如今,工業(yè)的挑戰(zhàn)越來越要求通過3D打印來制造具有極大設計靈活性且無浪費的復雜形狀。與鑄造和機械加工等傳統(tǒng)制造技術(shù)不同的是,增材制造技術(shù)使設計師能夠在降低運營成本和材料浪費的同時快速制作原型。因此,了解與增材制造工藝和3D打印材料機械性能相關(guān)的文獻現(xiàn)狀,對于確定本課題未來的研究方向具有重要意義。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(shù)據(jù)通過搜索方程直接從Scopus數(shù)據(jù)庫導出。結(jié)果表明,在所分析的1271份文獻中,2015年是研究進入發(fā)展階段的一年,增長率為20.8%。美國在出版物方面處于領(lǐng)先地位,中國和英國緊隨其后。同樣,我們觀察到發(fā)表文章數(shù)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(guān)鍵詞的時間演變,以及基于3D打印材料機械性能的增材制造研究的趨勢和研究差距。
1,介紹
增材制造或快速原型由3D打印及在制造過程中使用材料的機械、化學和物理特性決定。這種類型的制造使用逐層的方法來構(gòu)建具有復雜或自定義幾何形狀的元素。增材制造的這些特點在生物醫(yī)學、健康、航空航天、建筑、汽車、食品和牙科行業(yè)得到了顯著關(guān)注。
在增材制造工藝中,3D打印方法是最常見的方法,該方法使用被稱為熔融沉積建模(FDM)的聚合物長絲,然后通過選擇性激光燒結(jié)(SLS)、選擇性激光熔化(SLM)和噴墨打印的增材制造粉末。增材制造(AM)是一種利用基于計算機輔助設計的三維模型、3D打印設備逐層制造的方法。
根據(jù)ISO/ASTM 52900:2015,有7類增材制造技術(shù):材料擠壓(ME),其中材料加熱并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(chǎn)生選擇性沉積光聚合物和引發(fā)劑,形成薄層固化形成薄片;粘合劑噴射(BJ),它是基于粉末材料與液體粘結(jié)劑的結(jié)合,液體粘結(jié)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;還原劑光聚合(VP),由沉積在移動缸內(nèi)的液體光聚合物組成;這是選擇性固化與聚合紫外光。粉末床熔化(PBF)是利用熱能通過選擇性激光燒結(jié)熔接粉末床區(qū)域以獲得零件。最后定向能量沉積(DED)利用激光或等離子弧聚焦的熱能使金屬熔合。
材料是增材制造系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,它們對3D打印結(jié)果有重要貢獻。與傳統(tǒng)制造工藝一樣,這些材料的特性對制造工藝的效率至關(guān)重要。這產(chǎn)生了行業(yè)不斷增長的需求,尋求在未來的添加劑制造過程中利用可持續(xù)性和功能性材料。同樣,通過開發(fā)更好的打印策略來提高3D打印技術(shù)的適用性和技術(shù),包括可靠的和生態(tài)的材料,從而改善零件的功能和性能,這對于工業(yè)制造業(yè)的應用是一個極好的貢獻。
Aboma Wagari Gebisa和Hirpa G. Lemu提出的備選方案評估了制造因素對印刷材料拉伸性能的影響。作者考慮了五個打印參數(shù):氣隙、光柵寬度、光柵角度、輪廓數(shù)和輪廓寬度。
他們發(fā)現(xiàn),只有光柵角度對評估的屬性有顯著影響。此外,Duigou等人研究了基于纖維/聚乳酸復合材料(cFF/PLA)的機械性能優(yōu)化。他們發(fā)現(xiàn),連續(xù)玻璃纖維/聚酰胺(PA)印刷復合材料的拉伸機械性能處于相同的范圍。Song等使用帶有單向打印模式的3D打印技術(shù)分析了PLA塊的機械性能(不同方向的拉伸、壓縮和斷裂)。發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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,可購買并供家庭用戶使用。分別以0°、45°和90°的屏向角打印試件,實驗結(jié)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基復合材料共混物目前正用于組織工程3D打印支架的制造。Senatov等人通過SEM成像證實了PLA基支架結(jié)構(gòu)中存在互連孔。
