航空領域增材制造技術專利態(tài)勢分析

周梅萍，王中興趙云陳哲源

1.中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京 100029 2.中國航空制造技術研究院，北京100024

增材制造技術（3D打?。┡c傳統(tǒng)的、對原材料進行切削、組裝的加工模式不同，是通過材料累加的原理，增材制造技術直接通過CAD數(shù)據制成與之對應的任何復雜CAD形狀的三維實體產品。隨著航空零部件研制工作日新月異，其設計思路在不斷拓寬和自由化，傳統(tǒng)工藝的局限性逐漸暴露出來。另外，航空零部件結構越來越復雜，其對輕量化、長壽命、高可靠性、一體化的要求越來越高，使得傳統(tǒng)減材制造技術越來越難以滿足設計需求。增材制造技術擺脫了模具、加工可達性的束縛，可大幅地提高設計自由度，從而實現(xiàn)由“制造引導設計、制造性優(yōu)先的設計、經驗性的設計”傳統(tǒng)理念到“設計引導制造、功能性優(yōu)先的設計、最優(yōu)化設計”現(xiàn)代化理念的轉變，有助于將設計思想快速轉化為實物產品。此外，航空零部件的原材料通常很稀缺和價格昂貴，傳統(tǒng)的減材制造方式對原材料的利用率非常低，如某些大型結構件材料的利用率不超過10%。增材制造技術是用材料累加的方式成形，其對材料的利用率非常高，相比減材制造方式大約可以節(jié)約50%的原材料。因此，增材制造這種“做加法”的技術顛覆了傳統(tǒng)的“做減法”的制造方式，不再利用模具、刀具和工裝卡具便可快速且精密地制造出任意復雜形狀的零部件，不僅可以大幅度節(jié)約原材料，而且可以使設計人員快速實現(xiàn)和驗證設計方案，能由傳統(tǒng)功能/結構線性累加的設計模式轉變?yōu)楣δ芙Y構一體化的設計模式，實現(xiàn)輕量化、長壽命、高可靠性、一體化等要求的“自由制造”要求[1-8]。

專利文獻是各專利管理機構（包括各專利局、知識產權局及相關國際或地區(qū)組織）在受理、審批、注冊專利過程中產生的記述發(fā)明創(chuàng)造技術及權利等內容的官方文件及其出版物的總稱。專利文獻是世界上數(shù)量最大的信息源之一，專利信息資源是集法律性、技術性、經濟性于一體的復合型戰(zhàn)略性資源。世界知識產權組織（WIPO）的統(tǒng)計表明：世界上每年發(fā)明創(chuàng)造成果的90%～95%可以在專利文獻中查到，而且有80%左右的發(fā)明成果僅通過專利文獻公開，未在非專利的科技文獻中發(fā)表過。充分利用專利文獻開展專利信息分析，是實現(xiàn)專利情報挖掘和專利信息增值的關鍵步驟，可以有效配置科技資源，提高技術創(chuàng)新活動的起點和水平，避免盲目性和重復性研究。根據WIPO的調查資料介紹，充分利用專利文獻可以縮短60%的科研周期，節(jié)約40%的科研經費。

本文結合其他非專利文獻信息，通過對航空領域增材制造技術相關專利文獻中大量零碎的專利信息進行檢索、分析、加工、組合，并采用統(tǒng)計學方法和技巧，對航空領域增材制造技術的整體概況、發(fā)展態(tài)勢、分布狀況、競爭格局等內容進行多維度分析，明晰增材制造技術專利現(xiàn)狀和技術發(fā)展路線圖，規(guī)避潛在的知識產權侵權風險，為航空領域增材制造技術的發(fā)展提供參考借鑒。

1 專利檢索

增材制造技術善于利用較少的原材料，加工蜂窩狀、大型薄壁件等對幾何形狀的復雜程度、性能要求較高的航空領域的零部件。鑒于增材制造技術在航空領域的突出優(yōu)勢，世界各國正積極對航空領域的增材制造技術進行廣泛的專利布局。當前形勢下，對航空領域增材制造技術進行專利分析，有助于掌握世界先進的增材制造關鍵技術專利技術現(xiàn)狀，提升航空領域增材制造技術研制起點，提高航空領域增材制造關鍵技術產品質量和工藝水平，規(guī)避潛在的知識產權風險，為航空領域增材制造的發(fā)展提供參考。

