3D打印研究的世界格局及熱點(diǎn)趨勢，但在未來或?qū)⒅饾u變冷,？

作者：薛博宇,，[email protected]

導(dǎo)語：本文分析了Scopus數(shù)據(jù)庫中以 “3D printing(3D 打印)” 和 “Additive Manufacturing(增材制造)”為關(guān)鍵詞檢索出的所有關(guān)于3D打印的文章(66,100篇)，調(diào)查了3D打印研究的世界格局和熱點(diǎn)話題,。結(jié)論主要有：3D打印的論文數(shù)量多年來一直保持增長,，但自2014年以來，年增長率迅速下降,；中國大陸地區(qū)研究機(jī)構(gòu)發(fā)表的論文數(shù)量在2021年超過美國躍居第一,，但論文的整體質(zhì)量(以被引量為標(biāo)尺)未達(dá)到世界平均水平；在被引量排名前100的頂級論文和排名前100名的高被引學(xué)者(只計(jì)論文第一作者)中,，美國處于絕對的統(tǒng)治地位,，而中國大陸地區(qū)與世界先進(jìn)水平差距巨大。本文還解析了熱點(diǎn)話題(如：選區(qū)激光熔化(SLM),、機(jī)械性能,、組織工程、 熔融層積成型(FDM))隨時(shí)間的變化趨勢及各個(gè)熱點(diǎn)話題之間的聯(lián)系,，據(jù)此可以看出3D打印研究領(lǐng)域內(nèi)的主要內(nèi)容及其研究內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性,。


主要方法：
通過分析論文的數(shù)量、關(guān)鍵詞,、引用率,、出版年份和第一作者所屬研究機(jī)構(gòu)所在的地區(qū),，確認(rèn)了該研究領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)先地區(qū)(美國、中國大陸地區(qū),、比利時(shí)等)并評估了這種情況隨時(shí)間的變化趨勢,。通過分析關(guān)鍵詞在論文中出現(xiàn)的頻率、近年來的變化趨勢及其在論文中同時(shí)出現(xiàn)的頻率,，總結(jié)出熱點(diǎn)話題隨時(shí)間的變化趨勢和各個(gè)熱點(diǎn)話題之間的聯(lián)系,。分析工具：GCP、SQL,、Python,、Tableau、VOSviewer,。

正文：
多年來,，有關(guān)3D打印的論文數(shù)量(3D Printing Publications)不斷增加，但自2014年以來,，年增長率(Year over Year Growth)迅速下降,。2021年相對2020年的增長率只有6.7%，新冠大流行可能帶來了負(fù)面影響,，并加速了年增長率的下滑,。按此趨勢，未來每年的3D打印論文數(shù)量的增長將繼續(xù)減緩或開始減少,，這意味著3D打印研究在未來或?qū)⒅饾u變冷,。

過去十年中發(fā)表3D打印文章(Numbers of Publications)最多的前10個(gè)地區(qū)如下圖所示。從2012年到2021年,，每個(gè)地區(qū)的3D打印文章數(shù)量都在增加,。中國大陸地區(qū)在2021年取代了美國，成為發(fā)表文章最多的地區(qū),。

在這66,100篇論文中,，有62,730篇可按第一作者所屬機(jī)構(gòu)的所在地進(jìn)行分類(3D Printing Publications By Institute Locations)。這些論文共被引用976,904次,，也按照第一作者所屬機(jī)構(gòu)的所在地進(jìn)行分類(Citation Number By Institute Locations),，平均每篇論文被引用了15.6次。美國在論文數(shù)量和被引量上都處于領(lǐng)先地位,，而且被引量所占的百分比(30.53%)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于論文數(shù)量所占的百分比(22.87%),，因此，美國發(fā)表的論文平均被引量(20.8次)超過了世界平均水平(15.6次),。作為對比,，中國大陸地區(qū)發(fā)表了17.89%的論文，但只占有14.11%的被引量,，這意味著來自中國大陸地區(qū)發(fā)表的論文平均被引量(12.3次)低于世界平均水平(15.6次),。此外,，英國、澳大利亞,、新加坡,、比利時(shí)和瑞士發(fā)表的論文平均被引量高于世界平均水平；韓國,、俄羅斯,、印度、西班牙發(fā)表的論文平均被引量低于世界平均水平,。