工業(yè)和科學界對快速原型技術(shù)的興趣日益增長,因此近年來與該領(lǐng)域相關(guān)的科學文獻的顯著增加。在3D打印材料的增材制造和機械性能的主題中,還沒有一個科學計量工作。本研究中,一項文獻計量學研究綜述了有關(guān)這一主題。確定了該主題在不同時間的增長、知識領(lǐng)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(fā)現(xiàn)研究的差距。另一方面,對公司獲取科學資料并將其轉(zhuǎn)化為有用產(chǎn)品也很有用。在文件的最后,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
文獻計量分析有助于以一種有組織且易于理解的方式顯示文章、書籍和書籍章節(jié)的出版信息,以便日后檢查以發(fā)現(xiàn)相關(guān)見解。該分析可以確定增材制造研究的最新進展以及3D打印的機械性能。使用VOSviewer軟件獲取國家與關(guān)鍵詞之間的關(guān)系,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(shù)據(jù)采集和搜索策略
為了分析3D打印材料的增材制造和機械性能方面的研究趨勢,可直接從Scopus數(shù)據(jù)庫獲取出版物。有一個搜索方程便于查找,可結(jié)合與評估主題相關(guān)的術(shù)語,如“增材制造”、“3D打印”和“機械性能”。表1顯示了2020年10月18日收集的數(shù)據(jù)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(fā)展中,通過測量影響因子,考慮了關(guān)鍵詞、出版來源、國家、機構(gòu)和作者的影響,并利用h指數(shù)分析了主題的演變。根據(jù)《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(shù)據(jù)庫獲得的。h指數(shù)于2005年由JE Hirsch引入,評估每個研究者的論文發(fā)表數(shù)量和被引用數(shù)量。對于一個作者來說,如果他有N篇被其他作者至少引用N次的論文,這個h指數(shù)就等于N。
3.結(jié)果和討論
3.1出版物產(chǎn)出
在文獻計量分析的搜索標準范圍內(nèi),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(shù)量以及總引用量。自2014年以來,觀察到文件數(shù)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顯著。值得注意的是,近年來沒有平臺化趨勢,這證明了近年來增材制造和3D打印材料機械性能研究方面存在的相關(guān)性。出版物的年增長率估計為20.81%;此外,每份文件的平均引用率為16.01。共有4620位作者,平均每個文檔有3.63位作者,協(xié)作指數(shù)為3.77。
圖1 2008年至2021年的累計出版物數(shù)量和引用數(shù)量
3.2國家分布
與3D打印材料增材制造和機械性能相關(guān)出版物的文獻計量分析結(jié)果表明,來自61個國家的研究人員發(fā)表了科學文獻,但其中25個國家的貢獻不到10份出版物。圖2顯示了文檔數(shù)量最多的20個國家。從獨立于國際合作的出版物總數(shù)來看,美國是領(lǐng)先的國家。同樣,中國和英國也是科學產(chǎn)量最高的前三個國家。
圖2 最相關(guān)的國家
通過這種方式,還可以觀察到,在歐洲和亞洲地區(qū),增材制造和3D打印材料的機械性能的研究更受關(guān)注,共有50多份出版物。如圖3所示,學術(shù)交流由美國、中國和英國牽頭,它們擁有全球最大的合作網(wǎng)絡。
圖3 最相關(guān)國家之間的合作網(wǎng)絡
3.3研究所分析
