2025年3D列印趨勢：先進晶格、高熵合金

引言：3D列印技術自RepRap計畫以來，已顯著改變製造業。至今已有二十年歷史，隨著3D列印技術的成熟已在各領域中展現出多項優勢，包括減輕重量、設計自由度提升、降低零件數量及靈活的供應鏈等，如GE航空的燃油噴嘴，透過3D列印減輕25%重量，並將20個零件整合為1個，同時提升耐用性。本報導從專利的情報中挖掘近期值得關注的市場、研究主題，以及有哪些高影響力公司進行的專利分析報導。

 

博大國際視野：前瞻技術/3D列印/經濟部產業發展署3D列印產業發展推動計畫

內容摘錄：全球3D列印專利數量持續增長，近年人工智慧（AI）與機器學習（ML）的發展進一步推動增材製造的進步，透過大數據分析與演算法優化3D列印參數，實現了先進晶格的製造和應用，其獨特的結構特性大幅地擴展3D 列印應用的範疇；此外高熵合金在3D列印技術的應用前景也受到相當的關注。介紹近年高技術影響力的專利申請人，包括美國紐約大學(SUNY)、Sandia National Laboratories、Proterial及中南大學等。

壹、  上圖專利歷年申請的趨勢中，可見3D列印技術的發展約從2008年由於RepRap計畫，讓任何人都可以免費獲取設計圖並自行組裝，這之後專利數量開始明顯成長。市場上也陸續出現多款消費級3D列印機，如Darwin、Mendel、Prusa Mendel、Prusa i3、Formlabs，3D列印機價格從數萬美元降到幾百美元。且可應用的材料也越來越廣，如SpaceX探索金屬材料在航太零件應用、哈佛大學使用3D列印技術製作出活細胞組織。以航空零件來說3D列印相較於傳統（如CNC加工、鑄造、鍛造等）製造方法具有多項顯著優勢：

1)      重量減輕(提升燃油效率)：透過Topology Optimization與Lattice Structure，可設計出更輕的中空結構或格狀結構，不影響強度但能顯著減重。以 GE 航空的 LEAP 發動機燃油噴嘴為例，透過 3D 列印製造後，比傳統製程減輕 25%，且更耐用。

2)      設計自由度提升：3D列印無需模具與固定刀具路徑，可直接製造出複雜幾何形狀的零件，如內部冷卻通道、整合式零件等。解決傳統鑄造、CNC加工方法，無法輕易製造出內部中空或流體動力優化結構的問題。

3)      降低零件數量：3D列印可將多個零件整合為單一零件，減少裝配時間與故障點。如GE航空設計的3D列印燃油噴嘴，原本需要20個零件組裝，現在透過3D列印可一體化為1個零件，減少焊接與螺絲連接，提高零件耐用性。

4)      加速開發週期與零件供應：3D列印不需開模，大幅縮短研發與生產時間。如波音、空中巴士等航空公司已經利用3D列印來快速製造新設計的測試樣品，縮短開發週期。傳統方式可能需要數個月製造新零件，而3D列印僅需幾天或數週。

5)      更靈活的供應鏈：3D列印可在現場或靠近使用地點生產，減少零件庫存與物流成本。如NASA 已在國際太空站使用 3D 列印機來製造維修零件，避免昂貴的太空運輸成本。

貳、  約2020年後，隨著人工智慧（AI）與機器學習（ML）的快速發展，新一代的3D列印技術結合 AI、ML輔助設計與優化，帶動增材製造進入新的階段。如AI技術透過大數據分析與演算法優化3D列印參數，減少材料浪費、降低生產時間，並提升產品性能。華盛頓州立大學的研究人員已利用AI優化列印過程，透過「貝氏最佳化」（Bayesian optimization）的機器學習技術提高製造精準度。機器學習的輔助最佳化參數，以實現先進晶格製造、高熵合金製造。這些創新應用，顯示AI與3D列印的融合將徹底改變傳統製造模式。

1)      先進晶格的設計和驗證：在微小的尺度下 3D 列印是唯一可生產先進晶格的途徑，搭配AI、機器學習的輔助最佳化參數，使3D列印能處理微小尺度下複雜的幾何結構，真正實現以 3D 列印製造先進晶格結構，亦大幅地擴展3D 列印能應用的範圍；晶格材料在John Wiley & Sons（2006 年）提出，這些可編程結構材料或晶格，利用獨特材料和奈米級效應達到天然塊體材料所不具備的獨特特性，例如電磁隱形、負熱膨脹或負泊鬆比。(更多資訊，可搜尋美國紐約大學 (SUNY) 在 2013年成立 Hudson Valley Advanced Manufacturing Center (HVAMC) 該中心正推動增材製造的應用和發展，特別是Geometric Reasoning and Artificial Intelligence Laboratory [GRAIL] 實驗室 https://cecas.clemson.edu/grail/The_Lab.html )

