3D打印研究的世界格局及热点趋势，但在未来或将逐渐变冷？

作者：薛博宇，372729491@qq.com

导语：本文分析了Scopus数据库中以 “3D printing(3D 打印)” 和 “Additive Manufacturing(增材制造)”为关键词检索出的所有关于3D打印的文章(66,100篇)，调查了3D打印研究的世界格局和热点话题。结论主要有：3D打印的论文数量多年来一直保持增长，但自2014年以来，年增长率迅速下降；中国大陆地区研究机构发表的论文数量在2021年超过美国跃居第一，但论文的整体质量(以被引量为标尺)未达到世界平均水平；在被引量排名前100的顶级论文和排名前100名的高被引学者(只计论文第一作者)中，美国处于绝对的统治地位，而中国大陆地区与世界先进水平差距巨大。本文还解析了热点话题(如：选区激光熔化(SLM)、机械性能、组织工程、 熔融层积成型(FDM))随时间的变化趋势及各个热点话题之间的联系，据此可以看出3D打印研究领域内的主要内容及其研究内容之间的关联性。


主要方法：
通过分析论文的数量、关键词、引用率、出版年份和第一作者所属研究机构所在的地区，确认了该研究领域内的领先地区(美国、中国大陆地区、比利时等)并评估了这种情况随时间的变化趋势。通过分析关键词在论文中出现的频率、近年来的变化趋势及其在论文中同时出现的频率，总结出热点话题随时间的变化趋势和各个热点话题之间的联系。分析工具：GCP、SQL、Python、Tableau、VOSviewer。

正文：
多年来，有关3D打印的论文数量(3D Printing Publications)不断增加，但自2014年以来，年增长率(Year over Year Growth)迅速下降。2021年相对2020年的增长率只有6.7%，新冠大流行可能带来了负面影响，并加速了年增长率的下滑。按此趋势，未来每年的3D打印论文数量的增长将继续减缓或开始减少，这意味着3D打印研究在未来或将逐渐变冷。

过去十年中发表3D打印文章(Numbers of Publications)最多的前10个地区如下图所示。从2012年到2021年，每个地区的3D打印文章数量都在增加。中国大陆地区在2021年取代了美国，成为发表文章最多的地区。

在这66,100篇论文中，有62,730篇可按第一作者所属机构的所在地进行分类(3D Printing Publications By Institute Locations)。这些论文共被引用976,904次，也按照第一作者所属机构的所在地进行分类(Citation Number By Institute Locations)，平均每篇论文被引用了15.6次。美国在论文数量和被引量上都处于领先地位，而且被引量所占的百分比(30.53%)远远高于论文数量所占的百分比(22.87%)，因此，美国发表的论文平均被引量(20.8次)超过了世界平均水平(15.6次)。作为对比，中国大陆地区发表了17.89%的论文，但只占有14.11%的被引量，这意味着来自中国大陆地区发表的论文平均被引量(12.3次)低于世界平均水平(15.6次)。此外，英国、澳大利亚、新加坡、比利时和瑞士发表的论文平均被引量高于世界平均水平；韩国、俄罗斯、印度、西班牙发表的论文平均被引量低于世界平均水平。

发表论文最多的前20个地区的平均被引量(Average Citation per Article by Institute Locations)如下图所示，比利时的平均被引量最高，达到37.1次，是世界平均水平的2倍有余。 这也从一定程度上解释了为什么比利时作为一个只有1100万人口的小国，却拥有3D打印业内的世界级公司(Materialise)。美国在20个地区中排名第7，中国大陆地区排名17， 印度垫底。

更多关于世界各地区发表的文章平均被引量(Average Citation per Article)的详细情况见下图(浅灰色地区没有数据)。深绿色的地区每篇文章的平均被引量最多，深红色的地区的平均被引量最少。以被引量为标尺，西方发达国家研究机构发表的论文质量整体上高于发展中国家研究机构发表的的论文质量。

在被引量排名前100的顶级论文(Top 100 Cited Articles by Institute Locations)和排名前100名的高被引学者(Top 100 Highly Cited Researchers by Institute Locations)中，大约有一半的文章和学者来自于美国的研究机构，而美国只拥有全部62,730篇3D打印论文的22.87%。相比之下，中国大陆地区的研究机构发表了全部62,730篇3D打印论文的17.89%，但只拥有两篇排名前100的顶级论文和四位排名前100名的高被引学者。被引量排名前100的顶级论文和排名前100名的高被引学者列表请查看金山WPS共享文档：https://kdocs.cn/join/gzjkin2 (需要微信登陆WPS小程序)。值得一提的是，南京航空航天大学的顾冬冬教授本应是这个榜单的第二名，顾教授分别以德国Fraunhofer激光技术研究洪堡学者和南京航空航天大学教授的身份上榜两次，其作为第一作者发表的论文总被引量仅次于来自德克萨斯大学埃尔帕索分校的 Lawrence E. Murr 教授。

