1.1金屬增材制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)

金屬增材制造技術(shù)，為航空航天等高端重大裝備中鈦合金、高溫合金、超高強(qiáng)度鋼等高性能大型難加工金屬構(gòu)件的制造提供一條快速、柔性、低成本、高性能、短周期的技術(shù)新途徑，與傳統(tǒng)大型金屬構(gòu)件制造技術(shù)相比，高性能金屬增材制造技術(shù)具有以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：

①激光等高能束原位冶金／快速凝固“高性能金屬材料制備”與“大型、復(fù)雜構(gòu)件成形制造”一體化，制造流程短。

②零件組織結(jié)構(gòu)成分一致性高、晶粒細(xì)小、致密度高，綜合力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)明顯，零件可反復(fù)“無(wú)熱損傷修復(fù)”。

③無(wú)需大型鍛鑄工業(yè)裝備及其相關(guān)配套基礎(chǔ)設(shè)施，無(wú)需鍛坯制備和鍛造模具制造，后續(xù)機(jī)械加工余量小、材料利用率高、周期短、成本低。

④具有高度的柔性和對(duì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變化的“超?？焖佟表憫?yīng)能力，同時(shí)也使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不再受制造技術(shù)的制約。

⑤激光、等離子等高能束的能量密度高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鎢、鉬、鈮、鉭、鈦、鋯等多種難熔、高性能、高活性、難加工的金屬材料的激光冶金快速凝固制備。

1.2激光增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的突出優(yōu)勢(shì)

高速、長(zhǎng)續(xù)航能力、安全高效低成本運(yùn)行等苛刻服役條件對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和制造提出了更高要求。輕量化、整體化、長(zhǎng)壽命、高可靠性、結(jié)構(gòu)功能一體化以及低成本運(yùn)行成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料應(yīng)用和制造技術(shù)共同面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)材料和現(xiàn)代制造技術(shù)的進(jìn)步與融合創(chuàng)新。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：

①可實(shí)現(xiàn)重大裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變革，采用 “設(shè)計(jì)—制造”融合、快速研制新模式，從而制造出一些過(guò)去無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能結(jié)構(gòu)：如最合理的應(yīng)力分布結(jié)構(gòu)和復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)最理想的溫度控制、振動(dòng)頻率調(diào)控等，提高設(shè)備可靠性。

②可實(shí)現(xiàn)大/超大型構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、復(fù)雜/超復(fù)雜構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、多品種小批量個(gè)性化產(chǎn)品的低成本快速制造，擺脫了極其耗時(shí)的工業(yè)模具制造環(huán)節(jié)，大大縮短新產(chǎn)品研制周期，降低研制成本，大大加快“設(shè)計(jì)—驗(yàn)證”迭代循環(huán)，提高生產(chǎn)效率。

③可實(shí)現(xiàn)高性能非平衡材料、高活性難熔難加工材料、性能梯度材料、高性能多尺度復(fù)合材料、新材料/超材料、創(chuàng)造超常結(jié)構(gòu)材料的制備與復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造，制造同一零件不同部位的不同技術(shù)需求的結(jié)構(gòu)等。

④可實(shí)現(xiàn)異質(zhì)材料的高性能結(jié)合，在傳統(tǒng)鑄鍛或機(jī)械加工零件上任意“生長(zhǎng)”性能可靠的新結(jié)構(gòu)，給設(shè)計(jì)者和制造商提供了高效低成本的制造策略選擇。

1.3  激光增材制造存在的問(wèn)題

①除殘余應(yīng)力、能量利用率低、低熔點(diǎn)金屬材料受熱變形、精度與效率矛盾等問(wèn)題外，大型關(guān)鍵主承力構(gòu)件工程化應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)是增材制造在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用所面臨的最大挑戰(zhàn)，由于內(nèi)應(yīng)力問(wèn)題和內(nèi)部質(zhì)量難控多變等因素，控制增材制造成形零件的變形開裂是一個(gè)永恒問(wèn)題。因此，裝備的大小并不代表可實(shí)現(xiàn)的零件尺寸，需要大量的研究和工藝積累。

