前序

3D打印在醫療、航天等領域有較廣泛的應用，是一種以數字模型文件(jiàn)爲基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可(kě)粘合材料，通過逐層打印的方式來(lái)構造物體(tǐ)的專利技術(shù)[1]。金屬钛強韌、質輕、而且具有很好的生(shēng)物相(xiàng)容性和耐腐蝕性，高質量、低成本的钛金屬粉末已經用于金屬3D打印[2]。但(dàn)目前國(guó)内的3D打印球形钛粉制備專利技術(shù)較弱，主要依賴進口的生(shēng)産工(gōng)藝及設備[3]。本文試圖從(cóng)專利技術(shù)路(lù)線的角度對3D打印球形钛粉的制備進行分(fēn)析，從(cóng)提升産品性能的角度研究3D打印钛粉制備工(gōng)藝路(lù)線。

一、專利技術(shù)路(lù)線圖定義

專利技術(shù)路(lù)線圖是一種結構化的規劃方法，橫向上它可(kě)以将過去(qù)、現在和未來(lái)統一起來(lái)，縱向上可(kě)展現不同的類别，既能描述現狀，又可(kě)以預測未來(lái)。專利技術(shù)路(lù)線圖分(fēn)傳統技術(shù)路(lù)線圖和專利技術(shù)路(lù)線圖。相(xiàng)比于傳統專利技術(shù)路(lù)線圖，專利技術(shù)路(lù)線圖具有客觀、全面、細節突出的優點，因此，在企業應用層面，專利技術(shù)路(lù)線圖可(kě)用于技術(shù)規劃、技術(shù)路(lù)線選擇、産品開發等更爲微觀的層面[4]。

本文從(cóng)專利技術(shù)路(lù)線的角度對3D打印球形钛粉的制備進行分(fēn)析，研究3D打印钛粉制備工(gōng)藝并提出筆者的一些看(kàn)法供本領域專利技術(shù)人(rén)員(yuán)參考。

二、3D打印球形钛粉的制備方法

3D打印的質量跟钛粉的性能十分(fēn)相(xiàng)關，3D打印钛粉必須滿足球形度高等要求，其中球化率是每種制備工(gōng)藝的關鍵指标。目前3D打印钛粉的球形制備方法主要包括氣霧化法、離(lí)心霧化法及等離(lí)子球化法。氣霧化法通常是采用坩埚将原料棒熔化，通過噴嘴将溶液用高速氣體(tǐ)打散，使金屬液呈噴霧狀，進而冷(lěng)凝形成球形钛粉；離(lí)心霧化法實質上是采用離(lí)心力将熔融钛甩出并粉碎爲細小液滴，冷(lěng)凝後得(de)到球形钛粉；等離(lí)子球化法是将形狀不規則的钛粉末顆粒送入有一定溫度的等離(lí)子體(tǐ)炬中，粉末在通過等離(lí)子體(tǐ)炬時被迅速加熱(rè)而熔化，在表面張力的作(zuò)用下形成球形度很高的液滴，并迅速凝固冷(lěng)卻從(cóng)而獲得(de)球形的钛粉（參見(jiàn)圖1）。

圖1 3D球形钛粉

三、3D打印球形钛粉制備分(fēn)析

本文從(cóng)專利技術(shù)的角度出發，分(fēn)析3D打印钛粉的關鍵指标“球化率”的技術(shù)發展路(lù)線，厘清不同制備方法對球化率的影(yǐng)響。

1、3D打印钛粉球化率的專利技術(shù)路(lù)線圖

從(cóng)3D打印钛粉重要指标“球化率”出發，檢索3D打印钛粉氣霧化法、離(lí)心霧化法及等離(lí)子球化法國(guó)内外相(xiàng)關專利。以企業自(zì)身(shēn)的投入指标（例如(rú)同族專利數）、作(zuò)爲在後專利技術(shù)的基礎（例如(rú)被引證次數）、領先企業的權利人(rén)等作(zuò)爲初步篩選依據，并綜合考慮該專利是否反映出了市場的需求、是否解決了行業内亟待解決的技術(shù)難題、是否爲相(xiàng)關的關鍵技術(shù)及是否反映了最新的技術(shù)動向，進而确定每個時間段的典型代表專利，同時繪制專利技術(shù)路(lù)線圖要綜合考慮非專利信息。

圖2钛粉球化率的專利技術(shù)路(lù)線圖采用泳道圖的表達方式，橫軸代表時間段，縱軸分(fēn)别代表了事(shì)件(jiàn)及三種3D钛粉的制備方法，是基于時間的多層次表達方式。

圖2 钛粉球化率的專利技術(shù)路(lù)線圖

2、钛粉球化率的專利技術(shù)路(lù)線分(fēn)析

圖2钛粉球化率的專利技術(shù)路(lù)線圖的事(shì)件(jiàn)體(tǐ)現了3D打印钛粉技術(shù)的發展及應用，泳道不同時間段出現的典型代表專利，展示了三種制備方法在同一時間軸上的技術(shù)發展、演化情況，反映了三種制備方法發展的方向、側重點，從(cóng)中能看(kàn)出不同钛粉制備方法球化率是如(rú)何逐步的提高，也能看(kàn)出目前爲提高球化率而采用的先進專利技術(shù)。

