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摘 要 ：本文对金属增材制造中支撑结构技术领域的专利申请进行分析，从中国、全球的专利申请量、申请人的分布等多方面 统计分析，阐述了金属增材制造中支撑结构技术领域的专利申请发展趋势，追踪了金属增材制造中支撑结构技术领域的发展脉 络，重点针对块状支撑、柱状支撑、网格支撑以及复合支撑四大典型支撑进行研究，对其技术方向和技术手段的发展脉络进行 了梳理。针对重要申请人通用电气的技术进行分析， 并对该龙头企业的前沿技术进行重点研究。
关键词 ：金属 ；增材制造 ；悬垂 ；支撑结构
增材制造技术又称“3D 打印”、快速成型技术，其采用材料 累加层层制造的成型方式，直接通过 CAD 数据制成三维实体产 品，这种“做加法”的加工方式不再利用模具、刀具和工装卡具 便可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件模型，颠覆了原 有的“做减法”的传统制造方式 [1]。
增材制造技术根据具体的快速成型工艺来分，主要有光固 化快速成型技术、选择性激光烧结或熔化技术、激光近净成型技 术、直接金属烧结技术、3D打印技术、熔融沉积成型技术等，当 前 3D打印成型技术领域中采用最多的就是选择性激光烧结或熔 化技术， 德国的通用电气公司是这类设备的主要制造商之一 [2，3]。
增材制造中工件存在悬垂结构，但其没有铸型和模具支撑 约束，成形过程中容易塌陷、挂渣，发生严重变形，甚至中断 成形。因而需要设计支撑。即使部分成形技术有粉末或液体支 撑约束，但其强度不够，仍然需要设计支撑。合理的支撑设计 对顺利成形和保证工件精度具有重要意义。支撑设计依赖于成 形工艺、成形材料、工件特征等多种因素，是增材制造的工艺 难点之一。
本文通过准确的 CPC分类号B22F2003/1058、文献量较大的 IPC 分类号B22F3/105、B33Y30/00、B33Y40/00与比较准确的关 键词支撑结构、支承结构，转库检索、incopat数据分析等检索策 略相结合， 获取初步结果后将检索文献中的明显噪声清理， 最终 得到 423 项中文数据、600 项外文数据，共 1023 项有效数据，并 利用 S 系统的统计命令和Excel对该领域的中国专利申请数据和 全球专利申请数据进行统计分析。
1 专利申请概况
1.1 申请量趋势分析
该技术的专利申请出现于20 世纪初，其发展过程可以分为 两个阶段 ：一、2001 年至 2012 年 ：该阶段的专利申请量较少，呈平稳趋势， 笔者推测， 增材制造成型件悬垂结构的表面质量与 支撑结构息息相关， 故支撑结构与成型件连接处要求较高， 而支 撑结构的设计发展依赖于计算机技术离散运算能力的突破，因 此该项技术的研究在计算机运算速度没有大幅度提升前一直没 有大规模地展开。二、到2013 年后 ：该阶段随着计算机运算速 度大幅提升且技术已发展地较为成熟之后，使得金属增材制造 中支撑结构技术的研究也开始迅速发展起来。
1.2 中国专利性分析
在2014 年之前，专利申请量稀少，几乎没有，此时说明该项 技术还未引入我国，2014 年之前处于起步阶段，市场需求还不 大 ；在 2014 年 ~2018 年期间，处于技术发展期，中国市场需求 逐步打开，申请量增长迅速，处于发展高潮阶段。中国专利申请 中， 申请量排名前 3位的分别是中国、美国、德国， 可以看出， 国 外申请人已经对中国开展了一定的布局，但其数量与国内申请 有较大的差距， 同时， 也反映出国内对于该技术也已进行了相当 数量的研究， 专利申请主要分布比较平均， 在广东、北京、江苏、 浙江、陕西、上海均有一定数量的分布。
1.2.1 申请人排名
以中国作为目标市场的主要专利申请人的专利申请量，通 用电气公司数量排名居于首位，几乎是第二位吉林大学的两倍， 由此可见其在中国市场上的主导地位， 在中国竞争实力最强， 显 示出其在该领域具有超强的研发能力和大规模的专利布局 ；同 时，虽然美国申请数量达到 62 件，但最多的通用电气公司只有 17 件，故并未有突出的某一家公司进行大量申请，可以推测，美 国国内该领域中的申请人数量较多， 申请数量分布比较平均， 竞 争应较为激烈。
