3D打印在航空领域的应用障碍

2025年4月，南极熊获悉，来自里斯本新大学的研究人员 Jorge Oliveira 和 Pedro Espadinha-Cruz使用基于 Scopus 的搜索进行了审查。通过对 29 份开放获取出版物进行系统性审查，勾勒出增材制造技术在航空领域的应用现状，确定了其广泛应用的主要优势和障碍。

他们的研究成果在第六届工业 4.0 和智能制造国际会议上进行了展示，并以题为“Additive Manufacturing adoption in aviation: A literature review”的论文发表在《Procedia Computer Science》期刊上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.procs.2025.01.151

文章强调了认证、成本和可重复性方面持续存在的障碍，同时也强调了轻量化结构部件、分散供应链和可持续制造等领域的进展。它整合了 2012 年至 2024 年期间发表的同行评审文献的结果，并提出了旨在指导未来研究重点的内容和文献计量分析。

△年度科学成果图表。图片来自 Oliveira & Espadinha-Cruz。

研究方法和文章选择标准

认证标准和可重复性仍然是航空等受监管行业实施的关键障碍。评论中的几篇文章指出，缺乏统一标准是飞行关键系统中采用 3D 打印部件的主要制约因素。一项研究强调了“严格的基准测量”对评估金属部件的模拟和测试数据的重要性。其他人则认为，当前的验证过程不太适合增材制造的逐层制造方法。

材料质量问题也在整个数据集中反复出现。研究人员报告了孔隙率、表面光洁度和残余应力问题，特别是在使用粉末床熔合制造的部件中。铝合金因其良好的强度重量比而经常被使用，但通常需要后处理才能满足航空标准。构建参数的变化增加了测试和鉴定的复杂性。

增材制造技术的历史发展和分类标准

现代 3D 打印技术出现于 20 世纪 80 年代初，始于 Hideo Kodama 发明的 UV 固化树脂系统。Charles Hull 的立体光刻技术在 1987 年推动了 3D 打印机的商业化。随后不久，选择性激光烧结和熔融沉积成型也相继出现。本评论使用 ISO/ASTM 标准对当前技术进行了分类：粉末床熔合、定向能量沉积、粘合剂喷射、VAT光聚合和材料挤压等。

混合系统将 CNC 铣削与定向能量沉积工艺相结合，也取得了进展。这些技术支持一系列材料，包括金属、聚合物和陶瓷，可将它们集成到各种航空部件中。金属工艺在所审查的文献中占主导地位，因为它们与结构部件相关。

△所评论文章中关键研究主题的分布。图片来自 Oliveira & Espadinha-Cruz。

成本和可持续性评估结果喜忧参半

有几项研究分析了增材制造在航空领域的经济可行性，得出的结论相互矛盾。一项研究报告称，在特定航空应用中，增材制造可节省高达 33.2% 的成本，而其他研究则指出，由于机器购置、材料成本和后处理，成本会增加。大多数论文都认为，增材制造目前最适合小批量、高复杂度的组件，而传统方法的加工成本会过高。

环境效益更加一致。研究表明，材料浪费减少、加工步骤减少、“购买后飞行”比率降低。一篇文章发现金属增材制造应用的材料消耗减少了 60%。不过，该评论指出，这种节省取决于零件几何形状和生命周期设计，并且可能会被能源密集型后处理所抵消。

备件和分散生产是主要的航空用例

多项研究讨论了增材制造对备件物流和飞机维护的影响。数字库存和分布式生产可以缩短交货时间并消除库存，尤其是对于零件停产的老式飞机。模拟模型表明，分散制造可以减少运输需求并提高飞机的可用性。

拓扑优化和部件整合是实现这些成果的关键。增材制造方法允许工程师重新设计组件以减轻重量和提高结构效率。这支持了商业航空业持续努力提高燃油效率和减少排放。然而，这些领域的成功取决于员工技能、软件成熟度以及维护工作流程的实时数据访问。

△所审查文献中的关键词共现网络可视化。图片来自 Oliveira 和 Espadinha-Cruz。

未来研究方向针对模拟、标准和数字集成

审查确定了几个尚未得到充分探索的领域，需要开展研究以扩大增材制造的广泛应用。这些领域包括开发工艺模拟工具、鉴定协议和金属表面处理方法。审查还强调需要进行专门培训，使工程师掌握增材制造设计技能，以及集成人工智能和物联网系统以支持自动监控和预测性维护。

尽管欧洲航空安全局(EASA) 和美国联邦航空管理局(FAA)等监管机构已经就增材制造认证举行了研讨会，但正式标准仍处于早期阶段。增材制造技术委员会ISO/TC 261正在制定相关文件，但全球管辖范围内的协调工作尚未完成。

△航空增材制造文献中关键词焦点的时间演变图片来自 Oliveira 和 Espadinha-Cruz。

航空领域的增材制造显示出明显的技术潜力，但如果没有确保可重复性、可追溯性和经济可扩展性的框架，其作用仍然有限。

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