發(fā)表論文最多的前20個(gè)地區(qū)的平均被引量(Average Citation per Article by Institute Locations)如下圖所示,，比利時(shí)的平均被引量最高，達(dá)到37.1次,，是世界平均水平的2倍有余,。 這也從一定程度上解釋了為什么比利時(shí)作為一個(gè)只有1100萬人口的小國，卻擁有3D打印業(yè)內(nèi)的世界級公司(Materialise),。美國在20個(gè)地區(qū)中排名第7,，中國大陸地區(qū)排名17， 印度墊底,。

更多關(guān)于世界各地區(qū)發(fā)表的文章平均被引量(Average Citation per Article)的詳細(xì)情況見下圖(淺灰色地區(qū)沒有數(shù)據(jù)),。深綠色的地區(qū)每篇文章的平均被引量最多，深紅色的地區(qū)的平均被引量最少,。以被引量為標(biāo)尺,，西方發(fā)達(dá)國家研究機(jī)構(gòu)發(fā)表的論文質(zhì)量整體上高于發(fā)展中國家研究機(jī)構(gòu)發(fā)表的的論文質(zhì)量,。

在被引量排名前100的頂級論文(Top 100 Cited Articles by Institute Locations)和排名前100名的高被引學(xué)者(Top 100 Highly Cited Researchers by Institute Locations)中,，大約有一半的文章和學(xué)者來自于美國的研究機(jī)構(gòu)，而美國只擁有全部62,730篇3D打印論文的22.87%,。相比之下,，中國大陸地區(qū)的研究機(jī)構(gòu)發(fā)表了全部62,730篇3D打印論文的17.89%，但只擁有兩篇排名前100的頂級論文和四位排名前100名的高被引學(xué)者,。被引量排名前100的頂級論文和排名前100名的高被引學(xué)者列表請查看金山WPS共享文檔：https://kdocs.cn/join/gzjkin2 (需要微信登陸WPS小程序),。值得一提的是，南京航空航天大學(xué)的顧冬冬教授本應(yīng)是這個(gè)榜單的第二名,，顧教授分別以德國Fraunhofer激光技術(shù)研究洪堡學(xué)者和南京航空航天大學(xué)教授的身份上榜兩次,，其作為第一作者發(fā)表的論文總被引量僅次于來自德克薩斯大學(xué)埃爾帕索分校的 Lawrence E. Murr 教授。

通過計(jì)算關(guān)鍵詞的頻率,，對過去20年最熱門的20個(gè)話題進(jìn)行了評估,，如下圖所示。其中同義詞已被合并,，例如,，選擇性激光熔化(selective laser melting)/直接金屬激光沉積(direct metal laser sintering),，熔融沉積成型(fused deposition modeling)/熔融長絲制造(fused filament fabrication)，CAD/計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer-aided design),。
最熱門的20個(gè)話題分別為(以熱度排序)：選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting (SLM)),、機(jī)械性能(Mechanical Properties)、CAD/CAE/CAM,、顯微結(jié)構(gòu)(Microstructure),、組織工程(Tissue Engineering)、熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling (FDM)),、生物材料(Biomaterials),、塑料(Plastic)、鈦合金(Titanium Alloy),、生物打印(Bioprinting),、定向能量沉積(Directed Energy Deposition (DED))、表面(Surface),、光固化(Stereolithography),、晶格結(jié)構(gòu)(Lattice Structures)、機(jī)器學(xué)習(xí)(Machine Learning),、鋼(Steel),、電弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing)、熱處理(Heat-Treatment),、噴墨打印(Inkjet),、流變學(xué)(Rheology)。

在過去的十年中,，幾乎所有的關(guān)鍵詞在論文中出現(xiàn)的頻率都在增加,，而關(guān)鍵詞的相對排名沒有太大變化。例如,，沒有一個(gè)關(guān)鍵詞迅速超過其他關(guān)鍵詞,。這意味著3D打印研究領(lǐng)域內(nèi)部的熱點(diǎn)趨勢沒有改變，但是3D打印作為一個(gè)整體研究領(lǐng)域在逐漸變得熱門,。

通常情況下,，一篇文章中會(huì)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)關(guān)鍵詞，例如,，選區(qū)激光熔化(selective laser melting)和鈦(titanium),，組織工程(tissue engineering )和生物打印(bioprinting)。如聚類圖所示,，氣泡的大小代表每個(gè)關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率,，兩個(gè)氣泡之間的連接的強(qiáng)度代表兩個(gè)關(guān)鍵詞同時(shí)在論文中出現(xiàn)的頻率。按照關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系的強(qiáng)弱對主要關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類，共產(chǎn)生了五個(gè)聚類并分別用不同的顏色表示,。

