来源：复合材料研究
连续纤维增强复合材料（Continuous Fiber-Reinforced
Composite；CFRC）蜂窝结构在3D打印时，受传统逐层成型工艺限制，连续纤维往往只能沿面外方向排布，难以充分发挥纤维在面内方向的高强高刚潜力。该研究团队提出了一种扩张成形辅助的3D打印新方法，旨在实现连续纤维在蜂窝结构面内方向的任意角度可控排布，从而突破现有设计瓶颈。
该研究首先采用FFF技术打印出带有预设纤维方向的平面复合板，随后通过热扩张工艺将其转化为蜂窝结构，成功实现了纤维取向与蜂窝几何的解耦设计。结果表明，与传统0°纤维填充蜂窝相比，90°纤维填充蜂窝的打印尺寸误差降低了82.76%，表面粗糙度最大降幅达55.14%。力学测试进一步显示，其初始峰值力、比模量、比强度和能量吸收分别提升了198.84%、126.44%、198.64%和32.05%。该研究为轻质高强复合蜂窝结构的可控制备与高性能化设计开辟了新路径。
在当前的3D打印CFRC蜂窝结构制造领域，存在一个长期未能解决的关键技术瓶颈。尽管熔融沉积（Fused Filament
Fabrication；FFF）3D打印技术为蜂窝结构的快速成型提供了可能，但受限于其逐层堆积的成型原理，连续纤维在打印过程中只能沿打印平台的垂直方向沉积。这种制造约束导致蜂窝壁板内的纤维取向被固定为面外方向，而无法在蜂窝结构的面内方向进行任意角度排布。考虑到连续纤维增强复合材料具有显著的各向异性，其沿纤维方向的力学性能远优于垂直于纤维方向，二者弹性模量之比可高达20倍。因此，传统3D打印方法制造的CFRC蜂窝结构，其纤维增强潜力远未得到充分发挥。当承受面外压缩载荷时，结构的力学响应主要由基体材料和纤维的轴向刚度决定，而无法利用纤维在横向所提供的更高强度和刚度。这一限制不仅削弱了蜂窝结构的承载效率和能量吸收能力，也极大地压缩了复合蜂窝材料的结构设计空间，成为制约该技术进一步发展和工程应用的核心痛点。
为了突破上述纤维取向受限的困境，南方科技大学的研究团队Composites Part
B发表相关研究。该研究提出了一种创新的扩张成形辅助3D打印方法，首次实现了连续纤维在复合蜂窝结构面内方向的任意角度排布，从而显著提升了结构的面外压缩强度、比模量和能量吸收能力。论文标题为“A
novel 3D-printed composite honeycomb with continuous fiber aided by an
expansion-forming process”。
该方法巧妙地借鉴了传统铝蜂窝的扩张成形工艺，将平面打印与后扩张变形相结合。具体流程是：首先，该研究首先采用FFF技术打印出带有预设纤维方向的平面复合板（本文统一将纤维角度设为90°）；随后，对该平面板执行热扩张成形工艺。该工艺包括将金属夹具嵌入打印板两端，一端固定，另一端以2毫米/分钟的恒定速度施加拉伸载荷，同时使用热风枪将试件加热至220°C，使板件在拉力作用下逐步扩张成蜂窝状结构。当扩张达到目标几何尺寸后，停止拉伸并冷却至室温，以获得初始蜂窝形状。最后，将该初始蜂窝结构嵌入一个与蜂窝形状精确匹配的3D打印PEEK模具块中，以完成最终形状的定形。
通过这种“先平面打印，后扩张成形”的路线，该方法将复杂的三维蜂窝路径规划问题简化为二维平面路径规划，从而使得在蜂窝壁板内实现任意角度的连续纤维铺放成为可能。在实验中统一制备了单胞正六边形蜂窝的试件，并将所有打印平面板中的纤维角度设置为90°，以便与传统0°纤维蜂窝进行性能对比。
实验结果充分验证了该扩张辅助方法的有效性，其在打印精度、表面质量以及力学性能上均带来了显著提升。在打印性方面，传统0°纤维填充蜂窝在典型角落位置存在较大的打印误差，而采用扩张辅助法制备的90°纤维蜂窝，其角落误差分别被减小到0.5毫米和0.3毫米，总体尺寸误差降低了82.76%。表面粗糙度分析同样显示，在S1和S2两个选定区域，传统方法的平均垂直偏差分别为85.1微米和98.3微米，而新方法将其分别降低至51.1微米和44.1微米，表面粗糙度最大降幅达到55.14%。
在面外压缩力学性能方面，文章获得了更为突出的对比数据。文章的力-位移曲线和能量吸收曲线，与0°纤维填充蜂窝相比，90°纤维填充蜂窝的初始峰值力从3429.75牛大幅提升至10224.13牛，增幅达198.84%；比模量从64.86兆帕/克每立方厘米提高到146.87兆帕/克每立方厘米，提升了126.44%；比强度从5.15兆帕/克每立方厘米提高到15.38兆帕/克每立方厘米，提升了198.64%；能量吸收从23.24焦耳提高到32.05焦耳，提升了32.05%。此外，文章对比显示，该研究制备的90°纤维蜂窝在比面外压缩强度和比模量上均显著优于文献中报道的其他竞争性蜂窝结构，如3D打印PLA蜂窝、Nomex蜂窝等。
该研究所提出的扩张成形辅助3D打印方法，为高性能轻质复合蜂窝结构的设计与制造开辟了全新的道路，具有广阔的应用前景。该方法的核心价值在于，它首次实现了在3D打印CFRC蜂窝结构中任意定制连续纤维的面内取向，这赋予了工程师前所未有的设计自由度。如图4所示，通过该方法不仅可以制造出具有不同纤维角度（0°至180°）的蜂窝，还可以实现单一蜂窝结构内不同区域的纤维角度混合铺层设计，甚至可以与多种胞元几何形状进行组合，从而针对特定性能目标进行跨尺度的结构-材料一体化优化。在工程应用层面，该方法制造的CFRC蜂窝结构在面外压缩、能量吸收等方面展现出的卓越性能，使其成为航空航天、轨道交通、高速运载工具以及防护装备等领域的理想候选材料。此外，文章建立的面外压缩强度预测模型与实验结果高度吻合，为该类结构的性能评估与工程化设计提供了可靠的理论工具。总的来说，该技术打破了传统3D打印复合材料的制造藩篱，有望推动轻质高强复合蜂窝结构从实验室走向更广泛的实际工程应用。
原始文献：
Cheng, P., Wang, X., Han, Z., Chen, Y., Sheng, J., & Ye, L. (2026). A
novel 3D-printed composite honeycomb with continuous fiber aided by an
expansion-forming process. Composites Part B: Engineering, 320, 113673.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2026.113673
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