如今，工業(ye) 的挑戰越來越要求通過3D打印來製造具有極大設計靈活性且無浪費的複雜形狀。與(yu) 鑄造和機械加工等傳(chuan) 統製造技術不同的是，增材製造技術使設計師能夠在降低運營成本和材料浪費的同時快速製作原型。因此，了解與(yu) 增材製造工藝和3D打印材料機械性能相關(guan) 的文獻現狀，對於(yu) 確定本課題未來的研究方向具有重要意義(yi) 。本文采用文獻計量學分析方法，又稱科學計量學。

研究使用R和VOSviewer的Bibliometrix軟件包確定了趨勢和超越主題。數據通過搜索方程直接從(cong) Scopus數據庫導出。結果表明，在所分析的1271份文獻中，2015年是研究進入發展階段的一年，增長率為(wei) 20.8%。美國在出版物方麵處於(yu) 領先地位，中國和英國緊隨其後。同樣，我們(men) 觀察到發表文章數量和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(guan) 鍵詞的時間演變，以及基於(yu) 3D打印材料機械性能的增材製造研究的趨勢和研究差距。

1，介紹

增材製造或快速原型由3D打印及在製造過程中使用材料的機械、化學和物理特性決(jue) 定。這種類型的製造使用逐層的方法來構建具有複雜或自定義(yi) 幾何形狀的元素。增材製造的這些特點在生物醫學、健康、航空航天、建築、汽車、食品和牙科行業(ye) 得到了顯著關(guan) 注。

在增材製造工藝中，3D打印方法是最常見的方法，該方法使用被稱為(wei) 熔融沉積建模(FDM)的聚合物長絲(si) ，然後通過選擇性激光燒結(SLS)、選擇性激光熔化(SLM)和噴墨打印的增材製造粉末。增材製造(AM)是一種利用基於(yu) 計算機輔助設計的三維模型、3D打印設備逐層製造的方法。

根據ISO/ASTM 52900:2015，有7類增材製造技術:材料擠壓(ME)，其中材料加熱並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(chan) 生選擇性沉積光聚合物和引發劑，形成薄層固化形成薄片；粘合劑噴射(BJ)，它是基於(yu) 粉末材料與(yu) 液體(ti) 粘結劑的結合，液體(ti) 粘結劑有選擇地沉積，生成3D芯片；薄片層壓（SL），它允許連接板通過超聲波感應形成物體(ti) ；還原劑光聚合(VP)，由沉積在移動缸內(nei) 的液體(ti) 光聚合物組成;這是選擇性固化與(yu) 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熔接粉末床區域以獲得零件。最後定向能量沉積(DED)利用激光或等離子弧聚焦的熱能使金屬熔合。

材料是增材製造係統的關(guan) 鍵部分，它們(men) 對3D打印結果有重要貢獻。與(yu) 傳(chuan) 統製造工藝一樣，這些材料的特性對製造工藝的效率至關(guan) 重要。這產(chan) 生了行業(ye) 不斷增長的需求，尋求在未來的添加劑製造過程中利用可持續性和功能性材料。同樣，通過開發更好的打印策略來提高3D打印技術的適用性和技術，包括可靠的和生態的材料，從(cong) 而改善零件的功能和性能，這對於(yu) 工業(ye) 製造業(ye) 的應用是一個(ge) 極好的貢獻。

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

他們(men) 發現，隻有光柵角度對評估的屬性有顯著影響。此外，Duigou等人研究了基於(yu) 纖維/聚乳酸複合材料（cFF/PLA）的機械性能優(you) 化。他們(men) 發現，連續玻璃纖維/聚酰胺(PA)印刷複合材料的拉伸機械性能處於(yu) 相同的範圍。Song等使用帶有單向打印模式的3D打印技術分析了PLA塊的機械性能(不同方向的拉伸、壓縮和斷裂)。發現彈塑性材料的響應是正交各向異性的，在拉伸和壓縮試驗中表現出強烈的不對稱性。Letcher& Waytashek使用普通品牌PLA進行牽引、彎曲和疲勞測試，可購買(mai) 並供家庭用戶使用。分別以0°、45°和90°的屏向角打印試件，實驗結果表明，45°屏向的拉伸強度較高，而0°屏向的抗彎曲效果較好。