正如先前結(jié)果所預期的,美國、亞洲和歐洲擁有最具生產(chǎn)力的機構(gòu)。圖4總結(jié)了排名前20位的機構(gòu)。根據(jù)統(tǒng)計分析,這些機構(gòu)發(fā)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(gòu)合作網(wǎng)絡
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指數(shù)最高、發(fā)表論文最多的10位作者。它還顯示了他們開始發(fā)表文檔的年份、被引用的總數(shù),以及每個出版物被引用的數(shù)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(shù)最多的作者是S.L. Sing, J. Stampfl和C.K. Chua,分別為147、101和97。
表2 從事增材制造相關(guān)研究的主要作者
h- index指數(shù)最高的作者的最新作品是Williams的貢獻。從模擬組織的材料的3D打印到獲得真實的經(jīng)中隔穿刺模型,通過制造粘合劑噴射增材制造泡沫銅結(jié)構(gòu)。使用3D打印彈性體的聚合物設計,基于阻抗的測量對材料注射增材制造過程進行現(xiàn)場監(jiān)控。對聚合物粉末床熔體增材制造過程物理和材料選擇方法進行回顧。
Zadpoor已經(jīng)開展了一些工作,如通過3D打印制作的功能分級軟-硬復合材料的機械評估,通過AM制造功能分級可生物降解多孔鐵,3D打印聚合物的疲勞行為審查,非自生機械超材料的評估,以及使用AM制造的代謝材料的機械性能分析。
Muller使用直接氣泡書寫法研究了建筑聚合物泡沫,和3D打印晶格中屈曲、構(gòu)造方向和縮放的影響,同時制造階梯支柱以最大限度地吸收桁架中的能量,評估了3D噴墨打印部件中界面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。
用于銅零件印刷的粉末材料的SEM圖像。CuO粉體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(chǎn)率、被引次數(shù)和時間軸如圖5所示;觀察到,自2015年以來,人們對增材制造的研究興趣大大超過了往年。這與同一年的引用次數(shù)一致,其中C.K.Chua和S.L.Sing的引用次數(shù)為527次。同樣地,C.B.的重要性也得到了體現(xiàn)。Williams從2015年到現(xiàn)在一直在研究這一課題,并不斷做出貢獻。
圖5 十位主要作者出版物和引用的演變
3.5概念結(jié)構(gòu)
所找到的文檔集合的概念結(jié)構(gòu)映射如圖6所示。這張圖試圖解釋在所研究的知識領(lǐng)域中主題是如何組織的。在作者關(guān)鍵詞中可以觀察到兩個集群(或主題)。集群1(紅色)通過添加制造研究3D打印材料的經(jīng)典機理和機械特性。集群2(藍色)包含通過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,因為每個集群中包含的文檔數(shù)量不同。
同樣,數(shù)據(jù)收集及其主題演變顯示了“增材制造”主題是如何橫向的,并設法劃分為與材料的屬性和組成相關(guān)的新興主題。另一方面,我們觀察到這項技術(shù)甚至可以開發(fā)3D打印食品、包含納米復合材料和光聚合,如圖7所示。
圖6 數(shù)據(jù)收集概念結(jié)構(gòu)圖
圖7 專題演變分為2008-2017年、2018-2019年和2020-2021年四個階段
3.6來源分析
數(shù)據(jù)分析顯示476個來源,其中59.87%(285)只發(fā)表了一份與研究主題相關(guān)的文件。表3根據(jù)h指數(shù)按降序顯示了排名前10位的期刊,以及該主題的出版數(shù)量、引文數(shù)量、首次出版年份以及每種期刊的影響因素。請注意,增材制造占期刊的16.60%,h指數(shù)為18,影響因子為7.0,其次是材料與設計,占出版物的6.51%,h指數(shù)為31,影響因子為6.2,因此是本主題的重要來源。
表3 與聚合物溶液降解研究相關(guān)的主要出版物來源