藍(lán)色的聚類包括有限元法(finite element method),、拓?fù)鋬?yōu)化(topology optimization)、晶格結(jié)構(gòu)(lattice structure)等,，其中有限元法和拓?fù)鋬?yōu)化是聚類的核心(出現(xiàn)的頻率最高),。這個(gè)藍(lán)色群組中的關(guān)鍵詞與其他群組中的關(guān)鍵詞之間也存在著聯(lián)系，但聯(lián)系比同在藍(lán)色聚類中的關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系弱,。例如,，有限元方法與選區(qū)激光熔化(selective laser melting)、機(jī)械性能(mechanical properties)等有聯(lián)系,，這意味著它們也會(huì)被放在一起討論,。

紅色的聚類包括選區(qū)激光熔化(selective laser melting)、直接能量沉積(directed energy deposition),、鈦(Titanium)等,，其中選區(qū)激光熔化是聚類的核心。這個(gè)紅色聚類中的關(guān)鍵詞也與其他群組中的關(guān)鍵詞之間也存在著聯(lián)系,，但聯(lián)系比同在紅色聚類中的關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系弱,。例如，選區(qū)激光熔化(SLM)與微觀結(jié)構(gòu)(microstructure),、機(jī)械性能(mechanical properties),、熱處理(heat treatment)等有聯(lián)系。
除紅,、藍(lán)色聚類外,，以微觀結(jié)構(gòu)(microstructure)和機(jī)械性能(mechanical properties)為中心的黃色聚類、以組織工程(tissue engineering)和生物打印(bioprinting)為核心的紫色聚類,、以熔融沉積成型(fused deposition modeling)為核心的綠色聚類也存在類似的情況,。

在本文中，關(guān)鍵詞A與關(guān)鍵詞B的相關(guān)度(%)可以用以下公式表示：
由A到B的相關(guān)度（%）=關(guān)鍵詞A,B在論文中同時(shí)出現(xiàn)的的頻率 / 關(guān)鍵詞A在論文中出現(xiàn)的的頻率

例如,，有限元法和選區(qū)激光熔化作為文章的關(guān)鍵詞同時(shí)出現(xiàn)了71次,，所以有限元法和選區(qū)激光熔化之間的連接強(qiáng)度為71；有限元法作為關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻率為672次,，因此：

由有限元法到選區(qū)激光熔化的相關(guān)度（%）=71/627=10.6%
這意味著有10.6%的有限元法與選區(qū)激光熔化同時(shí)在一篇文章中被討論。
下表列舉了一些相關(guān)度高(≥2.5%)的關(guān)鍵詞：

