金屬材料增材制造中支撐結構專利技術綜述

徐美新，于 娟

（國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

增材制造技術又稱“3D打印”、快速成型技術，其采用材料累加層層制造的成型方式，直接通過CAD數據制成三維實體產品，這種“做加法”的加工方式不再利用模具、刀具和工裝卡具便可快速而精密地制造出任意復雜形狀的零件模型，顛覆了原有的“做減法”的傳統(tǒng)制造方式[1]。

增材制造技術根據具體的快速成型工藝來分，主要有光固化快速成型技術、選擇性激光燒結或熔化技術、激光近凈成型技術、直接金屬燒結技術、3D打印技術、熔融沉積成型技術等，當前3D打印成型技術領域中采用最多的就是選擇性激光燒結或熔化技術，德國的通用電氣公司是這類設備的主要制造商之一[2，3]。

增材制造中工件存在懸垂結構，但其沒有鑄型和模具支撐約束，成形過程中容易塌陷、掛渣，發(fā)生嚴重變形，甚至中斷成形。因而需要設計支撐。即使部分成形技術有粉末或液體支撐約束，但其強度不夠，仍然需要設計支撐。合理的支撐設計對順利成形和保證工件精度具有重要意義。支撐設計依賴于成形工藝、成形材料、工件特征等多種因素，是增材制造的工藝難點之一。

本文通過準確的CPC分類號B22F2003/1058、文獻量較大的IPC分類號B22F3/105、B33Y30/00、B33Y40/00與比較準確的關鍵詞支撐結構、支承結構，轉庫檢索、incopat數據分析等檢索策略相結合，獲取初步結果后將檢索文獻中的明顯噪聲清理，最終得到423項中文數據、600項外文數據，共1023項有效數據，并利用S系統(tǒng)的統(tǒng)計命令和Excel對該領域的中國專利申請數據和全球專利申請數據進行統(tǒng)計分析。

1 專利申請概況

1.1 申請量趨勢分析

該技術的專利申請出現于20世紀初，其發(fā)展過程可以分為兩個階段：一、2001年至2012年：該階段的專利申請量較少，呈平穩(wěn)趨勢，筆者推測，增材制造成型件懸垂結構的表面質量與支撐結構息息相關，故支撐結構與成型件連接處要求較高，而支撐結構的設計發(fā)展依賴于計算機技術離散運算能力的突破，因此該項技術的研究在計算機運算速度沒有大幅度提升前一直沒有大規(guī)模地展開。二、到2013年后：該階段隨著計算機運算速度大幅提升且技術已發(fā)展地較為成熟之后，使得金屬增材制造中支撐結構技術的研究也開始迅速發(fā)展起來。

1.2 中國專利性分析

在2014年之前，專利申請量稀少，幾乎沒有，此時說明該項技術還未引入我國，2014年之前處于起步階段，市場需求還不大；在2014年~2018年期間，處于技術發(fā)展期，中國市場需求逐步打開，申請量增長迅速，處于發(fā)展高潮階段。中國專利申請中，申請量排名前3位的分別是中國、美國、德國，可以看出，國外申請人已經對中國開展了一定的布局，但其數量與國內申請有較大的差距，同時，也反映出國內對于該技術也已進行了相當數量的研究，專利申請主要分布比較平均，在廣東、北京、江蘇、浙江、陜西、上海均有一定數量的分布。

1.2.1 申請人排名

以中國作為目標市場的主要專利申請人的專利申請量，通用電氣公司數量排名居于首位，幾乎是第二位吉林大學的兩倍，由此可見其在中國市場上的主導地位，在中國競爭實力最強，顯示出其在該領域具有超強的研發(fā)能力和大規(guī)模的專利布局；同時，雖然美國申請數量達到62件，但最多的通用電氣公司只有17件，故并未有突出的某一家公司進行大量申請，可以推測，美國國內該領域中的申請人數量較多，申請數量分布比較平均，競爭應較為激烈。

1.2.2 專利申請有效性分析

授權率是體現發(fā)明質量的一個重要指標，除去正在實質審查的專利外，該領域的實際授權率接近70%，有效維持率75%，說明該領域的專利質量較高，技術比較先進，而且有效維持率高也體現了該領域的專利中垃圾專利較少。

1.3 全球專利性分析

全球范圍內專利申請量排名前10位的申請人，其中以德國和美國的公司為主，10位申請人中有4家來源于德國，3家來自美國，其中，通用電氣的申請總量占據榜首，為該技術領域中的主導企業(yè)，其次，西門子、CL產權管理有限公司、DESKTOP METAL INC、SEIKO EPSON CORPORATION、CONCEPT LASER GMBH等公司的申請量分布較為平均，在全球范圍內都具備一定的競爭實力；這幾家企業(yè)的專利申請量比較接近，技術實力相對均衡。

在全球內排名靠前的西門子、DESKTOP METAL INC、SEIKO EPSON CORPORATION、CONCEPT LASER GMBH、MTU發(fā)動機聯(lián)同渦輪機慕尼黑有限公司等公司，其技術發(fā)展較早，且在通用電氣公司對于該技術專利進行壟斷后，這些公司在該領域的研究也逐步增加，但這些公司的技術申請并沒有大舉進入中國市場。

2 技術分析及其發(fā)展趨勢

金屬增材制造中使用的支撐結構通?？砂粗谓Y構形狀分為塊狀結構、柱狀結構、網格結構以及復合結構四大技術分支，其中，塊狀結構技術是所有技術的基礎，屬于早期技術，目前已很少采用該技術，本文不作分析，柱狀支撐結構申請量最大，屬于目前主流技術，研究出的形式多種多樣，而網格支撐是新興技術，但其數量并不大，是因為在其基礎上復合支撐結構具備更加優(yōu)異的效果，從支撐效果和節(jié)省材料成本綜合考慮，復合支撐將成為未來的主流支撐結構形式。

