如今，工業(yè)的挑戰(zhàn)越來越要求通過3D打印來制造具有極大設(shè)計(jì)靈活性且無浪費(fèi)的復(fù)雜形狀。與鑄造和機(jī)械加工等傳統(tǒng)制造技術(shù)不同的是，增材制造技術(shù)使設(shè)計(jì)師能夠在降低運(yùn)營成本和材料浪費(fèi)的同時(shí)快速制作原型。因此，了解與增材制造工藝和3D打印材料機(jī)械性能相關(guān)的文獻(xiàn)現(xiàn)狀，對于確定本課題未來的研究方向具有重要意義。本文采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析方法，又稱科學(xué)計(jì)量學(xué)。

研究使用R和VOSviewer的Bibliometrix軟件包確定了趨勢和超越主題。數(shù)據(jù)通過搜索方程直接從Scopus數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出。結(jié)果表明，在所分析的1271份文獻(xiàn)中，2015年是研究進(jìn)入發(fā)展階段的一年，增長率為20.8%。美國在出版物方面處于領(lǐng)先地位，中國和英國緊隨其后。同樣，我們觀察到發(fā)表文章數(shù)量和h-index最高的作者是C.B. Williams，其次是A.A. Zadpoor和J. Muller。此外，本文還介紹了研究人員使用最多的關(guān)鍵詞的時(shí)間演變，以及基于3D打印材料機(jī)械性能的增材制造研究的趨勢和研究差距。

1，介紹

增材制造或快速原型由3D打印及在制造過程中使用材料的機(jī)械、化學(xué)和物理特性決定。這種類型的制造使用逐層的方法來構(gòu)建具有復(fù)雜或自定義幾何形狀的元素。增材制造的這些特點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)、健康、航空航天、建筑、汽車、食品和牙科行業(yè)得到了顯著關(guān)注。

在增材制造工藝中，3D打印方法是最常見的方法，該方法使用被稱為熔融沉積建模(FDM)的聚合物長絲，然后通過選擇性激光燒結(jié)(SLS)、選擇性激光熔化(SLM)和噴墨打印的增材制造粉末。增材制造(AM)是一種利用基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的三維模型、3D打印設(shè)備逐層制造的方法。

根據(jù)ISO/ASTM 52900:2015，有7類增材制造技術(shù):材料擠壓(ME)，其中材料加熱并通過模具選擇性分布，以形成3D零件；材料噴射(MJ)，以液滴的形式產(chǎn)生選擇性沉積光聚合物和引發(fā)劑，形成薄層固化形成薄片；粘合劑噴射(BJ)，它是基于粉末材料與液體粘結(jié)劑的結(jié)合，液體粘結(jié)劑有選擇地沉積，生成3D芯片；薄片層壓（SL），它允許連接板通過超聲波感應(yīng)形成物體；還原劑光聚合(VP)，由沉積在移動(dòng)缸內(nèi)的液體光聚合物組成;這是選擇性固化與聚合紫外光。粉末床熔化(PBF)是利用熱能通過選擇性激光燒結(jié)熔接粉末床區(qū)域以獲得零件。最后定向能量沉積(DED)利用激光或等離子弧聚焦的熱能使金屬熔合。

材料是增材制造系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它們對3D打印結(jié)果有重要貢獻(xiàn)。與傳統(tǒng)制造工藝一樣，這些材料的特性對制造工藝的效率至關(guān)重要。這產(chǎn)生了行業(yè)不斷增長的需求，尋求在未來的添加劑制造過程中利用可持續(xù)性和功能性材料。同樣，通過開發(fā)更好的打印策略來提高3D打印技術(shù)的適用性和技術(shù)，包括可靠的和生態(tài)的材料，從而改善零件的功能和性能，這對于工業(yè)制造業(yè)的應(yīng)用是一個(gè)極好的貢獻(xiàn)。

