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

作者：薛博宇，372729491@qq.com

導(dǎo)語(yǔ)：本文分析了Scopus數(shù)據(jù)庫(kù)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(lái)一直保持增長(zhǎng)，但自2014年以來(lái)，年增長(zhǎng)率迅速下降；中國(guó)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(guò)美國(guó)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(jí)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(guó)處于絕對(duì)的統(tǒng)治地位，而中國(guó)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(shì)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?jī)?nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性。


主要方法：
通過(guò)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(guó)、中國(guó)大陸地區(qū)、比利時(shí)等)并評(píng)估了這種情況隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。通過(guò)分析關(guān)鍵詞在論文中出現(xiàn)的頻率、近年來(lái)的變化趨勢(shì)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(shì)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(lái)，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(lái)，年增長(zhǎng)率(Year over Year Growth)迅速下降。2021年相對(duì)2020年的增長(zhǎng)率只有6.7%，新冠大流行可能帶來(lái)了負(fù)面影響，并加速了年增長(zhǎng)率的下滑。按此趨勢(shì)，未來(lái)每年的3D打印論文數(shù)量的增長(zhǎng)將繼續(xù)減緩或開始減少，這意味著3D打印研究在未來(lái)或?qū)⒅饾u變冷。

過(guò)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(guó)大陸地區(qū)在2021年取代了美國(guó)，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(guó)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(guó)發(fā)表的論文平均被引量(20.8次)超過(guò)了世界平均水平(15.6次)。作為對(duì)比，中國(guó)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(lái)自中國(guó)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(guó)、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(guó)、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(wàn)人口的小國(guó)，卻擁有3D打印業(yè)內(nèi)的世界級(jí)公司(Materialise)。美國(guó)在20個(gè)地區(qū)中排名第7，中國(guó)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(méi)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(guó)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(guó)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(jí)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(lái)自于美國(guó)的研究機(jī)構(gòu)，而美國(guó)只擁有全部62,730篇3D打印論文的22.87%。相比之下，中國(guó)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(jí)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(jí)論文和排名前100名的高被引學(xué)者列表請(qǐng)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(guó)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?jī)H次于來(lái)自德克薩斯大學(xué)埃爾帕索分校的 Lawrence E. Murr 教授。

通過(guò)計(jì)算關(guān)鍵詞的頻率，對(duì)過(guò)去20年最熱門的20個(gè)話題進(jìn)行了評(píng)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(zhǎng)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(guò)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(duì)排名沒(méi)有太大變化。例如，沒(méi)有一個(gè)關(guān)鍵詞迅速超過(guò)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(shì)沒(méi)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(duì)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(yǔ)：
3D打印的論文數(shù)量多年來(lái)一直保持增長(zhǎng)，但自2014年以來(lái)，年增長(zhǎng)率迅速下降。按此趨勢(shì)，未來(lái)每年的3D打印論文數(shù)量的增長(zhǎng)將繼續(xù)減緩或開始減少，這意味著3D打印研究在未來(lái)或?qū)⒅饾u變冷。
中國(guó)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(guò)美國(guó)躍居第一。但以被引量為標(biāo)尺，中國(guó)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(guó)在論文數(shù)量和質(zhì)量?jī)煞矫娑继幱陬I(lǐng)先地位；整體而言，西方發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)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(jí)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(guó)處于絕對(duì)的統(tǒng)治地位，中國(guó)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?jī)?nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性。


更多詳細(xì)信息，請(qǐng)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

分析的不錯(cuò)