基于Cite Space的增材制造熱點與前沿領域分析

李良琦 高彬彬 胡曉睿 白子龍 王冉

（中國兵器工業集團第二一○研究所，北京，100089）

1 研究背景

增材制造技術是一種變革性的數字化制造技術，被普遍認為是引領第三次工業革命的關鍵技術，其原理是利用激光或電子束等手段，根據零件的三維模型，在計算機自動控制下通過材料逐層添加堆積而快速精確制成零件。增材制造技術在成本、效率和質量方面優勢突出，展現出與機械加工和鑄造等傳統減材工藝抗衡、逐漸成為主流制造技術的巨大潛力。近年來，增材制造技術受到極度熱捧，全球增材制造產品和服務市場規模翻番，美國國防部將增材制造技術作為推動美國制造創新的首選技術，軍工領域增材制造技術研究應用不斷深入，呈現持續快速發展態勢。

在設計方面，隨著武器裝備朝著輕量化、結構功能一體化方向不斷發展，增材制造為產品的研制提供了新的技術途徑，已能夠實現結構功能一體化零件、桁架結構、點陣結構、仿生結構的制造；在材料方面，增材制造適用材料從聚合物到金屬材料再到復合材料不斷拓展，已實現不銹鋼、鈦合金、鋁合金、鎳合金、銅合金、鉭合金、陶瓷等多種材料的最終產品增材制造；在工藝方面，微納尺度增材制造、含能材料增材制造、增減材混合制造、生物制造等新興工藝不斷涌現，并隨著工藝過程優化，使增材制造技術成形尺寸、質量和效率得到大幅提升；在軍工應用方面，增材制造能夠滿足軍工領域很多特殊需求，已經在海、陸、空、天、核電等領域取得越來越多的應用，并且在武器裝備研制生產中具有很多不可替代的作用和廣闊的應用前景。

2 研究方法與數據來源

Cite Space 是一種基于引文分析理論的科技文本挖掘及可視化分析軟件，可以用來繪制科學領域發展的知識圖譜，直觀地展現一個學科或知識領域在一定時期發展的趨勢與動向，也可以利用該軟件所獨特的突變詞檢測功能發現科學領域研究的熱點及前沿。因此，本研究選擇Cite Space 作為研究工具，選取Web of Science數據庫中與增材制造有關的文獻數據作為研究內容，通過建立關鍵詞共現圖譜、關鍵詞聚類圖譜以及突現詞檢測等，進行增材制造的研究熱點與前沿分析，并給出結論。

數據采集過程中，研究數據來源于美國Web of Science中的Web of Science 核心數據庫，檢索方式為主題=“additive manufacturing”OR“3d printing”，時間檢索跨度＝2008-2018 年。通過精煉選擇“Engineer Manufacturing”、“Material Science Multidisciplinary”、“Engineering Mechanical”領域后，得到相關文獻4562 篇。

3 關鍵詞研究

關鍵詞是對文獻研究內容的高度概括，在一定程度上可以代表一篇文獻的研究內容。網絡節點的中心性是反映節點核心程度的重要指標之一，可以衡量某個節點在網絡中的重要性，以及與其他節點之間聯系的密切程度。一段時間內科學研究者共同關注的核心問題即研究熱點可以從中心性和頻次高的關鍵詞中得到體現。

分析增材制造研究熱點時，設定網絡節點為“Keyword”，運行軟件后將同義關鍵詞合并后得到研究文獻中關鍵詞共現網絡，如圖1 所示。圖譜中每個關鍵詞用一個十字節點表示，十字越大表明該關鍵詞在增材制造研究領域內出現的頻次越高，即高頻關鍵詞。其中關鍵詞共現網絡中有節點124 個，連線62 條，網絡密度為0.0081。

近十年增材制造研究文獻中出現的高頻次和高中心性關鍵詞如表1 所示。通過文獻中出現頻次前十的關鍵詞有“mechanical property”、“microstructure”、“behavior”、“alloy”、“design”、“part”、“deposition”、“powder”、“laser”、“composite”。結合高中心性關鍵詞，可以發現近十年國際增材制造研究的熱點領域包括：鋁合金、鈦合金、高溫合金、復合材料、設計、沉積、立體光刻、激光增材制造、基于粉末的增材制造、機械性能（耐高溫、耐腐蝕）、微觀結構、表面粗糙度等。