②增材制造“逐點(diǎn)掃描/逐層堆積” 的往復(fù)循環(huán)特點(diǎn)以及原材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的特殊性導(dǎo)致其產(chǎn)生了迥異于傳統(tǒng)制造零件的各類特殊工藝缺陷，如微米級(jí)氣孔、裂紋、結(jié)構(gòu)件的組織特性等給檢測(cè)和控制帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，構(gòu)件一般通過(guò)理化分析、力學(xué)性能等宏觀因素考察，缺乏微觀驗(yàn)證，質(zhì)量監(jiān)控手段缺乏已成為制約該技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用的重要瓶頸。

③隨著新的增材制造工藝技術(shù)發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)突破了材料和加工工藝限制，大型、整體式結(jié)構(gòu)、復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)等制造變得容易，而這些新結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)模型和承載能力研究缺失相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)規(guī)范等。作為一種新技術(shù)，目前在材料、工藝、規(guī)范、全尺寸零件力學(xué)性能、疲勞等試驗(yàn)驗(yàn)證方面還存在相當(dāng)?shù)那啡焙筒罹?，成為阻礙其在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的主要障礙。

2.1應(yīng)用舉例一：

激光增材制造技術(shù)的廣適性及其卓越的優(yōu)勢(shì)引起國(guó)際上各強(qiáng)國(guó)的高度重視，該技術(shù)在航空航天領(lǐng)域和高端裝備領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)被各國(guó)列為發(fā)展重點(diǎn)，美國(guó)無(wú)論在技術(shù)成熟度上還是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的時(shí)間點(diǎn)上，都當(dāng)之無(wú)愧世界第1。世界上第1家利用激光增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)航空結(jié)構(gòu)件裝機(jī)應(yīng)用的美國(guó)AeroMet公司通過(guò)該技術(shù)已制造產(chǎn)品有：F—22戰(zhàn)斗機(jī)接頭（圖4）、F—18戰(zhàn)斗機(jī)連接吊環(huán)和起落架連接桿等。激光增材制造F—22戰(zhàn)斗機(jī)接頭和起落架連接桿疲勞壽命均超出設(shè)計(jì)要求，性能大大提高。

2.2應(yīng)用舉例二：

美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出的激光凈成形（Laser Engineered Net Shaping）技術(shù)，以激光熔覆沉積成形為基礎(chǔ)對(duì)不銹鋼、鈦合金、高溫合金等材料開展系列研究，其成型件強(qiáng)度和塑性均顯著高于鍛件，目前該技術(shù)已被用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的修復(fù)。

2.3應(yīng)用舉例三：

美國(guó)NASA研究中心在NASA空間技術(shù)任務(wù)部的顛覆性開發(fā)計(jì)劃資助下利用激光增材制造技術(shù)成形了一個(gè)具有復(fù)雜冷卻通道的銅合金材料的火箭零件，開拓了增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.4應(yīng)用舉例四：

通用電氣（GE）公司專注于增材制造以降低其飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本，該公司從3D打印第一個(gè)LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴到生產(chǎn)出符合Leap渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸的燃燒器襯套，GE已經(jīng)打印了23 500個(gè)零件，到2019年底的時(shí)候，年產(chǎn)量接近40 000個(gè)零件。

2.5應(yīng)用舉例五：

美國(guó)空軍利用增材制造技術(shù)打印了噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)、各種飛機(jī)部件等，猶他州希爾空軍基地開始為F—35戰(zhàn)斗機(jī)開發(fā)3D打印專用替換零件并在F—22 Paptor 上安裝了第一個(gè)3D打印專用替換零件，從而取代飛機(jī)駕駛艙組件中的鋁制部件。