PLA基複合材料共混物目前正用於(yu) 組織工程3D打印支架的製造。Senatov等人通過SEM成像證實了PLA基支架結構中存在互連孔。

工業(ye) 和科學界對快速原型技術的興(xing) 趣日益增長，因此近年來與(yu) 該領域相關(guan) 的科學文獻的顯著增加。在3D打印材料的增材製造和機械性能的主題中，還沒有一個(ge) 科學計量工作。本研究中，一項文獻計量學研究綜述了有關(guan) 這一主題。確定了該主題在不同時間的增長、知識領域的細分以及研究增長的主要貢獻者。此外，本研究還通過展示研究最少的主題，幫助發現研究的差距。另一方麵，對公司獲取科學資料並將其轉化為(wei) 有用產(chan) 品也很有用。在文件的最後，提出了未來研究人員需要克服的知識障礙和差距。

2.文獻計量學方法

文獻計量分析有助於(yu) 以一種有組織且易於(yu) 理解的方式顯示文章、書(shu) 籍和書(shu) 籍章節的出版信息，以便日後檢查以發現相關(guan) 見解。該分析可以確定增材製造研究的最新進展以及3D打印的機械性能。使用VOSviewer軟件獲取國家與(yu) 關(guan) 鍵詞之間的關(guan) 係，使用R free軟件的文獻計量工具，可以對特定主題的科學文獻進行分析。

2.1數據采集和搜索策略

為(wei) 了分析3D打印材料的增材製造和機械性能方麵的研究趨勢，可直接從(cong) Scopus數據庫獲取出版物。有一個(ge) 搜索方程便於(yu) 查找，可結合與(yu) 評估主題相關(guan) 的術語，如“增材製造”、“3D打印”和“機械性能”。表1顯示了2020年10月18日收集的數據匯總，獲得了2008年至2021年期間的1271份文件。

表1 文獻收集的描述性分析

2.2研究指標

在文獻計量分析的發展中，通過測量影響因子，考慮了關(guan) 鍵詞、出版來源、國家、機構和作者的影響，並利用h指數分析了主題的演變。根據《2020年期刊引用報告》，出版物來源的影響因素是通過搜索Clarivate Analytics數據庫獲得的。h指數於(yu) 2005年由JE Hirsch引入，評估每個(ge) 研究者的論文發表數量和被引用數量。對於(yu) 一個(ge) 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(ge) h指數就等於(yu) N。

3.結果和討論

3.1出版物產(chan) 出

在文獻計量分析的搜索標準範圍內(nei) ，共有1271篇文獻。圖1顯示了2008年至2021年期間的累計出版物數量以及總引用量。自2014年以來，觀察到文件數量顯著增長，累積出版物的斜率略有變化。在2008-2017年和2018-2019年期間，累計公布的斜率變化最為(wei) 顯著。值得注意的是，近年來沒有平台化趨勢，這證明了近年來增材製造和3D打印材料機械性能研究方麵存在的相關(guan) 性。出版物的年增長率估計為(wei) 20.81%；此外，每份文件的平均引用率為(wei) 16.01。共有4620位作者，平均每個(ge) 文檔有3.63位作者，協作指數為(wei) 3.77。

圖1 2008年至2021年的累計出版物數量和引用數量

3.2國家分布

與(yu) 3D打印材料增材製造和機械性能相關(guan) 出版物的文獻計量分析結果表明，來自61個(ge) 國家的研究人員發表了科學文獻，但其中25個(ge) 國家的貢獻不到10份出版物。圖2顯示了文檔數量最多的20個(ge) 國家。從(cong) 獨立於(yu) 國際合作的出版物總數來看，美國是領先的國家。同樣，中國和英國也是科學產(chan) 量最高的前三個(ge) 國家。

