基于Cite Space的增材制造熱點(diǎn)與前沿領(lǐng)域分析

李良琦 高彬彬 胡曉睿 白子龍 王冉

（中國兵器工業(yè)集團(tuán)第二一○研究所，北京，100089）

1 研究背景

增材制造技術(shù)是一種變革性的數(shù)字化制造技術(shù)，被普遍認(rèn)為是引領(lǐng)第三次工業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)，其原理是利用激光或電子束等手段，根據(jù)零件的三維模型，在計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(shù)在成本、效率和質(zhì)量方面優(yōu)勢突出，展現(xiàn)出與機(jī)械加工和鑄造等傳統(tǒng)減材工藝抗衡、逐漸成為主流制造技術(shù)的巨大潛力。近年來，增材制造技術(shù)受到極度熱捧，全球增材制造產(chǎn)品和服務(wù)市場規(guī)模翻番，美國國防部將增材制造技術(shù)作為推動(dòng)美國制造創(chuàng)新的首選技術(shù)，軍工領(lǐng)域增材制造技術(shù)研究應(yīng)用不斷深入，呈現(xiàn)持續(xù)快速發(fā)展態(tài)勢。

在設(shè)計(jì)方面，隨著武器裝備朝著輕量化、結(jié)構(gòu)功能一體化方向不斷發(fā)展，增材制造為產(chǎn)品的研制提供了新的技術(shù)途徑，已能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化零件、桁架結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)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(fù)合材料不斷拓展，已實(shí)現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)，并隨著工藝過程優(yōu)化，使增材制造技術(shù)成形尺寸、質(zhì)量和效率得到大幅提升；在軍工應(yīng)用方面，增材制造能夠滿足軍工領(lǐng)域很多特殊需求，已經(jīng)在海、陸、空、天、核電等領(lǐng)域取得越來越多的應(yīng)用，并且在武器裝備研制生產(chǎn)中具有很多不可替代的作用和廣闊的應(yīng)用前景。

2 研究方法與數(shù)據(jù)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(xué)領(lǐng)域發(fā)展的知識圖譜，直觀地展現(xiàn)一個(gè)學(xué)科或知識領(lǐng)域在一定時(shí)期發(fā)展的趨勢與動(dòng)向，也可以利用該軟件所獨(dú)特的突變詞檢測功能發(fā)現(xiàn)科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)及前沿。因此，本研究選擇Cite Space 作為研究工具，選取Web of Science數(shù)據(jù)庫中與增材制造有關(guān)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)作為研究內(nèi)容，通過建立關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜、關(guān)鍵詞聚類圖譜以及突現(xiàn)詞檢測等，進(jìn)行增材制造的研究熱點(diǎn)與前沿分析，并給出結(jié)論。

數(shù)據(jù)采集過程中，研究數(shù)據(jù)來源于美國Web of Science中的Web of Science 核心數(shù)據(jù)庫，檢索方式為主題=“additive manufacturing”O(jiān)R“3d printing”，時(shí)間檢索跨度＝2008-2018 年。通過精煉選擇“Engineer Manufacturing”、“Material Science Multidisciplinary”、“Engineering Mechanical”領(lǐng)域后，得到相關(guān)文獻(xiàn)4562 篇。

3 關(guān)鍵詞研究

關(guān)鍵詞是對文獻(xiàn)研究內(nèi)容的高度概括，在一定程度上可以代表一篇文獻(xiàn)的研究內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的中心性是反映節(jié)點(diǎn)核心程度的重要指標(biāo)之一，可以衡量某個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要性，以及與其他節(jié)點(diǎn)之間聯(lián)系的密切程度。一段時(shí)間內(nèi)科學(xué)研究者共同關(guān)注的核心問題即研究熱點(diǎn)可以從中心性和頻次高的關(guān)鍵詞中得到體現(xiàn)。

分析增材制造研究熱點(diǎn)時(shí)，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為“Keyword”，運(yùn)行軟件后將同義關(guān)鍵詞合并后得到研究文獻(xiàn)中關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，如圖1 所示。圖譜中每個(gè)關(guān)鍵詞用一個(gè)十字節(jié)點(diǎn)表示，十字越大表明該關(guān)鍵詞在增材制造研究領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)的頻次越高，即高頻關(guān)鍵詞。其中關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點(diǎn)124 個(gè)，連線62 條，網(wǎng)絡(luò)密度為0.0081。

