專利視域下我國增材制造技術(shù)研發(fā)熱點及趨勢

鄭曉晨，姚福林

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

0 引 言

增材制造作為一項代表性技術(shù)已被納入國家重點發(fā)展領(lǐng)域的規(guī)劃之中。隨著我國航空航天、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]，同時對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，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“中國制造 2025”的主攻方向，是解決我國制造業(yè)由大變強的根本途徑。增材制造是制造業(yè)中有代表性的顛覆性技術(shù)，而目前我國增材制造技術(shù)對智能制造的驅(qū)動作用尚未完全顯現(xiàn)[4]。因此，加強對增材制造技術(shù)的研究，對推動和加快實施“中國制造 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)的研究熱點及發(fā)展趨勢，以期為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究提供有價值的信息。

1 增材制造技術(shù)專利概況

截止申請日2019年12月31日，涉及增材制造技術(shù)的已公開專利申請記錄共 7705條，經(jīng)過去噪和篩選，確定并選取其中 7614條申請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，實用新型專利1312項。

圖 1顯示增材制造技術(shù)相關(guān)專利申請量的年度分布。從中可以看出，我國增材制造技術(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，此后與該技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專利的申請量以成倍數(shù)的趨勢逐年增長，至 2018年，該技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量達到頂峰，反映出近十年來我國相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員對增材制造技術(shù)關(guān)注度越來越高，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)＠暾埲说姆植紶顩r，本文對采集的數(shù)據(jù)按照各主要申請人的申請量排名進行了統(tǒng)計。圖 2顯示增材制造技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埲思捌渖暾埩康姆植紶顩r。專利申請量前 10名的申請人中有5家企業(yè)公司，4所高校和1個研究院所，可見在增材制造技術(shù)領(lǐng)域，企業(yè)及高校的申請量占主要地位。同時由圖 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)驗積累占據(jù)了領(lǐng)先優(yōu)勢，在申請量上以271項專利申請領(lǐng)先，西安增材制造國家研究院有限公司以 254項申請位居第二，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，專利申請量均在100項以上。

圖2 增材制造技術(shù)專利申請量前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

通過對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析，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，而金屬零件增材制造過程中，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，如CN111604500A公開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公開一種以選擇性激光熔化增材來制造金屬構(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，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，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，加工材料涵蓋了樹脂、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熱塑性樹脂基復(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)的自主知識產(chǎn)權(quán)，標(biāo)志著我國已進入由“減材”到“增材”的制造業(yè)新時代。

在本文統(tǒng)計數(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，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)展也使我國的醫(yī)療水平不斷提高。

3 增材制造技術(shù)的研究熱點及趨勢

通過對本文統(tǒng)計數(shù)據(jù)和脈絡(luò)進行分析可知，近年來關(guān)于增材制造設(shè)備和專用材料相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量的占比較大，且增材制造加工過程中的成形質(zhì)量控制也同樣是相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員研究的熱點。

當(dāng)前商用的各類增材制造設(shè)備已經(jīng)相對成熟，但國內(nèi)設(shè)備尤其是高端增材制造設(shè)備的關(guān)鍵元器件仍依靠進口，與此同時，應(yīng)用于增材制造技術(shù)的材料大多基于傳統(tǒng)制造方法開發(fā)而來，在一定程度上無法最大化地發(fā)揮材料的潛能，因此從專利分析的角度來看，開發(fā)適用于增材制造技術(shù)的高性能專用材料是未來該技術(shù)領(lǐng)域要突破的一個重點。此外，隨著工藝技術(shù)的不斷改進和突破，增材制造的效率將會不斷提高，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

本文通過對增材制造技術(shù)領(lǐng)域近年來的專利申請情況進行分析可知，雖然我國增材制造技術(shù)起步較晚，但近年來該技術(shù)領(lǐng)域研究人員對于增材制造技術(shù)的關(guān)注度持續(xù)升高。通過剖析增材制造技術(shù)的專利現(xiàn)狀，分析當(dāng)前增材制造技術(shù)的研究熱點問題及趨勢，為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究提供有價值的信息參考。