3Dプリンティング研究の世界的動向とホットなトレンドだが、今後は徐々に冷え込んでいくのだろうか？

この投稿は、Little Soft Bear によって 2022-2-20 20:47 に最後に編集されました。

著者: Xue Boyu、[email protected]

はじめに:本論文では、Scopus データベースから「3D プリンティング」および「Additive Manufacturing」というキーワードを使用して取得した 3D プリンティングに関するすべての記事 (66,100 件の記事) を分析し、3D プリンティング研究の世界的状況とホットなトピックを調査します。主な結論は、3Dプリントに関する論文数は長年にわたって増加しているが、年間成長率は2014年以降急速に低下していること、中国本土の研究機関が発表した論文数は2021年に米国を抜いて1位になったが、論文の全体的な質（引用数で測定）は世界平均に達していないこと、引用数上位100論文と高引用数上位100人の学者（論文の第一著者のみをカウント）の中で、米国が絶対的な優位性を占めているのに対し、中国本土は世界の先進レベルと大きな差があることである。本稿では、選択的レーザー溶融法（SLM）、機械的特性、組織工学、熱溶解積層法（FDM）などのホットトピックの経時的な変化傾向と、さまざまなホットトピック間の関連性も分析しています。これにより、3Dプリンティング研究分野の主な内容と、それらの研究内容の相関関係がわかります。

主な方法:
論文数、キーワード、引用率、出版年、第一著者の研究機関の地域を分析することで、この研究分野における主要地域（米国、中国本土、ベルギーなど）を特定し、時間の経過に伴う変化傾向を評価しました。論文に現れるキーワードの頻度、近年の傾向の変化、論文内での共起などを分析することで、時系列でのホットトピックの傾向の変化や、さまざまなホットトピック間のつながりをまとめます。分析ツール: GCP、SQL、Python、Tableau、VOSviewer。

文章：
3D プリンティングに関する論文の数は年々増加していますが、2014 年以降は前年比の成長率が急速に低下しています。 2021年の成長率は2020年と比較してわずか6.7％です。COVID-19パンデミックが悪影響を及ぼし、年間成長率の低下を加速させた可能性があります。この傾向によると、3D プリント論文数の年間成長は引き続き鈍化するか、減少し始めるため、3D プリント研究は今後徐々に冷え込む可能性があります。

過去 10 年間で 3D プリンティングに関する論文 (出版物数) が最も多かった上位 10 地域を下の図に示します。 2012年から2021年にかけて、3Dプリントの記事数はどの地域でも増加しました。 2021年に中国本土は米国に代わり、最も多くの論文が出版された地域となった。

これら 66,100 件の論文のうち、62,730 件は第一著者の所属機関の所在地によって分類できます (3D Printing Publications By Institute Locations)。これらの論文は合計 976,904 回引用されており、第一著者の所属機関の所在地 (機関所在地別の引用数) によっても分類されており、論文あたり平均 15.6 回の引用となっています。米国は論文数、引用数ともにトップであり、引用数の割合（30.53%）が論文数の割合（22.87%）を大きく上回っています。その結果、米国で発表された論文の平均引用数（20.8回）は世界平均（15.6回）を上回っています。対照的に、中国本土は論文の17.89%を発表したが、引用数はわずか14.11%にとどまり、中国本土から発表された論文の平均引用数（12.3回）は世界平均（15.6回）よりも低いことを意味している。さらに、英国、オーストラリア、シンガポール、ベルギー、スイスで発表された論文の平均引用数は世界平均よりも高く、韓国、ロシア、インド、スペインで発表された論文の平均引用数は世界平均よりも低い。

最も多くの論文が出版されている上位20地域における、研究機関所在地別の論文あたりの平均引用回数を下の図に示します。ベルギーの平均引用回数は最も高く、37.1回に達し、これは世界平均の2倍以上です。これは、人口わずか 1,100 万人の小国であるベルギーに、3D プリント業界で世界クラスの企業 (Materialise) が存在する理由もある程度説明しています。米国は20地域中7位、中国本土は17位、インドは最下位となった。

世界の各地域で発表された論文あたりの平均引用数の詳細については、下の図を参照してください（薄い灰色の領域にはデータがありません）。濃い緑色の領域では記事あたりの平均引用数が最も多く、濃い赤色の領域では記事あたりの平均引用数が最も少なくなります。引用数を基準にすると、先進西側諸国の研究機関が発表した論文の質は、発展途上国の研究機関が発表した論文よりも一般的に高い。

