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【今日头条】军工领域增材制造设备供应商Arcam公司专利分析

海鹰资讯2021-09-12 08:54:24
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Arcam 公司是一家瑞典企业,专门从事航空航天领域和医疗领域的增材制造设备制造和技术服务工作。自成立以来,该公司共推出了三代产品,包括2003年推出的第一代产品S12,2007年于2009年推出的第二代产品A1和A2,2013年推出第三代产品Q10和Q20。


Arcam 公司的增材制造技术为电子束熔融技术(Electron Beam Melting,EBM),EBM技术是一种以高能电子束为热源的金属增材制造制造技术,其工作原理是:取粉器铺放一层预设厚度的粉沫;电子束按照CAD文件规划的路径扫描并熔化粉末材料;扫描完成后成型台下降,铺粉器重新铺放新一层粉沫。这个逐层铺粉—熔化的过程反复进行直到零件成型完毕。


电子束熔化成型技术与激光金属快速成型技术相比具有成形过程中电子束的能量利用效率高;电子束的偏转聚焦控制更加快速、灵敏;电子束偏转聚焦系统不会被金属蒸镀干扰;成型在真空环境中进行,避免了材料氧化等优点。总之EBM技术可以使用更低的能量的情况下制备更加精细的物体,可用于制造钛合金金除油器、钛铝合金发动机低压涡轮叶片等复杂零部件,在航空航天和医疗领域具有重要应用价值。


Arcam 公司是增材制造领域的国际知名企业,该公司无论在技术研发、市场营销还是专利布局方面都有许多地方值得我国企业借鉴的地方。本文针对Arcam 公司的产品和技术开展专利分析,研究其专利保护策略、技术发展脉络、最新研究进展等问题。



图1 EBM技术原理图


专利申请趋势


截至2015年4月30日,从公开渠道可以检索到的Arcam公司专利共有278件,按照专利技术方案的相近程度,可归并为40项专利家族。


归并后专利申请趋势


将Arcam公司归并后的40项专利家族,按照申请时间展开,可得Arcam公司专利技术发展趋势,如图2所示。



图2 归并后专利申请趋势图


产品上市会导致该产品所包含的大部分技术公开,从而使得这些技术无法申请专利,于是,一般情况下,公司会在产品上市前,将大部分技术申请专利保护。因此,本文以Arcam公司三代产品上市的年份,将该公司专利技术发展趋势划分为四个阶段。第一阶段是1993年至2003年,这一时期,Ralf Larson发明了以高能电子束为能量来源的增材制造技术——EBM技术,Arcam公司以此为基础,开发了第一代产品S12。第二阶段是2004年至2009年,这十年中,Arcam公司有了进一步发展,开发了第二代产品A1和A2。第三阶段是2010至2013年,这一阶段,增材制造技术为各界所重视,对EBM的需求日益增长,Arcam公司开发了第三代产品Q10和Q20。第四阶段是2013年以后,Arcam公司依然不断开展EBM技术研发,为第四代产品的推出开展技术积累和专利储备。


每一项专利家族代表着一项技术创新,专利家族的多少直接反映出技术创新的强弱。第一阶段平均每年有0.81项专利家族,第二阶段平均每年有1.5项项专利家族,而第三阶段年平均专利家族数已达到3.75项,第四阶段仅有2014年的不完全统计结果,但这一年专利家族数就已经高达6项。由此可见,Arcam公司在不断开展技术创新,并且技术创新的强度也在不断增加。


不归并专利申请趋势


将Arcam公司不归并的278件专利按照申请时间展开,可得Arcam公司不归并专利申请趋势,如图3所示。



图3 不归并专利申请趋势图


由图3可知,Arcam公司针对EBM技术,进行了大量的专利布局。平均每项专利家族有6.95件同族专利,即每项技术有6.95件专利保护。可见,该公司专利保护意识和力度非常强大。Arcam公司在第一阶段申请的专利最多,特别是在2003年一年申请了50件专利,达到了专利申请的峰值。但是该阶段专利布局有突击申请的迹象。而在第二阶段,年专利申请量变化相对较小,体现出了计划性和常态性。在第三阶段,年专利平均申请量(12.3件)略少于第二阶段的年专利申请量(15.3件),而由上节分析结果可知公司的技术创新量却在增加,说明出该公司的专利申请考虑了专利成本问题。由此可以看出Arcam公司的专利保护策略经历二十年的成长而日趋成熟和稳健。


专利技术发展情况分析


各阶段技术发展分析


EBM技术主要分为装置整体设计、电子束发生器、真空室、铺粉系统、扫描策略、监测、加工材料、烟尘防治和模型设计等技术领域。经分析发现,Aracm公司的技术发展具有阶段性特征。


