如今，工业的挑战越来越要求通过3D打印来制造具有极大设计灵活性且无浪费的复杂形状。与铸造和机械加工等传统制造技术不同的是，增材制造技术使设计师能够在降低运营成本和材料浪费的同时快速制作原型。因此，了解与增材制造工艺和3D打印材料机械性能相关的文献现状，对于确定本课题未来的研究方向具有重要意义。本文采用文献计量学分析方法，又称科学计量学。

研究使用R和VOSviewer的Bibliometrix软件包确定了趋势和超越主题。数据通过搜索方程直接从Scopus数据库导出。结果表明，在所分析的1271份文献中，2015年是研究进入发展阶段的一年，增长率为20.8%。美国在出版物方面处于领先地位，中国和英国紧随其后。同样，我们观察到发表文章数量和h-index最高的作者是C.B. Williams，其次是A.A. Zadpoor和J. Muller。此外，本文还介绍了研究人员使用最多的关键词的时间演变，以及基于3D打印材料机械性能的增材制造研究的趋势和研究差距。

1，介绍

增材制造或快速原型由3D打印及在制造过程中使用材料的机械、化学和物理特性决定。这种类型的制造使用逐层的方法来构建具有复杂或自定义几何形状的元素。增材制造的这些特点在生物医学、健康、航空航天、建筑、汽车、食品和牙科行业得到了显著关注。

在增材制造工艺中，3D打印方法是最常见的方法，该方法使用被称为熔融沉积建模(FDM)的聚合物长丝，然后通过选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)和喷墨打印的增材制造粉末。增材制造(AM)是一种利用基于计算机辅助设计的三维模型、3D打印设备逐层制造的方法。

根据ISO/ASTM 52900:2015，有7类增材制造技术:材料挤压(ME)，其中材料加热并通过模具选择性分布，以形成3D零件；材料喷射(MJ)，以液滴的形式产生选择性沉积光聚合物和引发剂，形成薄层固化形成薄片；粘合剂喷射(BJ)，它是基于粉末材料与液体粘结剂的结合，液体粘结剂有选择地沉积，生成3D芯片；薄片层压（SL），它允许连接板通过超声波感应形成物体；还原剂光聚合(VP)，由沉积在移动缸内的液体光聚合物组成;这是选择性固化与聚合紫外光。粉末床熔化(PBF)是利用热能通过选择性激光烧结熔接粉末床区域以获得零件。最后定向能量沉积(DED)利用激光或等离子弧聚焦的热能使金属熔合。

材料是增材制造系统的关键部分，它们对3D打印结果有重要贡献。与传统制造工艺一样，这些材料的特性对制造工艺的效率至关重要。这产生了行业不断增长的需求，寻求在未来的添加剂制造过程中利用可持续性和功能性材料。同样，通过开发更好的打印策略来提高3D打印技术的适用性和技术，包括可靠的和生态的材料，从而改善零件的功能和性能，这对于工业制造业的应用是一个极好的贡献。

Aboma Wagari Gebisa和Hirpa G. Lemu提出的备选方案评估了制造因素对印刷材料拉伸性能的影响。作者考虑了五个打印参数:气隙、光栅宽度、光栅角度、轮廓数和轮廓宽度。

他们发现，只有光栅角度对评估的属性有显著影响。此外，Duigou等人研究了基于纤维/聚乳酸复合材料（cFF/PLA）的机械性能优化。他们发现，连续玻璃纤维/聚酰胺(PA)印刷复合材料的拉伸机械性能处于相同的范围。Song等使用带有单向打印模式的3D打印技术分析了PLA块的机械性能(不同方向的拉伸、压缩和断裂)。发现弹塑性材料的响应是正交各向异性的，在拉伸和压缩试验中表现出强烈的不对称性。Letcher& Waytashek使用普通品牌PLA进行牵引、弯曲和疲劳测试，可购买并供家庭用户使用。分别以0°、45°和90°的屏向角打印试件，实验结果表明，45°屏向的拉伸强度较高，而0°屏向的抗弯曲效果较好。

PLA基复合材料共混物目前正用于组织工程3D打印支架的制造。Senatov等人通过SEM成像证实了PLA基支架结构中存在互连孔。

工业和科学界对快速原型技术的兴趣日益增长，因此近年来与该领域相关的科学文献的显著增加。在3D打印材料的增材制造和机械性能的主题中，还没有一个科学计量工作。本研究中，一项文献计量学研究综述了有关这一主题。确定了该主题在不同时间的增长、知识领域的细分以及研究增长的主要贡献者。此外，本研究还通过展示研究最少的主题，帮助发现研究的差距。另一方面，对公司获取科学资料并将其转化为有用产品也很有用。在文件的最后，提出了未来研究人员需要克服的知识障碍和差距。