Aboma Wagari Gebisa和Hirpa G. Lemu提出的備選方案評估了制造因素對印刷材料拉伸性能的影響。作者考慮了五個(gè)打印參數(shù):氣隙、光柵寬度、光柵角度、輪廓數(shù)和輪廓寬度。

他們發(fā)現(xiàn)，只有光柵角度對評估的屬性有顯著影響。此外，Duigou等人研究了基于纖維/聚乳酸復(fù)合材料（cFF/PLA）的機(jī)械性能優(yōu)化。他們發(fā)現(xiàn)，連續(xù)玻璃纖維/聚酰胺(PA)印刷復(fù)合材料的拉伸機(jī)械性能處于相同的范圍。Song等使用帶有單向打印模式的3D打印技術(shù)分析了PLA塊的機(jī)械性能(不同方向的拉伸、壓縮和斷裂)。發(fā)現(xiàn)彈塑性材料的響應(yīng)是正交各向異性的，在拉伸和壓縮試驗(yàn)中表現(xiàn)出強(qiáng)烈的不對稱性。Letcher& Waytashek使用普通品牌PLA進(jìn)行牽引、彎曲和疲勞測試，可購買并供家庭用戶使用。分別以0°、45°和90°的屏向角打印試件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，45°屏向的拉伸強(qiáng)度較高，而0°屏向的抗彎曲效果較好。

PLA基復(fù)合材料共混物目前正用于組織工程3D打印支架的制造。Senatov等人通過SEM成像證實(shí)了PLA基支架結(jié)構(gòu)中存在互連孔。

工業(yè)和科學(xué)界對快速原型技術(shù)的興趣日益增長，因此近年來與該領(lǐng)域相關(guān)的科學(xué)文獻(xiàn)的顯著增加。在3D打印材料的增材制造和機(jī)械性能的主題中，還沒有一個(gè)科學(xué)計(jì)量工作。本研究中，一項(xiàng)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)研究綜述了有關(guān)這一主題。確定了該主題在不同時(shí)間的增長、知識領(lǐng)域的細(xì)分以及研究增長的主要貢獻(xiàn)者。此外，本研究還通過展示研究最少的主題，幫助發(fā)現(xiàn)研究的差距。另一方面，對公司獲取科學(xué)資料并將其轉(zhuǎn)化為有用產(chǎn)品也很有用。在文件的最后，提出了未來研究人員需要克服的知識障礙和差距。

2.文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法

文獻(xiàn)計(jì)量分析有助于以一種有組織且易于理解的方式顯示文章、書籍和書籍章節(jié)的出版信息，以便日后檢查以發(fā)現(xiàn)相關(guān)見解。該分析可以確定增材制造研究的最新進(jìn)展以及3D打印的機(jī)械性能。使用VOSviewer軟件獲取國家與關(guān)鍵詞之間的關(guān)系，使用R free軟件的文獻(xiàn)計(jì)量工具，可以對特定主題的科學(xué)文獻(xiàn)進(jìn)行分析。

2.1數(shù)據(jù)采集和搜索策略

為了分析3D打印材料的增材制造和機(jī)械性能方面的研究趨勢，可直接從Scopus數(shù)據(jù)庫獲取出版物。有一個(gè)搜索方程便于查找，可結(jié)合與評估主題相關(guān)的術(shù)語，如“增材制造”、“3D打印”和“機(jī)械性能”。表1顯示了2020年10月18日收集的數(shù)據(jù)匯總，獲得了2008年至2021年期間的1271份文件。

表1 文獻(xiàn)收集的描述性分析

2.2研究指標(biāo)

在文獻(xiàn)計(jì)量分析的發(fā)展中，通過測量影響因子，考慮了關(guān)鍵詞、出版來源、國家、機(jī)構(gòu)和作者的影響，并利用h指數(shù)分析了主題的演變。根據(jù)《2020年期刊引用報(bào)告》，出版物來源的影響因素是通過搜索Clarivate Analytics數(shù)據(jù)庫獲得的。h指數(shù)于2005年由JE Hirsch引入，評估每個(gè)研究者的論文發(fā)表數(shù)量和被引用數(shù)量。對于一個(gè)作者來說，如果他有N篇被其他作者至少引用N次的論文，這個(gè)h指數(shù)就等于N。