圖2 最相關(guan) 的國家

通過這種方式，還可以觀察到，在歐洲和亞(ya) 洲地區，增材製造和3D打印材料的機械性能的研究更受關(guan) 注，共有50多份出版物。如圖3所示，學術交流由美國、中國和英國牽頭，它們(men) 擁有全球最大的合作網絡。

圖3 最相關(guan) 國家之間的合作網絡

3.3研究所分析

正如先前結果所預期的，美國、亞(ya) 洲和歐洲擁有最具生產(chan) 力的機構。圖4總結了排名前20位的機構。根據統計分析，這些機構發布的文件占總文件的11.32%。Tennessee大學以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 機構合作網絡

3.4作者分析

文集中共有4619位作者，其中83.63%(3863) 隻有一份出版物。表2列出了h指數最高、發表論文最多的10位作者。它還顯示了他們(men) 開始發表文檔的年份、被引用的總數，以及每個(ge) 出版物被引用的數量。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最多的作者是S.L. Sing, J. Stampfl和C.K. Chua，分別為(wei) 147、101和97。

表2 從(cong) 事增材製造相關(guan) 研究的主要作者

h- index指數最高的作者的最新作品是Williams的貢獻。從(cong) 模擬組織的材料的3D打印到獲得真實的經中隔穿刺模型，通過製造粘合劑噴射增材製造泡沫銅結構。使用3D打印彈性體(ti) 的聚合物設計，基於(yu) 阻抗的測量對材料注射增材製造過程進行現場監控。對聚合物粉末床熔體(ti) 增材製造過程物理和材料選擇方法進行回顧。

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

Muller使用直接氣泡書(shu) 寫(xie) 法研究了建築聚合物泡沫，和3D打印晶格中屈曲、構造方向和縮放的影響，同時製造階梯支柱以最大限度地吸收桁架中的能量，評估了3D噴墨打印部件中界麵的機械性能以及采用高效實驗設計的3D噴墨打印零件的機械性能。

用於(yu) 銅零件印刷的粉末材料的SEM圖像。CuO粉體(ti) 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在異丙醇中進行粒度分析。在研磨和退火（600 mm）的試樣上進行五次運行攝氏度，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(chan) 率、被引次數和時間軸如圖5所示;觀察到，自2015年以來，人們(men) 對增材製造的研究興(xing) 趣大大超過了往年。這與(yu) 同一年的引用次數一致，其中C.K.Chua和S.L.Sing的引用次數為(wei) 527次。同樣地，C.B.的重要性也得到了體(ti) 現。Williams從(cong) 2015年到現在一直在研究這一課題，並不斷做出貢獻。

圖5 十位主要作者出版物和引用的演變

3.5概念結構

所找到的文檔集合的概念結構映射如圖6所示。這張圖試圖解釋在所研究的知識領域中主題是如何組織的。在作者關(guan) 鍵詞中可以觀察到兩(liang) 個(ge) 集群(或主題)。集群1（紅色）通過添加製造研究3D打印材料的經典機理和機械特性。集群2（藍色）包含通過生物印刷製造生物材料的研究。集群2的大小比集群1小得多，因為(wei) 每個(ge) 集群中包含的文檔數量不同。

同樣，數據收集及其主題演變顯示了“增材製造”主題是如何橫向的，並設法劃分為(wei) 與(yu) 材料的屬性和組成相關(guan) 的新興(xing) 主題。另一方麵，我們(men) 觀察到這項技術甚至可以開發3D打印食品、包含納米複合材料和光聚合，如圖7所示。

圖6 數據收集概念結構圖

圖7 專(zhuan) 題演變分為(wei) 2008-2017年、2018-2019年和2020-2021年四個(ge) 階段

3.6來源分析

數據分析顯示476個(ge) 來源，其中59.87%（285）隻發表了一份與(yu) 研究主題相關(guan) 的文件。表3根據h指數按降序顯示了排名前10位的期刊，以及該主題的出版數量、引文數量、首次出版年份以及每種期刊的影響因素。請注意，增材製造占期刊的16.60%，h指數為(wei) 18，影響因子為(wei) 7.0，其次是材料與(yu) 設計，占出版物的6.51%，h指數為(wei) 31，影響因子為(wei) 6.2，因此是本主題的重要來源。

