用于吸能和多功能的3D打印复合薄壁管：研究现状与展望

《COMPOSITE STRUCTURES》：3D-printed composite thin-walled tubes for energy absorption and multifunctionality: State of the art and prospects

　　

摘要

与传统金属管材相比，复合薄壁管凭借更高的比强度和比刚度，展现出卓越的吸能潜力。3D打印技术为突破传统工艺在制造复杂构型方面的局限提供了前所未有的机遇，从而实现优异的吸能性能和功能集成。本文系统综述了3D打印复合薄壁管在吸能与功能化方面的最新研究进展，并阐述了面临的挑战与发展趋势。首先，总结了适用于薄壁管的不同3D打印工艺及材料，并讨论了其适用性与优势。随后，从材料、工艺和几何构型三个方面分析了3D打印复合管的折叠特性和吸能特性。在此基础上，综述了直管和触发管的结构增强策略。此外，展示了薄壁管的功能化机制，包括可逆吸能和结构健康监测。最后，提出了3D打印复合薄壁管的未来研究方向，旨在为下一代高性能智能吸能结构提供新的见解。

引言

碰撞安全性是包括汽车、高速列车、飞机及其他交通工具在内的交通运输装备的基本要求。在冲击载荷作用下，结构部件应通过耗散冲击能量来保护乘客和设备。同时，轻量化设计也一直致力于提高能效并减少材料消耗[1]、[2]。近年来，碳中和目标和能耗降低进一步增加了对轻量化交通运输结构的需求[3]、[4]。薄壁管通常定义为壁厚远小于其径向尺寸的空心构件，因其质量低、变形潜力稳定且能量耗散效率高而受到广泛关注[5]、[6]、[7]、[8]。

在此背景下，复合薄壁管的发展可分为三个阶段，如图1所示。第一阶段始于20世纪80年代，当时复合材料因其高比强度、比刚度和比吸能而被引入以替代金属，实现进一步减重。该阶段的研究主要聚焦于轴向压溃响应和失效机制[9]。自20世纪90年代以来，传统复合材制造工艺的进步支持了多样化材料组合和结构构型的发展，推动该领域进入以性能为导向的设计第二阶段。混合材料、波纹和多腔构型被开发用于调节变形并提高吸能[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。然而，内部腔体、加强路径和材料分布的日益复杂化给传统复合材制造带来了挑战。自2010年代以来，3D打印为连续纤维和蜂窝复合结构的制造提供了新途径[19]、[20]、[21]、[22]，推动该领域进入以性能-功能为导向的设计第三阶段。当前3D打印复合薄壁管的发展正从吸能增强拓展至吸能定制[23]、形状恢复[24]和自感知[25]。

相关研究通过补充材料第A节所述的文献检索与筛选策略进行识别。如图2所示，已发表研究数量从2019年的1篇增长至2025年的18篇，截至2026年9月已有19篇发表。这一快速增长表明，3D打印复合薄壁管已从有限的研究课题发展为一个涉及多样化材料、打印工艺、结构构型和功能需求的新兴领域。现有综述主要聚焦于传统复合管材或从更广泛视角对增材制造吸能结构的综述[16]、[21]。因此，针对3D打印复合薄壁管的特定发现仍然碎片化，制造、变形、吸能与多功能性之间的关系尚未得到系统综合。因此，对3D打印复合薄壁管进行专题综述恰逢其时，有助于整合近期进展并识别关键研究挑战。

本综述全面概述了用于吸能和多功能化的3D打印复合薄壁管。首先总结了适用的打印工艺和复合材料及其对管材制造和力学性能的影响。随后，从材料、打印工艺和几何构型三个方面讨论了3D打印管的折叠特性和吸能特性。对直管的结构增强策略进行了综述，包括横向填充、纵向填充和模块化设计，以及触发诱导管。进一步考察了可逆吸能和结构健康监测，重点在于其功能化机制及其对压溃行为的影响。最后，讨论了主要挑战和未来研究方向，以支持3D打印复合薄壁管的进一步发展和工程应用。

章节摘录

制造方法和材料

基于其逐层沉积机制，3D打印减少了对传统复合材制造中专用模具的依赖，为制造具有复杂几何形状的薄壁管提供了可行的方法。如图3所示，复合薄壁管所报道的3D打印工艺可分为四类：熔融沉积成型（FDM）、选择性激光烧结（SLS）、多喷射熔融（MJF）和立体光刻（SLA）

直壁薄壁管

直壁薄壁管是沿纵向轴线具有线性壁面的结构[6]、[13]。其截面可以是三角形、四边形、六边形或圆形。在本综述中，直管从单腔管讨论至通过横向填充、纵向填充和模块化组装获得的多腔管。这些设计策略代表了改善3D打印复合管轻量化吸能的主要结构策略。

触发式薄壁管

触发式薄壁管在薄壁中引入局部几何特征，以引导起始位置和塌陷行为。对于3D打印复合薄壁管，常用触发器可分为预折叠触发器和刚度定制触发器。

功能化薄壁管

直壁薄壁管和触发式薄壁管主要涉及被动吸能的结构策略。随着功能材料的应用，3D打印复合管被进一步赋予多功能特性，包括可逆吸能和结构健康监测。因此，轻量化设计、碰撞安全性和功能性能的一体化发展变得日益重要。该设计范式

挑战与未来展望

近年来的研究显著推进了3D打印复合薄壁管的发展，展示了其作为高性能吸能材料的潜力。研究重点正从以吸能为导向的设计向材料-结构-功能一体化设计转变。未来发展应从材料创新和智能设计出发，迈向自适应功能、多功能集成，并最终实现工程规模应用。

结论

本文综述了3D打印复合薄壁管在吸能和多功能化方面的最新进展。图11(a)总结了主要设计路线，包括基于横向填充、纵向填充、模块化组装和触发设计的以吸能为导向的结构设计，以及针对可逆吸能和自监测的功能化设计。图11(b)比较了代表性的3D打印复合管[30]、[46]、[53]、[68]、[70]、

CRediT作者贡献声明

覃乾兵：撰写-初稿、调查研究、数据整理、概念构思。王魁：撰写-审阅与编辑、监督、资源保障、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。

生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明

在准备本稿件期间，作者使用ChatGPT改进了文本的可读性、清晰度和整体语言质量。此外，ChatGPT被用于生成图11中机器人和无人机插图的前起草图。这些AI辅助的初始图形随后经作者审阅、修改和进一步细化，以满足最终展示要求。所有AI辅助输出均经作者仔细检查和编辑，作者

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益关系或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到湖南省自然科学基金（编号：2024JJ5434）和湖南省教育厅科学研究项目（编号：24A0029）的资助。

覃乾兵|王魁