專利視域下我國增材制造技術研發熱點及趨勢

鄭曉晨，姚福林

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

0 引 言

增材制造作為一項代表性技術已被納入國家重點發展領域的規劃之中。隨著我國航空航天、船舶領域的高速發展，大型化、輕量化、復雜化的結構件正得到廣泛應用[1,2]，同時對成型制造工藝也提出了更高的要求。相比于傳統制造工藝，增材制造具有生產效率高、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構件[3]。目前，智能制造已被定為“中國制造 2025”的主攻方向，是解決我國制造業由大變強的根本途徑。增材制造是制造業中有代表性的顛覆性技術，而目前我國增材制造技術對智能制造的驅動作用尚未完全顯現[4]。因此，加強對增材制造技術的研究，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，剖析增材制造技術的專利現狀及其在智能制造中的應用模式，揭示當前增材制造技術的研究熱點及發展趨勢，以期為相關領域的技術研究提供有價值的信息。

1 增材制造技術專利概況

截止申請日2019年12月31日，涉及增材制造技術的已公開專利申請記錄共 7705條，經過去噪和篩選，確定并選取其中 7614條申請記錄作為本次專利分析的基礎數據，其中包括發明專利 6302項，實用新型專利1312項。

圖 1顯示增材制造技術相關專利申請量的年度分布。從中可以看出，我國增材制造技術雖然起步較晚，但發展較快，與增材制造技術相關的專利于2009年被首次申請，此后與該技術領域相關專利的申請量以成倍數的趨勢逐年增長，至 2018年，該技術領域的專利申請量達到頂峰，反映出近十年來我國相關領域的技術人員對增材制造技術關注度越來越高，增材制造技術的研發和應用也逐步趨于成熟。

圖1 增材制造技術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領域專利申請人的分布狀況，本文對采集的數據按照各主要申請人的申請量排名進行了統計。圖 2顯示增材制造技術領域專利申請人及其申請量的分布狀況。專利申請量前 10名的申請人中有5家企業公司，4所高校和1個研究院所，可見在增材制造技術領域，企業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內多年的經驗積累占據了領先優勢，在申請量上以271項專利申請領先，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、西安交通大學、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 增材制造技術專利申請量前10位Fig.2 Top ten patent applications of additive manufacturing technology

2 增材制造領域的技術分解與專利分析

通過對統計數據進行分析，增材制造技術的應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構制造3個領域。

基礎數據中，涉及金屬零部件增材制造技術的專利共有 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擊穿光譜的金屬增材制造監控系統及工藝方法，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。統計數據中，涉及非金屬零部件增材制造技術領域的專利共有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合材料增材制造方法、CN110576498A一種用于陶瓷先驅體材料的增材制造裝置和工藝、CN107498856A一種光固化樹脂基復合材料零部件的增材制造方法及系統、CN107098714A一種基于 3DP增材制造技術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的自主知識產權，標志著我國已進入由“減材”到“增材”的制造業新時代。

在本文統計數據中，涉及生物結構增材制造技術的專利共有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。生物結構增材制造技術領域的快速發展也使我國的醫療水平不斷提高。

3 增材制造技術的研究熱點及趨勢

通過對本文統計數據和脈絡進行分析可知，近年來關于增材制造設備和專用材料相關領域專利申請數量的占比較大，且增材制造加工過程中的成形質量控制也同樣是相關領域技術人員研究的熱點。

當前商用的各類增材制造設備已經相對成熟，但國內設備尤其是高端增材制造設備的關鍵元器件仍依靠進口，與此同時，應用于增材制造技術的材料大多基于傳統制造方法開發而來，在一定程度上無法最大化地發揮材料的潛能，因此從專利分析的角度來看，開發適用于增材制造技術的高性能專用材料是未來該技術領域要突破的一個重點。此外，隨著工藝技術的不斷改進和突破，增材制造的效率將會不斷提高，而快速且高質量的凈成形也將是增材制造技術所追求的目標。

4 結 論

本文通過對增材制造技術領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起步較晚，但近年來該技術領域研究人員對于增材制造技術的關注度持續升高。通過剖析增材制造技術的專利現狀，分析當前增材制造技術的研究熱點問題及趨勢，為相關領域的技術研究提供有價值的信息參考。