表3 與(yu) 聚合物溶液降解研究相關(guan) 的主要出版物來源

分析結果表明，生物製造和ACS應用材料與(yu) 界麵每篇文章的引用次數超過49次。根據所分析的這些指標，在2008-2021年的時間線內(nei) ，確定在所分析主題上影響最大的三種期刊是增材製造、材料與(yu) 設計以及ACS應用材料與(yu) 接口，如圖8所示。

圖8 最相關(guan) 的期刊

3.7關(guan) 鍵詞分析

關(guan) 鍵詞與(yu) 代表各出版物作者開發的主要思想和方法相關(guan) 。表4描述了增材製造和3D打印材料力學性能中使用最多的10個(ge) 關(guan) 鍵字，每個(ge) 關(guan) 鍵字出現的最低頻率為(wei) 5次。出現頻率最高的關(guan) 鍵詞是增材製造，其次是3D打印和機械性能。他們(men) 強調了增材製造和3D打印材料力學性能研究在當前行業(ye) 挑戰中的重要性。

表4 關(guan) 鍵詞出現頻率

圖9顯示了主要關(guan) 鍵詞隨時間的演變，這證實了前三個(ge) 關(guan) 鍵詞的重要性，自知識領域開始（2008年）以來，這三個(ge) 關(guan) 鍵詞保持了顯著的增長。主題演變中的這種分析可以作為(wei) 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(yu) 前幾年相比，主要關(guan) 鍵詞的演變從(cong) 2015年開始以指數級速度加速增長。

圖9 十大關(guan) 鍵詞隨時間的演變

從(cong) 圖10中，紅色區域表示分析主題的熱點。增材製造是作者最常用的關(guan) 鍵詞。由於(yu) 製造業(ye) 新技術的發展、施工效率以及3D打印的低成本，與(yu) 傳(chuan) 統施工技術相比，3D打印工藝在學術界和工業(ye) 界引起了極大的關(guan) 注。

圖10 基於(yu) 密度可視化的作者關(guan) 鍵詞文獻計量圖

4. 增材製造工藝發展趨勢及結論

通過使用統計和圖形工具對跨時間獲得的數據進行分析，對涉及3D打印材料的增材製造和機械性能的文獻綜述進行了分析。可以確定，該研究領域從(cong) 2008年開始及時演變，2015年以來呈現加速發展趨勢。在這項研究中，不同的作品、作者和主題對3D打印材料的增材製造和機械性能的研究產(chan) 生了重大影響。文件研究提出了曾經的知識障礙和差距。其中大部分已經被克服；有些仍需要開發。通過這種方式，得出以下結論：

研究人員試圖改進3D打印方法，以彌補該技術與(yu) 傳(chuan) 統製造方法之間的差距。目前，高分子化合物的開發為(wei) 分析和控製與(yu) 其實際用途相關(guan) 的產(chan) 品製造過程的屬性和性能提供了自由，為(wei) 材料的開發提供了機會(hui) 。

為(wei) 根據最終產(chan) 品的幾何形狀提高質量，後續須補充新材料開發研究和沉積過程中涉及的物理現象分析。開發數值模型用以評估材料所受的溫度變化和熱應力，將使研究人員能夠根據選定的印刷參數確定微觀結構的組成和機械性能，從(cong) 而評估使用期間的性能。

為(wei) 開發商業(ye) 3D食品印刷，三個(ge) 關(guan) 鍵領域需要接受改進挑戰：印刷時間、批次間重複性和食品生物安全。速度可以通過實施具有自適應能力的智能算法來提高，該算法允許對打印參數進行微調，平衡質量和處理時間，以確保批次之間的一致性。建議製定超出實驗室使用標準的標準，從(cong) 而保證優(you) 質食品的一致質量。最後，為(wei) 了保證食品生物安全，食品中的微生物含量必須在整個(ge) 生產(chan) 過程中隨時間進行定量。