分析結(jié)果表明,生物制造和ACS應用材料與界面每篇文章的引用次數(shù)超過49次。根據(jù)所分析的這些指標,在2008-2021年的時間線內(nèi),確定在所分析主題上影響最大的三種期刊是增材制造、材料與設計以及ACS應用材料與接口,如圖8所示。
圖8 最相關(guān)的期刊
3.7關(guān)鍵詞分析
關(guān)鍵詞與代表各出版物作者開發(fā)的主要思想和方法相關(guān)。表4描述了增材制造和3D打印材料力學性能中使用最多的10個關(guān)鍵字,每個關(guān)鍵字出現(xiàn)的最低頻率為5次。出現(xiàn)頻率最高的關(guān)鍵詞是增材制造,其次是3D打印和機械性能。他們強調(diào)了增材制造和3D打印材料力學性能研究在當前行業(yè)挑戰(zhàn)中的重要性。
表4 關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率
圖9顯示了主要關(guān)鍵詞隨時間的演變,這證實了前三個關(guān)鍵詞的重要性,自知識領(lǐng)域開始(2008年)以來,這三個關(guān)鍵詞保持了顯著的增長。主題演變中的這種分析可以作為一種工具,使研究人員能夠了解所分析主題的趨勢和知識差距。此外,與前幾年相比,主要關(guān)鍵詞的演變從2015年開始以指數(shù)級速度加速增長。
圖9 十大關(guān)鍵詞隨時間的演變
從圖10中,紅色區(qū)域表示分析主題的熱點。增材制造是作者最常用的關(guān)鍵詞。由于制造業(yè)新技術(shù)的發(fā)展、施工效率以及3D打印的低成本,與傳統(tǒng)施工技術(shù)相比,3D打印工藝在學術(shù)界和工業(yè)界引起了極大的關(guān)注。
圖10 基于密度可視化的作者關(guān)鍵詞文獻計量圖
4. 增材制造工藝發(fā)展趨勢及結(jié)論
通過使用統(tǒng)計和圖形工具對跨時間獲得的數(shù)據(jù)進行分析,對涉及3D打印材料的增材制造和機械性能的文獻綜述進行了分析。可以確定,該研究領(lǐng)域從2008年開始及時演變,2015年以來呈現(xiàn)加速發(fā)展趨勢。在這項研究中,不同的作品、作者和主題對3D打印材料的增材制造和機械性能的研究產(chǎn)生了重大影響。文件研究提出了曾經(jīng)的知識障礙和差距。其中大部分已經(jīng)被克服;有些仍需要開發(fā)。通過這種方式,得出以下結(jié)論:
研究人員試圖改進3D打印方法,以彌補該技術(shù)與傳統(tǒng)制造方法之間的差距。目前,高分子化合物的開發(fā)為分析和控制與其實際用途相關(guān)的產(chǎn)品制造過程的屬性和性能提供了自由,為材料的開發(fā)提供了機會。
為根據(jù)最終產(chǎn)品的幾何形狀提高質(zhì)量,后續(xù)須補充新材料開發(fā)研究和沉積過程中涉及的物理現(xiàn)象分析。開發(fā)數(shù)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(jù)選定的印刷參數(shù)確定微觀結(jié)構(gòu)的組成和機械性能,從而評估使用期間的性能。
為開發(fā)商業(yè)3D食品印刷,三個關(guān)鍵領(lǐng)域需要接受改進挑戰(zhàn):印刷時間、批次間重復性和食品生物安全。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(shù)進行微調(diào),平衡質(zhì)量和處理時間,以確保批次之間的一致性。建議制定超出實驗室使用標準的標準,從而保證優(yōu)質(zhì)食品的一致質(zhì)量。最后,為了保證食品生物安全,食品中的微生物含量必須在整個生產(chǎn)過程中隨時間進行定量。
來源:Scientometric Review of Trends on the Mechanical Properties of Additive Manufacturing and 3D Printing,ASM International,JMEPEG(2021)30:4724–4734,
參考文獻: 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.
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