摘要：近日，Engineering Structures期刊发表了由中南大学交通运输工程学院研究团队完成的研究成果。该研究提出了一种波浪形打印路径设计方法，用于制造壁厚仅由单层沉积线构成的多胞薄壁结构，揭示了打印路径对结构失效模式和能量吸收性能的调控机制。论文标题为
一、引言
近日，Engineering Structures 期刊发表了由中南大学交通运输工程学院研究团队完成的研究成果。该研究提出了一种波浪形打印路径设计方法，用于制造壁厚仅由单层沉积线构成的多胞薄壁结构，揭示了打印路径对结构失效模式和能量吸收性能的调控机制。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”。
二、内容介绍
薄壁结构在车辆吸能领域面临传统设计空间受限的瓶颈，连续纤维3D打印技术可为复杂结构制造提供新方案。该研究针对多胞薄壁结构（Continuous Fiber Reinforced Multi-cell Thin-walled Structure；CFMS）打印路径影响机制不明确的问题，首次设计波浪形路径探究路径与几何形状的耦合作用。相较于现有研究聚焦单胞结构，该工作通过单线壁厚制造和新型连接点设计，填补了多胞纤维增强结构压缩失效机理的研究空白。
图1 多胞薄壁结构的三种打印路径设计示意图：(a-c) MT1 结构，(d-f) MT2 结构图1 MT1（a-c）和MT2（d-f）的波浪形打印路径
图2 多胞薄壁结构中的连接点类型：(a-c) MT1结构，(d-f) MT2结构
研究采用熔融沉积技术（Fused Filament Fabrication；FFF），以PLA为基体、凯夫拉纤维为增强相，制造了两种多胞结构MT1（六边形）和MT2（六角星形）。通过层间往复运动的波浪形路径设计，确保壁厚仅为单沉积线且纤维连续。三种路径生成两类连接点：F-joint（纤维直连）和M-joint（基体粘接），并据此将试样命名为MT1-0/1/2和MT2-0/1/2。轴向压缩试验在10mm/min速度下进行，通过载荷-位移曲线分析能量吸收、载荷波动系数（Undulation of Load-carrying Capacity，ULC）等关键指标。
图3 (a) FFF打印原理 (b) 结构几何尺寸
表1不 同试样的M/F-joint数量统计
载荷-位移曲线显示MT2（六角星形）对路径更敏感：路径1/2打印的MT2-0/1因非对称折叠引发整体屈曲，导致载荷骤降；而路径3打印的MT2-2通过M-joint基体断裂转变为渐进压溃。微观观察发现连接点失效模式主导结构行为：M-joint断裂引发载荷波动，F-joint则保持完整。耐撞性指标分析表明MT2-2的载荷波动系数最低（ULC=0.16），而MT1-0的压溃力效率最优（CFE=0.89）。值得注意的是，相同路径在不同截面中作用相反——路径3使MT1的ULC升高却使MT2的ULC降低。
图4 CFMS的变形过程：(a) MT1-0, (b) MT1-1, © MT1-2, (d) MT2-0, (e) MT2-1 和 (f) MT2-2
图5 (a) MT1–0, (b) MT2–0 和 (c) MT2–2 的垂直视图结构俯视图：(a) MT1–0, (b) MT2–0 和 (c) MT2–2
图6 轴向压缩测试后变形的CFMS： (a-b) MT1–1 的垂直和主视图；(c-d) MT1–2 的垂直和主视图 (虚线圆圈 1 表示基体断裂，虚线圆圈 2 表示分层，虚线圆圈 3 表示伴随应力白化的塑性变形)
三、结论
波浪形打印路径通过调控连接点失效模式，显著改变多胞结构的压缩行为。路径3促使MT2-2实现渐进压溃，降低19%的载荷波动；而六边形结构（MT1）在路径1下获得最优能量吸收效率。截面形状与路径的强耦合效应表明：六角星形结构需针对性优化路径以避免失稳。该研究为车辆吸能部件的3D打印工艺提供了关键设计依据。
原始文献：
Xiang, J., Wang, J., Liu, Y., Gao, H., Tan, Q., Wang, K., & Peng, Y. (2025). Effects of undulating printing paths on axial compressive behaviors of 3D-printed continuous fiber-reinforced multi-cell thin-walled structure. Engineering Structures*, 325, 119353.
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来源：小轩科技天地