2.文献计量学方法

文献计量分析有助于以一种有组织且易于理解的方式显示文章、书籍和书籍章节的出版信息，以便日后检查以发现相关见解。该分析可以确定增材制造研究的最新进展以及3D打印的机械性能。使用VOSviewer软件获取国家与关键词之间的关系，使用R free软件的文献计量工具，可以对特定主题的科学文献进行分析。

2.1数据采集和搜索策略

为了分析3D打印材料的增材制造和机械性能方面的研究趋势，可直接从Scopus数据库获取出版物。有一个搜索方程便于查找，可结合与评估主题相关的术语，如“增材制造”、“3D打印”和“机械性能”。表1显示了2020年10月18日收集的数据汇总，获得了2008年至2021年期间的1271份文件。

表1 文献收集的描述性分析

2.2研究指标

在文献计量分析的发展中，通过测量影响因子，考虑了关键词、出版来源、国家、机构和作者的影响，并利用h指数分析了主题的演变。根据《2020年期刊引用报告》，出版物来源的影响因素是通过搜索Clarivate Analytics数据库获得的。h指数于2005年由JE Hirsch引入，评估每个研究者的论文发表数量和被引用数量。对于一个作者来说，如果他有N篇被其他作者至少引用N次的论文，这个h指数就等于N。

3.结果和讨论

3.1出版物产出

在文献计量分析的搜索标准范围内，共有1271篇文献。图1显示了2008年至2021年期间的累计出版物数量以及总引用量。自2014年以来，观察到文件数量显著增长，累积出版物的斜率略有变化。在2008-2017年和2018-2019年期间，累计公布的斜率变化最为显著。值得注意的是，近年来没有平台化趋势，这证明了近年来增材制造和3D打印材料机械性能研究方面存在的相关性。出版物的年增长率估计为20.81%；此外，每份文件的平均引用率为16.01。共有4620位作者，平均每个文档有3.63位作者，协作指数为3.77。

图1 2008年至2021年的累计出版物数量和引用数量

3.2国家分布

与3D打印材料增材制造和机械性能相关出版物的文献计量分析结果表明，来自61个国家的研究人员发表了科学文献，但其中25个国家的贡献不到10份出版物。图2显示了文档数量最多的20个国家。从独立于国际合作的出版物总数来看，美国是领先的国家。同样，中国和英国也是科学产量最高的前三个国家。

图2 最相关的国家

通过这种方式，还可以观察到，在欧洲和亚洲地区，增材制造和3D打印材料的机械性能的研究更受关注，共有50多份出版物。如图3所示，学术交流由美国、中国和英国牵头，它们拥有全球最大的合作网络。

图3 最相关国家之间的合作网络

3.3研究所分析

正如先前结果所预期的，美国、亚洲和欧洲拥有最具生产力的机构。图4总结了排名前20位的机构。根据统计分析，这些机构发布的文件占总文件的11.32%。Tennessee大学以21篇论文位列第一，其次是University of Texas-El Paso和MassachusettsInstitute of Technology，分别以20篇和19篇论文位列第二和第三。

图4 机构合作网络

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指数最高、发表论文最多的10位作者。它还显示了他们开始发表文档的年份、被引用的总数，以及每个出版物被引用的数量。h-index最高的作者是Williams, CB，其次是A.A. Zadpoor和J. Muller。单篇论文被引用次数最多的作者是S.L. Sing, J. Stampfl和C.K. Chua，分别为147、101和97。

表2 从事增材制造相关研究的主要作者

h- index指数最高的作者的最新作品是Williams的贡献。从模拟组织的材料的3D打印到获得真实的经中隔穿刺模型，通过制造粘合剂喷射增材制造泡沫铜结构。使用3D打印弹性体的聚合物设计，基于阻抗的测量对材料注射增材制造过程进行现场监控。对聚合物粉末床熔体增材制造过程物理和材料选择方法进行回顾。

Zadpoor已经开展了一些工作，如通过3D打印制作的功能分级软-硬复合材料的机械评估，通过AM制造功能分级可生物降解多孔铁，3D打印聚合物的疲劳行为审查，非自生机械超材料的评估，以及使用AM制造的代谢材料的机械性能分析。

Muller使用直接气泡书写法研究了建筑聚合物泡沫，和3D打印晶格中屈曲、构造方向和缩放的影响，同时制造阶梯支柱以最大限度地吸收桁架中的能量，评估了3D喷墨打印部件中界面的机械性能以及采用高效实验设计的3D喷墨打印零件的机械性能。

用于铜零件印刷的粉末材料的SEM图像。CuO粉体由球形和圆形片状颗粒组成，颗粒大小分布在10到10微米之间μm至120μmμm。使用Malvern Mastersizer S在异丙醇中进行粒度分析。在研磨和退火（600 mm）的试样上进行五次运行摄氏度，1h、 5%H2）粉末。来源：Williams等人，Binder jetting additive manufacturing of copper foam structures，https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100960