1.2.2 专利申请有效性分析
授权率是体现发明质量的一个重要指标，除去正在实质审 查的专利外，该领域的实际授权率接近 70%，有效维持率 75%， 说明该领域的专利质量较高， 技术比较先进， 而且有效维持率高 也体现了该领域的专利中垃圾专利较少。
1.3 全球专利性分析
全球范围内专利申请量排名前 10 位的申请人，其中以德国 和美国的公司为主，10 位申请人中有 4 家来源于德国，3 家来自 美国，其中，通用电气的申请总量占据榜首，为该技术领域中 的主导企业，其次，西门子、CL产权管理有限公司、DESKTOP METAL INC、SEIKO EPSON CORPORATION、CONCEPT LASER GMBH 等公司的 申请量分布较为平均，在全球范围内都具备一定的竞争实力 ；这几家企业的专利申请量比较接近，技 术实力相对均衡。
在 全 球 内 排 名 靠 前 的 西 门 子、DESKTOP METAL INC、 SEIKO EPSON CORPORATION、CONCEPT LASER GMBH、 MTU 发动机联同涡轮机慕尼黑有限公司等公司，其技术发展较 早，且在通用电气公司对于该技术专利进行垄断后， 这些公司在 该领域的研究也逐步增加，但这些公司的技术申请并没有大举 进入中国市场。
2 技术分析及其发展趋势
金属增材制造中使用的支撑结构通常可按支撑结构形状分 为块状结构、柱状结构、网格结构以及复合结构四大技术分支， 其中，块状结构技术是所有技术的基础，属于早期技术，目前已 很少采用该技术，本文不作分析，柱状支撑结构申请量最大，属 于目前主流技术， 研究出的形式多种多样， 而网格支撑是新兴技 术，但其数量并不大， 是因为在其基础上复合支撑结构具备更加 优异的效果， 从支撑效果和节省材料成本综合考虑， 复合支撑将 成为未来的主流支撑结构形式。
2.1 柱状支撑结构
柱状支撑结构技术是目前支撑结构的主流技术，其具备支 撑效果好、节省材料的共同优势，针对柱状支撑结构相较于传 统的块状支撑存在支撑接触面积小、支撑效果差的缺点，其发 展路线基本可以概括为经历了对柱状支撑结构进行支撑、改进 柱状结构的上端形状、以及改进整体支撑结构三个方向的技术 改进。2014 年起，对柱状支撑进行交错式的支撑以提高其支撑 效果的专利大量出现，其中具有代表性的为WO2015/019070、 WO2015/145346、CN106180708 等 ；2016 年起，开始出现树枝状 的支撑结构，其中，西安铂力特激光成形技术有限公司提出的 CN106853527包括柱状支撑主干 1、沿支撑主干圆周均匀分布的 一级分支2，沿每个一级分支的圆周均匀分布的二级分支3，2017 年成都优材科技有限公司提出 CN107856311 一种用于 3D 打印 的树形支撑结构，具有树干，在树干顶部具有至少两根树枝，在 树枝的顶部设有插入零件的上插入部，上插入部的长度为打印 层厚的 1 ～ 4倍。通用电气公司针对柱状支撑结构进行了大量的 申请， 代表性的有 CN106853527、EP3205423A1、EP3205426A1、
US20180141122A1、WO2018106371A2、US20180154441A1、US20190009368A1、EP3205422A1。
2.2 网格支撑结构