研究機関所在地別上位100件の引用論文と研究機関所在地別上位100件の高引用研究者のうち、論文と研究者の約半数は米国の研究機関のものですが、米国は3Dプリント論文全62,730件のうち22.87%にすぎません。対照的に、中国本土の研究機関は、3Dプリンティングに関する全論文62,730件のうち17.89%を発表したが、トップ100論文は2件、引用数の多いトップ100研究者は4件しかいなかった。上位 100 件の論文と上位 100 件の高引用学者のリストについては、Kingsoft WPS 共有ドキュメント (https://kdocs.cn/join/gzjkin2) を参照してください (WPS アプレットにログインするには WeChat が必要です)。南京航空航天大学の顧東東教授は、このリストで2番目にランクされるべきだったことは特筆に値します。顧教授は、ドイツのフラウンホーファー研究機構のレーザー技術研究におけるフンボルト奨学生として2度、また南京航空航天大学の教授としてリストに載っています。彼が第一著者として発表した論文の総引用数は、テキサス大学エルパソ校のローレンス・E・マー教授に次いで2位です。

キーワードの頻度を計算することで、過去 20 年間で最もホットな 20 のトピックが評価されました (下図を参照)。同義語が組み合わされています。たとえば、選択的レーザー溶融法/直接金属レーザー焼結法、熱溶解積層法/熱溶解フィラメント製造法、CAD/コンピュータ支援設計などです。
最も人気のある 20 のトピックは次のとおりです (人気順): 選択的レーザー溶融法 (SLM)、機械的特性、CAD/CAE/CAM、微細構造、組織工学、熱溶解積層法 (FDM)、生体材料、プラスチック、チタン合金、バイオプリンティング、指向性エネルギー堆積法 (DED)、表面、光造形、格子構造、機械学習、鋼、ワイヤアーク積層造形法、熱処理、インクジェット、レオロジー。

過去 10 年間で、論文内のほぼすべてのキーワードの頻度は増加しましたが、キーワードの相対的な順位はあまり変わっていません。たとえば、どのキーワードもすぐに他のキーワードを追い抜くことはありませんでした。これは、3D プリンティング研究分野内のホットなトレンドは変わっていないが、研究分野全体としては 3D プリンティングが徐々に普及しつつあることを意味します。

多くの場合、選択的レーザー溶融とチタン、組織工学とバイオプリンティングなど、複数のキーワードが記事に同時に登場することがあります。クラスター図に示されているように、バブルの大きさは各キーワードの出現頻度を表し、2 つのバブル間の接続の強さは、論文に同時に出現する 2 つのキーワードの出現頻度を表します。主要キーワードは、キーワード間のつながりの強さに応じてクラスタリングされ、合計 5 つのクラスターが生成され、異なる色で表されました。

青色のクラスターには、有限要素法、トポロジー最適化、格子構造などが含まれ、その中で有限要素法とトポロジー最適化がクラスターの中核（出現頻度が最も高い）となっています。この青いグループ内のキーワードと他のグループ内のキーワードの間にもつながりがありますが、そのつながりは同じ青いクラスター内のキーワード間のつながりよりも弱いです。例えば、有限要素法は選択的レーザー溶融や機械的特性などと関連しているため、これらも一緒に議論されることになります。

赤色のクラスターには、選択的レーザー溶融、指向性エネルギー堆積、チタンなどが含まれており、その中で選択的レーザー溶融がクラスターの中核となっています。この赤いクラスター内のキーワードは他のグループのキーワードとも接続されていますが、その接続は同じ赤いクラスター内のキーワード間の接続よりも弱いです。たとえば、選択的レーザー溶融法 (SLM) は、微細構造、機械的特性、熱処理などに関係します。
赤と青のクラスターに加えて、微細構造と機械的特性を中心とした黄色のクラスター、組織工学とバイオプリンティングを中心とした紫のクラスター、熱溶解積層法を中心とした緑のクラスターでも同様の状況が存在します。

この記事では、キーワード A とキーワード B の関連性 (%) は次の式で表すことができます。
AからBへの相関（％）＝論文中にキーワードAとBが同時に出現する頻度／論文中にキーワードAが出現する頻度

たとえば、有限要素法と選択的レーザー溶融は記事中にキーワードとして 71 回出現するため、有限要素法と選択的レーザー溶融の関連強度は 71 です。有限要素法のキーワードとしての頻度は 672 回であるため、次のようになります。