前十位作者的生产率、被引次数和时间轴如图5所示;观察到，自2015年以来，人们对增材制造的研究兴趣大大超过了往年。这与同一年的引用次数一致，其中C.K.Chua和S.L.Sing的引用次数为527次。同样地，C.B.的重要性也得到了体现。Williams从2015年到现在一直在研究这一课题，并不断做出贡献。

图5 十位主要作者出版物和引用的演变

3.5概念结构

所找到的文档集合的概念结构映射如图6所示。这张图试图解释在所研究的知识领域中主题是如何组织的。在作者关键词中可以观察到两个集群(或主题)。集群1（红色）通过添加制造研究3D打印材料的经典机理和机械特性。集群2（蓝色）包含通过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，因为每个集群中包含的文档数量不同。

同样，数据收集及其主题演变显示了“增材制造”主题是如何横向的，并设法划分为与材料的属性和组成相关的新兴主题。另一方面，我们观察到这项技术甚至可以开发3D打印食品、包含纳米复合材料和光聚合，如图7所示。

图6 数据收集概念结构图

图7 专题演变分为2008-2017年、2018-2019年和2020-2021年四个阶段

3.6来源分析

数据分析显示476个来源，其中59.87%（285）只发表了一份与研究主题相关的文件。表3根据h指数按降序显示了排名前10位的期刊，以及该主题的出版数量、引文数量、首次出版年份以及每种期刊的影响因素。请注意，增材制造占期刊的16.60%，h指数为18，影响因子为7.0，其次是材料与设计，占出版物的6.51%，h指数为31，影响因子为6.2，因此是本主题的重要来源。

表3 与聚合物溶液降解研究相关的主要出版物来源

分析结果表明，生物制造和ACS应用材料与界面每篇文章的引用次数超过49次。根据所分析的这些指标，在2008-2021年的时间线内，确定在所分析主题上影响最大的三种期刊是增材制造、材料与设计以及ACS应用材料与接口，如图8所示。

图8 最相关的期刊

3.7关键词分析

关键词与代表各出版物作者开发的主要思想和方法相关。表4描述了增材制造和3D打印材料力学性能中使用最多的10个关键字，每个关键字出现的最低频率为5次。出现频率最高的关键词是增材制造，其次是3D打印和机械性能。他们强调了增材制造和3D打印材料力学性能研究在当前行业挑战中的重要性。

表4 关键词出现频率

图9显示了主要关键词随时间的演变，这证实了前三个关键词的重要性，自知识领域开始（2008年）以来，这三个关键词保持了显著的增长。主题演变中的这种分析可以作为一种工具，使研究人员能够了解所分析主题的趋势和知识差距。此外，与前几年相比，主要关键词的演变从2015年开始以指数级速度加速增长。

图9 十大关键词随时间的演变

从图10中，红色区域表示分析主题的热点。增材制造是作者最常用的关键词。由于制造业新技术的发展、施工效率以及3D打印的低成本，与传统施工技术相比，3D打印工艺在学术界和工业界引起了极大的关注。

图10 基于密度可视化的作者关键词文献计量图

4. 增材制造工艺发展趋势及结论

通过使用统计和图形工具对跨时间获得的数据进行分析，对涉及3D打印材料的增材制造和机械性能的文献综述进行了分析。可以确定，该研究领域从2008年开始及时演变，2015年以来呈现加速发展趋势。在这项研究中，不同的作品、作者和主题对3D打印材料的增材制造和机械性能的研究产生了重大影响。文件研究提出了曾经的知识障碍和差距。其中大部分已经被克服；有些仍需要开发。通过这种方式，得出以下结论：

研究人员试图改进3D打印方法，以弥补该技术与传统制造方法之间的差距。目前，高分子化合物的开发为分析和控制与其实际用途相关的产品制造过程的属性和性能提供了自由，为材料的开发提供了机会。

为根据最终产品的几何形状提高质量，后续须补充新材料开发研究和沉积过程中涉及的物理现象分析。开发数值模型用以评估材料所受的温度变化和热应力，将使研究人员能够根据选定的印刷参数确定微观结构的组成和机械性能，从而评估使用期间的性能。

为开发商业3D食品印刷，三个关键领域需要接受改进挑战：印刷时间、批次间重复性和食品生物安全。速度可以通过实施具有自适应能力的智能算法来提高，该算法允许对打印参数进行微调，平衡质量和处理时间，以确保批次之间的一致性。建议制定超出实验室使用标准的标准，从而保证优质食品的一致质量。最后，为了保证食品生物安全，食品中的微生物含量必须在整个生产过程中随时间进行定量。

来源：Scientometric Review of Trends on the Mechanical Properties of Additive Manufacturing and 3D Printing，ASM International，JMEPEG(2021)30:4724–4734，

参考文献： A. Le Duigou, A. Barbe, E. Guillou and M. Castro, 3D Printing of Continuous Flax Fibre ReinforcedBiocomposites for Structural Applications, Mater. Des., 2019, 180, p 107884.