基于专利视觉的3D打印技术在模具制造领域的应用研究

秦日京， 唐小青， 李勇飞

（桂林电器科学研究院有限公司， 广西 桂林 541004）

0 引 言

3D打印技术又称增材制造，是一种以数字模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术在模具制造领域的广泛应用改善了传统模具制造的弊端，为模具制造业提供更好的发展前景[1]。

目前，应用广泛的3D打印成型工艺主要有选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）、选择性激光熔化（selective laser melting，SLM）、直接金属激光烧结（direct metal laser sintering，DMLS）、立体光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）、熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）、分层物体制造（laminated object manufacturing，LOM）等[2]，分别被应用到随形冷却水道、熔模-精密铸造、陶瓷模具-精密铸造、砂型模具-重力铸造、快速模具等领域[3]。

现将3D打印技术在模具制造领域的应用与专利信息相结合，从专利视角对全球模具制造3D打印技术的申请趋势、地域分布、技术构成、主要申请人、重点专利、技术发展趋势等方面开展分析，以期为中国模具制造3D打印技术提供技术支持。

1 数据来源与研究方法

以下专利数据来源于科睿唯安全球专利数据库incoPat，检索时间范围为2023年1月1日前的公开专利，检索主题为模具制造的3D打印技术，构成的检索要素如表1所示。

表1 模具制造的3D打印技术检索要素

通过检索要素表构建和调整检索式，在专利数据库进行检索，并对得到的结果进行机械去噪和人工去噪，最终得到与主题相关的专利数据6 273条，申请号合并后5 081件，构建了3D打印技术在模具制造领域的专利数据库，基于该数据库对全球模具制造3D打印技术进行专利分析。

2 模具制造3D打印技术专利分析

2.1 申请趋势分析

基于构建的专利数据库，对3D打印技术在模具制造领域应用的全球专利申请趋势进行分析。图1所示为主要国家或地区的专利申请趋势，模具制造领域采用3D打印技术的发展大致经历了以下阶段。

图1 模具制造领域用3D打印技术全球专利申请趋势

（1）技术萌芽期（1993-1998年）。3D打印起源于美国，20世纪80年代末，3D打印技术实现根本性发展，诞生了光固化技术、分层实体制造技术、粉末激光烧结技术、熔融沉积制造技术和喷头打印技术[4]，全球专利申请量为54件。这一阶段的专利申请主要在美国、世界知识产权局、欧洲专利局、澳大利亚、日本和加拿大，其中美国的申请量位居全球之首。麻省理工学院于1993年申请的专利WO9412284A1，该专利在世界知识产权局、欧洲专利局、加拿大申请了多项同族专利，公开了一种3D打印用于金属铸件的陶瓷模的技术；美国3D Systems公司以专利WO9711835A2为专利族在全球布局了8件专利，公开了以热光固化快速成型、熔融沉积建模和选择性沉积建模系统构建的3D建模系统。

（2）技术发展期（1999-2013年）。这一阶段的全球专利总申请量为518件，约是前一阶段申请量的9.6倍，且除美国之外，中国、韩国、德国和日本的专利申请量都在逐渐增长，专利遍布全球。其中，美国96件，中国78件，韩国21件，日本31件，世界知识产权局61件，欧洲专利局70件。在申请量排名前五的申请人中，美国Stratasys公司和3D Systems公司位列第一、二位，主要开展熔融沉积成型和选择性沉积建模技术的研究；德国弗劳恩霍夫协会位列第三位，主要集中在选择性激光烧结和熔融沉积建模成型技术的研究，推动了德国选择性激光熔化增材制造装备的成功研制[5]；中国华中科技大学位列第四位，公开了具有随形冷却流道的注塑模具镶块的快速制造方法、选择性激光烧结快速直接制造注塑模具的方法等专利；排名第五的丹麦3Shape公司公开了3D打印成型技术在个人设备用定制软部件制造的应用。