2.3應(yīng)用舉例六：

美國(guó)relativity Space 公司在佛羅里達(dá)州卡內(nèi)維拉爾角空軍基地與美國(guó)空軍共建運(yùn)營(yíng)一火箭發(fā)射臺(tái)，其中一個(gè)正在加工中的中型軌道火箭95%是3D打印零件。

國(guó)內(nèi)的增材制造相關(guān)研究起步較晚，早期基本屬于跟隨美國(guó)學(xué)習(xí)，直到1995年美國(guó)解密其研發(fā)計(jì)劃才開始投入研究。迄今國(guó)內(nèi)開展激光增材制造技術(shù)研究的單位逐漸增多，真正實(shí)現(xiàn)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的主要有北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室、北京煜鼎增材制造研究院有限公司、西安交通大學(xué)等少數(shù)幾家單位。

北京航空航天大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“北航”）王華明院士團(tuán)隊(duì)自1998年以來(lái)一直致力于激光增材制造成套工藝裝備及工程化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，采用激光增材制造技術(shù)制造出一系列航空用鈦合金大尺寸金屬構(gòu)件，首次在國(guó)際上全面突破飛機(jī)鈦合金等大型整體主承力構(gòu)件激光增材制造工藝、裝備、材料及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)“瓶頸難題”，自主建立了“工藝—裝備—質(zhì)量—標(biāo)準(zhǔn)”整套技術(shù)體系。

北航王華明團(tuán)隊(duì)自2005年起，在飛機(jī)大型主承力結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積制造工藝、成套裝備、過(guò)程控制、長(zhǎng)期工藝穩(wěn)定性及構(gòu)件質(zhì)量保障等系列核心關(guān)鍵技術(shù)上取得了一系列突破性進(jìn)展，數(shù)百種規(guī)格大型整體鈦合金、超高強(qiáng)度鋼構(gòu)件已在飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星等十余型裝備研制和批量生產(chǎn)中工程應(yīng)用，是我國(guó)處于該領(lǐng)域唯一的國(guó)際領(lǐng)先水平。

4.1全球?qū)＠F(xiàn)狀分析

4.1.1申請(qǐng)趨勢(shì)分析

圖 1 激光與增材制造技術(shù)全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)分析圖

截止檢索日（2023年10月）前，已公開的激光與增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)近20年的專利申請(qǐng)量約有4千件，通過(guò)圖1可以看出，可以分為三個(gè)發(fā)展階段：2004年至2012年為萌芽階段，2012年至2019年為增長(zhǎng)階段；2019年至2023年為穩(wěn)定階段。

4.1.2地域布局分析

圖 2 激光與增材制造技術(shù)專利申請(qǐng)地域布局圖

如圖2所示截止檢索日（2023年10月）前，中國(guó)3,333；美國(guó)47德國(guó)44；荷蘭6；日本5；法國(guó)3；挪威3；丹麥2；奧地利1；加拿大1；西班牙1；盧森堡1；泰國(guó)1。

4.1.3主要申請(qǐng)人分析

圖 3 激光與增材制造技術(shù)全球主要申請(qǐng)人排名圖

如圖3所示截止檢索日（2023年10月）前，華南理工大學(xué)89；中南大學(xué)73；華中科技大學(xué)61；廣東工業(yè)大學(xué)56；四川大學(xué)51；中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所38；廣東省科學(xué)院新材料研究所37；中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所36；中國(guó)石油化工股份有限公司35；山東大學(xué)31；

4.2廣東省專利現(xiàn)狀分析

4.2.1申請(qǐng)趨勢(shì)分析

圖 4 激光與增材制造技術(shù)廣東專利申請(qǐng)趨勢(shì)圖

截止檢索日（2023年10月）前，已公開的激光與增材設(shè)備技術(shù)產(chǎn)業(yè)近20年的專利申請(qǐng)量約有1千件，通過(guò)圖4可以看出，可以分為三個(gè)發(fā)展階段：2004年至2012年為萌芽階段，2012年至2019年為增長(zhǎng)階段；2019年至2023年為穩(wěn)定階段。

