南方科技大学的研究团队在连续纤维增强复合材料蜂窝结构的3D打印领域取得了重要突破。该团队提出了一种新颖的膨胀辅助3D打印方法，成功解决了传统3D打印连续纤维蜂窝结构中纤维仅限面外堆叠的设计局限，实现了纤维在面内方向的定向排列，从而将蜂窝结构的压缩模量、强度和能量吸收性能分别提升了126.44%、198.64%和32.05%。研究成果已在复合材料领域权威期刊上发表。
技术挑战：3D打印连续纤维复合材料的纤维取向瓶颈
复合材料蜂窝结构以其轻质、高比强度、优异的能量吸收和独特的热力性能，在航空航天、汽车工程和土木建筑等领域得到广泛应用——从机翼蒙皮到汽车吸能盒，从振动阻尼器到隔热绝缘材料。传统的制造工艺如同固化成型，需要多套模具和冗长的工艺流程，技术门槛高且柔性不足。自动纤维铺放虽然可以实现精确的纤维定位，但设备成本极高，且不适合制造小尺寸蜂窝结构。
3D打印，尤其是熔丝制造技术，为连续纤维增强复合材料的蜂窝结构制造提供了一种灵活的替代方案。但现有技术面临一个固有的结构瓶颈：在逐层堆叠的打印过程中，连续纤维的排列被限制在面外方向——即沿打印高度方向。这导致蜂窝夹芯板的平面外力学性能虽然不错，但面内力学性能严重不足，整体结构的力学各向异性问题突出。
创新方案：膨胀辅助工艺实现纤维面内定向排列
南方科技大学团队提出的膨胀辅助3D打印方法巧妙地解决了这一难题。其核心思路是：在打印过程中，将连续纤维增强丝材以特定的图案沉积在扁平基底上，然后利用一个膨胀后处理步骤——通过机械或热驱动方式使扁平结构膨胀为三维蜂窝形状。在这一过程中，连续纤维的取向从初始的面外方向转化为最终蜂窝壁板的面内方向。
团队详细研究了膨胀过程的力学机理，建立了工艺参数与最终纤维取向之间的映射关系。通过精确控制打印路径、纤维含量、膨胀比例和后处理温度等关键参数，研究人员能够定制蜂窝结构的纤维取向分布，实现从0度到90度的灵活调控。这种能力在传统制造方法中是难以想象的。
力学性能：压缩强度和模量实现倍级增长
为了全面评估新型结构的力学性能，研究团队对采用不同纤维取向的蜂窝结构进行了系统的压缩测试。实验结果显示，与采用传统0度纤维填充的3D打印蜂窝结构相比，采用膨胀辅助方法实现的90度纤维填充蜂窝结构，比压缩模量提升了126.44%，比压缩强度提升了198.64%，能量吸收能力提高了32.05%。
更令人印象深刻的是，膨胀辅助工艺还显著改善了打印件的表面质量——将尺寸误差降低了82.76%。这意味着零件不仅力学性能更好，而且尺寸精度更高，更接近设计值。研究团队还基于实验数据建立了蜂窝结构面外压缩强度的预测模型，该模型的预测结果与实验数据高度吻合，为后续的工程设计提供了可靠的理论工具。
应用前景：轻量化结构的制造革命
这一技术突破对于追求极致轻量化和力学性能的航空航天、高性能汽车和高端装备制造领域具有深远意义。以航空航天为例，复合材料蜂窝结构广泛应用于卫星结构板、飞机内饰板和发动机整流罩等部件。采用膨胀辅助3D打印方法，工程师可以根据特定部位的受力情况，对蜂窝结构的纤维取向进行定制化设计——在应力集中区域使用高强度高刚度的90度取向纤维，在非承力区域使用更轻的优化结构。
此外，该方法的一个突出优势在于其集成制造能力。传统蜂窝夹芯结构需要先制造蜂窝芯材和面板，然后通过胶接或共固化将它们组合在一起，工序多且界面结合质量难以保证。而膨胀辅助3D打印方法有望实现芯材和面板的一体化打印，消除胶接界面这一最薄弱的环节，大幅提升整体结构的可靠性和耐久性。
实验设计：压缩测试与微观结构表征
研究团队对膨胀辅助制造的蜂窝结构进行了全套力学性能测试。压缩测试使用万能材料试验机进行，加载速率依据ASTM标准设定。测试前通过X射线计算机断层扫描对样品进行无损检测，确认内部无明显的打印缺陷和层间分离。扫描电子显微镜观察揭示了90度纤维取向样品的断裂机制与0度样品的显著差异——前者在压缩过程中纤维发挥了有效的承载作用，裂纹扩展被纤维interface有效阻挡。微观CT图像也证实了膨胀辅助工艺制造的蜂窝壁板厚度均匀性优于传统打印方法，壁厚偏差从传统方法的约8%降低到了2%以内。
工艺参数优化：温度、纤维含量与膨胀比的耦合关系
研究团队通过系统的参数实验建立了工艺窗口。实验结果表明，膨胀温度是影响纤维取向和结构完整性的最关键参数——温度过低会导致膨胀不充分，纤维无法完全转向面内方向；温度过高则会导致基体树脂过度软化。在最优工艺条件下——180摄氏度的膨胀温度和30%的纤维体积含量——蜂窝结构的纤维取向角可以达到85至90度，接近理想的面内取向。膨胀比的控制同样关键，研究确定了2.5倍至3.5倍的膨胀比区间为最优工艺窗口。
未来展望：从实验室到工业应用的转化路径
膨胀辅助3D打印方法的工业应用前景广阔，但也面临一些技术挑战需要进一步攻克。目前该方法的材料适用范围仍有局限——研究仅验证了 PLA 基连续碳纤维复合材料的可行性，其他高性能热塑性基体如PEEK和PEKK的适配性还需进一步验证。此外，膨胀过程中纤维取向的均匀性在大尺寸零件中如何保证也是需要解决的问题。研究团队计划下一步将方法拓展到连续碳纤维增强PEEK体系，并探索在航空航天结构件上的应用验证。
来源：3D打印行业网