1985年(nián)美國(guó)匹茲堡坩埚材料公司提出了水冷(lěng)銅坩埚制取球形钛粉，同時其申請(qǐng)了氣霧化法的冷(lěng)卻劑及冷(lěng)卻結構方面的專利。經過多年(nián)發展，钛粉的球化率越來(lái)越高，钛粉品質已逐漸能滿足高性能金屬構件(jiàn)制造，钛粉3D打印已能滿足植入人(rén)體(tǐ)需求，美國(guó)的離(lí)心霧化法專利保護了這種高性能的钛粉制造方法，2014年(nián)，亞洲某醫院完成了首例钛合金3D打印骨盆腫瘤假體(tǐ)植入術(shù)[5]。

氣霧化法主要從(cóng)冷(lěng)卻劑、冷(lěng)卻結構和氣氛控制三個方面改進提高球化率。冷(lěng)卻劑方面，早期提出了噴射冷(lěng)卻液，而噴射霧狀液體(tǐ)是對噴射冷(lěng)卻液的專利技術(shù)改進，現在最常用的冷(lěng)卻工(gōng)藝是噴射冷(lěng)卻氣體(tǐ)，使金屬液滴瞬間冷(lěng)卻固化；冷(lěng)卻結構方面，較早提出了在霧化室内部設置特殊冷(lěng)卻結構，但(dàn)這種措施容易産生(shēng)污染，設置熱(rè)交換器固化腔避免了因接觸而産生(shēng)的污染，近期專利中提出了旋轉冷(lěng)卻裝置，明顯提高了钛粉的球化率；氣氛控制方面，霧化室内部的壓力從(cóng)真空發展到超低氣壓，目前的新專利技術(shù)是負壓輸送。在用氣霧化法來(lái)提高球化率三個方面的改進中，冷(lěng)卻結構的改進點較多，且冷(lěng)卻結構的改進明顯提高了钛粉的球化率。

離(lí)心霧化法主要從(cóng)冷(lěng)卻劑、冷(lěng)卻結構和離(lí)心結構三個方面改進提高球化率。冷(lěng)卻劑方面，通常包括粉末冷(lěng)卻劑或氣态冷(lěng)卻劑，兩種冷(lěng)卻劑分(fēn)别有自(zì)己的特點，都(dōu)提高了钛粉球化率；冷(lěng)卻結構方面，先後設計(jì)了高速旋轉的鼓狀容器和冷(lěng)卻盤，改進的重點都(dōu)在于得(de)到二次霧化的同時提高了冷(lěng)卻速率；離(lí)心結構方面，先提出了通過提高電極旋轉速度以提高霧化效果，随着專利技術(shù)的不斷進步，将旋轉電極與電極振動器連接，附加了霧化盤的振動效果，較好的提高了球化率。在用離(lí)心霧化法來(lái)提高球化率的三個方面中，離(lí)心結構的改進是離(lí)心霧化法的核心專利技術(shù)，提高金屬液的霧化效果是離(lí)心結構的改進方向。

等離(lí)子球化法出現的時間較晚，主要通過可(kě)控等離(lí)子熔煉結構、物料結構配置提高等離(lí)子球化率，等離(lí)子熔煉結構做了持續的改進，也是射頻等離(lí)子球化法的核心，高球化率、高緻密性粉體(tǐ)的熔煉是當前的研發熱(rè)點，不過由于射頻等離(lí)子球化法産業化時間較晚，當前的産業化成熟度尚有待進一步提高。

小結

從(cóng)專利技術(shù)路(lù)線圖的發展趨勢來(lái)看(kàn)，3D打印钛粉三種制備方法提高球化率的側重點不同，三種方法分(fēn)别通過不同的方式提高球化率。氣霧化法、離(lí)心霧化法起步較早，其工(gōng)藝已較成熟，而等離(lí)子球化法受到當前技術(shù)、工(gōng)藝的限制，其球形度還(hái)有待進一步提高，但(dàn)等離(lí)子體(tǐ)熔煉過程條件(jiàn)可(kě)控，等離(lí)子球化法在球化率方面具有優勢，其具有良好的工(gōng)業化前景，可(kě)能是3D打印钛粉産業未來(lái)發展的方向。

[1] 3D Printer Technology – Animation of layering.  Create It Real.

[2] http://xianhuo.hexun.com/2015-12-29/181480931.html

[3] http://finance.ifeng.com/a/20160714/14597530_0.shtml

[4] 專利在「技術(shù)路(lù)線圖」繪制中的應用  龔曉佳

[5] http://xjwww.fmmu.edu.cn/zxdt/sort0165/8526.html