4.2.2地市布局分析

圖 5 激光與增材制造技術(shù)廣東申請(qǐng)地域布局圖

如圖5所示截止檢索日（2023年10月）前，廣州386深圳171東莞69佛山28中山24珠海7汕頭5惠州4清遠(yuǎn)3潮州3。

4.2.3主要申請(qǐng)人分析

圖 6 激光與增材制造技術(shù)廣東主要申請(qǐng)人排名圖

如圖6所示截止檢索日（2023年10月）前，華南理工大學(xué)87；廣東工業(yè)大學(xué)55；廣東省科學(xué)院新材料研究所36；暨南大學(xué)28；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)24；中山大學(xué)20；深圳市創(chuàng)想三維科技股份有限公司19；深圳市洋明達(dá)科技有限公司16；金發(fā)科技股份有限公司16；深圳大學(xué)15。

專利文獻(xiàn)集法律、經(jīng)濟(jì)以及技術(shù)屬性于一身，核心專利的出現(xiàn)，往往會(huì)對(duì)行業(yè)發(fā)展到了一個(gè)關(guān)鍵的時(shí)期，甚至?xí)?duì)行業(yè)帶來(lái)顛覆性的影響。通過(guò)對(duì)新增核心專利的篩選和解讀，可以幫助企業(yè)快速定位產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，為企業(yè)的戰(zhàn)略決策提供重要的信息支撐。

本部分選取本領(lǐng)域新增專利價(jià)值度（專利價(jià)值評(píng)估體系是基于深度加工的專利大數(shù)據(jù)，運(yùn)用市場(chǎng)法，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行價(jià)值估算。它整合了專利價(jià)值相關(guān)的80+個(gè)不同指標(biāo)(包括: 引用、專利國(guó)家規(guī)模、專利存活期、法律狀態(tài)等等)，同時(shí)基于歷史上的專利成交案例等進(jìn)行調(diào)整，最終提供專利價(jià)值的評(píng)估數(shù)值）最大的前20個(gè)列出，詳情如下表1。

表1新增專利列表（專利價(jià)值度前23）

通過(guò)檢索，得到激光與增材制造原材料領(lǐng)域?qū)＠麅r(jià)值度為70分以上的專利數(shù)量為215值度為80分以上的專利數(shù)量為364利價(jià)值度為90分以上的專利數(shù)量為100其中專利價(jià)值度超過(guò)90以上的兩件專利進(jìn)行解讀。

核心專利1——CN116772233A

核心專利2——CN116586629A

增材制造技術(shù)涵蓋了機(jī)械加工、材料冶金學(xué)、智能控制等多學(xué)科，經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，已突破了傳統(tǒng)金屬材料的瓶頸學(xué)制約，是高性能大型、大尺寸金屬構(gòu)件制造的一個(gè)基本手段和方向。目前雖然增材制造技術(shù)已成功在航空航天、制導(dǎo)武器等型號(hào)研制生產(chǎn)中工程化應(yīng)用并逐步推廣，但高性能金屬增材制造技術(shù)相較于傳統(tǒng)鑄鍛焊等制造技術(shù)發(fā)展時(shí)間相對(duì)很短，技術(shù)成熟度有待進(jìn)一步提高，所制造的結(jié)構(gòu)零件數(shù)量相對(duì)有限。航空航天工業(yè)制造工藝的特殊性以及對(duì)安全性、可靠性的嚴(yán)苛要求，對(duì)激光增材制造都提出了更高的要求,需要開展系統(tǒng)深入的基礎(chǔ)研究和工程化研究工作，加速培養(yǎng)專業(yè)人才，制定全產(chǎn)業(yè)鏈增材制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)體系，從制造成本、制造周期、結(jié)構(gòu)性能提升、成本降低等方面綜合考慮各方面因素，進(jìn)行增材制造結(jié)構(gòu)適用性分析，推動(dòng)激光增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用，更好地為航空航天裝備的高效輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高性能低成本制造、快速研制快速維修等提供先進(jìn)技術(shù)支撐。