激光近凈成形專利技術綜述

高港

摘 要：本文簡要概述了激光近凈成形技術的產生和技術脈絡，同時對這項科技在中國（1996年至2019年）及外國（1996年至2019年）的這些年的專利申請情況、國際分類情況、區域情況、技術產生國、申請目的國等進行了簡要分析。

關鍵詞：激光近凈成形;增材制造;專利申請

中圖分類號：TP334.8;G306 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0253-02

0 引言

激光近凈成形技術是一種近期產生的高速成形科技，它的理論基礎是將激光焊接和粉末冶金技術相結合，高速的獲得剛度、韌性等力學性能符合要求的金屬部件。本文將涉及金屬材料的粉末立體凈成形技術統一歸到激光近凈成形技術下。

一般認為，該技術源自1992年，由美國軍方解密以合金粉末為原料的激光直接加工成形的技術為起點，并由Sandia國家實驗室在1995年公開提出的強狀態金屬零件的激光快速成形技術，在美國軍方研究計劃支持下，Sandia國家實驗室第一個發展出激光近凈成形技術，研究了不銹鋼、鈦合金、鎳基合金、難熔金屬等材料的性能及組織，顯示優勢的確出現在該技術在高性能金屬零件直接成形方面中。在申請的專利上，Sandia國家實驗室在1996年4月7日提出了公開號為US5568499A的專利申請，對用激光照射噴嘴輸送粉末氣流的技術方案進行了保護，一般認為該專利是激光近凈成形技術的起始專利。

檢索時間為2019年7月11日，一個專利家族的專利視為一份文獻，中文專利采用的主要數據庫是CNABS，輔助數據庫選擇CPRSABS。即先在CNABS庫進行檢索，再在CPRSABS根據實際需要補充檢索，最終利用FN同族號將CPRSABS的結果轉入到CNABS中，檢索式：

（CPRSABS庫中）

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（CNABS庫中）

*m1/fn

其次將通過CNABS檢索獲得的文獻與自CPRSABS轉庫得到的文獻疊加并去重，即為中文專利文件初始結果，然后進行降噪的一些處理，獲得的中文專利文件的最終結果為271件專利。

檢索外文過程與之相似，選擇DWPI為主要檢索數據庫，選擇SIPOABS和VEN為輔助數據庫，首先在DWPI中適當檢索，然后于SIPOABS和VEN中補充檢索，最后經過FN同族號將結果匯總到DWPI里，進行常規降噪處理后，獲得的中文專利文件的最終結果為587件專利。

1 中國歷年專利

中國對激光近凈成形的最早專利申請出現于1996年前后，其發展過程大致分為兩個部分：第一部分、1996年到2011年：頭一個5年，這個部分的專利申請量不多并且沒有什么增長趨勢，這說明這個時候該項技術在中國還處于萌芽階段，主要是研究和探索，技術產出貧乏未到發展實際;第二部分、2012年到2019年：這七年中，首先申請量出現較大幅之增加，說明這個時候該技術處于突破屏障發展部分，前面的研究已逐漸形成技術成果產出產品等?？紤]到18個月的公開時間對于專利申請是必須扥，并且所選擇的數據庫也存在一定的延時更新時間，2018年以及2019年的很大一部分專利申請數字還無法明確統計。

我國對激光近凈成形的專利申請主要集中在B22F（粉末冶金）和C23C（金屬鍍覆）兩個領域，其申請量分別達到了21%和16%，可見，上述兩個領域是中國對激光近凈成形研究的熱點和重點。

接下來，說明中國對激光近凈成形相關專利申請的中國國內申請人的主要省市分布，發現湖北、陜西、上海為申請量排名在第一、二、三位的申請省份或直轄市，其中湖北的申請量最大，達22項，這與湖北的研發機構、高校、大型企業等學術或工業力量比較具有優勢地位有很大關系，陜西和上海的研發實力比較接近，申請量以此為19項和17項，這兩個地區由于具有西安交通大學、西北工業大學、上海交通大學等一流高校的支持有極大優勢，并且這些高校的專利產出量也相對比較大;除此之外，北京、深圳、廣東以及山東，也占據我們國家的領先位置。該信息能反映出激光近凈成形在我們國家省、直轄市一級的分布情況，這個信息對各地政府機關和企業單位以及高校了解激光近凈成形技術的了解會起到一定的幫助作用。

