基于專利視覺的3D打印技術在模具制造領域的應用研究

秦日京， 唐小青， 李勇飛

（桂林電器科學研究院有限公司， 廣西 桂林 541004）

0 引 言

3D打印技術又稱增材制造，是一種以數字模型為基礎，運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造物體的技術。3D打印技術在模具制造領域的廣泛應用改善了傳統模具制造的弊端，為模具制造業提供更好的發展前景[1]。

目前，應用廣泛的3D打印成型工藝主要有選擇性激光燒結（selective laser sintering，SLS）、選擇性激光熔化（selective laser melting，SLM）、直接金屬激光燒結（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，FDM）、分層物體制造（laminated object manufacturing，LOM）等[2]，分別被應用到隨形冷卻水道、熔模-精密鑄造、陶瓷模具-精密鑄造、砂型模具-重力鑄造、快速模具等領域[3]。

現將3D打印技術在模具制造領域的應用與專利信息相結合，從專利視角對全球模具制造3D打印技術的申請趨勢、地域分布、技術構成、主要申請人、重點專利、技術發展趨勢等方面開展分析，以期為中國模具制造3D打印技術提供技術支持。

1 數據來源與研究方法

以下專利數據來源于科睿唯安全球專利數據庫incoPat，檢索時間范圍為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，構成的檢索要素如表1所示。

表1 模具制造的3D打印技術檢索要素

通過檢索要素表構建和調整檢索式，在專利數據庫進行檢索，并對得到的結果進行機械去噪和人工去噪，最終得到與主題相關的專利數據6 273條，申請號合并后5 081件，構建了3D打印技術在模具制造領域的專利數據庫，基于該數據庫對全球模具制造3D打印技術進行專利分析。

2 模具制造3D打印技術專利分析

2.1 申請趨勢分析

基于構建的專利數據庫，對3D打印技術在模具制造領域應用的全球專利申請趨勢進行分析。圖1所示為主要國家或地區的專利申請趨勢，模具制造領域采用3D打印技術的發展大致經歷了以下階段。

圖1 模具制造領域用3D打印技術全球專利申請趨勢

（1）技術萌芽期（1993-1998年）。3D打印起源于美國，20世紀80年代末，3D打印技術實現根本性發展，誕生了光固化技術、分層實體制造技術、粉末激光燒結技術、熔融沉積制造技術和噴頭打印技術[4]，全球專利申請量為54件。這一階段的專利申請主要在美國、世界知識產權局、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。麻省理工學院于1993年申請的專利WO9412284A1，該專利在世界知識產權局、歐洲專利局、加拿大申請了多項同族專利，公開了一種3D打印用于金屬鑄件的陶瓷模的技術；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構建的3D建模系統。

（2）技術發展期（1999-2013年）。這一階段的全球專利總申請量為518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，世界知識產權局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的研究；德國弗勞恩霍夫協會位列第三位，主要集中在選擇性激光燒結和熔融沉積建模成型技術的研究，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打印成型技術在個人設備用定制軟部件制造的應用。

（3）技術快速增長期（2014-至今），這一階段3D打印技術在全球呈現快速增長的趨勢，在這期間專利總申請量達到4 502件，超過前兩個時期申請量總和的7倍，中國的申請量（2 216件）位列第一、其次是美國（422件）、世界知識產權局（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；世界知識產權局的申請量為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 全球專利地域分布及專利有效性分析

模具制造領域用3D打印技術全球專利地域分布及專利有效性如圖2、圖3所示，專利申請量排名前六為中國、美國、歐洲專利局、世界知識產權局、韓國、日本，其模具制造領域用3D打印技術專利申請總量占總申請量的83.63%。在專利有效性中，全球模具制造領域用3D打印技術有效專利占有率為42.75%，排名前六的國家或地區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打印技術在模具制造應用中全球專利地域分布

圖3 3D打印技術在模具制造中應用全球專利有效性

2.3 技術構成分析

利用國際專利分類號IPC對模具制造領域用3D打印技術構成進行分析，通過分析可以了解模具制造領域用3D打印技術覆蓋的技術類別以及各技術分支的創新熱度。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 模具制造領域用3D打印技術專利構成

表2所示展示了3D打印技術在模具制造領域應用專利排名前10的IPC分類號，通過排名可以看出3D打印技術在模具制造領域的全球專利和中國專利主要集中在B33Y增材制造技術方面，其次為B29C、B22F、B22C、B22D等領域，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%。中國與全球關注的技術熱點不同的是：全球專利對于牙科模具3D打印技術的關注熱點較高，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領域的關注度相對全球要高，源于主要申請人華中科技大學在這方面的技術研究。

表2 3D打印技術在模具制造領域應用專利排名前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，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，主要關注增材制造、金屬粉末加工領域的研究；Stratasys公司主要關注熔融沉積技術的研究；3D Systems公司主要關注在選擇性激光熔融技術的研究。位列第4、7、8、9位的是德國企業，分別是Voxeljet公司、Siemens公司、Continental Reifen Deutschland公司、Flc Flowcastings公司。Voxeljet公司主要關注水溶性鑄模制造模制品技術；Siemens公司主要開展選擇性激光燒結技術在陶瓷模具制造的應用研究；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打印技術在熔模鑄造中的應用研究。位列第2、10位的來自中國，分別是華中科技大學、東莞市康銘光電科技有限公司，華中科技大學是排名前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年在世界知識產權局申請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專利的申請人。

