3D打印研究的世界格局及熱點趨勢，但在未來或將逐漸變冷？

作者：薛博宇，372729491@qq.com

導語：本文分析了Scopus數據庫中以 “3D printing(3D 打印)” 和 “Additive Manufacturing(增材制造)”為關鍵詞檢索出的所有關于3D打印的文章(66,100篇)，調查了3D打印研究的世界格局和熱點話題。結論主要有：3D打印的論文數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)研究機構發(fā)表的論文數量在2021年超過美國躍居第一，但論文的整體質量(以被引量為標尺)未達到世界平均水平；在被引量排名前100的頂級論文和排名前100名的高被引學者(只計論文第一作者)中，美國處于絕對的統(tǒng)治地位，而中國大陸地區(qū)與世界先進水平差距巨大。本文還解析了熱點話題(如：選區(qū)激光熔化(SLM)、機械性能、組織工程、 熔融層積成型(FDM))隨時間的變化趨勢及各個熱點話題之間的聯(lián)系，據此可以看出3D打印研究領域內的主要內容及其研究內容之間的關聯(lián)性。


主要方法：
通過分析論文的數量、關鍵詞、引用率、出版年份和第一作者所屬研究機構所在的地區(qū)，確認了該研究領域內的領先地區(qū)(美國、中國大陸地區(qū)、比利時等)并評估了這種情況隨時間的變化趨勢。通過分析關鍵詞在論文中出現(xiàn)的頻率、近年來的變化趨勢及其在論文中同時出現(xiàn)的頻率，總結出熱點話題隨時間的變化趨勢和各個熱點話題之間的聯(lián)系。分析工具：GCP、SQL、Python、Tableau、VOSviewer。

正文：
多年來，有關3D打印的論文數量(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打印研究在未來或將逐漸變冷。

過去十年中發(fā)表3D打印文章(Numbers of Publications)最多的前10個地區(qū)如下圖所示。從2012年到2021年，每個地區(qū)的3D打印文章數量都在增加。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構的所在地進行分類(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構的所在地進行分類(Citation Number By Institute Locations)，平均每篇論文被引用了15.6次。美國在論文數量和被引量上都處于領先地位，而且被引量所占的百分比(30.53%)遠遠高于論文數量所占的百分比(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個地區(qū)的平均被引量(Average Citation per Article by Institute Locations)如下圖所示，比利時的平均被引量最高，達到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作為一個只有1100萬人口的小國，卻擁有3D打印業(yè)內的世界級公司(Materialise)。美國在20個地區(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)的詳細情況見下圖(淺灰色地區(qū)沒有數據)。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。以被引量為標尺，西方發(fā)達國家研究機構發(fā)表的論文質量整體上高于發(fā)展中國家研究機構發(fā)表的的論文質量。

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名的高被引學者(Top 100 Highly Cited Researchers by Institute Locations)中，大約有一半的文章和學者來自于美國的研究機構，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)的研究機構發(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名的高被引學者。被引量排名前100的頂級論文和排名前100名的高被引學者列表請查看金山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，南京航空航天大學的顧冬冬教授本應是這個榜單的第二名，顧教授分別以德國Fraunhofer激光技術研究洪堡學者和南京航空航天大學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埃爾帕索分校的 Lawrence E. Murr 教授。

通過計算關鍵詞的頻率，對過去20年最熱門的20個話題進行了評估，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/計算機輔助設計(computer-aided design)。
最熱門的20個話題分別為(以熱度排序)：選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting (SLM))、機械性能(Mechanical Properties)、CAD/CAE/CAM、顯微結構(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)、晶格結構(Lattice Structures)、機器學習(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(Rheology)。

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

通常情況下，一篇文章中會同時出現(xiàn)多個關鍵詞，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關鍵詞出現(xiàn)的頻率，兩個氣泡之間的連接的強度代表兩個關鍵詞同時在論文中出現(xiàn)的頻率。按照關鍵詞之間的聯(lián)系的強弱對主要關鍵詞進行聚類，共產生了五個聚類并分別用不同的顏色表示。

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

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。這個紅色聚類中的關鍵詞也與其他群組中的關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鍵詞之間的聯(lián)系弱。例如，選區(qū)激光熔化(SLM)與微觀結構(microstructure)、機械性能(mechanical properties)、熱處理(heat treatment)等有聯(lián)系。
除紅、藍色聚類外，以微觀結構(microstructure)和機械性能(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，關鍵詞A與關鍵詞B的相關度(%)可以用以下公式表示：
由A到B的相關度（%）=關鍵詞A,B在論文中同時出現(xiàn)的的頻率 / 關鍵詞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鍵詞同時出現(xiàn)了71次，所以有限元法和選區(qū)激光熔化之間的連接強度為71；有限元法作為關鍵詞的出現(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)激光熔化同時在一篇文章中被討論。
下表列舉了一些相關度高(≥2.5%)的關鍵詞：

關鍵詞A	關鍵詞B	相關度(%)
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%
	晶格結構(lattice structure)	6.8%
	熔融沉積成型(fused deposition modeling)	6.1%
	機械性能(mechanical properties)	5.7%
	拓撲優(yōu)化(topology optimization)	3.9%
	殘余應力(residual stress)	3.7%
	鈦(titanium)	2.7%
熔融沉積成型 (fused deposition modeling)	機械性能(mechanical properties)	8.4%
	PLA	4.3%
	合成物(composite)	2.8%
	有限元法(finite element method)	2.7%
機械性能 (mechanical properties)	顯微結構(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%
顯微結構 (microstructure)	機械性能(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)	顯微結構(microstructure)	9.5%
	機械性能(mechanical properties)	9.2%
	鈦(titanium)	6.6%
	孔隙率(porosity)	3.5%
	熱處理(heat treatment)	2.9%
	晶格結構(lattice structure)	2.6%
	殘余應力(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%
	顯微結構(microstructure)	12.3%
	機械性能(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%

結語：
3D打印的論文數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打印研究在未來或將逐漸變冷。
中國大陸地區(qū)研究機構發(fā)表的論文數量在2021年超過美國躍居第一。但以被引量為標尺，中國大陸地區(qū)研究機構發(fā)表的論文質量低于世界平均水平；比利時研究機構發(fā)表的論文質量冠絕全球；美國在論文數量和質量兩方面都處于領先地位；整體而言，西方發(fā)達國家研究機構發(fā)表的論文質量整體上高于發(fā)展中國家研究機構發(fā)表的的論文質量。特別的是，在被引量排名前100的頂級論文和排名前100名的高被引學者(只計論文第一作者)中，美國處于絕對的統(tǒng)治地位，中國大陸地區(qū)與世界先進水平差距巨大。

3D打印研究領域內最熱門的20個話題分別為(以熱度排序)：選區(qū)激光熔化(SLM)、機械性能、CAD/CAE/CAM、顯微結構、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、晶格結構、鋼、電弧增材制造、熱處理、噴墨打印、機器學習、流變學。
3D打印研究領域內的關鍵詞可以按照它們之間的聯(lián)系強弱分為五個聚類，這五個聚類的核心分別是：有限元法(FEM)和拓撲優(yōu)化、選區(qū)激光熔化(SLM)、微觀結構和機械性能、組織工程和生物打印、熔融沉積成型(FDM)。各個聚類之間也存在一定的聯(lián)系，據此可以看出3D打印研究領域內的主要內容及其研究內容之間的關聯(lián)性。


更多詳細信息，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

分析的不錯