FEM から SLM への相関 (%) = 71/627 = 10.6%
これは、FEM と SLM の論文の 10.6% が 1 つの論文で同時に議論されたことを意味します。
次の表には、関連性が高い（2.5% 以上）キーワードの一部がリストされています。

キーワードA	キーワードB	相関関係（％）
バイオプリンティング	組織工学	29.4%
	ハイドロゲル	14.9%
	生体材料	6.6%
	足場	4.3%
有限要素法	選択的レーザー溶融	10.6%
	格子構造	6.8%
	熱溶解積層法	6.1%
	機械的性質	5.7%
	トポロジー最適化	3.9%
	残留応力	3.7%
	チタン	2.7%
熱溶解積層法	機械的性質	8.4%
	人民解放軍	4.3%
	複合	2.8%
	有限要素法	2.7%
機械的性質	微細構造	27.4%
	選択的レーザー溶融	15.2%
	熱溶解積層法	6.1%
	チタン	5.1%
	熱処理	4.5%
	レーザー積層造形	2.7%
	ワイヤーアーク積層造形	2.7%
微細構造	機械的性質	31.7%
	選択的レーザー溶融	18.1%
	チタン	7.5%
	熱処理	5.8%
	レーザー積層造形	5.8%
	指向性エネルギー蓄積	3.9%
	チタン合金	3.2%
	ワイヤーアーク積層造形	3.2%
	電子ビーム溶解	2.9%
	気孔率	2.6%
選択的レーザー溶融	微細構造	9.5%
	機械的性質	9.2%
	チタン	6.6%
	気孔率	3.5%
	熱処理	2.9%
	格子構造	2.6%
	残留応力	2.5%
組織工学	バイオプリンティング	23.2%
	足場	14.4%
	ハイドロゲル	8.4%
	生体材料	8.0%
チタン	選択的レーザー溶融	20.6%
	微細構造	12.3%
	機械的性質	9.7%
	電子ビーム溶解	6.0%
	倦怠感	5.1%
	指向性エネルギー蓄積	3.7%
	残留応力	2.9%
	表面粗さ	2.5%
	熱処理	2.5%
	気孔率	2.5%

結論：
3Dプリンティングに関する論文数は長年にわたって増加していますが、年間成長率は2014年以降急速に低下しています。この傾向によると、3D プリント論文数の年間成長は引き続き鈍化するか、減少し始めるため、3D プリント研究は今後徐々に冷え込む可能性があります。
2021年、中国本土の研究機関が発表した論文数は米国を上回り、第1位となった。しかし、引用数に基づくと、中国本土の研究機関が発表した論文の質は世界平均よりも低く、ベルギーの研究機関が発表した論文の質は世界最高であり、米国は論文数と質の両方でトップであり、全体的に見て、先進西側諸国の研究機関が発表した論文の質は発展途上国の研究機関が発表した論文よりも高い。特に注目すべきは、引用数ランキング上位100論文と、引用数上位100人の研究者（論文の第一著者のみをカウント）の中で、米国が絶対的な優位を占めており、中国本土と世界の先進レベルとの差が大きいことである。

3D 印刷研究の分野で最も人気のある 20 のトピックは次のとおりです (人気順): 選択的レーザー溶融法 (SLM)、機械的特性、CAD/CAE/CAM、微細構造、組織工学、熱溶解積層法 (FDM)、生体材料、プラスチック、チタン合金、バイオプリンティング、指向性エネルギー堆積法 (DED)、光硬化、表面、格子構造、鋼、アーク積層造形法、熱処理、インクジェット印刷、機械学習、レオロジー。
3D プリンティング研究分野のキーワードは、つながりの強さに応じて 5 つのクラスターに分けることができます。これらの 5 つのクラスターの中核となるのは、有限要素法 (FEM) とトポロジー最適化、選択的レーザー溶融 (SLM)、微細構造と機械的特性、組織工学とバイオプリンティング、熱溶解積層法 (FDM) です。また、各クラスター間には一定のつながりがあり、そこから 3D プリンティング研究分野の主な内容とそれぞれの研究内容の相関関係がわかります。

詳細については、以下を参照してください。
1. Kingsoft WPS共有ドキュメント:
https://kdocs.cn/join/gzjkin2
2. VOSviewer クラスタリング図: https://app.vosviewer.com/?json= ... 1Fo_mGMO6HbckQX40V5
3. Tableau分析チャート:
https://public.tableau.com/app/p ... rchTrend0215/Story1