最新文獻(xiàn)綜述：3D打印在航空行業(yè)的應(yīng)用面臨障礙

2025年4月1日，南極熊獲悉，來自里斯本新大學(xué)的研究人員 Jorge Oliveira 和 Pedro Espadinha-Cruz使用基于 Scopus 的搜索進(jìn)行了審查。通過對(duì) 29 份開放獲取出版物進(jìn)行系統(tǒng)性審查，勾勒出增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，確定了其廣泛應(yīng)用的主要優(yōu)勢(shì)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(guó)際會(huì)議上進(jìn)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(qiáng)調(diào)了認(rèn)證、成本和可重復(fù)性方面持續(xù)存在的障礙，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了輕量化結(jié)構(gòu)部件、分散供應(yīng)鏈和可持續(xù)制造等領(lǐng)域的進(jìn)展。它整合了 2012 年至 2024 年期間發(fā)表的同行評(píng)審文獻(xiàn)的結(jié)果，并提出了旨在指導(dǎo)未來研究重點(diǎn)的內(nèi)容和文獻(xiàn)計(jì)量分析。

△年度科學(xué)成果圖表。圖片來自 Oliveira & Espadinha-Cruz。

研究方法和文章選擇標(biāo)準(zhǔn)

認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和可重復(fù)性仍然是航空等受監(jiān)管行業(yè)實(shí)施的關(guān)鍵障礙。評(píng)論中的幾篇文章指出，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)是飛行關(guān)鍵系統(tǒng)中采用 3D 打印部件的主要制約因素。一項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了“嚴(yán)格的基準(zhǔn)測(cè)量”對(duì)評(píng)估金屬部件的模擬和測(cè)試數(shù)據(jù)的重要性。其他人則認(rèn)為，當(dāng)前的驗(yàn)證過程不太適合增材制造的逐層制造方法。

材料質(zhì)量問題也在整個(gè)數(shù)據(jù)集中反復(fù)出現(xiàn)。研究人員報(bào)告了孔隙率、表面光潔度和殘余應(yīng)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(qiáng)度重量比而經(jīng)常被使用，但通常需要后處理才能滿足航空標(biāo)準(zhǔn)。構(gòu)建參數(shù)的變化增加了測(cè)試和鑒定的復(fù)雜性。

增材制造技術(shù)的歷史發(fā)展和分類標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)代 3D 打印技術(shù)出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 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(shù)在 1987 年推動(dòng)了 3D 打印機(jī)的商業(yè)化。隨后不久，選擇性激光燒結(jié)和熔融沉積成型也相繼出現(xiàn)。本評(píng)論使用 ISO/ASTM 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)當(dāng)前技術(shù)進(jìn)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(jié)合，也取得了進(jìn)展。這些技術(shù)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(xiàn)中占主導(dǎo)地位，因?yàn)樗鼈兣c結(jié)構(gòu)部件相關(guān)。

△所評(píng)論文章中關(guān)鍵研究主題的分布。圖片來自 Oliveira & Espadinha-Cruz。

成本和可持續(xù)性評(píng)估結(jié)果喜憂參半

有幾項(xiàng)研究分析了增材制造在航空領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)可行性，得出的結(jié)論相互矛盾。一項(xiàng)研究報(bào)告稱，在特定航空應(yīng)用中，增材制造可節(jié)省高達(dá) 33.2% 的成本，而其他研究則指出，由于機(jī)器購(gòu)置、材料成本和后處理，成本會(huì)增加。大多數(shù)論文都認(rèn)為，增材制造目前最適合小批量、高復(fù)雜度的組件，而傳統(tǒng)方法的加工成本會(huì)過高。

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

備件和分散生產(chǎn)是主要的航空用例

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

拓?fù)鋬?yōu)化和部件整合是實(shí)現(xiàn)這些成果的關(guān)鍵。增材制造方法允許工程師重新設(shè)計(jì)組件以減輕重量和提高結(jié)構(gòu)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(lǐng)域的成功取決于員工技能、軟件成熟度以及維護(hù)工作流程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問。

△所審查文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視化。圖片來自 Oliveira 和 Espadinha-Cruz。

未來研究方向針對(duì)模擬、標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)字集成

審查確定了幾個(gè)尚未得到充分探索的領(lǐng)域，需要開展研究以擴(kuò)大增材制造的廣泛應(yīng)用。這些領(lǐng)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(qiáng)調(diào)需要進(jìn)行專門培訓(xùn)，使工程師掌握增材制造設(shè)計(jì)技能，以及集成人工智能和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以支持自動(dòng)監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

盡管歐洲航空安全局(EASA) 和美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)等監(jiān)管機(jī)構(gòu)已經(jīng)就增材制造認(rèn)證舉行了研討會(huì)，但正式標(biāo)準(zhǔn)仍處于早期階段。增材制造技術(shù)委員會(huì)ISO/TC 261正在制定相關(guān)文件，但全球管轄范圍內(nèi)的協(xié)調(diào)工作尚未完成。

△航空增材制造文獻(xiàn)中關(guān)鍵詞焦點(diǎn)的時(shí)間演變圖片來自 Oliveira 和 Espadinha-Cruz。

航空領(lǐng)域的增材制造顯示出明顯的技術(shù)潛力，但如果沒有確保可重復(fù)性、可追溯性和經(jīng)濟(jì)可擴(kuò)展性的框架，其作用仍然有限。