企业专利信息推送 | 3D打印技术（第四期）

激光近净成型技术是无需后处理的金属直接成型方法，可适应多重金属材料的成形，成形得到的零件组织致密，具有明显的快速熔凝特征，力学性能很高，并可实现非均质和梯度材料零件的制造。20世纪90年代中期，UTC与美国Sandia国家实验室合作开发了使用Nd:YAG固体激光器和同步粉末输送系统的激光近净成型技术，1996年Sandia国家实验室对用激光照射喷嘴输送粉末气流的技术方案进行保护（公开号：US5568499A）。1998年以来，美国Optomec公司致力于LENS技术的商业开发。

计算机将零件的三维CAD模型分层切片，得到零件的二维平面轮廓数据，该数据又转化为数控工作台的运动轨迹。同时金属粉末以一定的供粉速度送入激光聚焦区域内，快速熔化凝固，通过点、线、面的层层叠加，最后得到近净成型的零件实体，成型件不需要或者只需少量加工即可使用。激光近净成型技术可实现金属零件的无模制造，节约大量成本。

图1 激光近净成型专利技术的全球申请国别分布图

从激光近净成型技术的专利申请量国别分布来看，中国、美国、日本、德国澳大利亚和韩国占据了申请量排名的前六位。

图2 激光近净成型专利技术的全球申请人类型分布图

在激光近净成型的全球申请人类型中，公司申请以222项占据总申请量份额的70%。公司申请所占份额较大，是因为激光近净成型技术对原材料、设备和前期研发投入的资金压力大，在价值链的上游相关设计、研发和试验需要大量的资金投入和较长的试验时间。进行产出和专利技术的研发前，需要与产业链的高性能需求有机对接，航空航天系统的零配件生产可使用激光近净成型技术，该技术有利于解决航空航天系统中钛合金等贵金属复杂零部件加工，有效减少存货和浪费。大学申请为69项，占据总申请份额的22%。研究机构和个人的专利申请量较少。

中国的激光近净成型技术具有“产学研”协同创新和技术成果产业化的特点，最具代表的为中航天地激光科技有限公司（由北京航天航空大学的万华明教授团队成立）和西安铂力特激光成型技术有限公司（由西北工业大学的黄卫东教授成立）。

在中国申请人中，北京航空航天大学和西北工业大学将激光近净成型技术研发和应用集中于成型大型钛合金零部件。下面对北京航空航天大学和西北工业大学的专利申请进行综述。

北京航空航天大学教授王华明教授团队开辟“快速凝固激光材料制备与成型”研究新领域，建成先进的“激光材料加工制造技术实验室”，在先进材料快速凝固激光制备领域与成型制造领域取得多项原创性成果，并在航空发动机及飞机上得到应用。2012年北京航空航天大学王华明教授的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”获“国家技术发明一等奖”。

 发明人团队

在专利申请发明，以王华明教授为核心的激光近净成型技术发明人团队共申请发明专利14项，其中有效专利2项，进入实质审查阶段专利1项，其余11项专利均失效。该团队因未缴年费放弃对其专利技术的保护。

图3 北京航空航天大学教授王华明团队发明人构成图

 有效专利分析 

与原放弃专利保护钛合金材料不同，现存有效专利保护的是一种旋转轴外置的激光增材制造装置（CN205096540U）和柔性气囊式可控气氛装置（CN101637710B）。

图4 专利CN205096540U的装置示意图

现有带旋转轴的激光3D打印装置均将旋转轴置于密封腔内部，然而，旋转轴电机及其变速传动机构作为精密转动部件，包含齿轮等精密部件且使用润滑油。专利CN205096540U为解决在激光3D打印过程中，密封腔体内的粉末、散射激光、高温等将导致其齿轮卡滞、润滑油汽化等问题，将旋转轴置于密封腔外部，通过连杆穿过密封腔壁实现传动，从而使旋转轴免受粉末、高温和散射激光辐照的危害，致使旋转轴能够长时、稳定工作。

专利CN101637710B的目的是提供一种柔性气囊式可控气氛装置，该装置由柔性气囊和腔体构成，柔性气囊与腔体采用密封方式连接。金属加工设备的操作台置于本发明设计的装置中。该装置不需要抽真空所需的真空泵组，以及一个刚性的真空箱就能实现一个可控气氛的操作环境。本发明设计的装置改变了现有抽真空的方式，从传统的被动抽成真空状态转换成柔性气囊主动吸贴达到真空状态。

该发明的柔性气囊式可控气氛装置，在抽气过程中，柔性气囊向腔体内壁、操作台的逼近称为主动吸贴。该主动吸贴方式排出原腔环境中的气体，提高了向外排气的速度，节约了抽真空的时间。在充入可控气体过程中，柔性气囊被舒张开，从而形成金属加工的操作环境。

西北工业大学黄卫东教授团队以凝固技术国家重点实验室为依托，研发的技术直接使用技术材料制作零件或近形件，后续的机械加工量很小，其研发产品主要应用于航空装备，其在材料利用率、研制生产周期、总成被等方面较传统制造工艺具有一定的优势。

2011年，西安铂力特激光成型技术有限公司在上述团队成员基础上成立，其主要从事高性能致密金属零件的激光增材制造，材料涵盖钛合金、高温合金、铝合金、不锈钢、模具钢等40多个品种。2014年，在中国航材集团公司的引荐下，西安铂力特有限公司将参与空中客车公司客机、斯奈克玛LEAP发动机等航空用零部件的研发与生产合作项目。

黄卫东教授以西北工业大学为申请人共申请专利21项，有效专利13项，其中8项专利转移至西安西北工业大学资产经营管理有限公司。

西安铂力特激光成型技术有限公司共申请专利16项，有效专利8件，其中一件专利已获得质押保全，专利名称为一种铝合金导向叶片缺陷的激光快速修复方法和设备。

美国Optomec公司于2000年申请专利PCT/US2000/009287，首次提出激光近净成型系统的完整框架，其中该系统由计算机、高功率激光器、喷嘴式铺粉器和三维工作台四部分组成。该专利共涉及40条权利要求，被引169次，已进入加拿大、欧洲、日本和美国等国家，同族专利共计61件，此充分体现了该专利技术的重要性，其具体组成如图5所示。

图5 专利PCT/US2000/009287中的激光近净成型系统图

在激光近净成型系统中，计算机将参与激光近净成型全部过程，该过程包括两个阶段：1）成型准备阶段。建立零件的CAD实体模型，并将该CAD实体模型转换成STL文件，对零件的STL文件进行切片处理，生成一系列具有一定厚度的薄层及每一薄层的扫描轨迹。2）成型加工阶段。对系统中各部件，包括激光器光闸、校正光开关、保护气气阀、铺粉电机、活塞电机以及工作台电机等，进行统一指令下的有序控制，完成金属零件的加工过程。

在激光近净成型系统中，激光直接融化金属粉末，实现熔覆作用，因此要求高功率激光器，产生的激光用具有柔韧传输特性的光纤进行传输。

在Sandia国家试验室中，激光近净成型系统采用喷嘴将金属粉末喷射到高功率激光的焦点处使粉末熔覆，Optomec公司作为Sandia国家实验室的合作伙伴，基本上完全继承了喷嘴式的送粉装置。

激光近净成型系统中采用三维工作台来实现平面扫描运动。具体做法是将激光头固定在工作台的悬臂上，使激光头随工作台一起平面运动，实现逐点熔覆直至获得一个熔覆界面，然后工作台竖直下移，依次完成另一个熔覆截面。