當前，航空領域增材制造技術主要的發(fā)展方向是金屬材料增材制造技術，主要集中在粉末床熔合和定向能量沉積這兩大領域。航空領域增材制造技術根據成形方式可以分為：選區(qū)激光熔化（SLM)、選區(qū)激光燒結（SLS）、電子束選區(qū)熔化（EBSM）、激光近凈成形（LENS）、電子束熔絲沉積（EBF3）和電弧熔絲沉積（WAAM）等方向[5-13]。

基于航空領域增材制造技術關鍵詞（如增材制造、SLM、SLS、LENS、EBSM、LENS、EBF3和WAAM等），利用德溫特（Derwent）專利檢索系統(tǒng)和Incopat 全球專利數(shù)據庫，采用多次迭代、不斷取舍、不斷完善的檢索策略，經過初步篩選、再次篩選和最終篩選，最終得到航空領域增材制造技術的相關專利1226件（合并同族后為436件專利）。

對上述樣本數(shù)據進行數(shù)理統(tǒng)計分析和技術分析，可以得到航空領域增材制造技術各個技術方向的專利態(tài)勢分析結果。

2 專利申請量和申請人態(tài)勢分析

圖1 航空領域增材制造技術專利申請量發(fā)展趨勢圖Fig.1 Development trend of patent applications for additive manufacturing technology in aviation field

圖1中的申請趨勢可以將航空領域增材制造技術分為三個階段：第一階段，技術起步期（1999—2005 年）；第二階段，技術發(fā)展期（2005—2011 年）；第三階段，快速發(fā)展期（2012 年至今）。第一階段，每年申請的專利數(shù)均比較少。第二階段，在2006 年達到10 項，之后增長較為平穩(wěn)。第三階段，在2012 年之后，專利申請的數(shù)量得到了大幅度的增長。在2016 年達到了最大值82 項。由于專利公開的滯后性，預計2017年、2018年實際專利申請量高于2016年，保持持續(xù)快速增長的趨勢。

圖2中英國著名的航空發(fā)動機公司羅爾斯－羅伊斯公司排在申請人的榜首，專利數(shù)量為17件。美國通用電氣公司和聯(lián)合技術公司分別名列第二和第三，其專利數(shù)量分別為16件和15件。德國的MTU航空發(fā)動機公司、波音公司、霍尼韋爾公司、空客集團在航空增材制造領域也有不俗的表現(xiàn)。國內申請人則以華中科技大學和西安交通大學申請專利最多，其數(shù)量分別為9件和8件。通過對比也可以發(fā)現(xiàn)，國外專利申請人以產業(yè)公司為主，國內專利申請人主要集中在高校。

3 專利全球地域布局態(tài)勢分析

通過分析同族專利數(shù)量及其地域分布（見圖3），可以發(fā)現(xiàn)航空領域增材制造技術專利申請人的地域市場布局策略。對合并同族前的1226篇相關專利進行統(tǒng)計分析得出：世界范圍航空領域增材制造技術相關專利主要分布在美國、中國、歐洲（含德國、英國）三個主要國家和地區(qū)。其同族專利申請總量為864 件，占全世界同族專利申請總量的70%。其中美國的專利申請以377件雄居榜首，中國的專利申請為231 件位列第二。除了美國、中國、歐洲以外，日本的專利申請數(shù)量達到50 件，以上這些國家和地區(qū)，代表了航空領域增材制造的最高水平。

圖3 航空領域增材制造技術專利申請地域分布圖Fig.3 Geographical distribution of patent applications for additive manufacturing in aviation

