图5   模具制造领域3D打印技术全球专利申请人排名（前10）

在中国排名前10的申请人中（见图6），除位居第一的美国通用电气公司外，其他均为中国本土的企业或高校，其中高校4家，分别为华中科技大学、中国科学院金属研究所、西安交通大学、重庆大学。华中科技大学重点关注选择性激光烧结技术、3D打印随形冷却水道及其应用；中国科学院金属研究所重点关注3D打印技术在高温合金熔模精密铸造领域的应用；西安交通大学重点关注光固化成型制作树脂注射模及注射方法、3D打印技术的陶瓷铸型制造方法；重庆大学重点关注电弧增材与激光熔覆制备热冲压模具镶块的方法、随形冷却水道的热冲压成形模具镶块的制备方法。5家企业分别为东莞市康铭光电科技有限公司、北京机科国创轻量化科学研究院有限公司、铂力特（江苏）增材制造有限公司、上海镭镆科技有限公司、共享铸钢有限公司。北京机科国创轻量化科学研究院有限公司重点关注砂型3D打印成型技术，铂力特（江苏）增材制造有限公重点关注3D打印压铸模/注射模；上海镭镆科技有限公司重点关注3D打印随形水路研究；共享铸钢有限公司重点关注铸造行业生产铸件的3D打印砂型技术研究。

图6   模具制造领域3D打印技术中国专利申请人排名（前10）

2.5 技术路线分析

图7所示为基于专利文献信息分析的3D打印技术在模具制造中应用的主要技术发展路径和关键技术节点。在萌芽期（1972-1998年），分层实体制造技术、光固化快速成型技术、熔融沉积成型技术、选择性激光烧结技术、电子束熔融技术、选择性激光熔融技术等3D打印技术逐渐在美国、德国等欧美国家发展。光固化快速成型技术（AU7550396A）、熔融沉积在消失模制造的应用（US5824250A）、选择性激光烧结SLS技术在注射模的应用（AU4157496A）以及金属/大型压铸模（DE19856783）等专利相继申请公开。这一时期3D Systems公司、麻省理工学院、Stratasys公司等专利申请人起到了技术引领的作用，美国3D Systems公司、Stratasys公司在这期间推出了快速成型设备，麻省理工学院发明了快速成型技术（three-dimensional printing，3DP），提出了利用粘接剂将金属、陶瓷等粉末黏结成型技术。

图7   3D打印技术在模具制造中的应用专利技术路线

在技术发展期（1999-2013年），3D打印技术逐渐成熟并广泛应用于模具制造领域，除欧美国家外，其他发展中国家的3D打印技术在模具制造领域的应用也得到了快速发展，能应用于复杂内部铸件的制造。在这一时期，美国通用电气公司申请了光固化快速成型失蜡熔模精密铸造应用于燃气涡轮机部件（GB2465181A）、直接金属烧结/选择性激光烧结复杂内部铸件的制造（EP2517808A2）专利，并在多国和地区申请了同族专利。中国3D打印技术在模具制造领域的应用也得到了发展，以华中科技大学为代表，在这一时期申请了8件专利，其中包括美国专利（熔融沉积成型用于制造零件和模具的方法（US20130197683A1））和PCT专利（零件与模具的熔积成型复合制造方法（W02011127798A1）），其最早公开的专利（CN1093446C）提出了分层物体制造的金属模具技术，此外，还公开了选择性激光烧结快速直接制造注塑模具的方法（CN1970202A），具有随形冷却流道的注塑模具镶块的快速制造方法（CN1850396A）等专利。

自2014年3D打印技术实现突破发展，3D打印产品线拓展到普通消费者，可兼容多种材料的立体光固化3D打印机和SLS工艺打印机的推出，美国惠普公司开发了多射流熔融（multi jet fusion，MJF）3D打印技术，3D打印在太空舱、空中客机、心脏植入医疗器械、火箭等领域的应用，推动了其在模具制造领域的应用。在光固化成型领域，日本专利（JP2021518271A）公开了一种数字光处理DLP用于填充熔体的模具的制造方法及模具；2022年浙江大学公开了PCT专利（WO2022170820A1），用于软硬组织缺损同步修复仿生复合支架的3D打印成型方法；韩国生产技术研究院2019年公开了在制造人工器官模具中使用熔融沉积法（KR1020170051754）；2021年Siemens公司公开了熔融沉积成型人工器官消失模铸（WO2021164026A1）。在粉末熔融技术方面，韩国专利（KR1020200140750A）公开了选择性激光烧结制造具有精细图案的金属模具的方法；2021年Continental Reifen Deutschland公司的PCT专利（WO2021254653）公开了选择性激光烧结制造车辆硫化轮胎模锻件的方法；2022年中南大学公开了激光熔覆氮化制备刀模的方法（CN113118457B），利用在激光熔覆过程中载气和保护气实现金属粉末在沉积过程中的氮化，实现了高性能刀模的制备。在随形冷却水道方面，随着激光功率、光斑聚焦以及模具钢粉末等关键技术的突破，金属3D打印技术在注塑模具随形冷却水道制作中的工程应用得以实现；2018年重庆大学公开了基于电弧增材与激光熔覆制备热冲压模具镶块的方法（CN108746375A），通过在基体上预先设置与随形冷却水道形状相适应的管道，再依次电弧增材过渡层、激光熔覆强化层，解决热冲模镶块存在冷却效率低、使用寿命短且随形冷却水道难以加工的问题。韩国专利（KR1020220139808A）公开了具有形状自适应冷却通道的模具铸件，通过拱形辅助通道将冷却通道与辅助通道隔开一定的距离，保证了模具的耐用度，降低了模具内的热偏差。

2.6 重点核心专利

被引频次和被引持续时间在一定程度上反映对象在某领域研发中的基础性和引导性，通过专利被引频次和被引持续时间来筛选核心或重点专利是专利引文分析方法中最典型的应用。同时，同族专利也是评价重点专利的一个关键性指标，同族专利在专利家族中越多，显示专利家族规模越大，在全球区域布局越广，说明布局中花费专利成本较多，也是核心技术相关专利。综合被引频次、被引持续时间、同族数量、同族国家或地区等几项客观评价指标，筛选3D打印技术在模具制造领域应用研究的重点核心专利（见表3）。US7125512B2、US7255821B2、US7087200B2三件专利的被引频次均超过100次，US20150375419A1专利被引频次为73次，该专利是2016年申请，目前仍然在有效期内。从被引的持续时间可以看出，以上专利从申请之日起就在业内受到了持续的关注，是该领域内基础和核心的专利。4件专利均在全球多个国家和地区布局多项同族专利；专利US7125512B2、US7255821B2经历了1次转让，受让人都是美国Stratasys公司；专利US20150375419A1经历了2次转让，受让人分别是德国Voxeljet公司和瑞士的Fluidsolids公司；专利US7125512B2、US7255821B2、US7087200B2涉及了熔融沉积成型技术；专利US20150375419A1涉及了一种基于粉末床的逐层制造水溶性铸模的方法。

表3   3D打印技术在模具制造领域应用研究的重点核心专利

（内容来源：模具工业）