以下列舉幾件3D列印先進晶格的專利，其內文中提到特點&優勢：

圖示	應用	特性
US11826952B2 Honeywell	航太、汽車 醫材等	交錯晶格：多體互穿晶格由兩個或多個晶格（IPL）組成的超材料，它們通過同一體積交織或相互穿透，而彼此之間沒有任何直接的物理連接，這迫使負載完全透過摩擦和接觸來傳遞，從而增加了對熱、電、振動和衝擊負載傳輸的阻力應力-電阻率耦合，其靈敏度比商用。使應變計高出一百萬倍(高強度和高韌性)，以及增韌、能量耗散的 IPL，其變形能力遠高於其組成晶格。
US11681269B2 OPT Industries	仿生設計的毛皮、羽毛、編織物、棉花棒	機械超材料：透過結合微柔順性、關節或鉸鏈結構，可以設計和製造表現出負泊鬆比的機械超材料（例如，在垂直於施加力的方向上變厚的拉脹結構或材料，因此具有高能量吸收和抗斷裂性），就可以創建出具有某些結構特性的新機械元件。解決傳統的 CAD 軟體建模，很難精確複製毛皮或羽毛等複雜層次材料的課題。
General Lattice	泡沫充填材料	根據真實數據設計和生成晶格材料，取代傳統泡沫充填材料，大幅提升美國陸軍戰鬥頭盔的衝擊吸收效能，提高士兵的保護和作戰人員的生存能力。

 

2)      高熵合金（HEAs）在3D列印中的應用前景正在不斷拓展，特別是在性能要求較高的領域，如航空航太、汽車製造和醫療器材等。高熵合金的特性如良好的耐腐蝕性、高溫強度和優異的機械性能，使其在積層製造中成為一個極具潛力的材料。

高熵合金（HEAs）在3D列印中的應用面臨多個挑戰。首先，複雜的合金組成使得打印過程中的熱裂紋和變形成為問題其次，控制合金組成與微觀結構穩定性較為困難，且高昂的原料成本和較低的生產速度限制了其大規模應用。此外，列印參數的優化與後處理技術需求高，增加了生產成本。最後，對材料的長期可靠性與質量控制也有較高要求。儘管如此，隨著技術進步AI和機器學習在材料設計、技術優化、質量控制等方面具有強大的潛力，能夠幫助解決高熵合金在3D列印中面臨的諸多挑戰。

列舉 2020-2025補充 高熵合金技術中重要專利申請人：

專利權人	日本Proterial	中國 中南大學	英國Rolls-Royce
介紹	總部位於日本的公司，前身為日立金屬株式會社（Hitachi Metals, Ltd.），於2023年更名為 Proterial。該公司專注於製造特殊鋼和金屬產品，涵蓋汽車、基礎設施和電子等多個行業。 Proterial 的產品包括高性能金屬材料、磁性材料和電子材料，廣泛應用於汽車、工業機器人、智慧型手機等領域。 Proterial 的全球研究與創新技術中心（GRIT）正在積極開發金屬粉末和線材，以支持金屬3D列印技術。該中心的研究還包括利用電腦輔助工程（CAE）來優化材料的性能和列印過程。透過模擬和驗證金屬的特性，能夠快速開發新材料和專用產品，滿足客製化生產的需求。	中南大學的粉末冶金國家重點實驗室（State Key Laboratory of Powder Metallurgy）是中國在粉末冶金領域的重要研究機構之一。該實驗室成立於1989年，致力於粉末冶金及其相關材料的研究與開發，涵蓋了從基礎理論研究到應用基礎研究的廣泛領域。 粉末冶金國家重點實驗室，包括粉末冶金材料的設計與製備、高熵合金（HEAs）的開發與應用、3D列印技術在金屬材質的應用、材料的微觀結構與性能關係研究，探討高熵合金在不同應用的表現表現，推動材料科學的前沿發展。	總部位於英國的跨國公司，專注於航空航太、國防和能源領域的動力與推進解決方案。該公司成立於1906年，現已發展成為全球第二大航空發動機製造商，提供民用和軍用航空發動機、海洋推進系統及電力生成設備等產品。 在高熵合金的3D列印研究中，探索了如何利用金属3D列印技术提高高熵合金的耐腐蚀性和机械性能。
合作名單	日本東北大學，合作開發一種名為「HiPEACE」在拉伸強度和耐腐蝕性能方面表現出色的3D列印高熵合金。該技術採用粉末床熔融（PBF）方法，透過雷射和電子束的結合，使得合金的微觀結構更加均勻，顯著提高了材料的性能。 新加坡製造技術研究所 (SIMTech)，合作開發高熵合金的積層製造技術。旨在利用新加坡的先進製造技術和材料科學研究，並推動高熵合金在航空等領域的應用。	紐西蘭奧克蘭大學，合作在高熵合金的粉末冶金和增材製造技術的研究。雙方共同探索合金元素的調控和熱處理技術，以提高高熵合金的抗裂性和強度，適用於選擇性雷射熔融（SLM）技術。 中國建材總院，展開高熵合金的SLM 製備製程研究，重點在於優化合金的微觀結構和性能，以滿足現代工業對材料的高要求。 中車工業研究院，合作高熵合金在軌道運輸領域的應用，特別是在高強度和耐磨材料的開發方面。這種合作有助於提升軌道運輸設備的性能和安全性 與華南理工大學合作，進行了增材製造高熵合金的研究，重點在於合金的阻裂與強韌化技術。這些研究不僅推動了高熵合金的基礎研究，也為其在實際應用中的推廣奠定了基礎	英國謝菲爾德大學，合作開發新型的焊接填充金屬，利用高熵合金的特性來提升焊接材料的性能。這項合作旨在透過高熵合金的獨特成分組合，改善焊接接頭的強度和耐久性，從而提高整體結構的可靠性。 Materials Solutions ，合作開發和供應高熵合金的積層製造應用。這項合作的目標是實現高熵合金在批量生產中的應用，特別是在複雜部件的製造上，以滿足航空發動機等高端市場的需求。
重要專利	US11359638B2 US12000022B2	US11872625B2；CN111940723B CN111593234A；CN111496244A	US11820070B2 US20210254489