3.結(jié)果和討論

3.1出版物產(chǎn)出

在文獻(xiàn)計(jì)量分析的搜索標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，共有1271篇文獻(xiàn)。圖1顯示了2008年至2021年期間的累計(jì)出版物數(shù)量以及總引用量。自2014年以來，觀察到文件數(shù)量顯著增長，累積出版物的斜率略有變化。在2008-2017年和2018-2019年期間，累計(jì)公布的斜率變化最為顯著。值得注意的是，近年來沒有平臺化趨勢，這證明了近年來增材制造和3D打印材料機(jī)械性能研究方面存在的相關(guān)性。出版物的年增長率估計(jì)為20.81%；此外，每份文件的平均引用率為16.01。共有4620位作者，平均每個(gè)文檔有3.63位作者，協(xié)作指數(shù)為3.77。

圖1 2008年至2021年的累計(jì)出版物數(shù)量和引用數(shù)量

3.2國家分布

與3D打印材料增材制造和機(jī)械性能相關(guān)出版物的文獻(xiàn)計(jì)量分析結(jié)果表明，來自61個(gè)國家的研究人員發(fā)表了科學(xué)文獻(xiàn)，但其中25個(gè)國家的貢獻(xiàn)不到10份出版物。圖2顯示了文檔數(shù)量最多的20個(gè)國家。從獨(dú)立于國際合作的出版物總數(shù)來看，美國是領(lǐng)先的國家。同樣，中國和英國也是科學(xué)產(chǎn)量最高的前三個(gè)國家。

圖2 最相關(guān)的國家

通過這種方式，還可以觀察到，在歐洲和亞洲地區(qū)，增材制造和3D打印材料的機(jī)械性能的研究更受關(guān)注，共有50多份出版物。如圖3所示，學(xué)術(shù)交流由美國、中國和英國牽頭，它們擁有全球最大的合作網(wǎng)絡(luò)。

圖3 最相關(guān)國家之間的合作網(wǎng)絡(luò)

3.3研究所分析

正如先前結(jié)果所預(yù)期的，美國、亞洲和歐洲擁有最具生產(chǎn)力的機(jī)構(gòu)。圖4總結(jié)了排名前20位的機(jī)構(gòu)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，這些機(jī)構(gòu)發(fā)布的文件占總文件的11.32%。Tennessee大學(xué)以21篇論文位列第一，其次是University of Texas-El Paso和MassachusettsInstitute of Technology，分別以20篇和19篇論文位列第二和第三。

圖4 機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)

3.4作者分析

文集中共有4619位作者，其中83.63%(3863) 只有一份出版物。表2列出了h指數(shù)最高、發(fā)表論文最多的10位作者。它還顯示了他們開始發(fā)表文檔的年份、被引用的總數(shù)，以及每個(gè)出版物被引用的數(shù)量。h-index最高的作者是Williams, CB，其次是A.A. Zadpoor和J. Muller。單篇論文被引用次數(shù)最多的作者是S.L. Sing, J. Stampfl和C.K. Chua，分別為147、101和97。

表2 從事增材制造相關(guān)研究的主要作者

h- index指數(shù)最高的作者的最新作品是Williams的貢獻(xiàn)。從模擬組織的材料的3D打印到獲得真實(shí)的經(jīng)中隔穿刺模型，通過制造粘合劑噴射增材制造泡沫銅結(jié)構(gòu)。使用3D打印彈性體的聚合物設(shè)計(jì)，基于阻抗的測量對材料注射增材制造過程進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控。對聚合物粉末床熔體增材制造過程物理和材料選擇方法進(jìn)行回顧。