（3）技术快速增长期（2014-至今），这一阶段3D打印技术在全球呈现快速增长的趋势，在这期间专利总申请量达到4 502件，超过前两个时期申请量总和的7倍，中国的申请量（2 216件）位列第一、其次是美国（422件）、世界知识产权局（371件）、欧洲专利局（331件）、韩国（281件）、日本（231件）。从图1可以看出，中国专利的申请量增长最迅速，总申请量由上一阶段的78件增长到2 216件；其次为韩国，申请量达到281件，是上一阶段的13倍；日本申请量为237件，是上一阶段的7倍；世界知识产权局的申请量为371件，是上一阶段的6倍；欧洲专利局申请量为331件，是上一阶段的4倍；美国总申请量为422件，是上一阶段的4倍。

2.2 全球专利地域分布及专利有效性分析

模具制造领域用3D打印技术全球专利地域分布及专利有效性如图2、图3所示，专利申请量排名前六为中国、美国、欧洲专利局、世界知识产权局、韩国、日本，其模具制造领域用3D打印技术专利申请总量占总申请量的83.63%。在专利有效性中，全球模具制造领域用3D打印技术有效专利占有率为42.75%，排名前六的国家或地区的有效专利和失效专利分别为2 269件、907件，分别占其申请总量的53.40%、21.39%。

图2 3D打印技术在模具制造应用中全球专利地域分布

图3 3D打印技术在模具制造中应用全球专利有效性

2.3 技术构成分析

利用国际专利分类号IPC对模具制造领域用3D打印技术构成进行分析，通过分析可以了解模具制造领域用3D打印技术覆盖的技术类别以及各技术分支的创新热度。图4所示展示了排名前10的IPC小类，分别为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%）。中国排名前10的IPC小类：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%）。

图4 模具制造领域用3D打印技术专利构成

表2所示展示了3D打印技术在模具制造领域应用专利排名前10的IPC分类号，通过排名可以看出3D打印技术在模具制造领域的全球专利和中国专利主要集中在B33Y增材制造技术方面，其次为B29C、B22F、B22C、B22D等领域，主要针对塑料成型、金属粉末成型、铸造成型等方面，占比均超过10%。中国与全球关注的技术热点不同的是：全球专利对于牙科模具3D打印技术的关注热点较高，主要原因是全球牙科巨头义获嘉·伟瓦登特（Ivoclar Vivadent）公司、美国Dentsply公司在全球的专利布局；而中国在塑料成型B29L领域的关注度相对全球要高，源于主要申请人华中科技大学在这方面的技术研究。

表2 3D打印技术在模具制造领域应用专利排名前10的IPC分类号

2.4 主要申请人分析

在全球排名前10的申请人中（见图5），位列第1、3、5位的均为美国企业，分别为通用电气公司、Stratasys公司、3D Systems公司。其中美国的通用电气公司以69件专利位居榜首，主要关注增材制造、金属粉末加工领域的研究；Stratasys公司主要关注熔融沉积技术的研究；3D Systems公司主要关注在选择性激光熔融技术的研究。位列第4、7、8、9位的是德国企业，分别是Voxeljet公司、Siemens公司、Continental Reifen Deutschland公司、Flc Flowcastings公司。Voxeljet公司主要关注水溶性铸模制造模制品技术；Siemens公司主要开展选择性激光烧结技术在陶瓷模具制造的应用研究；Continental Reifen Deutschland公司开展了选择性激光熔化方法在车辆轮胎硫化模具的制备研究；Flc Flowcastings公司主要开展3D打印技术在熔模铸造中的应用研究。位列第2、10位的来自中国，分别是华中科技大学、东莞市康铭光电科技有限公司，华中科技大学是排名前10申请人中唯一的高等院校，其在中国申请了29件专利，在国外申请了5件专利，分别为2018年在美国申请2件专利（US9302338B2、US10946448B2）、2011年、2015年、2017年在世界知识产权局申请3件专利（WO2011127798A1、WO2015185001A1、WO2018091000A1）；东莞市康铭光电科技有限公司是排名前10的申请人中唯一未在国外布局相关专利的申请人。

