薄壁结构具有耐撞性能良好、轻质等优点，并在倒塌过程中表现出稳定可控的变形模式，广泛应用于载运工具的被动安全系统中的吸能结构。近年来，研究者们致力于优化材料属性、结构设计及制造技术，以满足随载运工具运行速度提升对薄壁结构的能量吸收能力提出的更高要求。增材制造技术的发展，不仅为结构设计提供了极大的自由度和精准的定制能力，还使得研究人员能够将轻质高强的复合材料应用于复杂的结构设计中，推动了薄壁结构性能的进一步提升。
2024年12月，中南大学交通运输工程学院汪馗教授团队将连续芳纶纤维增强聚乳酸复合材料用于制造多胞薄壁结构，并设计了一系列起伏打印路径，通过打印路径设计来控制连续纤维增强多胞薄壁结构中的局部失效模式，同时影响其整体倒塌模式及吸能特性。文章发表于工程技术TOP期刊《Engineering Structures》，论文标题为“Effects of undulating printing paths on axial compressive behaviors of 3D-printed continuous fiber-reinforced multi-cell thin-walled structure”。博士研究生向江洋为第一作者。
该研究聚焦于3D打印连续纤维增强多胞薄壁结构(CFMS)，基于熔融沉积成型(FDM)技术，将连续芳纶纤维增强聚乳酸复合材料用于制造多胞薄壁结构，并通过准静态压缩试验来研究不同打印路径对于该结构的力学响应和能量吸收特性的影响。另外，针对连续纤维增强多胞薄壁结构的变形模式和失效机制也进行了详细研究。
作者采用熔融沉积成型3D打印技术，提出并研究了连续纤维增强多胞薄壁结构，采用了以下三种打印路径 (图1)来制造两种多胞薄壁结构，分别命名为结构1 (MT1) 和结构2 (MT2)，与基于逐层打印方法的打印路径不同，起伏的打印路径在两层之间来回移动。这种方法能确保 Kevlar 纤维的连续性，并防止了使用不同打印路径打印的 CFMS 壁厚的局部变化。
图 1. 为 CFMS 设计的三个打印路径示意图：(a) MT1-0、(b) MT1-1、(c) MT1-2、(d) MT2-0、(e) MT2-1 和 (f) MT2-2。
为了研究连续纤维增强多胞薄壁结构在准静态工况下的压溃行为，在室温(20℃)下以5 mm/min的恒定速度进行准静态压缩试验。由不同打印路径下的多胞薄壁结构的力-位移曲线对比可知，打印路径对于两种多胞薄壁结构的力学响应都产生了影响(图2)。尤其是对于结构2, 不同打印路径下结构的倒塌模式呈现出显著的不同。
图 2. 连续纤维增强多胞薄壁结构的力-位移曲线：(a) 结构1 (MT1)和 (b) 结构2 (MT2)。
图3. 连续纤维增强多胞薄壁结构的变形过程：(a) MT1-0、(b) MT1-1、(c) MT1-2、(d) MT2-0、(e) MT2-1 和 (f) MT2-2
根据 CFMS 的压缩过程，确定了两种变形模式，如图 4所示。MT1 和 MT2–2 在 CFMS 的压缩过程中表现出具有稳定塑性变形的渐进模式。相比之下，只有MT2-0和MT2-1在压缩过程中失去了稳定性，表现出整体屈曲，也称为欧拉屈曲。值得注意的是，MT2-2呈现出渐进折叠模式的原因是由于打印路径不同导致的局部失效模式不同 (如图5所示)。因此，可以得出结论，结构的打印路径通过控制结构局部失效模式来影响 CFMS 的变形模式。
图4. (a) 不同 CFMS 的变形模式, (b) CFMS 的变形模式图。
图5. 轴向压缩试验后变形的CFMS（虚线圈1表示基体断裂，虚线圆2表示分层，虚线圆3表示伴随应力白化的塑性变形）。
此外，作者对不同打印路径下的CFMS 耐撞性指标进行了定量比较。结果表明，具有渐进模式的 CFMS 在耐撞性指标上的稳定性高于具有欧拉屈曲的 CFMS。然而，虽然使用路径 1 和 2 打印的 MT2 表现出更高的承载能力波动 (ULC)，但它在小变形的情况下表现出能量吸收优势。因此，它可能适用于需要高能量吸收能力和最小变形能力的能量吸收器。
图 6. 打印路径对 CFMS 耐撞性指标的影响。
最后，研究者对比了CFMS（MT1-0和MT2-1）与其他文献中报道的具有相似横截面形状的多孔薄壁结构的比吸能 (SEA) 和碰撞力效率 (CFE)。研究结果显示，CFMS的SEA与这些铝结构的SEA相似，而CFMS的CFE值更高。这表明，使用连续纤维3D打印技术制造的CFMS具有更好的耐撞性。
图 7. CFMS以及其他文献中具有类似横截面形状的结构的SEA和CFE值。
该研究基于熔融沉积成型(FDM)技术，设计了一系列起伏打印路径，将连续芳纶纤维增强聚乳酸复合材料用于制造多胞薄壁结构。在准静态条件下通过压缩试验研究了多胞薄壁结构的压缩响应，变形模式和能量吸收特性。结果表明不同打印路径对3D 打印连续纤维增强多胞薄壁结构的力学响应影响显著。通过合理设计打印路径，可以有效控制结构中的局部失效模式，从而调节整体倒塌模式及能量吸收性能，以满足实际工程需求。
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Xiang J, Wang J, Liu Y, et al. Effects of undulating printing paths on axial compressive behaviors of 3D-printed continuous fiber-reinforced multi-cell thin-walled structure[J]. Engineering Structures, 2025, 325: 119353.
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