通过计算关键词的频率，对过去20年最热门的20个话题进行了评估，如下图所示。其中同义词已被合并，例如，选择性激光熔化(selective laser melting)/直接金属激光沉积(direct metal laser sintering)，熔融沉积成型(fused deposition modeling)/熔融长丝制造(fused filament fabrication)，CAD/计算机辅助设计(computer-aided design)。
最热门的20个话题分别为(以热度排序)：选区激光熔化(Selective Laser Melting (SLM))、机械性能(Mechanical Properties)、CAD/CAE/CAM、显微结构(Microstructure)、组织工程(Tissue Engineering)、熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling (FDM))、生物材料(Biomaterials)、塑料(Plastic)、钛合金(Titanium Alloy)、生物打印(Bioprinting)、定向能量沉积(Directed Energy Deposition (DED))、表面(Surface)、光固化(Stereolithography)、晶格结构(Lattice Structures)、机器学习(Machine Learning)、钢(Steel)、电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing)、热处理(Heat-Treatment)、喷墨打印(Inkjet)、流变学(Rheology)。

在过去的十年中，几乎所有的关键词在论文中出现的频率都在增加，而关键词的相对排名没有太大变化。例如，没有一个关键词迅速超过其他关键词。这意味着3D打印研究领域内部的热点趋势没有改变，但是3D打印作为一个整体研究领域在逐渐变得热门。

通常情况下，一篇文章中会同时出现多个关键词，例如，选区激光熔化(selective laser melting)和钛(titanium)，组织工程(tissue engineering )和生物打印(bioprinting)。如聚类图所示，气泡的大小代表每个关键词出现的频率，两个气泡之间的连接的强度代表两个关键词同时在论文中出现的频率。按照关键词之间的联系的强弱对主要关键词进行聚类，共产生了五个聚类并分别用不同的颜色表示。

蓝色的聚类包括有限元法(finite element method)、拓扑优化(topology optimization)、晶格结构(lattice structure)等，其中有限元法和拓扑优化是聚类的核心(出现的频率最高)。这个蓝色群组中的关键词与其他群组中的关键词之间也存在着联系，但联系比同在蓝色聚类中的关键词之间的联系弱。例如，有限元方法与选区激光熔化(selective laser melting)、机械性能(mechanical properties)等有联系，这意味着它们也会被放在一起讨论。

红色的聚类包括选区激光熔化(selective laser melting)、直接能量沉积(directed energy deposition)、钛(Titanium)等，其中选区激光熔化是聚类的核心。这个红色聚类中的关键词也与其他群组中的关键词之间也存在着联系，但联系比同在红色聚类中的关键词之间的联系弱。例如，选区激光熔化(SLM)与微观结构(microstructure)、机械性能(mechanical properties)、热处理(heat treatment)等有联系。
除红、蓝色聚类外，以微观结构(microstructure)和机械性能(mechanical properties)为中心的黄色聚类、以组织工程(tissue engineering)和生物打印(bioprinting)为核心的紫色聚类、以熔融沉积成型(fused deposition modeling)为核心的绿色聚类也存在类似的情况。

在本文中，关键词A与关键词B的相关度(%)可以用以下公式表示：
由A到B的相关度（%）=关键词A,B在论文中同时出现的的频率 / 关键词A在论文中出现的的频率

例如，有限元法和选区激光熔化作为文章的关键词同时出现了71次，所以有限元法和选区激光熔化之间的连接强度为71；有限元法作为关键词的出现频率为672次，因此：

由有限元法到选区激光熔化的相关度（%）=71/627=10.6%
这意味着有10.6%的有限元法与选区激光熔化同时在一篇文章中被讨论。
下表列举了一些相关度高(≥2.5%)的关键词：