關(guān)鍵詞A	關(guān)鍵詞B	相關(guān)度(%)
生物打印 (bioprinting)	組織工程(tissue engineering)	29.4%
	水凝膠(hydrogels)	14.9%
	生物材料(biomaterials)	6.6%
	支架(scaffold)	4.3%
有限元法 (finite element method)	選區(qū)激光熔化(selective laser melting)	10.6%
	晶格結(jié)構(gòu)(lattice structure)	6.8%
	熔融沉積成型(fused deposition modeling)	6.1%
	機(jī)械性能(mechanical properties)	5.7%
	拓?fù)鋬?yōu)化(topology optimization)	3.9%
	殘余應(yīng)力(residual stress)	3.7%
	鈦(titanium)	2.7%
熔融沉積成型 (fused deposition modeling)	機(jī)械性能(mechanical properties)	8.4%
	PLA	4.3%
	合成物(composite)	2.8%
	有限元法(finite element method)	2.7%
機(jī)械性能 (mechanical properties)	顯微結(jié)構(gòu)(microstructure)	27.4%
	選區(qū)激光熔化(selective laser melting)	15.2%
	熔融沉積成型(fused deposition modeling)	6.1%
	鈦(titanium)	5.1%
	熱處理(heat treatment)	4.5%
	激光增材制造(laser additive manufacturing)	2.7%
	電弧增材(wire arc additive manufacturing)	2.7%
顯微結(jié)構(gòu) (microstructure)	機(jī)械性能(mechanical properties)	31.7%
	選區(qū)激光熔化(selective laser melting)	18.1%
	鈦(titanium)	7.5%
	熱處理(heat treatment)	5.8%
	激光增材制造(laser additive manufacturing)	5.8%
	直接能量沉積(directed energy deposition)	3.9%
	鈦合金(titanium alloy)	3.2%
	電弧增材(wire arc additive manufacturing)	3.2%
	電子束選區(qū)熔化(electron beam melting)	2.9%
	孔隙率(porosity)	2.6%
選區(qū)激光熔化 (selective laser melting)	顯微結(jié)構(gòu)(microstructure)	9.5%
	機(jī)械性能(mechanical properties)	9.2%
	鈦(titanium)	6.6%
	孔隙率(porosity)	3.5%
	熱處理(heat treatment)	2.9%
	晶格結(jié)構(gòu)(lattice structure)	2.6%
	殘余應(yīng)力(residual stress)	2.5%
組織工程 (tissue engineering)	生物打印(bioprinting)	23.2%
	支架(scaffold)	14.4%
	水凝膠(hydrogels)	8.4%
	生物材料(biomaterials)	8.0%
鈦 (titanium)	選區(qū)激光熔化(selective laser melting)	20.6%
	顯微結(jié)構(gòu)(microstructure)	12.3%
	機(jī)械性能(mechanical properties)	9.7%
	電子束選區(qū)熔化(electron beam melting)	6.0%
	疲勞(fatigue)	5.1%
	直接能量沉積(directed energy deposition)	3.7%
	殘余應(yīng)力(residual stress)	2.9%
	表面粗糙度(surface roughness)	2.5%
	熱處理(heat treatment)	2.5%
	孔隙率(porosity)	2.5%

結(jié)語：
3D打印的論文數(shù)量多年來一直保持增長,，但自2014年以來,，年增長率迅速下降。按此趨勢,，未來每年的3D打印論文數(shù)量的增長將繼續(xù)減緩或開始減少,，這意味著3D打印研究在未來或?qū)⒅饾u變冷。
中國大陸地區(qū)研究機(jī)構(gòu)發(fā)表的論文數(shù)量在2021年超過美國躍居第一。但以被引量為標(biāo)尺,，中國大陸地區(qū)研究機(jī)構(gòu)發(fā)表的論文質(zhì)量低于世界平均水平,；比利時(shí)研究機(jī)構(gòu)發(fā)表的論文質(zhì)量冠絕全球；美國在論文數(shù)量和質(zhì)量兩方面都處于領(lǐng)先地位,；整體而言,，西方發(fā)達(dá)國家研究機(jī)構(gòu)發(fā)表的論文質(zhì)量整體上高于發(fā)展中國家研究機(jī)構(gòu)發(fā)表的的論文質(zhì)量。特別的是,，在被引量排名前100的頂級論文和排名前100名的高被引學(xué)者(只計(jì)論文第一作者)中,，美國處于絕對的統(tǒng)治地位，中國大陸地區(qū)與世界先進(jìn)水平差距巨大,。

3D打印研究領(lǐng)域內(nèi)最熱門的20個(gè)話題分別為(以熱度排序)：選區(qū)激光熔化(SLM),、機(jī)械性能、CAD/CAE/CAM,、顯微結(jié)構(gòu),、組織工程、熔融沉積成型(FDM),、生物材料,、塑料、鈦合金,、生物打印,、定向能量沉積(DED)、光固化,、表面,、晶格結(jié)構(gòu)、鋼,、電弧增材制造,、熱處理、噴墨打印,、機(jī)器學(xué)習(xí),、流變學(xué)。
3D打印研究領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵詞可以按照它們之間的聯(lián)系強(qiáng)弱分為五個(gè)聚類,，這五個(gè)聚類的核心分別是：有限元法(FEM)和拓?fù)鋬?yōu)化,、選區(qū)激光熔化(SLM)、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能,、組織工程和生物打印,、熔融沉積成型(FDM)。各個(gè)聚類之間也存在一定的聯(lián)系,，據(jù)此可以看出3D打印研究領(lǐng)域內(nèi)的主要內(nèi)容及其研究內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性,。


更多詳細(xì)信息，請查看：
1.金山WPS共享文檔：
https://kdocs.cn/join/gzjkin2
2.VOSviewer聚類圖：https://app.vosviewer.com/?json= ... 1Fo_mGMO6HbckQX40V5
3.Tableau分析圖：
https://public.tableau.com/app/p ... rchTrend0215/Story1

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