4 各技術方向專利申請趨勢分析

各增材制造技術方向在不同時期、不同應用場景下，存在專利申請量趨勢的趨同現(xiàn)象如圖4所示。從各增材制造技術方向的專利申請趨勢來看，在2011 年之前，各個技術方向的專利申請數(shù)量均較少，增長也相對平緩。其中，WAAM、EBF3和LENS技術方向專利申請的增長趨勢具有趨同性，EBSM、SLM和SLS技術方向專利申請的增長趨勢也具有趨同性，WAAM 的專利申請數(shù)量最高，SLS 的專利申請數(shù)量最低。

圖4 航空增材制造各技術方向專利申請量趨勢圖Fig.4 Marked chart of patent applications in various fields of aeronautical add-on manufacturing

從2011年開始，各個技術方向的專利申請數(shù)量快速增長且差距逐漸拉大。其中，WAAM 的專利申請量增幅最大，其分別在2013 年和2015 年有較大增幅，發(fā)展趨勢非常強勁；EBF3 和LENS 的專利數(shù)量增長次之，二者的增長曲線趨同，發(fā)展趨勢也較好。EBSM 的專利申請數(shù)量增長曲線與EBF3和LENS的專利申請數(shù)量增長曲線類似，但鑒于專利申請數(shù)量的原始基數(shù)較小，EBSM 的專利申請數(shù)量的增幅雖然較大，但專利申請數(shù)量相對較少；SLM、SLS 的專利申請數(shù)量增長相對較慢，專利申請數(shù)量也較少。

5 技術類別分布分析

如圖5 所示，在 SLM、SLS、EBSM、LENS、EBF3 和WAAM 的各個技術方向中，細分出“材料”“方法”“應用”和“裝置”這4個專利技術類別。圖中氣泡的大小與對應技術領域專利申請量呈正相關。綠色氣泡所對應的方法技術類別和紫色氣泡所對應的裝置技術類別的專利數(shù)量較多，二者共占總申請量的50%以上。說明這兩個技術類別的技術研發(fā)投入較多，技術也比較成熟。其中，“應用”和“材料”的技術分類的專利數(shù)量較少，說明該區(qū)域還存在一定的技術空白。

圖5 航空領域增材制造技術類別分布圖Fig.5 Distribution of additional manufacturing technologies in aviation

6 技術路線分析

如圖6所示，結合技術方向專利增長的趨勢分析，對專利文獻樣本進行全文閱讀，篩選出代表航空領域增材制造關鍵技術路線的相關專利。相關專利的申請時間可以分為4個時間區(qū)間：第一階段：2000—2005年；第二階段：2006—2010年；第三階段：2011—2015 年；第四階段：2016—2018 年。SLM和SLS在第一、第二階段的專利申請量較為集中。EBSM、LENS 在第二、第三階段的專利申請量比較集中。EBF3 和WAAM在第四階段的專利申請量比較集中。

圖6 航空領域增材制造技術發(fā)展路線圖Fig.6 Road map of additional manufacturing technology in aviation

(1)SLM技術方向

SLM技術方向代表性專利為：2008年，華中科技大學申請的金屬零件選區(qū)激光熔化快速成形設備（CN201300207Y）的專利[14]。2009 年，空中客車集團申請的Support For An Aircraft Structural Component Produced In A Selective Laser Melting Method（CA2732934C）的專利[15]。2015 年，華中科技大學申請的采用選擇性激光熔化快速成形技術制備高溫鈦合金的方法（CN105154701B）的專利[16]。

SLM技術方向的發(fā)展特點為：適應于小尺寸的零部件加工，其加工精較高，但加工效率低。從專利增長的趨勢來看，SLM 的增長趨勢相對緩慢，預期未來一段時間仍會緩慢發(fā)展。

(2）SLS技術方向

SLS技術方向代表性專利為：2005年，華中科技大學申請的激光燒結快速成形材料的制備方法（CN100393452C）的專利[17]。2018 年，通用電氣公司申請的用于生產增材制造部件（CN109483877A）的專利[18]。

SLS 技術方向的發(fā)展特點為：適應于小尺寸的零部件加工，其精度較高，但力學性能較差，效率也很低，有時還需要經過高溫重熔。從專利增長的趨勢來看，SLS專利增長的趨勢相對緩慢，預期未來一段時間，專利申請量較難有所突破。