图5 模具制造领域3D打印技术全球专利申请人排名（前10）

在中国排名前10的申请人中（见图6），除位居第一的美国通用电气公司外，其他均为中国本土的企业或高校，其中高校4家，分别为华中科技大学、中国科学院金属研究所、西安交通大学、重庆大学。华中科技大学重点关注选择性激光烧结技术、3D打印随形冷却水道及其应用；中国科学院金属研究所重点关注3D打印技术在高温合金熔模精密铸造领域的应用；西安交通大学重点关注光固化成型制作树脂注射模及注射方法、3D打印技术的陶瓷铸型制造方法；重庆大学重点关注电弧增材与激光熔覆制备热冲压模具镶块的方法、随形冷却水道的热冲压成形模具镶块的制备方法。5家企业分别为东莞市康铭光电科技有限公司、北京机科国创轻量化科学研究院有限公司、铂力特（江苏）增材制造有限公司、上海镭镆科技有限公司、共享铸钢有限公司。北京机科国创轻量化科学研究院有限公司重点关注砂型3D打印成型技术，铂力特（江苏）增材制造有限公重点关注3D打印压铸模∕注射模；上海镭镆科技有限公司重点关注3D打印随形水路研究；共享铸钢有限公司重点关注铸造行业生产铸件的3D打印砂型技术研究。

图6 模具制造领域3D打印技术中国专利申请人排名（前10）

2.5 技术路线分析

图7所示为基于专利文献信息分析的3D打印技术在模具制造中应用的主要技术发展路径和关键技术节点。在萌芽期（1972-1998年），分层实体制造技术、光固化快速成型技术、熔融沉积成型技术、选择性激光烧结技术、电子束熔融技术、选择性激光熔融技术等3D打印技术逐渐在美国、德国等欧美国家发展。光固化快速成型技术（AU7550396 A）、熔融沉积在消失模制造的应用（US5824250A）、选择性激光烧结SLS技术在注射模的应用（AU4157496A）以及金属∕大型压铸模（DE19856783）等专利相继申请公开。这一时期3D Systems公司、麻省理工学院、Stratasys公司等专利申请人起到了技术引领的作用，美国3D Systems公司、Stratasys公司在这期间推出了快速成型设备，麻省理工学院发明了快速成型技术（three-dimensional printing，3DP），提出了利用粘接剂将金属、陶瓷等粉末黏结成型技术[6]。

图7 3D打印技术在模具制造中的应用专利技术路线

在技术发展期（1999-2013年），3D打印技术逐渐成熟并广泛应用于模具制造领域，除欧美国家外，其他发展中国家的3D打印技术在模具制造领域的应用也得到了快速发展，能应用于复杂内部铸件的制造。在这一时期，美国通用电气公司申请了光固化快速成型失蜡熔模精密铸造应用于燃气涡轮机部件（GB2465181A）、直接金属烧结∕选择性激光烧结复杂内部铸件的制造（EP2517808A2）专利，并在多国和地区申请了同族专利。中国3D打印技术在模具制造领域的应用也得到了发展，以华中科技大学为代表，在这一时期申请了8件专利，其中包括美国专利（熔融沉积成型用于制造零件和模具的方法（US20130197683A1））和PCT专利（零件与模具的熔积成型复合制造方法（W02011127798A1）），其最早公开的专利（CN1093446C）提出了分层物体制造的金属模具技术，此外，还公开了选择性激光烧结快速直接制造注塑模具的方法（CN1970202A），具有随形冷却流道的注塑模具镶块的快速制造方法（CN1850396A）等专利。

自2014年3D打印技术实现突破发展，3D打印产品线拓展到普通消费者，可兼容多种材料的立体光固化3D打印机和SLS工艺打印机的推出，美国惠普公司开发了多射流熔融（multi jet fusion，MJF）3D打印技术，3D打印在太空舱、空中客机、心脏植入医疗器械、火箭等领域的应用[7]，推动了其在模具制造领域的应用。在光固化成型领域，日本专利（JP2021518271A）公开了一种数字光处理DLP用于填充熔体的模具的制造方法及模具；2022年浙江大学公开了PCT专利（WO2022170820A1），用于软硬组织缺损同步修复仿生复合支架的3D打印成型方法；韩国生产技术研究院2019年公开了在制造人工器官模具中使用熔融沉积法（KR1020170051754）；2021年Siemens公司公开了熔融沉积成型人工器官消失模铸（WO2021164026A1）。在粉末熔融技术方面，韩国专利（KR1020200140750A）公开了选择性激光烧结制造具有精细图案的金属模具的方法；2021年Continental Reifen Deutschland公司的PCT专利（WO2021254653）公开了选择性激光烧结制造车辆硫化轮胎模锻件的方法；2022年中南大学公开了激光熔覆氮化制备刀模的方法（CN113118457B），利用在激光熔覆过程中载气和保护气实现金属粉末在沉积过程中的氮化，实现了高性能刀模的制备。在随形冷却水道方面，随着激光功率、光斑聚焦以及模具钢粉末等关键技术的突破，金属3D打印技术在注塑模具随形冷却水道制作中的工程应用得以实现[8]；2018年重庆大学公开了基于电弧增材与激光熔覆制备热冲压模具镶块的方法（CN108746 375A），通过在基体上预先设置与随形冷却水道形状相适应的管道，再依次电弧增材过渡层、激光熔覆强化层，解决热冲模镶块存在冷却效率低、使用寿命短且随形冷却水道难以加工的问题。韩国专利（KR1020220139808A）公开了具有形状自适应冷却通道的模具铸件，通过拱形辅助通道将冷却通道与辅助通道隔开一定的距离，保证了模具的耐用度，降低了模具内的热偏差。

