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（AU7550396A）、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。

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，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；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（CN108746375A），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

（內容來源：模具工業）