（3）EBSM技術方向

EBSM技術方向的代表性專利為：2015年北京航空航天大學申請的一種實現(xiàn)電子束選區(qū)熔化增材制造金屬零部件原位熱處理的方法（CN105499566B）專利[19]。2016 年，MTU Aero Engines AG 申請的Additive Manufacture Of High Temperature Components From Tial（EP3249064A1）的專利[20]。 2017 年1月，北京航空制造技術研究院申請的一種低應力電子束快速成形裝置及成形方法（CN108372299A）的專利[21]。

EBSM 技術方向的發(fā)展特點為：適應于小尺寸的零部件加工，加工精度非常高，加工效率也非常高，可適用于多種材料。從專利增長的趨勢來看，雖然目前專利申請數(shù)量不高，但專利申請增長的速度較快，預期未來一段時間，專利申請速度會持續(xù)走高。

(4)LENS技術方向

LENS技術方向代表性專利為：2002年，北京航空航天大學提出的激光近凈成形的工藝原理和相關裝置（CN1180901C）[22]和用于激光近凈成形的金屬硅材料（CN02129176）的專利[23]。2003年，北京航空航天大學提出的激光近凈成形的高效冷卻方法（CN03119343）的專利[24]。

LENS技術方向發(fā)展特點為：適應于大尺寸的零部件加工，加工精度非常高，加工效率很高，但生產的零件形狀受到局限，不能生產復雜形狀的零件。從專利增長的趨勢來看，LENS的發(fā)展態(tài)勢較佳，預期未來一段時間專利申請數(shù)量會有很大的上升空間。

(5)EBF3技術方向

EBF3技術方向代表性專利為：2016年11月，北京航空航天大學申請的一種帶筋鈦合金曲率構件的組合制造方法（CN106425314A）的專利[25]。2016 年 12 月，北京航空制造技術研究院申請的一種實現(xiàn)梯度材料制備的電子束熔絲增材制造裝置及方法（CN108372355A）的專利[26]。

EBF3技術方向發(fā)展特點為：適應于大尺寸的零部件加工，加工速度快，但加工精度稍低。由于適用于大尺寸的零部件加工，從專利增長的趨勢來看，EBF3 的發(fā)展態(tài)勢較佳，預期未來一段時間，專利申請速度仍會較快增加。

（6）WAAM技術方向

WAAM 技術方向的代表性專利為：2016 年 12 月，北京航空航天大學申請的一種電弧填絲增材制造方法及裝置（CN106735730A）的專利[27]。2017年2月，哈爾濱工業(yè)大學申請的用于電弧增材制造熔敷道尺寸無滯后實時檢測裝置及實時檢測方法（CN106643525A）的專利[28]。

WAAM技術方向的發(fā)展特點為：適應于大尺寸的零部件加工，能耗較低、加工效率較高，但加工精度較低。

WAAM 技術由于適應于大尺寸的零部件加工、低能耗、低成本、速度快，可以生產大型鈦合金結構件（可以用于C919機頭主風擋的雙曲面窗框等）等優(yōu)點，目前，該技術的發(fā)展態(tài)勢較佳。在日益注重環(huán)保的時代，預期未來一段時間，WAAM發(fā)展前景較佳，專利申請量仍會有所突破。

（7）技術發(fā)展趨勢預測

目前，大型整體鈦合金關鍵結構件成形制造技術，被國內外公認為飛機研制與生產的核心關鍵制造技術之一，增材制造技術適宜于制造大型整體鈦合金關鍵結構件。此外，可預測適用大尺寸、高精度、高效率、低能耗、低成本將會成為航空領域增材制造未來技術發(fā)展的趨勢。

7 專利布局建議

航空領域增材制造是一項跨學科的復雜技術，橫跨了飛機設計與制造、機電控制、信息技術、數(shù)字建模、材料科學與化工等多個學科領域。近些年來，尤其是2013 年之后，隨著增材制造技術研究的深入及增材制造材料成本的下降，增材制造技術開始蓬勃發(fā)展。目前，我國國內航空領域增材制造起步稍晚，相比于世界領先水平尚存差距，建議從如下幾個方面開展相應研究工作和做好專利布局。