2.1 柱狀支撐結構

柱狀支撐結構技術是目前支撐結構的主流技術，其具備支撐效果好、節(jié)省材料的共同優(yōu)勢，針對柱狀支撐結構相較于傳統(tǒng)的塊狀支撐存在支撐接觸面積小、支撐效果差的缺點，其發(fā)展路線基本可以概括為經歷了對柱狀支撐結構進行支撐、改進柱狀結構的上端形狀、以及改進整體支撐結構三個方向的技術改進。2014年起，對柱狀支撐進行交錯式的支撐以提高其支撐效果的專利大量出現，其中具有代表性的為WO2015/019070、WO2015/145346、CN106180708等；2016年起，開始出現樹枝狀的支撐結構，其中，西安鉑力特激光成形技術有限公司提出的CN106853527包括柱狀支撐主干1、沿支撐主干圓周均勻分布的一級分支2，沿每個一級分支的圓周均勻分布的二級分支3，2017年成都優(yōu)材科技有限公司提出CN107856311一種用于3D打印的樹形支撐結構，具有樹干，在樹干頂部具有至少兩根樹枝，在樹枝的頂部設有插入零件的上插入部，上插入部的長度為打印層厚的1～4倍。通用電氣公司針對柱狀支撐結構進行了大量的申請，代表性的有CN106853527、EP3205423A1、EP3205426A1、US20180141122A1、WO2018106371A2、US20180154441A1、US20190009368A1、EP3205422A1。

2.2 網格支撐結構

網格支撐結構技術屬于新興技術，對其進行的研究經歷了網格本身——梯度網格——實體網格復合的路線；2017年，西安國宏天易智能科技有限公司提出了，支撐結構包括若干個在同一平面上呈陣列布置的支撐單元；每個支撐單元包括若干個支撐單體，支撐單體為水平方向設置的空管結構，以空管的長度方向為X方向，若干個支撐單體在Y方向和Z方向上均呈陣列設置，相鄰支撐單元通過空管管壁相互連接形成支撐單元，空管形成支撐單元的側向出粉通道，設置生成時，直接對支撐單元進行加強保證了其支撐效果CN107598167A。2018年之后，隨著申請量的大幅提高出現了多種梯度網格支撐結構，其中具有代表性的有，CN110802837提出了支撐結構包括至少一層支撐區(qū)域，每層所述支撐區(qū)域具有網格結構，且下層所述支撐區(qū)域網格間距大于上層所述 支撐區(qū)域網格間距。根據支撐結構的尺寸參數確定FDM設備的打印參數，使用逐層漸變式網格支撐結構，有效節(jié)省支撐結構的材料、減少打印支撐結構消耗的時間，同時，能夠對打印產品起到支撐作用并保證打印產品不塌陷。采用網格支撐結構技術的專利申請還有CN110435143、CN109434106、CN108724698、CN109332692、CN109382516、CN109570504、CN109501249、CN208324240、CN208628433。

2.3 復合支撐結構

復合支撐結構技術是目前最前沿的支撐結構，其是從網格支撐結構發(fā)展而來的，綜合了實體支撐和網格支撐的優(yōu)點，其將成為未來增材制造中支撐結構的主流形式。2017年，提出了兩種改進，首都航天機械公司和中國運載火箭技術研究院，進一步提出一種抑制薄壁結構變形的輔助支撐結構CN108145161。該輔助支撐結構包括固定連接的網格支撐部分和實體支撐部分，即輔助支撐結構采用生長方向截面呈“網格+實體”形式且實體部分與網格部分相固連的整體式輔助支撐；所述的網格 支撐部分的下端支撐在實體支撐部分上，在薄壁結構的懸空端與實體支撐部分間形成支撐；所述的網格支撐部分采用薄片式或“山”字型結構形 式；所述的實體支撐部分的上端支撐在網格支撐部分下端面，下端支撐在成形基板上；所述的實體支撐部分采用“山”字型或“Y”型結構形式。CN107471651A提出的支撐結構包括使用第一材料打印的實體部分和使用第二材料打印的非實體部分，所述實體部分包括網格結構，所述網格結構的每一個網格單元內及網格單元外均填充有所述非實體部分；其中，所述第一材料的硬度較所述第二材料的硬度大；所述網格結構的網格密度在打印平面內存在變化，和/ 或所述網格單元的連接邊的橫截面的面積，沿垂直于所述打印平面的方向存在變化。該支撐結構不同部位的強度存在差異，從而能有效防止支撐結構進行固化過程中或之后受到應力的作用時的應力集中現象導致的支撐結構開裂的不利影響。具備復合支撐結構技術的專利申請還有CN106475561、CN208615318U、CN209206458U、CN210755171U、CN111318703。

3 結語

通過以上分析可以看出，金屬增材制造中支撐結構技術的研發(fā)具體集中在美國和德國，尤其以通用電氣公司為代表的美國企業(yè)一家獨大，而德國公司呈現集中蓬勃發(fā)展的態(tài)勢，目前通用電氣申請量趨于相對穩(wěn)定，該公司在金屬增材制造中支撐結構技術領域異軍突起，而且已經在中國開始大規(guī)模進行布局，足以見其對中國市場的重視，但其他國家申請數量偏少，研究數量不多，目前中國在該方面技術也有一定量的研究，但在申請量方面以及研究深度方面都尚未達到一定規(guī)模；從目標市場申請量方面分析可以看出，中國在該領域的市場還是很有發(fā)展?jié)摿Γ袊暾埲艘矐嘌芯亢徒梃b通用電氣公司的該領域的前沿技術，增強我國該方面技術的競爭實力。