3D NASA資助！Systems與高校合作推進(jìn)航天應(yīng)用，突破太空熱管理難題

導(dǎo)讀：太空不僅是人類探索的前沿領(lǐng)域，也是增材制造（AM）技術(shù)的重要舞臺(tái)。面對(duì)極端環(huán)境下的工程挑戰(zhàn)，航天工程師往往將3D打印視為一種解決方案。

2025年6月，南極熊獲悉，3D Systems宣布與賓夕法尼亞州立大學(xué)（Penn State）和亞利桑那州立大學(xué)（Arizona State University）合作，在NASA資助下開發(fā)新型熱管理系統(tǒng)，為航天器散熱難題提供創(chuàng)新答案。


△a. 增材制造的高溫鈦合金熱輻射器原型，內(nèi)嵌分支熱管網(wǎng)絡(luò)（面板尺寸分別為75×125和200×260毫米）；b. 散熱器X射線CT掃描圖，顯示用于被動(dòng)流體循環(huán)的內(nèi)部多孔芯吸層；c. 賓夕法尼亞州立大學(xué)博士生Tatiana El Dannaoui正在熱真空測(cè)試設(shè)施中安裝散熱器原型，以模擬太空環(huán)境運(yùn)行；d. 熱管散熱器在真空室內(nèi)運(yùn)行的熱圖像。

定制化鈦合金熱輻射器：更輕更強(qiáng)的散熱方案
此次合作的核心目標(biāo)是利用3D Systems的直接金屬打印（DMP）技術(shù)與Oqton的3DXpert軟件，開發(fā)嵌入式高溫被動(dòng)熱管網(wǎng)絡(luò)。這些熱管集成于鈦合金熱輻射板中，用于高效排除航天器內(nèi)部熱量。據(jù)3D Systems介紹，通過3D打印技術(shù)制造的輻射器在單位面積重量上比現(xiàn)有產(chǎn)品減輕50%，同時(shí)耐受溫度顯著提升。



●直接金屬打�。―MP）是一種基于激光的增材制造技術(shù)，通過高精度激光束選擇性熔融金屬粉末層，逐層構(gòu)建出復(fù)雜的三維金屬部件。該技術(shù)允許實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以加工的高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療和汽車等領(lǐng)域。3D Systems的DMP技術(shù)提供高質(zhì)量、高性能的金屬零件制造解決方案 。

●3DXpert是由Oqton開發(fā)的一體化增材制造軟件，專為金屬3D打印設(shè)計(jì)。支持從CAD模型準(zhǔn)備、優(yōu)化到打印的全流程操作，顯著提升了設(shè)計(jì)效率與打印成功率。該軟件簡(jiǎn)化了工作流程，增強(qiáng)了對(duì)打印過程的控制能力，被廣泛用于提升生產(chǎn)效率和零件質(zhì)量

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，鈦-水熱管原型在230°C高溫下成功運(yùn)行，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足太空環(huán)境需求。研究人員通過X射線CT掃描驗(yàn)證了輻射器內(nèi)部多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)精度，這一結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)流體的被動(dòng)循環(huán)，無需額外動(dòng)力系統(tǒng)。賓夕法尼亞州立大學(xué)博士生Tatiana El Dannaoui主導(dǎo)了熱真空測(cè)試，模擬太空環(huán)境下的實(shí)際工況，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

形狀記憶合金解鎖折疊設(shè)計(jì)，CubeSats散熱效率提升六倍
除了鈦合金方案，研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了基于鎳鈦合金（nitinol）的形狀記憶合金（SMA）輻射器。這種材料在受熱時(shí)可自動(dòng)展開，形成比傳統(tǒng)衛(wèi)星散熱器大六倍的表面積，特別適合微型衛(wèi)星（CubeSats）的緊湊型設(shè)計(jì)。研究人員通過DMP技術(shù)一體化打印了輻射器的分支熱管結(jié)構(gòu)，內(nèi)部多孔網(wǎng)絡(luò)與外殼同步成型，減少了裝配復(fù)雜性。

實(shí)驗(yàn)原型展示了高度柔性的波紋管臂設(shè)計(jì)，熱成像圖顯示其表面溫度分布接近等溫狀態(tài)，證明了高效的熱傳導(dǎo)能力。3D Systems表示，這類被動(dòng)驅(qū)動(dòng)的SMA輻射器可大幅簡(jiǎn)化衛(wèi)星熱管理系統(tǒng)，降低維護(hù)成本。


△a. 增材制造形狀記憶合金 (SMA) 散熱器概念圖，其徑向熱管分支可從緊湊的收納狀態(tài)展開。b. 帶有高柔順性波紋管熱管臂的 SMA 原型演示器。c. SMA 分支波紋管熱管的熱圖像，顯示其工作狀態(tài)接近等溫。

產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，突破傳統(tǒng)制造限制
賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械工程系副教授Alex Rattner表示：“與3D Systems的長(zhǎng)期研發(fā)合作推動(dòng)了航空航天領(lǐng)域的顛覆性創(chuàng)新。增材制造技術(shù)讓我們能探索傳統(tǒng)工藝無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何設(shè)計(jì)�！�3D Systems航空航天與國(guó)防副總裁Mike Shepard補(bǔ)充稱，太空熱管理是DMP技術(shù)的理想應(yīng)用場(chǎng)景，其解決方案不僅適用于航天領(lǐng)域，還可拓展至汽車、高性能計(jì)算和AI數(shù)據(jù)中心。

技術(shù)展望：從實(shí)驗(yàn)室到深空探測(cè)
當(dāng)前研究已證明3D打印在航天熱管理中的可行性，未來團(tuán)隊(duì)計(jì)劃優(yōu)化材料性能，例如提升高溫下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并探索更多輕量化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，結(jié)合AI算法的熱管路徑規(guī)劃可能進(jìn)一步釋放設(shè)計(jì)潛力。若技術(shù)成熟，這類輻射器有望應(yīng)用于深空探測(cè)器、火星基地等極端環(huán)境項(xiàng)目，同時(shí)為商業(yè)航天降低制造成本。

可以說，這一進(jìn)展標(biāo)志著增材制造從地面工業(yè)向太空領(lǐng)域的深度滲透。隨著技術(shù)迭代，3D打印或成為未來航天器核心組件的標(biāo)準(zhǔn)制造方式，推動(dòng)人類探索宇宙的能力邁上新臺(tái)階。