最新文獻綜述：3D打印在航空行業(yè)的應用面臨障礙

2025年4月1日,，南極熊獲悉,，來自里斯本新大學的研究人員 Jorge Oliveira 和 Pedro Espadinha-Cruz使用基于 Scopus 的搜索進行了審查,。通過對 29 份開放獲取出版物進行系統(tǒng)性審查，勾勒出增材制造技術在航空領域的應用現(xiàn)狀,，確定了其廣泛應用的主要優(yōu)勢和障礙。

他們的研究成果在第六屆工業(yè) 4.0 和智能制造國際會議上進行了展示,，并以題為“Additive Manufacturing adoption in aviation: A literature review”的論文發(fā)表在《Procedia Computer Science》期刊上,。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.procs.2025.01.151

文章強調了認證、成本和可重復性方面持續(xù)存在的障礙,，同時也強調了輕量化結構部件,、分散供應鏈和可持續(xù)制造等領域的進展。它整合了 2012 年至 2024 年期間發(fā)表的同行評審文獻的結果,，并提出了旨在指導未來研究重點的內容和文獻計量分析,。

△年度科學成果圖表。圖片來自 Oliveira & Espadinha-Cruz,。

研究方法和文章選擇標準

認證標準和可重復性仍然是航空等受監(jiān)管行業(yè)實施的關鍵障礙,。評論中的幾篇文章指出，缺乏統(tǒng)一標準是飛行關鍵系統(tǒng)中采用 3D 打印部件的主要制約因素,。一項研究強調了“嚴格的基準測量”對評估金屬部件的模擬和測試數(shù)據(jù)的重要性,。其他人則認為，當前的驗證過程不太適合增材制造的逐層制造方法,。

材料質量問題也在整個數(shù)據(jù)集中反復出現(xiàn),。研究人員報告了孔隙率、表面光潔度和殘余應力問題,，特別是在使用粉末床熔合制造的部件中,。鋁合金因其良好的強度重量比而經常被使用,，但通常需要后處理才能滿足航空標準。構建參數(shù)的變化增加了測試和鑒定的復雜性,。

增材制造技術的歷史發(fā)展和分類標準

現(xiàn)代 3D 打印技術出現(xiàn)于 20 世紀 80 年代初,，始于 Hideo Kodama 發(fā)明的 UV 固化樹脂系統(tǒng)。Charles Hull 的立體光刻技術在 1987 年推動了 3D 打印機的商業(yè)化,。隨后不久,，選擇性激光燒結和熔融沉積成型也相繼出現(xiàn)。本評論使用 ISO/ASTM 標準對當前技術進行了分類：粉末床熔合,、定向能量沉積,、粘合劑噴射、VAT光聚合和材料擠壓等,。

混合系統(tǒng)將 CNC 銑削與定向能量沉積工藝相結合,，也取得了進展。這些技術支持一系列材料,，包括金屬,、聚合物和陶瓷，可將它們集成到各種航空部件中,。金屬工藝在所審查的文獻中占主導地位,，因為它們與結構部件相關。

△所評論文章中關鍵研究主題的分布,。圖片來自 Oliveira & Espadinha-Cruz,。

成本和可持續(xù)性評估結果喜憂參半

有幾項研究分析了增材制造在航空領域的經濟可行性，得出的結論相互矛盾,。一項研究報告稱,，在特定航空應用中，增材制造可節(jié)省高達 33.2% 的成本,，而其他研究則指出,，由于機器購置、材料成本和后處理,，成本會增加,。大多數(shù)論文都認為，增材制造目前最適合小批量,、高復雜度的組件,，而傳統(tǒng)方法的加工成本會過高。

環(huán)境效益更加一致,。研究表明,，材料浪費減少、加工步驟減少,、“購買后飛行”比率降低,。一篇文章發(fā)現(xiàn)金屬增材制造應用的材料消耗減少了 60%,。不過，該評論指出,，這種節(jié)省取決于零件幾何形狀和生命周期設計,，并且可能會被能源密集型后處理所抵消。

備件和分散生產是主要的航空用例

多項研究討論了增材制造對備件物流和飛機維護的影響,。數(shù)字庫存和分布式生產可以縮短交貨時間并消除庫存,，尤其是對于零件停產的老式飛機。模擬模型表明,，分散制造可以減少運輸需求并提高飛機的可用性,。

拓撲優(yōu)化和部件整合是實現(xiàn)這些成果的關鍵。增材制造方法允許工程師重新設計組件以減輕重量和提高結構效率,。這支持了商業(yè)航空業(yè)持續(xù)努力提高燃油效率和減少排放,。然而，這些領域的成功取決于員工技能,、軟件成熟度以及維護工作流程的實時數(shù)據(jù)訪問,。

△所審查文獻中的關鍵詞共現(xiàn)網絡可視化。圖片來自 Oliveira 和 Espadinha-Cruz,。

未來研究方向針對模擬,、標準和數(shù)字集成

審查確定了幾個尚未得到充分探索的領域，需要開展研究以擴大增材制造的廣泛應用,。這些領域包括開發(fā)工藝模擬工具,、鑒定協(xié)議和金屬表面處理方法。審查還強調需要進行專門培訓,，使工程師掌握增材制造設計技能，以及集成人工智能和物聯(lián)網系統(tǒng)以支持自動監(jiān)控和預測性維護,。

盡管歐洲航空安全局(EASA) 和美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)等監(jiān)管機構已經就增材制造認證舉行了研討會,，但正式標準仍處于早期階段。增材制造技術委員會ISO/TC 261正在制定相關文件,，但全球管轄范圍內的協(xié)調工作尚未完成,。

△航空增材制造文獻中關鍵詞焦點的時間演變圖片來自 Oliveira 和 Espadinha-Cruz。

航空領域的增材制造顯示出明顯的技術潛力,，但如果沒有確�,？芍貜托浴⒖勺匪菪院徒洕�可擴展性的框架,，其作用仍然有限,。