圖1 增材制造研究關鍵詞共現圖譜

4 關鍵詞聚類分析

在關鍵詞聚類分析中，聚類反映了網絡中節點的相似性，有助于識別和探測某一研究領域代表性知識子群，即該研究領域內的熱點主題。設定網絡節點為“Keyword”，在生成關鍵詞共現網絡的基礎上對其進行聚類處理，最終得到如圖2 所示的增材制造研究領域的關鍵詞聚類網絡。

增材制造的研究熱點知識子群可總結為五大主題：①以建模、優化、仿真、預測等為代表的增材制造設計方向的研究熱點；②以鋁合金、鈦合金、不銹鋼、高溫合金、復合材料、聚合物、生物材料、陶瓷等為代表的增材制造材料方向的研究熱點；③以直接金屬沉積、立體光刻、激光增材制造、選區激光熔化、基于粉末的增材制造、基于絲材的增材制造等為代表的增材制造工藝方向的研究熱點；④以機械性能（耐高溫、耐腐蝕）、微觀結構、表面粗糙度、強度、變形、殘余應力、剛度等為代表的增材制造產品性能方向的研究熱點；⑤以生物醫學、電子等為代表的增材制造應用方向的研究熱點。

5 前沿領域研究

研究前沿是一組凸顯的動態概念和潛在的研究問題，研究前沿術語即出現頻次快速增加的專業術語。Cite Space 提供一種基于詞頻增長算法（Burst Detection）的突現詞分析方法，該方法通過對引文關鍵詞的統計，將短時間內快速增長的專業詞匯檢測出來。憑借這些突現詞動態變化性的特點可以較好地反映知識域內的研究前沿和發展趨勢。設定網絡節點為“Keyword”，詞語類型選擇突現詞（Burst Terms）。利用Cite Space 軟件提供的詞頻增長算法，將詞頻變化率高的詞從大量關鍵詞中探測出來，并選取部分在近五年內突現詞較大的詞，來確定增材制造研究領域的前沿，具體如表2 所示。

6 研究結論

通過Cite Space 軟件，對Web of Science 數據庫中有關增材制造2008-2018 年的文獻數據進行不同層面的分析以及直觀的可視化展示，包括關鍵詞聚類圖譜和突現詞檢測圖譜。研究得出以下結論：

關鍵詞共現圖譜表明：增材制造研究的熱點領域可分為設計、材料、工藝；增材制造研究的熱點材料包括鋁合金、鈦合金、高溫合金、復合材料；增材制造研究的熱點工藝及特性包括基于粉末的增材制造、基于絲材的增材制造、激光增材制造、多材料集成、機械性能（耐高溫、耐腐蝕）、微觀結構、表面粗糙度/精度等。

表1 增材制造研究文獻高頻詞

圖2 增材制造研究關鍵詞聚類圖譜

表2 增材制造研究突現詞

突現詞檢測圖譜表明，增材制造領域研究前沿包括：復雜結構有限元分析，生物材料增材制造、高溫合金增材制造、柔性電子器件增材制造、直接金屬沉積工藝、自由成形制造工藝以及基于絲材的增材制造。

通過上述結論可以預見，未來，增材制造技術有望幫助實現武器裝備設計的創新，大幅降低裝備研制的成本，縮短生產周期，并實現戰場的快速維修制造，變革作戰和后勤保障模式。具體將在以下8 個方面獲得應用：①突破發動機等復雜系統的設計局限，改進武器裝備性能；②實現新型仿生/梯度結構設計，催生新概念武器裝備；③將電子器件打印至武器裝備中，實現結構功能一體化；④增減材混合制造技術大幅提高武器裝備生產速度；⑤高溫合金增材制造成熟用于武器裝備核心部件高質量制造；⑥實現槍械等輕型武器裝備的直接制造；⑦實現高價值關鍵件的修復，大幅節約維修成本；⑧實現遠征戰地、海上作戰平臺、太空等現場按需制造。