近十年增材制造研究文獻(xiàn)中出現(xiàn)的高頻次和高中心性關(guān)鍵詞如表1 所示。通過文獻(xiàn)中出現(xiàn)頻次前十的關(guān)鍵詞有“mechanical property”、“microstructure”、“behavior”、“alloy”、“design”、“part”、“deposition”、“powder”、“l(fā)aser”、“composite”。結(jié)合高中心性關(guān)鍵詞，可以發(fā)現(xiàn)近十年國際增材制造研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域包括：鋁合金、鈦合金、高溫合金、復(fù)合材料、設(shè)計(jì)、沉積、立體光刻、激光增材制造、基于粉末的增材制造、機(jī)械性能（耐高溫、耐腐蝕）、微觀結(jié)構(gòu)、表面粗糙度等。

圖1 增材制造研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

4 關(guān)鍵詞聚類分析

在關(guān)鍵詞聚類分析中，聚類反映了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的相似性，有助于識別和探測某一研究領(lǐng)域代表性知識子群，即該研究領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)主題。設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為“Keyword”，在生成關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行聚類處理，最終得到如圖2 所示的增材制造研究領(lǐng)域的關(guān)鍵詞聚類網(wǎng)絡(luò)。

增材制造的研究熱點(diǎn)知識子群可總結(jié)為五大主題：①以建模、優(yōu)化、仿真、預(yù)測等為代表的增材制造設(shè)計(jì)方向的研究熱點(diǎn)；②以鋁合金、鈦合金、不銹鋼、高溫合金、復(fù)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(diǎn)；③以直接金屬沉積、立體光刻、激光增材制造、選區(qū)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(diǎn)；④以機(jī)械性能（耐高溫、耐腐蝕）、微觀結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、強(qiáng)度、變形、殘余應(yīng)力、剛度等為代表的增材制造產(chǎn)品性能方向的研究熱點(diǎn)；⑤以生物醫(yī)學(xué)、電子等為代表的增材制造應(yīng)用方向的研究熱點(diǎn)。

5 前沿領(lǐng)域研究

研究前沿是一組凸顯的動(dòng)態(tài)概念和潛在的研究問題，研究前沿術(shù)語即出現(xiàn)頻次快速增加的專業(yè)術(shù)語。Cite Space 提供一種基于詞頻增長算法（Burst Detection）的突現(xiàn)詞分析方法，該方法通過對引文關(guān)鍵詞的統(tǒng)計(jì)，將短時(shí)間內(nèi)快速增長的專業(yè)詞匯檢測出來。憑借這些突現(xiàn)詞動(dòng)態(tài)變化性的特點(diǎn)可以較好地反映知識域內(nèi)的研究前沿和發(fā)展趨勢。設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為“Keyword”，詞語類型選擇突現(xiàn)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(guān)鍵詞中探測出來，并選取部分在近五年內(nèi)突現(xiàn)詞較大的詞，來確定增材制造研究領(lǐng)域的前沿，具體如表2 所示。

6 研究結(jié)論

通過Cite Space 軟件，對Web of Science 數(shù)據(jù)庫中有關(guān)增材制造2008-2018 年的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同層面的分析以及直觀的可視化展示，包括關(guān)鍵詞聚類圖譜和突現(xiàn)詞檢測圖譜。研究得出以下結(jié)論：

關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜表明：增材制造研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域可分為設(shè)計(jì)、材料、工藝；增材制造研究的熱點(diǎn)材料包括鋁合金、鈦合金、高溫合金、復(fù)合材料；增材制造研究的熱點(diǎn)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(jī)械性能（耐高溫、耐腐蝕）、微觀結(jié)構(gòu)、表面粗糙度/精度等。

表1 增材制造研究文獻(xiàn)高頻詞

圖2 增材制造研究關(guān)鍵詞聚類圖譜

表2 增材制造研究突現(xiàn)詞

突現(xiàn)詞檢測圖譜表明，增材制造領(lǐng)域研究前沿包括：復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(jié)論可以預(yù)見，未來，增材制造技術(shù)有望幫助實(shí)現(xiàn)武器裝備設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，大幅降低裝備研制的成本，縮短生產(chǎn)周期，并實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場的快速維修制造，變革作戰(zhàn)和后勤保障模式。具體將在以下8 個(gè)方面獲得應(yīng)用：①突破發(fā)動(dòng)機(jī)等復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)局限，改進(jìn)武器裝備性能；②實(shí)現(xiàn)新型仿生/梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，催生新概念武器裝備；③將電子器件打印至武器裝備中，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化；④增減材混合制造技術(shù)大幅提高武器裝備生產(chǎn)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(zhì)量制造；⑥實(shí)現(xiàn)槍械等輕型武器裝備的直接制造；⑦實(shí)現(xiàn)高價(jià)值關(guān)鍵件的修復(fù)，大幅節(jié)約維修成本；⑧實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)征戰(zhàn)地、海上作戰(zhàn)平臺、太空等現(xiàn)場按需制造。