根据专利分布情况可得Aracm公司的专利技术发展可分为四个阶段。1993至2003年,公司推出第一代产品时期,只研发了整体技术、铺粉和扫描策略等基本技术。2004至2009年,公司推出第二代产品时期,不仅发展了装置整体技术,还改进了铺粉技术、研发了具有预加热功能的扫描策略、中断电子束加热防止烟尘等技术。2010至2012年,公司推出第三代产品时期,增加了更加精确的铺粉技术、全面规划的扫描策略等技术,还增加了表面质量逐层检测技术、以及真空室和加工材料等方面的技术。在2013年以后的第四代阶段,虽未有装置整体专利,但是真空室、铺粉、扫描策略、监测、烟尘防治等技术分支有了最新技术的进展,特别是增加了新型电子束发生装置技术和电子束控制技术。



图4 技术领域宏观分布图


各技术发展过程分析


由专利布局情况可以得出技术发展情况。Arcam公司EBM技术包括装置整体设计、电子束发生器、真空室设计、铺粉系统和技术、扫描策略、监测、加工材料、烟尘防治、模型设计等技术领域。各技术领域专利技术分布情况如下表所示。


表1 专利技术领域微观分布情况



由Arcam公司的专利技术领域分布情况,可以得出该公司的技术分布情况,结合各专利的申请时间,可以分析出各技术的发展路线,以铺粉系统与技术为例,具体分析如下。


Arcam公司于2002年在专利SE200203684D0中公开了第一项铺粉技术,具体为一种粉末分配器,分配器与真空室外部通过开关连通,这样无需打开真空室即可补充粉末,由此解决了以往在在加工零部件时,如果出现粉末用尽的情况,就必须中断加工,打开真空室,加入粉末,重新抽真空的问题,从而提高加工效率。


此后,在2005年Arcam公司有开发了粉末分配器和融为一体的铺粉装置。传统的铺粉装置中,粉末分配器和贮存器是分开的,这样会造成粉末进入机械狭缝,在高温环境下凝固而阻塞机械造成故障的问题。一体化设计后,减少了粉末转运环节,消除了阻塞机械的隐患。


在2009年,Arcam公司开发了粉末分配器垂直于运输方向的弹性部件,该部件可以提高粉末分配器的性能。此外Arcam公司开发了测量新铺粉末厚度的方法,通过测量新铺粉末温度的上升速率,从而获知粉末的铺设厚度,可以在粉末分配不正确的情况下,简单有效地重新施加一粉末层。


2012年,Arcam公司开发了旋转撒料斗,可以把粉末分布的更加均匀。另外还开发了通过加热表面一层粉末,从而去除其中的水分的方法,一次提高加工的质量。


2014年,在铺粉方面,Arcam公司取得了新的进展,一是开发了一种刮平和压实粉末的方法,另外还开发了铺设两种不同粒径粉末的方法。由于粒径不同,小的颗粒可以填充大的颗粒产生的缝隙,从而增加了粉末的密实程度,提高了粉末的加工效果。



图5 铺粉技术发展路线


产品专利布局分析与新产品预测


Arcam公司围绕各款产品分别布局了相关专利,以有效保护公司的智力成果。经过阅读专利文献,并对比各产品性能,可以得出产品对应的特征专利,如下表所示。


表2 产品专利布局表



由上表可知,Arcam公司在2013年以后布局了6项专利,包括US20140314609A1、WO2014170127A1、WO2014187606A1、US20150071809A1、WO2014206720A1、WO2015039817A1等。这6项专利描述的技术特征在目前产品中并未涉及,由此可以推测,Arcam公司下一代最新产品将具有这些最新性能,具体如下。


铺粉方面


专利US20140314609A1显示,新产品将采用全新的铺粉装置,该装置用于铺设粉末的刮板是一片弯折的柔性金属片,弧顶正对粉末,既可以刮平粉末,又可以压实粉末,使加工的材料性能更优。


另一专利US20150071809A1显示,Arcam公司最新开发了一种可以铺设两种不同粒径粉末的铺粉装置,这样小颗粒的粉末可以填充大颗粒粉末的空隙,进一步提高铺粉的紧密性。其中,较大颗粒的直径为15-105微米,较小颗粒的直径为25-45微米。


电子束控制方面


在电子束控制方面,Arcam公司最新开发了通过矫正电子束来解决制作大尺寸零件的位置偏差问题,如专利WO2014206720A1所述。另外专利WO2014187606A1显示,Arcam公司最新开发了新技术,可以通过电子束控制,解决电子束重合的搭接区质量问题。


扫描策略方面


在扫描策略方面,Arcam公司创新地提出,在分区域同时扫描时,某一区域不等其他区域完成,即开始本区域的下一步扫描的新扫描策略,可以提高大型机构的加工效率。这方面技术还应有相应的软件著作权。


烟尘控制方面


这烟尘控制方面,Arcam公司在待加热的粉末层上涂一层涂层,可以减少粉末烟尘,缩短加工时间,减少粉料损耗的问题。其中涂层可通过溅射、化学气相沉积、物理气相沉积、高能离子束加工等方式涂覆,涂层材料为陶瓷或聚合物,且导电率高于待加工粉末。