補充資料：全球先進製造產業各技術活動分布中，3D 列印居於領先地位

備註：報告定義的"活動"包括：公司活動 (Company Activities)： 這指的是公司層級公開可用的信息，例如公司網站上的業務描述、新聞稿和職位發佈等。如果一家公司明確提及提供與先進製造相關的服務或產品（例如 3D 列印服務），則被視為一項活動。核心業務面向先進製造也屬於此類。創新活動 (Innovation Activities)： 這對應於公司的研發 (R&D) 成果，主要體現在以下兩種形式：專利措施 (Patent Initiatives)： 已申請與將先進技術應用於製造過程相關的優先專利（與專利局所在地無關）。參與創新研究項目 (Participation in Innovation Research Projects)： 例如參與歐盟資助的項目，如 FP7、地平線 2020 (H2020) 和地平線歐洲 (HE)。投資與基金 (Investment and Funds)： 這指的是為工業和商業計劃提供融資的投資和基金，例如風險資本 (VC) 交易。

  

參、 下圖為近年各國3D列印技術的專利成長趨勢，以專利數量來說全球3D列印專利排名以中國2754件最多，其次分別為美國1223件、歐盟545件、日本456件及韓國199件。從專利量成長率來看最值得關注的地區，以中國成長最顯著，其次是印度、美國。

 

3D列印技術近年值得關注的市場，相關資訊蒐集如下：

●            中國依靠強而有力的政策扶持和龐大製造業市場，正加速從技術引進到自主創新的轉變；在2017年中國政府制定了3D列印產業發展的行動計畫《積層製造產業發展行動計畫（2017-2020年）》廣泛努力發展3D列印市場和管理條例。中國製造業體量龐大，傳統製造朝向數位化、智慧化升級轉型迫切，近年來中國多家企業透過自主研發或合作引進國外先進技術，推動從桌面級到工業級設備的全方位佈局。完善的供應鏈系統、材料技術進步及跨界合作助力中國企業在全球市場上逐步縮小與已開發國家的差距。

⮚         华天印：聚焦增材制造光敏新材料，跨界融合AIGC+3D打印 (2024/5 GII)

⮚         2024年中國3D列印十大熱點 (2025/1/6南極熊3D列印網)

●            印度正處於新興經濟體轉型的關鍵時期，透過國際合作與本土優勢，積極探索適合自身的積層製造發展路徑。近年來，印度政府在「印度製造」（Make in India）戰略下，開始重視高科技製造業的發展，其中包括晶片製造與積層製造技術。儘管印度的政策環境尚未完全完善，但在大選年與國內改革推動的背景下，政府正努力建立自主技術體系，以促進3D列印技術在航空航太、醫療、汽車與工業製造等關鍵產業的應用。印度憑藉充足的勞動力和較低的生產成本，在產業發展初期快速引進並模仿國外技術，同時透過人才培訓與國際合作推動技術升級，逐步建立本土化的3D列印應用模式，實現從模仿到自主創新的轉型 (更多報導2021/1/5 Ambika Khanna)。