Zadpoor已經(jīng)開展了一些工作，如通過3D打印制作的功能分級軟-硬復(fù)合材料的機(jī)械評估，通過AM制造功能分級可生物降解多孔鐵，3D打印聚合物的疲勞行為審查，非自生機(jī)械超材料的評估，以及使用AM制造的代謝材料的機(jī)械性能分析。

Muller使用直接氣泡書寫法研究了建筑聚合物泡沫，和3D打印晶格中屈曲、構(gòu)造方向和縮放的影響，同時(shí)制造階梯支柱以最大限度地吸收桁架中的能量，評估了3D噴墨打印部件中界面的機(jī)械性能以及采用高效實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的3D噴墨打印零件的機(jī)械性能。

用于銅零件印刷的粉末材料的SEM圖像。CuO粉體由球形和圓形片狀顆粒組成，顆粒大小分布在10到10微米之間μm至120μmμm。使用Malvern Mastersizer S在異丙醇中進(jìn)行粒度分析。在研磨和退火（600 mm）的試樣上進(jìn)行五次運(yùn)行攝氏度，1h、 5%H2）粉末。來源：Williams等人，Binder jetting additive manufacturing of copper foam structures，https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100960

前十位作者的生產(chǎn)率、被引次數(shù)和時(shí)間軸如圖5所示;觀察到，自2015年以來，人們對增材制造的研究興趣大大超過了往年。這與同一年的引用次數(shù)一致，其中C.K.Chua和S.L.Sing的引用次數(shù)為527次。同樣地，C.B.的重要性也得到了體現(xiàn)。Williams從2015年到現(xiàn)在一直在研究這一課題，并不斷做出貢獻(xiàn)。

圖5 十位主要作者出版物和引用的演變

3.5概念結(jié)構(gòu)

所找到的文檔集合的概念結(jié)構(gòu)映射如圖6所示。這張圖試圖解釋在所研究的知識領(lǐng)域中主題是如何組織的。在作者關(guān)鍵詞中可以觀察到兩個(gè)集群(或主題)。集群1（紅色）通過添加制造研究3D打印材料的經(jīng)典機(jī)理和機(jī)械特性。集群2（藍(lán)色）包含通過生物印刷制造生物材料的研究。集群2的大小比集群1小得多，因?yàn)槊總€(gè)集群中包含的文檔數(shù)量不同。

同樣，數(shù)據(jù)收集及其主題演變顯示了“增材制造”主題是如何橫向的，并設(shè)法劃分為與材料的屬性和組成相關(guān)的新興主題。另一方面，我們觀察到這項(xiàng)技術(shù)甚至可以開發(fā)3D打印食品、包含納米復(fù)合材料和光聚合，如圖7所示。

圖6 數(shù)據(jù)收集概念結(jié)構(gòu)圖

圖7 專題演變分為2008-2017年、2018-2019年和2020-2021年四個(gè)階段

3.6來源分析

數(shù)據(jù)分析顯示476個(gè)來源，其中59.87%（285）只發(fā)表了一份與研究主題相關(guān)的文件。表3根據(jù)h指數(shù)按降序顯示了排名前10位的期刊，以及該主題的出版數(shù)量、引文數(shù)量、首次出版年份以及每種期刊的影響因素。請注意，增材制造占期刊的16.60%，h指數(shù)為18，影響因子為7.0，其次是材料與設(shè)計(jì)，占出版物的6.51%，h指數(shù)為31，影響因子為6.2，因此是本主題的重要來源。

表3 與聚合物溶液降解研究相關(guān)的主要出版物來源

分析結(jié)果表明，生物制造和ACS應(yīng)用材料與界面每篇文章的引用次數(shù)超過49次。根據(jù)所分析的這些指標(biāo)，在2008-2021年的時(shí)間線內(nèi)，確定在所分析主題上影響最大的三種期刊是增材制造、材料與設(shè)計(jì)以及ACS應(yīng)用材料與接口，如圖8所示。