总之,通过专利分析,可以预测Arcam公司下一代EBM设备将具有这些新功能:可以铺设多种颗粒的粉末,可以多区域不同步扫描,无烟尘更省材料速度更快等。


发明人分析


表3 发明人专利总量排名



由上表可知,Arcam公司拥有专利家族数量最多的是Morgan Larsson和Ackelid Ulf两人,他们均为公司贡献了10项专利家族。紧随其后的是Ljungblad Ulri和Snis Anders,他们分别均为公司贡献了9项和7项专利家族。Larson Ralf虽然只有一项专利,但是他是EBM技术的最早发明人,可谓该领域的开山鼻祖。


表4 主要发明人的技术领域分布



上表显示了Arcam公司的发明人所擅长的技术领域分布情况。Larsson Morgan在扫描策略技术领域申请了5项专利家族。Ackelid Ulf在铺粉技术领域申请了4项专利家族。 Ljungblad Ulric不仅在铺粉技术领域申请了3项专利家族,并且还在电子束设计领域申请了3项专利家族。这些发明人的专利家族申请数量远远超过了该公司的平均水平,说明Larsson Morgan是扫描策略技术领域的专家、Ackelid Ulf在铺粉技术领域技术最强,Ljungblad Ulric不仅擅长铺粉技术,还擅长电子束技术。



图6 主要技术人员专利申请年度分布图


Arcam公司的发明团队经历了代际成长, Morgan Larsson是早期的重要发明人,主要活跃于2000年至2008年, Ackelid Ulf是另一位重要发明人,活跃于2005年至2015年。Morgan Larsson和Ackelid Ulf是Arcam公司的两代技术带头人。两人均为公司贡献了10项专利家族,Ackelid Ulf发明活跃时间为10年,Morgan Larsson发明活跃时间为9年。两人可谓Arcam公司的“老黄牛型”功勋发明人。


Ljungblad Ulric和Snis Anders是2005年以后比较活跃的发明人。Ljungblad Ulric在短短6年内贡献了9项专利家族,属于创新效率较高的技术人才。Snis Anders在工作的前8年内只做出了3项发明,而在2014年做出了4项发明,可见他是一名厚积薄发型的技术人才。此二人掌握了大量下一代产品的技术,是Arcam公司未来发展较为重要的技术人才。


公司市场方向与专利布局分析



图7 公司客户分布


由图7可知,欧洲和亚洲是Arcam的主要目标市场,该公司在主要目标市场布局了大量专利。如图8所示,Arcam公司的所有278项未归并专利的申请目标大洲分布情况。Arcam公司的专利在欧洲、亚洲、北美洲、南美洲均有分布。其中欧洲专利最多有112件,其次是亚洲有82件,第三是北美洲有51件,而南美洲、大洋洲各仅有1件专利。



图8 专利地域分布


其中,Arcam公司在欧洲不同国家的专利分布是不同的。Arcam公司是瑞典企业,因此,在本国的专利申请占了所有欧洲专利申请的46%。此外,德国、俄罗斯、奥地利等国家有专利分布。


在亚洲市场,Arcam公司最看重在中国的专利布局。共申请了27项中国专利,占所有亚洲专利的三成。这一方面反映出中国市场对新型制造技术的需求巨大,另一方面也说明了中国的EBM技术发展面临来自Arcam公司专利的巨大挑战。


Arcam公司目前在中国已经授权的专利有8件,如下表所示。我国企业开展EBM技术的生产销售等经营行为,要特别注意规避这些专利的保护范围。


表5 中国专利布局



结 论


根据专利分析的结果,可以得出如下结论:


在技术创新方面:


(1)Arcam公司技术研发创新的势头迅猛,每一阶段都有新技术产生。并且公司创新具有延续性,形成了明显的技术路线。


(2)Arcam公司的发明团队经历了代际成长,第一代发明人是Morgan Larsson,第二代发明人是Ackelid Ulf。近年来还涌现出了Ljungblad Ulric、Snis Anders等众多新发明人,发明人具有各自的特点,形成了合理的人才组合。


(3)最新技术特征


Arcam公司下一代EBM设备的功能更加强大,在铺粉、电子束控制、烟尘控制、扫描策略方面具有创新,可以铺设多种颗粒的粉末,可以多区域不同步扫描,无烟尘,更加省材料,加工速度更快等特点。


专利保护方面:


(1)Arcam公司专利保护的策略成熟稳健,经历了只有整体装置专利,到有突击申请迹象的多领域保护,到全方位、计划性、常态性布局的成熟过程。


(2)Arcam公司在每一项产品上市之前,均开展了周密的专利布局,从申请时机、主题划分、布局国家等多角度考虑专利布局策略,有效保护技术成果。


(3)Arcam公司注重将中国作为亚洲市场的主要发展方向,公司在中国的专利占据亚洲专利的三成,公司的中国专利目前有8件已经授权。我国企业发展EBM技术需注意规避这些专利的保护范围。(文/李峰)






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