.

［5］吳江艷．高分子粉末選擇性激光燒結(jié)過程的數(shù)值模擬[D]．重慶大學(xué)，2008．

［6］杜曉軍．快速成形技術(shù)及其在產(chǎn)品快速開發(fā)中的應(yīng)用[J]．機(jī)械制造與自動化，37（2）：69-70+88．

［7］李壯，閆亞飛，陳小莉,等. 3D打印技術(shù)專利發(fā)展態(tài)勢分析[J]．科學(xué)觀察, 2016，3：44-54．

［8］王忠宏，李揚(yáng)帆，張曼茵．中國 3D 打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J]．經(jīng)濟(jì)縱橫，2013 (1): 91-93．

［9］克里斯?安德森．創(chuàng)客：新工業(yè)革命［M］.北京： 中信出版社，2015.

Research and Application Progress of 3D Printing Technologies Based on Patents Analysis

1,2

（1. State Intellectual Property Office, Beijing 10088，China； 2. Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun113001，China）

The development, classification, advantages and disadvantages of 3D printing technology were introduced. Furthermore, the patents of 3D printing technology in China were analyzed, and application of 3D printing technology in automobile, aerospace, medicine, construction industries were summarized. The development trend of 3D printing technology was also previewed. In the future, the new industry segments and new business models will be created and the transform from traditional to intelligent manufacturing will be promoted based on this technology.

3D printing; patent analysis; application progress

TG 665

A

1671-0460（2017）08-1651-04

2017-06-07

張曉艷（1982-），女，山東省日照市人，碩士，2007年畢業(yè)于天津大學(xué)膜科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，研究方向：主要從事化學(xué)工程材料加工領(lǐng)域發(fā)明專利審查及專利分析研究工作。E-mail: zhangxiaoyan@sipo.gov.cn。