最新文獻綜述：3D打印在航空行業的應用面臨障礙
時間：2025-04-02 15:41 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年4月1日，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性審查，勾勒出增材制造技術在航空領域的應用現狀，確定了其廣泛應用的主要優勢和障礙。他們的研究成果在第六屆工業 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”的論文發表在《Procedia Computer Science》期刊上。
文章強調了認證、成本和可重復性方面持續存在的障礙，同時也強調了輕量化結構部件、分散供應鏈和可持續制造等領域的進展。它整合了 2012 年至 2024 年期間發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管行業實施的關鍵障礙。評論中的幾篇文章指出，缺乏統一標準是飛行關鍵系統中采用 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據的重要性。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據集中反復出現。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展和分類標準
現代 3D 打印技術出現于 20 世紀 80 年代初，始于 Hideo Kodama 發明的 UV 固化樹脂系統。Charles Hull 的立體光刻技術在 1987 年推動了 3D 打印機的商業化。隨后不久，選擇性激光燒結和熔融沉積成型也相繼出現。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，而傳統方法的加工成本會過高。
環境效益更加一致。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。一篇文章發現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。
拓撲優化和部件整合是實現這些成果的關鍵。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。這支持了商業航空業持續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據訪問。
△所審查文獻中的關鍵詞共現網絡可視化。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。這些領域包括開發工藝模擬工具、鑒定協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網系統以支持自動監控和預測性維護。盡管歐洲航空安全局(EASA) 和美國聯邦航空管理局(FAA)等監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，但如果沒有確保可重復性、可追溯性和經濟可擴展性的框架，其作用仍然有限。
(責任編輯：admin)
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