圖8 最相關(guān)的期刊

3.7關(guān)鍵詞分析

關(guān)鍵詞與代表各出版物作者開發(fā)的主要思想和方法相關(guān)。表4描述了增材制造和3D打印材料力學(xué)性能中使用最多的10個(gè)關(guān)鍵字，每個(gè)關(guān)鍵字出現(xiàn)的最低頻率為5次。出現(xiàn)頻率最高的關(guān)鍵詞是增材制造，其次是3D打印和機(jī)械性能。他們強(qiáng)調(diào)了增材制造和3D打印材料力學(xué)性能研究在當(dāng)前行業(yè)挑戰(zhàn)中的重要性。

表4 關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率

圖9顯示了主要關(guān)鍵詞隨時(shí)間的演變，這證實(shí)了前三個(gè)關(guān)鍵詞的重要性，自知識領(lǐng)域開始（2008年）以來，這三個(gè)關(guān)鍵詞保持了顯著的增長。主題演變中的這種分析可以作為一種工具，使研究人員能夠了解所分析主題的趨勢和知識差距。此外，與前幾年相比，主要關(guān)鍵詞的演變從2015年開始以指數(shù)級速度加速增長。

圖9 十大關(guān)鍵詞隨時(shí)間的演變

從圖10中，紅色區(qū)域表示分析主題的熱點(diǎn)。增材制造是作者最常用的關(guān)鍵詞。由于制造業(yè)新技術(shù)的發(fā)展、施工效率以及3D打印的低成本，與傳統(tǒng)施工技術(shù)相比，3D打印工藝在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起了極大的關(guān)注。

圖10 基于密度可視化的作者關(guān)鍵詞文獻(xiàn)計(jì)量圖

4. 增材制造工藝發(fā)展趨勢及結(jié)論

通過使用統(tǒng)計(jì)和圖形工具對跨時(shí)間獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對涉及3D打印材料的增材制造和機(jī)械性能的文獻(xiàn)綜述進(jìn)行了分析?？梢源_定，該研究領(lǐng)域從2008年開始及時(shí)演變，2015年以來呈現(xiàn)加速發(fā)展趨勢。在這項(xiàng)研究中，不同的作品、作者和主題對3D打印材料的增材制造和機(jī)械性能的研究產(chǎn)生了重大影響。文件研究提出了曾經(jīng)的知識障礙和差距。其中大部分已經(jīng)被克服；有些仍需要開發(fā)。通過這種方式，得出以下結(jié)論：

研究人員試圖改進(jìn)3D打印方法，以彌補(bǔ)該技術(shù)與傳統(tǒng)制造方法之間的差距。目前，高分子化合物的開發(fā)為分析和控制與其實(shí)際用途相關(guān)的產(chǎn)品制造過程的屬性和性能提供了自由，為材料的開發(fā)提供了機(jī)會。

為根據(jù)最終產(chǎn)品的幾何形狀提高質(zhì)量，后續(xù)須補(bǔ)充新材料開發(fā)研究和沉積過程中涉及的物理現(xiàn)象分析。開發(fā)數(shù)值模型用以評估材料所受的溫度變化和熱應(yīng)力，將使研究人員能夠根據(jù)選定的印刷參數(shù)確定微觀結(jié)構(gòu)的組成和機(jī)械性能，從而評估使用期間的性能。

為開發(fā)商業(yè)3D食品印刷，三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域需要接受改進(jìn)挑戰(zhàn)：印刷時(shí)間、批次間重復(fù)性和食品生物安全。速度可以通過實(shí)施具有自適應(yīng)能力的智能算法來提高，該算法允許對打印參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，平衡質(zhì)量和處理時(shí)間，以確保批次之間的一致性。建議制定超出實(shí)驗(yàn)室使用標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)，從而保證優(yōu)質(zhì)食品的一致質(zhì)量。最后，為了保證食品生物安全，食品中的微生物含量必須在整個(gè)生產(chǎn)過程中隨時(shí)間進(jìn)行定量。