（1）加強人才隊伍建設

首先需要加強人才隊伍建設，穩(wěn)定、補充和培養(yǎng)技術人才隊伍。目前我國增材制造技術還沒有專門的學科設置，從事增材制造技術的人員大部分是相近專業(yè)的轉行人員，完成滿足增材制造技術設計、制造、后處理、檢驗檢測等的標準要求還存在一定差距，因此，人才隊伍建設是增材制造技術研究、成果轉化推廣并工程化發(fā)展的首要任務。

（2）加快技術研發(fā)投入

縱觀全球增材制造產業(yè)的發(fā)展，國外航空強國保持著較強的技術優(yōu)勢。我國的航空領域增材制造技術還存在著短板，電子束選區(qū)熔化和電子束熔絲沉積兩個技術方向相關基礎技術、應用場景、產業(yè)發(fā)展有待加強。增材制造的“應用”和“材料”技術類別還存在較多技術空白，亟須加大投入予以突破。

針對大尺寸零件的迫切加工需求，在LENS、EBF3 和WAAM等技術方向仍需要突破技術瓶頸，以減少成形零件內部應力，減少形變，提高零件加工的精度、提高制造效率，應加快這些領域的研發(fā)投入。

（3）加強創(chuàng)新成果的知識產權保護

我國增材制造領域的知識產權保護要向全球領軍企業(yè)學習。例如，全球最大增材制造商Stratasys 的年總營收45億人民幣左右，其申請專利1600 余件，而代表我國增材制造最高水準的北京航空航天大學王華明團隊申請專利不足30 件，西北工業(yè)大學黃衛(wèi)東團隊申請專利60 余件，華中科技大學張海鷗團隊申請專利50余件；西安鉑力特公司申請專利220余件，國內專利申請數(shù)量遠遠落后。

上述可知，我國在增材制造某些領域（包括航空以外的技術領域）水平較強，而我國的專利保護相對不足，我國應當加強創(chuàng)新成果的知識產權保護，運用專利布局等形式將成果進行保護。

（4）適時構建增材制造產業(yè)聯(lián)盟

當前，中國航空領域增材制造相關專利有相當一部分集中在高校或科研機構，這說明航空領域增材制造技術以研究為主，距離技術商品化尚有一定的距離。高?；蚩蒲袡C構具有良好的技術積累、人力資源優(yōu)勢等，因此企業(yè)在發(fā)展增材制造時應與高?；蚩蒲袡C構聯(lián)合，提高技術研發(fā)能力，加強專利申請質量，同時可以節(jié)約研發(fā)投入，實現(xiàn)資源互補，最終實現(xiàn)共贏。

（5）跟蹤主要競爭對手專利申請動向

跟蹤主要競爭對手的專利申請動向，不僅可以及時、精確了解當前增材制造技術的研發(fā)現(xiàn)狀和態(tài)勢，防止重復研究和規(guī)避專利侵權風險，還可以在現(xiàn)有技術的基礎上，主動進行創(chuàng)新性研究，緊隨或者引領增材制造技術的發(fā)展潮流。

8 結束語

增材制造技術在航空領域有廣闊的發(fā)展和應用前景，對制造業(yè)研制模式轉型具有重大意義。針對航空技術發(fā)展呈現(xiàn)的大型整體化、構型拓撲化、梯度復合化、結構功能一體化等特征，需要開展適應增材制造技術工藝特征的結構創(chuàng)新設計與后續(xù)系列考核等科研工作；同時要充分利用增材制造技術相關專利文獻，通過開展相關專利檢索和分析，獲得有效專利信息，用于輔助科研開發(fā)、技術創(chuàng)新、技術預測，避免盲目性和重復性研究，有利于航空領域增材制造技術發(fā)展和相應技術成熟度提升，助力航空制造業(yè)發(fā)展。