关键词A	关键词B	相关度(%)
生物打印 (bioprinting)	组织工程(tissue engineering)	29.4%
	水凝胶(hydrogels)	14.9%
	生物材料(biomaterials)	6.6%
	支架(scaffold)	4.3%
有限元法 (finite element method)	选区激光熔化(selective laser melting)	10.6%
	晶格结构(lattice structure)	6.8%
	熔融沉积成型(fused deposition modeling)	6.1%
	机械性能(mechanical properties)	5.7%
	拓扑优化(topology optimization)	3.9%
	残余应力(residual stress)	3.7%
	钛(titanium)	2.7%
熔融沉积成型 (fused deposition modeling)	机械性能(mechanical properties)	8.4%
	PLA	4.3%
	合成物(composite)	2.8%
	有限元法(finite element method)	2.7%
机械性能 (mechanical properties)	显微结构(microstructure)	27.4%
	选区激光熔化(selective laser melting)	15.2%
	熔融沉积成型(fused deposition modeling)	6.1%
	钛(titanium)	5.1%
	热处理(heat treatment)	4.5%
	激光增材制造(laser additive manufacturing)	2.7%
	电弧增材(wire arc additive manufacturing)	2.7%
显微结构 (microstructure)	机械性能(mechanical properties)	31.7%
	选区激光熔化(selective laser melting)	18.1%
	钛(titanium)	7.5%
	热处理(heat treatment)	5.8%
	激光增材制造(laser additive manufacturing)	5.8%
	直接能量沉积(directed energy deposition)	3.9%
	钛合金(titanium alloy)	3.2%
	电弧增材(wire arc additive manufacturing)	3.2%
	电子束选区熔化(electron beam melting)	2.9%
	孔隙率(porosity)	2.6%
选区激光熔化 (selective laser melting)	显微结构(microstructure)	9.5%
	机械性能(mechanical properties)	9.2%
	钛(titanium)	6.6%
	孔隙率(porosity)	3.5%
	热处理(heat treatment)	2.9%
	晶格结构(lattice structure)	2.6%
	残余应力(residual stress)	2.5%
组织工程 (tissue engineering)	生物打印(bioprinting)	23.2%
	支架(scaffold)	14.4%
	水凝胶(hydrogels)	8.4%
	生物材料(biomaterials)	8.0%
钛 (titanium)	选区激光熔化(selective laser melting)	20.6%
	显微结构(microstructure)	12.3%
	机械性能(mechanical properties)	9.7%
	电子束选区熔化(electron beam melting)	6.0%
	疲劳(fatigue)	5.1%
	直接能量沉积(directed energy deposition)	3.7%
	残余应力(residual stress)	2.9%
	表面粗糙度(surface roughness)	2.5%
	热处理(heat treatment)	2.5%
	孔隙率(porosity)	2.5%

结语：
3D打印的论文数量多年来一直保持增长，但自2014年以来，年增长率迅速下降。按此趋势，未来每年的3D打印论文数量的增长将继续减缓或开始减少，这意味着3D打印研究在未来或将逐渐变冷。
中国大陆地区研究机构发表的论文数量在2021年超过美国跃居第一。但以被引量为标尺，中国大陆地区研究机构发表的论文质量低于世界平均水平；比利时研究机构发表的论文质量冠绝全球；美国在论文数量和质量两方面都处于领先地位；整体而言，西方发达国家研究机构发表的论文质量整体上高于发展中国家研究机构发表的的论文质量。特别的是，在被引量排名前100的顶级论文和排名前100名的高被引学者(只计论文第一作者)中，美国处于绝对的统治地位，中国大陆地区与世界先进水平差距巨大。

3D打印研究领域内最热门的20个话题分别为(以热度排序)：选区激光熔化(SLM)、机械性能、CAD/CAE/CAM、显微结构、组织工程、熔融沉积成型(FDM)、生物材料、塑料、钛合金、生物打印、定向能量沉积(DED)、光固化、表面、晶格结构、钢、电弧增材制造、热处理、喷墨打印、机器学习、流变学。
3D打印研究领域内的关键词可以按照它们之间的联系强弱分为五个聚类，这五个聚类的核心分别是：有限元法(FEM)和拓扑优化、选区激光熔化(SLM)、微观结构和机械性能、组织工程和生物打印、熔融沉积成型(FDM)。各个聚类之间也存在一定的联系，据此可以看出3D打印研究领域内的主要内容及其研究内容之间的关联性。


更多详细信息，请查看：
1.金山WPS共享文档：
https://kdocs.cn/join/gzjkin2
2.VOSviewer聚类图：https://app.vosviewer.com/?json= ... 1Fo_mGMO6HbckQX40V5
3.Tableau分析图：
https://public.tableau.com/app/p ... rchTrend0215/Story1

分析的不错