⮚         STPL 3D在IMTEX 2024上推出首款印度製造的SLS 3D列印機 (2025/1/2 3D列印資料庫)

⮚         2024年印度新創公司Agnikul成功發射配備全3D列印引擎的火箭 (2024/5 GII)

 

●            美國憑藉其強大的研發基礎和成熟的市場環境，持續引領全球3D列印技術的創新與應用變革。透過大學、研究機構與企業之間的緊密合作，美國已建立起完善的積層製造生態系統，推動相關技術標準、數據平台和人才培養機制的發展，使整個產業鏈能夠快速迭代與升級。在應用層面，美國市場擁有成熟的工業體系和高度數位化的製造水準，3D列印技術已廣泛應用於航空航太、汽車、醫療器材、國防及消費品設計等關鍵領域。其中，在航空航太產業，美國聯邦航空管理局（FAA）更制定了一份為期八年的積層製造路線圖，涵蓋技術開發、材料選擇、生產流程控制及最終產品認證等核心環節。這份路線圖為業界提供了一套統一而透明的標準與程序，確保積層製造技術在航空航太領域的應用符合安全性、可靠性與性能要求，進一步加速技術商業化與產業標準化的進程。

⮚         美國先進製造夥伴2.0（AMP 2.0）計畫是由美國政府於2011年啟動的，旨在加強美國在先進製造技術方面的領導地位，是美國“再工業化”策略中規模較大的製造業產學研聯合的創新專案之一，當時得到美國總統歐巴馬的快速批准與實施。主要的目標是把美國的產業界、學界和聯邦政府聯繫在一起，通過共同投資新興技術來創造高水準的美國產品，使美國製造業贏回全球競爭優勢。

⮚         GE航空獲得美國空軍50億美元合同 (2025/3/15 GE Aerospace)

⮚         美國空軍基地引進Bambu Lab 3D列印機以降低維護成本 (2025/3/24 DiMan)

  

2020-2024 High Technology Impact Patent

說明：本報導採用的高影響力專利，係以Derwent Innovation的影響力指標計算

US20210216683A1  Periodic Cellular Structure Based Design for Additive Manufacturing Approach for Light Weighting and Optimizing Strong Functional Parts. (STATE UNIVERSITY OF NEW YORK (SUNY), 美國)

US12220874B2  System for measuring characteristics for field of non-destructive testing of metal parts, has processor for performing periodic signal analysis process of thermal response to determine presence of manufacturing defect in object. (STATE UNIVERSITY OF NEW YORK (SUNY), 美國)

US20240307151A1  Ceramic processing and design for the direct manufacture of customized labial and lingual orthodontic clear aligner attachments. (Lightforce Orthodontics Inc, 美國)

US11391661B2  Three-dimensional pore structure model and method for fabricating the same, experiment system and transparent experiment method for replicating fluid displacement process within rock pore structure. (中國礦業大學, 中國)

US11359638B2  Alloy used for manufacturing product e.g. impeller, comprises equilaxillar crystals in which mother phase crystal grains have preset average particle diameter, and metal composition containing carbon, titanium, chromium and nickel. (Proterial（原日立金屬）, 日本)

US12000022B2  High entropy alloy article, product formed of said high entropy alloy article, and fluid machine having said product. (Proterial（原日立金屬）, 日本)

CN108941560B  一种消除Renè104镍基高温合金激光增材制造裂纹的方法. (中南大學, 中國)

US11826952B2  Structural metamaterial comprises interpenetrating lattices, which are physically separate but interact with each other either through separation distance or through contact. (Honeywell, 美國)

US11820070B2  Fused filament fabrication of high entropy alloys. (Rolls-Royce Holdings, 英國)

CN111940723B  一種用於3D列印的奈米陶瓷金屬複合粉末及應用. (中南大學, 中國)

CN111593234B  Aluminum alloy for laser additive manufacturing useful for three dimensional printing, comprises nickel, copper, magnesium, manganese, zirconium, iron, silicon, and aluminum. (中南大學, 中國)

 

上述3D列印領域值得關注的專利權人介紹如下：

●             STATE UNIVERSITY OF NEW YORK (SUNY)

●             Sandia National Laboratories (Honeywell)

●             OPT Industries

●               日本Proterial (見前述 貳 - 高熵合金技術中重要專利申請人表)

●               中國 中南大學  (見前述 貳 - 高熵合金技術中重要專利申請人表)

●               英國Rolls-Royce  (見前述 貳 - 高熵合金技術中重要專利申請人表)

延伸報導：[博大智權] 超越合金極限的新興領域：高熵合金