网格支撑结构技术属于新兴技术，对其进行的研究经历了 网格本身——梯度网格——实体网格复合的路线 ；2017 年，西 安国宏天易智能科技有限公司提出了，支撑结构包括若干个在 同一平面上呈阵列布置的支撑单元 ；每个支撑单元包括若干个 支撑单体， 支撑单体为水平方向设置的空管结构， 以空管的长度 方向为X 方向，若干个支撑单体在Y 方向和 Z 方向上均呈阵列 设置， 相邻支撑单元通过空管管壁相互连接形成支撑单元， 空管 形成支撑单元的侧向出粉通道， 设置生成时， 直接对支撑单元进 行加强保证了其支撑效果 CN107598167A。2018 年之后， 随着申 请量的大幅提高出现了多种梯度网格支撑结构，其中具有代表 性的有，CN110802837 提出了支撑结构包括至少一层支撑区域，每层所述支撑区域具有网格结构，且下层所述支撑区域网格间 距大于上层所述 支撑区域网格间距。根据支撑结构的尺寸参数 确定FDM 设备的打印参数，使用逐层渐变式网格支撑结构，有 效节省支撑结构的材料、减少打印支撑结构消耗的时间，同时， 能够对打印产品起到支撑作用并保证打印产品不塌陷。采用网 格支撑结构技术的专利申请还有 CN110435143、CN109434106、CN108724698、CN109332692、CN109382516、CN109570504、CN109501249、CN208324240、CN208628433。
2.3 复合支撑结构
复合支撑结构技术是目前最前沿的支撑结构，其是从网格 支撑结构发展而来的，综合了实体支撑和网格支撑的优点，其 将成为未来增材制造中支撑结构的主流形式。2017 年，提出了 两种改进，首都航天机械公司和中国运载火箭技术研究院，进 一步提出一种抑制薄壁结构变形的辅助支撑结构 CN108145161。 该辅助支撑结构包括固定连接的网格支撑部分和实体支撑部 分，即辅助支撑结构采用生长方向截面呈“网格 + 实体”形式且 实体部分与网格部分相固连的整体式辅助支撑 ；所述的网格 支 撑部分的下端支撑在实体支撑部分上，在薄壁结构的悬空端与 实体支撑部分间形成支撑 ；所述的网格支撑部分采用薄片式或 “山”字型结构形 式 ；所述的实体支撑部分的上端支撑在网格 支撑部分下端面，下端支撑在成形基板上 ；所述的实体支撑部 分采用“山”字型或“Y”型结构形式。CN107471651A 提出的支 撑结构包括使用第一材料打印的实体部分和使用第二材料打印 的非实体部分，所述实体部分包括网格结构，所述网格结构的 每一个网格单元内及网格单元外均填充有所述非实体部分 ；其 中，所述第一材料的硬度较所述第二材料的硬度大 ；所述网格 结构的网格密度在打印平面内存在变化，和 / 或所述网格单元 的连接边的横截面的面积，沿垂直于所述打印平面的方向存在 变化。该支撑结构不同部位的强度存在差异， 从而能有效防止支 撑结构进行固化过程中或之后受到应力的作用时的应力集中现 象导致的支撑结构开裂的不利影响。具备复合支撑结构技术的 专利申请还 有 CN106475561、CN208615318U、CN209206458U、 CN210755171U、CN111318703。
3 结语
通过以上分析可以看出，金属增材制造中支撑结构技术的 研发具体集中在美国和德国，尤其以通用电气公司为代表的美 国企业一家独大， 而德国公司呈现集中蓬勃发展的态势， 目前通 用电气申请量趋于相对稳定，该公司在金属增材制造中支撑结 构技术领域异军突起， 而且已经在中国开始大规模进行布局， 足 以见其对中国市场的重视， 但其他国家申请数量偏少， 研究数量 不多，目前中国在该方面技术也有一定量的研究，但在申请量 方面以及研究深度方面都尚未达到一定规模 ；从目标市场申请 量方面分析可以看出，中国在该领域的市场还是很有发展潜力， 中国申请人也应多研究和借鉴通用电气公司的该领域的前沿技 术，增强我国该方面技术的竞争实力。
参考文献
[1] 杨铁军， 产业专利分析报告（第 18 册）——增材制造， 知识产权出版社， 2014.
[2] Deckard Carl R.Method and Apparatus for Producing Parts by Selective Sintering:United Stats Patent Office,4863538[P].1989.
[3] 苏功鹤， 中国 3D 打印产业的战略定位与发展， 天津大学硕士学位论文， 2014.
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