1.1金屬增材制造技術(shù)優(yōu)勢

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)具有以下獨特優(yōu)點：

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、晶粒細小、致密度高，綜合力學性能優(yōu)勢明顯，零件可反復“無熱損傷修復”。

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

④具有高度的柔性和對構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計變化的“超常快速”響應(yīng)能力，同時也使結(jié)構(gòu)設(shè)計不再受制造技術(shù)的制約。

⑤激光、等離子等高能束的能量密度高，可實現(xiàn)對鎢、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

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

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

②可實現(xiàn)大/超大型構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、復雜/超復雜構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、多品種小批量個性化產(chǎn)品的低成本快速制造，擺脫了極其耗時的工業(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—驗證”迭代循環(huán)，提高生產(chǎn)效率。

③可實現(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可實現(xiàn)異質(zhì)材料的高性能結(jié)合，在傳統(tǒng)鑄鍛或機械加工零件上任意“生長”性能可靠的新結(jié)構(gòu)，給設(shè)計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題

①除殘余應(yīng)力、能量利用率低、低熔點金屬材料受熱變形、精度與效率矛盾等問題外，大型關(guān)鍵主承力構(gòu)件工程化應(yīng)用的實現(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永恒問題。因此，裝備的大小并不代表可實現(xiàn)的零件尺寸，需要大量的研究和工藝積累。

②增材制造“逐點掃描/逐層堆積” 的往復循環(huán)特點以及原材料和復雜結(jié)構(gòu)件的特殊性導致其產(chǎn)生了迥異于傳統(tǒng)制造零件的各類特殊工藝缺陷，如微米級氣孔、裂紋、結(jié)構(gòu)件的組織特性等給檢測和控制帶來巨大的挑戰(zhàn)，構(gòu)件一般通過理化分析、力學性能等宏觀因素考察，缺乏微觀驗證，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)計突破了材料和加工工藝限制，大型、整體式結(jié)構(gòu)、復雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)等制造變得容易，而這些新結(jié)構(gòu)形式的力學模型和承載能力研究缺失相應(yīng)的設(shè)計準則、設(shè)計規(guī)范等。作為一種新技術(shù)，目前在材料、工藝、規(guī)范、全尺寸零件力學性能、疲勞等試驗驗證方面還存在相當?shù)那啡焙筒罹啵蔀樽璧K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)勢引起國際上各強國的高度重視，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)被各國列為發(fā)展重點，美國無論在技術(shù)成熟度上還是實現(xiàn)應(yīng)用的時間點上，都當之無愧世界第1。世界上第1家利用激光增材制造技術(shù)實現(xiàn)航空結(jié)構(gòu)件裝機應(yīng)用的美國AeroMet公司通過該技術(shù)已制造產(chǎn)品有：F—22戰(zhàn)斗機接頭（圖4）、F—18戰(zhàn)斗機連接吊環(huán)和起落架連接桿等。激光增材制造F—22戰(zhàn)斗機接頭和起落架連接桿疲勞壽命均超出設(shè)計要求，性能大大提高。

2.2應(yīng)用舉例二：

美國Sandia國家實驗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)對不銹鋼、鈦合金、高溫合金等材料開展系列研究，其成型件強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)動機零部件的修復。

2.3應(yīng)用舉例三：

美國NASA研究中心在NASA空間技術(shù)任務(wù)部的顛覆性開發(fā)計劃資助下利用激光增材制造技術(shù)成形了一個具有復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發(fā)動機制造成本，該公司從3D打印第一個LEAP發(fā)動機燃油噴嘴到生產(chǎn)出符合Leap渦扇發(fā)動機尺寸的燃燒器襯套，GE已經(jīng)打印了23 500個零件，到2019年底的時候，年產(chǎn)量接近40 000個零件。

2.5應(yīng)用舉例五：

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

2.3應(yīng)用舉例六：

美國relativity Space 公司在佛羅里達州卡內(nèi)維拉爾角空軍基地與美國空軍共建運營一火箭發(fā)射臺，其中一個正在加工中的中型軌道火箭95%是3D打印零件。

國內(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學習，直到1995年美國解密其研發(fā)計劃才開始投入研究。迄今國內(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大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實驗室、北京煜鼎增材制造研究院有限公司、西安交通大學等少數(shù)幾家單位。

北京航空航天大學（以下簡稱“北航”）王華明院士團隊自1998年以來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，首次在國際上全面突破飛機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—標準”整套技術(shù)體系。

北航王華明團隊自2005年起，在飛機大型主承力結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積制造工藝、成套裝備、過程控制、長期工藝穩(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展，數(shù)百種規(guī)格大型整體鈦合金、超高強度鋼構(gòu)件已在飛機、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，是我國處于該領(lǐng)域唯一的國際領(lǐng)先水平。

4.1全球?qū)＠F(xiàn)狀分析

4.1.1申請趨勢分析

圖 1 激光與增材制造技術(shù)全球?qū)＠暾堏厔莘治鰣D

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年的專利申請量約有4千件，通過圖1可以看出，可以分為三個發(fā)展階段：2004年至2012年為萌芽階段，2012年至2019年為增長階段；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)專利申請地域布局圖

如圖2所示截止檢索日（2023年10月）前，中國3,333；美國47德國44；荷蘭6；日本5；法國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1。

4.1.3主要申請人分析

圖 3 激光與增材制造技術(shù)全球主要申請人排名圖

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

4.2廣東省專利現(xiàn)狀分析

4.2.1申請趨勢分析

圖 4 激光與增材制造技術(shù)廣東專利申請趨勢圖

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年的專利申請量約有1千件，通過圖4可以看出，可以分為三個發(fā)展階段：2004年至2012年為萌芽階段，2012年至2019年為增長階段；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3潮州3。

4.2.3主要申請人分析

圖 6 激光與增材制造技術(shù)廣東主要申請人排名圖

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

專利文獻集法律、經(jīng)濟以及技術(shù)屬性于一身，核心專利的出現(xiàn)，往往會對行業(yè)發(fā)展到了一個關(guān)鍵的時期，甚至會對行業(yè)帶來顛覆性的影響。通過對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)域新增專利價值度（專利價值評估體系是基于深度加工的專利大數(shù)據(jù)，運用市場法，結(jié)合機器學習模型進行價值估算。它整合了專利價值相關(guān)的80+個不同指標(包括: 引用、專利國家規(guī)模、專利存活期、法律狀態(tài)等等)，同時基于歷史上的專利成交案例等進行調(diào)整，最終提供專利價值的評估數(shù)值）最大的前20個列出，詳情如下表1。

表1新增專利列表（專利價值度前23）

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

核心專利1——CN116772233A

核心專利2——CN116586629A

增材制造技術(shù)涵蓋了機械加工、材料冶金學、智能控制等多學科，經(jīng)過近30年的發(fā)展，已突破了傳統(tǒng)金屬材料的瓶頸學制約，是高性能大型、大尺寸金屬構(gòu)件制造的一個基本手段和方向。目前雖然增材制造技術(shù)已成功在航空航天、制導武器等型號研制生產(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)展時間相對很短，技術(shù)成熟度有待進一步提高，所制造的結(jié)構(gòu)零件數(shù)量相對有限。航空航天工業(yè)制造工藝的特殊性以及對安全性、可靠性的嚴苛要求，對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)標準和技術(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，進行增材制造結(jié)構(gòu)適用性分析，推動激光增材制造技術(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、高性能低成本制造、快速研制快速維修等提供先進技術(shù)支撐。