连续纤维增强复合材料蜂窝结构研究背景
蜂窝结构凭借其低密度、高能量吸收率和优异的热机械性能，在航空航天、汽车工业和土木工程领域有着广泛的应用。传统的蜂窝结构制造方法（如共固化工艺）需要多个模具和复杂的操作流程，而自动化纤维铺放技术成本高且不适合小尺寸蜂窝结构的制造。3D打印，特别是FDM技术，为蜂窝结构的快速制造提供了新的可能性。
然而，常规FDM工艺打印连续纤维增强复合材料（CFRC）蜂窝结构面临一个根本性挑战：连续纤维的铺设方向受限于平面堆叠方向，无法在蜂窝壁内实现优化方向的纤维排布，导致蜂窝结构的力学性能未充分利用。2026年6月，南方科技大学（SUSTech）的研究团队在《Composites Part B: Engineering》期刊上发表了一项创新研究，提出了一种结合3D打印与膨胀成形工艺的新方法，解决了这一长期存在的技术难题。
该技术的核心突破在于：通过后膨胀工艺将出平面方向堆叠的纤维重新定向到蜂窝壁的垂直方向，使纤维走向与主要承载方向对齐。实验数据显示，相比常规3D打印工艺（0°纤维填充蜂窝），膨胀辅助工艺（90°纤维填充蜂窝）的比压缩模量提升了126.44%，比压缩强度提升了198.64%，能量吸收率提升了32.05%。同时，表面质量显著提升，尺寸误差降低了82.76%。下面我们从工艺原理和参数设置两个方面进行深度解析。
膨胀成形工艺的基本原理
膨胀成形工艺的核心思想是「先打印后变形」。首先，使用连续碳纤维增强的长丝在FDM打印平台上构建一个多层出平面蜂窝预制体——即纤维沿着打印方向排列在垂直方向，形成类似于蜂巢壁的纵向叠层结构。这个预制体的几何形状与目标蜂窝结构不同，壁面是平面且垂直于打印平台。
打印完成后，将预制体放入加热炉中加热到基体材料的玻璃化转变温度（Tg）以上（约180-200℃），此时聚合物基体变得柔软可塑。然后，施加一个面外方向的机械压力，使预制体的各层壁面发生平面外弯曲变形。通过精确控制压力的大小和方向，平面壁面逐渐膨胀为六边形的蜂窝壁结构。在这个过程中，连续纤维的取向从垂直方向被重新定向为蜂窝壁的倾斜方向，与最终的蜂窝构型自然吻合。
膨胀成形完成后，将结构冷却至室温，聚合物基体重新固化定型，纤维的优化取向被永久保持。最终得到的蜂窝结构中，连续纤维沿着蜂窝壁的纵向（即主要承载方向）排列，纤维的增强效率得到了最大程度的发挥。
打印参数与材料选择
SUSTech团队在实验中使用了连续碳纤维增强的聚酰胺（PA6）基复合长丝，纤维体积分数约40%。打印使用改良的FDM打印机，配备专用的纤维切割和送丝机构。蜂窝预制体的打印参数如下表所示。
| 参数 | 设置值 | 影响 |
|---|---|---|
| 喷嘴温度 | 260-280℃ | 基体熔融浸润度 |
| 热床温度 | 80-100℃ | 首层附着和翘曲控制 |
| 打印速度 | 20-40mm/s | 纤维排列均匀性 |
| 层高 | 0.15-0.25mm | 层间结合和表面质量 |
| 进给率 | 100-120% | 纤维体积含量 |
膨胀成形阶段的关键参数包括加热温度、保温时间和膨胀压力。温度控制在基体的Tg以上20-40℃（PA6的Tg约160℃，因此加热到180-200℃为最佳）。保温时间根据蜂窝尺寸确定，实验中标标准蜂窝（边长10mm，壁厚1mm）的保温时间为5-10分钟。膨胀压力的设定与蜂窝壁厚和蜂窝边长相关，经验公式为：P = (σ_y × t²) / (3 × L²)，其中σ_y为基体在成形温度下的屈服强度，t为壁厚，L为蜂花边长。
力学性能提升的微观机制
膨胀成形工艺之所以能显著提升蜂窝结构的力学性能，根本原因在于纤维取向的优化。在常规FDM打印的蜂窝结构中，连续纤维只能沿着打印路径（出平面方向）排列，而蜂窝壁的主要承载方向（轴向）与纤维方向呈90°夹角。这种情况下，纤维仅起到有限的结构增强作用，承载主要依靠聚合物基体本身的强度。
膨胀成形后，纤维被重新定向到蜂窝壁的轴向方向。当蜂窝结构受到面外压缩载荷时，载荷通过蜂窝壁传递。此时纤维方向与载荷方向一致，纤维的高刚度和高强度得到充分利用。实验结果证实，90°纤维填充蜂窝的比压缩模量比0°纤维填充蜂窝高出126%，意味着在同样重量下，膨胀成形蜂窝的刚度是传统工艺蜂窝的两倍以上。
尺寸精度的显著提升则来源于预成形原理。膨胀成形工艺在预制体阶段已经控制了壁厚的均匀性，膨胀过程中壁面在面外压力下均匀变形，最终蜂窝结构的几何一致性优于直接打印蜂窝。实验中的尺寸误差从常规工艺的约0.85mm降低到膨胀成形工艺的约0.15mm。
应用前景与产业化挑战
连续纤维增强复合材料蜂窝结构膨胀成形工艺的产业化前景广阔。在航空航天领域，该技术可以用于制造轻量化的卫星结构板和无人机机身壁板。在汽车工业中，可用于制造碰撞吸能结构（如防撞梁的填充芯）和底盘护板。消费级应用则包括高强度运动器材（碳纤维自行车头盔内衬）和特种工业防护装备。
当前面临的产业化挑战主要包括三个方面：一是膨胀成形模具的通用性有限，每种蜂窝尺寸和形状需要定制模具，增加了小批量生产的成本；二是连续纤维打印头成本较高，限制了设备的普及率；三是成形过程的工艺窗口较窄，温度和压力的控制精度要求较高，需要配备专业的加热和施压设备。
SUSTech团队表示，下一步的研究方向包括拓展该方法到其他蜂窝构型（如负泊松比和梯度蜂窝），以及探索热固性基体材料的适用性。随着连续纤维3D打印设备的成本下降和工艺成熟度的提升，这一技术有望在未来2-3年内实现商业化落地。
来源：SUSTech Research Paper、Composites Part B