基于Cite Space的增材制造热点与前沿领域分析

李良琦 高彬彬 胡晓睿 白子龙 王冉

（中国兵器工业集团第二一○研究所，北京，100089）

1 研究背景

增材制造技术是一种变革性的数字化制造技术，被普遍认为是引领第三次工业革命的关键技术，其原理是利用激光或电子束等手段，根据零件的三维模型，在计算机自动控制下通过材料逐层添加堆积而快速精确制成零件。增材制造技术在成本、效率和质量方面优势突出，展现出与机械加工和铸造等传统减材工艺抗衡、逐渐成为主流制造技术的巨大潜力。近年来，增材制造技术受到极度热捧，全球增材制造产品和服务市场规模翻番，美国国防部将增材制造技术作为推动美国制造创新的首选技术，军工领域增材制造技术研究应用不断深入，呈现持续快速发展态势。

在设计方面，随着武器装备朝着轻量化、结构功能一体化方向不断发展，增材制造为产品的研制提供了新的技术途径，已能够实现结构功能一体化零件、桁架结构、点阵结构、仿生结构的制造；在材料方面，增材制造适用材料从聚合物到金属材料再到复合材料不断拓展，已实现不锈钢、钛合金、铝合金、镍合金、铜合金、钽合金、陶瓷等多种材料的最终产品增材制造；在工艺方面，微纳尺度增材制造、含能材料增材制造、增减材混合制造、生物制造等新兴工艺不断涌现，并随着工艺过程优化，使增材制造技术成形尺寸、质量和效率得到大幅提升；在军工应用方面，增材制造能够满足军工领域很多特殊需求，已经在海、陆、空、天、核电等领域取得越来越多的应用，并且在武器装备研制生产中具有很多不可替代的作用和广阔的应用前景。

2 研究方法与数据来源

Cite Space 是一种基于引文分析理论的科技文本挖掘及可视化分析软件，可以用来绘制科学领域发展的知识图谱，直观地展现一个学科或知识领域在一定时期发展的趋势与动向，也可以利用该软件所独特的突变词检测功能发现科学领域研究的热点及前沿。因此，本研究选择Cite Space 作为研究工具，选取Web of Science数据库中与增材制造有关的文献数据作为研究内容，通过建立关键词共现图谱、关键词聚类图谱以及突现词检测等，进行增材制造的研究热点与前沿分析，并给出结论。

数据采集过程中，研究数据来源于美国Web of Science中的Web of Science 核心数据库，检索方式为主题=“additive manufacturing”OR“3d printing”，时间检索跨度＝2008-2018 年。通过精炼选择“Engineer Manufacturing”、“Material Science Multidisciplinary”、“Engineering Mechanical”领域后，得到相关文献4562 篇。

3 关键词研究

关键词是对文献研究内容的高度概括，在一定程度上可以代表一篇文献的研究内容。网络节点的中心性是反映节点核心程度的重要指标之一，可以衡量某个节点在网络中的重要性，以及与其他节点之间联系的密切程度。一段时间内科学研究者共同关注的核心问题即研究热点可以从中心性和频次高的关键词中得到体现。

分析增材制造研究热点时，设定网络节点为“Keyword”，运行软件后将同义关键词合并后得到研究文献中关键词共现网络，如图1 所示。图谱中每个关键词用一个十字节点表示，十字越大表明该关键词在增材制造研究领域内出现的频次越高，即高频关键词。其中关键词共现网络中有节点124 个，连线62 条，网络密度为0.0081。

近十年增材制造研究文献中出现的高频次和高中心性关键词如表1 所示。通过文献中出现频次前十的关键词有“mechanical property”、“microstructure”、“behavior”、“alloy”、“design”、“part”、“deposition”、“powder”、“laser”、“composite”。结合高中心性关键词，可以发现近十年国际增材制造研究的热点领域包括：铝合金、钛合金、高温合金、复合材料、设计、沉积、立体光刻、激光增材制造、基于粉末的增材制造、机械性能（耐高温、耐腐蚀）、微观结构、表面粗糙度等。

图1 增材制造研究关键词共现图谱

4 关键词聚类分析

在关键词聚类分析中，聚类反映了网络中节点的相似性，有助于识别和探测某一研究领域代表性知识子群，即该研究领域内的热点主题。设定网络节点为“Keyword”，在生成关键词共现网络的基础上对其进行聚类处理，最终得到如图2 所示的增材制造研究领域的关键词聚类网络。

增材制造的研究热点知识子群可总结为五大主题：①以建模、优化、仿真、预测等为代表的增材制造设计方向的研究热点；②以铝合金、钛合金、不锈钢、高温合金、复合材料、聚合物、生物材料、陶瓷等为代表的增材制造材料方向的研究热点；③以直接金属沉积、立体光刻、激光增材制造、选区激光熔化、基于粉末的增材制造、基于丝材的增材制造等为代表的增材制造工艺方向的研究热点；④以机械性能（耐高温、耐腐蚀）、微观结构、表面粗糙度、强度、变形、残余应力、刚度等为代表的增材制造产品性能方向的研究热点；⑤以生物医学、电子等为代表的增材制造应用方向的研究热点。

5 前沿领域研究

研究前沿是一组凸显的动态概念和潜在的研究问题，研究前沿术语即出现频次快速增加的专业术语。Cite Space 提供一种基于词频增长算法（Burst Detection）的突现词分析方法，该方法通过对引文关键词的统计，将短时间内快速增长的专业词汇检测出来。凭借这些突现词动态变化性的特点可以较好地反映知识域内的研究前沿和发展趋势。设定网络节点为“Keyword”，词语类型选择突现词（Burst Terms）。利用Cite Space 软件提供的词频增长算法，将词频变化率高的词从大量关键词中探测出来，并选取部分在近五年内突现词较大的词，来确定增材制造研究领域的前沿，具体如表2 所示。

6 研究结论

通过Cite Space 软件，对Web of Science 数据库中有关增材制造2008-2018 年的文献数据进行不同层面的分析以及直观的可视化展示，包括关键词聚类图谱和突现词检测图谱。研究得出以下结论：

关键词共现图谱表明：增材制造研究的热点领域可分为设计、材料、工艺；增材制造研究的热点材料包括铝合金、钛合金、高温合金、复合材料；增材制造研究的热点工艺及特性包括基于粉末的增材制造、基于丝材的增材制造、激光增材制造、多材料集成、机械性能（耐高温、耐腐蚀）、微观结构、表面粗糙度/精度等。

表1 增材制造研究文献高频词

图2 增材制造研究关键词聚类图谱

表2 增材制造研究突现词

突现词检测图谱表明，增材制造领域研究前沿包括：复杂结构有限元分析，生物材料增材制造、高温合金增材制造、柔性电子器件增材制造、直接金属沉积工艺、自由成形制造工艺以及基于丝材的增材制造。

通过上述结论可以预见，未来，增材制造技术有望帮助实现武器装备设计的创新，大幅降低装备研制的成本，缩短生产周期，并实现战场的快速维修制造，变革作战和后勤保障模式。具体将在以下8 个方面获得应用：①突破发动机等复杂系统的设计局限，改进武器装备性能；②实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备；③将电子器件打印至武器装备中，实现结构功能一体化；④增减材混合制造技术大幅提高武器装备生产速度；⑤高温合金增材制造成熟用于武器装备核心部件高质量制造；⑥实现枪械等轻型武器装备的直接制造；⑦实现高价值关键件的修复，大幅节约维修成本；⑧实现远征战地、海上作战平台、太空等现场按需制造。