2.6 重点核心专利

被引频次和被引持续时间在一定程度上反映对象在某领域研发中的基础性和引导性，通过专利被引频次和被引持续时间来筛选核心或重点专利是专利引文分析方法中最典型的应用。同时，同族专利也是评价重点专利的一个关键性指标，同族专利在专利家族中越多，显示专利家族规模越大，在全球区域布局越广，说明布局中花费专利成本较多，也是核心技术相关专利。综合被引频次、被引持续时间、同族数量、同族国家或地区等几项客观评价指标，筛选3D打印技术在模具制造领域应用研究的重点核心专利（见表3）。US7125512B2、US7255821B2、US7087200B2三件专利的被引频次均超过100次，US20150375419A1专利被引频次为73次，该专利是2016年申请，目前仍然在有效期内。从被引的持续时间可以看出，以上专利从申请之日起就在业内受到了持续的关注，是该领域内基础和核心的专利。4件专利均在全球多个国家和地区布局多项同族专利；专利US7125512B2、US7255821B2经历了1次转让，受让人都是美国Stratasys公司；专利US20150375419A1经历了2次转让，受让人分别是德国Voxeljet公司和瑞士的Fluidsolids公司；专利US7125512B2、US7255821B2、US7087200B2涉及了熔融沉积成型技术；专利US20150375419A1涉及了一种基于粉末床的逐层制造水溶性铸模的方法。

表3 3D打印技术在模具制造领域应用研究的重点核心专利

3 结束语

全球3D打印技术在模具制造领域应用的相关专利申请公开始于20世纪90年代，欧美作为技术发源地，早期已在全球多个国家和地区布局专利。21世纪初期，3D打印技术在模具制造领域应用的相关专利申请量快速增长，特别是中国、韩国、日本的专利申请增长幅度较大。与全球相比，中国的3D打印技术起步较晚，但2013年后迎来了快速的增长，现已成为全球申请专利数量最多的国家，同时有效专利量居全球第一；在全球排名前十的申请人中，中国占据2个席位。全球申请趋势、专利有效性、全球主要申请人排名等多个维度反映该专利技术在中国市场上的活跃度较高、技术创新性较高。

基于技术构成分析，中国与全球关注的热点集中在B33Y增材制造技术、B29C塑料成型技术、B22F金属粉末加工、B22C铸造技术、B22D金属铸造等方面，中国专利关注的热点与全球一致，说明中国紧跟全球技术发展热点。

基于主要申请人方面，全球排名前10的申请人中，美国、德国、法国占据了领先地位，以企业申请人为主，且美国通用电气公司、Stratasys公司、3D Systems公司除在美国本土申请专利外，也在全球多个国家和地区布局专利，而中国排名前10的申请人与之相比，在国外专利布局上还存在较大的差距，同时中国高等院校的占比相对较高，企业占比相对较少。在全球化的背景下，国外专利布局对于企业开拓国际市场至关重要，为加强对企业产品的保护、抗衡或制约竞争对手、增加产品的附加值，企业应重视国外市场的专利布局。同时，加强校企合作，推动高校的科技成果转化，有助于3D打印成型技术革新，也将扩大在模具制造领域的应用。