圖5 模具制造領域3D打印技術全球專利申請人排名（前10）

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或高校，其中高校4家，分別為華中科技大學、中國科學院金屬研究所、西安交通大學、重慶大學。華中科技大學重點關注選擇性激光燒結技術、3D打印隨形冷卻水道及其應用；中國科學院金屬研究所重點關注3D打印技術在高溫合金熔模精密鑄造領域的應用；西安交通大學重點關注光固化成型制作樹脂注射模及注射方法、3D打印技術的陶瓷鑄型制造方法；重慶大學重點關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家企業分別為東莞市康銘光電科技有限公司、北京機科國創輕量化科學研究院有限公司、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。北京機科國創輕量化科學研究院有限公司重點關注砂型3D打印成型技術，鉑力特（江蘇）增材制造有限公重點關注3D打印壓鑄模∕注射模；上海鐳鏌科技有限公司重點關注3D打印隨形水路研究；共享鑄鋼有限公司重點關注鑄造行業生產鑄件的3D打印砂型技術研究。

圖6 模具制造領域3D打印技術中國專利申請人排名（前10）

2.5 技術路線分析

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

圖7 3D打印技術在模具制造中的應用專利技術路線

在技術發展期（1999-2013年），3D打印技術逐漸成熟并廣泛應用于模具制造領域，除歐美國家外，其他發展中國家的3D打印技術在模具制造領域的應用也得到了快速發展，能應用于復雜內部鑄件的制造。在這一時期，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用于燃氣渦輪機部件（GB2465181A）、直接金屬燒結∕選擇性激光燒結復雜內部鑄件的制造（EP2517808A2）專利，并在多國和地區申請了同族專利。中國3D打印技術在模具制造領域的應用也得到了發展，以華中科技大學為代表，在這一時期申請了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，此外，還公開了選擇性激光燒結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打印技術實現突破發展，3D打印產品線拓展到普通消費者，可兼容多種材料的立體光固化3D打印機和SLS工藝打印機的推出，美國惠普公司開發了多射流熔融（multi jet fusion，MJF）3D打印技術，3D打印在太空艙、空中客機、心臟植入醫療器械、火箭等領域的應用[7]，推動了其在模具制造領域的應用。在光固化成型領域，日本專利（JP2021518271A）公開了一種數字光處理DLP用于填充熔體的模具的制造方法及模具；2022年浙江大學公開了PCT專利（WO2022170820A1），用于軟硬組織缺損同步修復仿生復合支架的3D打印成型方法；韓國生產技術研究院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）。在粉末熔融技術方面，韓國專利（KR1020200140750A）公開了選擇性激光燒結制造具有精細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制造車輛硫化輪胎模鍛件的方法；2022年中南大學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氣實現金屬粉末在沉積過程中的氮化，實現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鍵技術的突破，金屬3D打印技術在注塑模具隨形冷卻水道制作中的工程應用得以實現[8]；2018年重慶大學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），通過在基體上預先設置與隨形冷卻水道形狀相適應的管道，再依次電弧增材過渡層、激光熔覆強化層，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，降低了模具內的熱偏差。

2.6 重點核心專利

被引頻次和被引持續時間在一定程度上反映對象在某領域研發中的基礎性和引導性，通過專利被引頻次和被引持續時間來篩選核心或重點專利是專利引文分析方法中最典型的應用。同時，同族專利也是評價重點專利的一個關鍵性指標，同族專利在專利家族中越多，顯示專利家族規模越大，在全球區域布局越廣，說明布局中花費專利成本較多，也是核心技術相關專利。綜合被引頻次、被引持續時間、同族數量、同族國家或地區等幾項客觀評價指標，篩選3D打印技術在模具制造領域應用研究的重點核心專利（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。從被引的持續時間可以看出，以上專利從申請之日起就在業內受到了持續的關注，是該領域內基礎和核心的專利。4件專利均在全球多個國家和地區布局多項同族專利；專利US7125512B2、US7255821B2經歷了1次轉讓，受讓人都是美國Stratasys公司；專利US20150375419A1經歷了2次轉讓，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；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打印技術在模具制造領域應用研究的重點核心專利

3 結束語

全球3D打印技術在模具制造領域應用的相關專利申請公開始于20世紀90年代，歐美作為技術發源地，早期已在全球多個國家和地區布局專利。21世紀初期，3D打印技術在模具制造領域應用的相關專利申請量快速增長，特別是中國、韓國、日本的專利申請增長幅度較大。與全球相比，中國的3D打印技術起步較晚，但2013年后迎來了快速的增長，現已成為全球申請專利數量最多的國家，同時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2個席位。全球申請趨勢、專利有效性、全球主要申請人排名等多個維度反映該專利技術在中國市場上的活躍度較高、技術創新性較高。

基于技術構成分析，中國與全球關注的熱點集中在B33Y增材制造技術、B29C塑料成型技術、B22F金屬粉末加工、B22C鑄造技術、B22D金屬鑄造等方面，中國專利關注的熱點與全球一致，說明中國緊跟全球技術發展熱點。

基于主要申請人方面，全球排名前10的申請人中，美國、德國、法國占據了領先地位，以企業申請人為主，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，也在全球多個國家和地區布局專利，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，同時中國高等院校的占比相對較高，企業占比相對較少。在全球化的背景下，國外專利布局對于企業開拓國際市場至關重要，為加強對企業產品的保護、抗衡或制約競爭對手、增加產品的附加值，企業應重視國外市場的專利布局。同時，加強校企合作，推動高校的科技成果轉化，有助于3D打印成型技術革新，也將擴大在模具制造領域的應用。