2 世界歷年專利

目前大家的統一共識，認為工業產品技術的發展階段一般包括科技孕育期、科技成長期、科技長成期以及科技瓶頸期這樣幾個部分，最早的激光近凈成形的思路是1978年美國的一個研究單位給出的，1978年這個研究單位就提出了采用同種金屬材質一層一層不斷堆積的理論，但是當時由于計算機發展的還不夠完善和完全成熟，等到了1985年前后才通過了美國軍方要求進行的實驗標準，之后在1995年保密期失效這項技術才獲得公開，因此可以說，金屬激光近凈成形技術是一項年齡尚淺的朝陽產業技術。全球申請一直呈現增長的趨勢，我們通過檢索獲得數據可以大概講此技術在國際上的技術發展上分為兩個部分——技術起始期和技術成長期。

2.1 第一階段：（1999-2005年）

2005年之前，激光近凈成形基本技術成形期發展較快。由于該制備方法獲得的高性能金屬構件對鐵合金高性能結構件的短周期、低成本的需要具有良好優勢，使得獲得了一定的發展速度。其中，2001年，由英特爾公司在申請號為U520010961475A的專利技術中提出了將凈成形技術用于生產高精度的電容的技術方案，開創了將該技術用于生產精密電子產品用途的先河，加工制造過程無需腐蝕金屬，生產的產品精度高。2003年，北京航空航天大學王華明教授帶領的團隊提出了激光近凈成形冷卻方法申請了專利（CN03119343A）。另外，中國科學院沈陽自動化研究就激光近凈成形的同軸送粉器申請了專利（CN200320131242），提出一種在激光工程化凈成形系統中用于金屬粉末的貯存、定量送給、均勻分割以及精確噴射的同軸送粉器。

2.2 第二階段：（2006年至今）

從2006年開始，中國申請開始大量增加，這其中包括北京航空航天大學、西北工業大學、華中科技大學、中北大學、西安交通大學、華南理工大學等院校，也包括北京有色金屬研究總院等科研機構，沈陽大陸激光集團作為這項技術的主要企業代表也貢獻了大量專利申請量。

2010年，在專利申請號為W02010CA01219的國際專利申請中將記憶合金用于近凈成形的材料，開創了“4D打印”的增材制造時代，即加上了材料在特定環境下自我變形、自我恢復的維度。

首先，激光近凈成形相關的專利申請主要集中在B22F（粉末冶金）和B23K（焊接和鍍覆）兩個領域，其申請量分別達到了20%和10%，可見，上述兩個領域是激光近凈成形研究的熱點和重點，這是因為在B22F（粉末冶金）中包含子分類B22F 3/00（由金屬粉末制造工件或制品，其特點為用壓實或燒結的方法），而B23K涉及對材料表面分層堆積成形的大量專利申請，也是增材制造的發起領域之一。

其次，B33Y（增材制造）、C23C（一般防積垢;非機械方法去除表面上的金屬材料;金屬材料的緩蝕）、C22C（合金）等分類位置也分配得到了技術人員的大量精力;除這些領域外，在別處技術科技領域中的專利申請量占比為35%，由此，激光近凈成形所應用或涉及的領域非常廣泛，正如其他增材制造技術一樣，其是一種多學科交叉的新興技術，存在技術復雜，分支細密，且不容易進行精確檢索的特點，同時，激光近凈成形技術因為具有上述具有技術生命力的特點，其也必然具有廣闊的研究空間和應用前景。

在激光近凈成形技術領域的專利申請量的國別分布中，中國、美國、德意志、日本國、韓國、澳大利亞占據排名的前六位，這里邊，美國的專利申請多分布在2005年以前，而我們國家的申請量多集中在2005年以后，還有，PCT國際申請占到了52項。激光近凈成形在世界各個國家的國防裝備以及航空航天系統的零部件生產中起到了巨大作用，無論是整體也好，還是局部采用，激光近凈成形技術都是非常利于解決例如鈦合金等難加工金屬材料的復雜成型，并基本解決了存貨和浪費問題，對于國防設備可以更精干、更節能，更安全。

同時，經過分析發現，在激光近凈成形技術的全球研究上，在近幾年，美國在這個領域的研發慢慢停滯不前，同時以德國為首的歐洲以及我們的鄰國日本、韓國的研發和推廣在迅速跟進，澳大利亞也專門為此項技術制訂了金屬激光近凈成形的路線規劃方針，韓國也出臺了專門扶持激光近凈成形制造機械開發的政策，作為我們國家的技術創新主體，各企業以及高校，應該抓住航空技術研發這個重要契機，抓緊時間突破技術壁壘，使我們國家的激光近凈成形技術再上新臺階，成為該項技術在世界上的先進國家。