3D NASA資助！Systems與高校合作推進航天應用，突破太空熱管理難題

導讀：太空不僅是人類探索的前沿領域，也是增材制造（AM）技術的重要舞臺。面對極端環(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（Penn State）和亞利桑那州立大學（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，內嵌分支熱管網(wǎng)絡（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，顯示用于被動流體循環(huán)的內部多孔芯吸層；c. 賓夕法尼亞州立大學博士生Tatiana El Dannaoui正在熱真空測試設施中安裝散熱器原型，以模擬太空環(huán)境運行；d. 熱管散熱器在真空室內運行的熱圖像。

定制化鈦合金熱輻射器：更輕更強的散熱方案
此次合作的核心目標是利用3D Systems的直接金屬打印（DMP）技術與Oqton的3DXpert軟件，開發(fā)嵌入式高溫被動熱管網(wǎng)絡。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部熱量。據(jù)3D Systems介紹，通過3D打印技術制造的輻射器在單位面積重量上比現(xiàn)有產(chǎn)品減輕50%，同時耐受溫度顯著提升。



●直接金屬打印（DMP）是一種基于激光的增材制造技術，通過高精度激光束選擇性熔融金屬粉末層，逐層構建出復雜的三維金屬部件。該技術允許實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以加工的高度復雜結構，廣泛應用于航空航天、醫(yī)療和汽車等領域。3D Systems的DMP技術提供高質量、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打印設計。支持從CAD模型準備、優(yōu)化到打印的全流程操作，顯著提升了設計效率與打印成功率。該軟件簡化了工作流程，增強了對打印過程的控制能力，被廣泛用于提升生產(chǎn)效率和零件質量

實驗數(shù)據(jù)顯示，鈦-水熱管原型在230°C高溫下成功運行，且結構強度滿足太空環(huán)境需求。研究人員通過X射線CT掃描驗證了輻射器內部多孔毛細結構的設計精度，這一結構可實現(xiàn)流體的被動循環(huán)，無需額外動力系統(tǒng)。賓夕法尼亞州立大學博士生Tatiana El Dannaoui主導了熱真空測試，模擬太空環(huán)境下的實際工況，驗證了系統(tǒng)的可靠性。

形狀記憶合金解鎖折疊設計，CubeSats散熱效率提升六倍
除了鈦合金方案，研究團隊還開發(fā)了基于鎳鈦合金（nitinol）的形狀記憶合金（SMA）輻射器。這種材料在受熱時可自動展開，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）的緊湊型設計。研究人員通過DMP技術一體化打印了輻射器的分支熱管結構，內部多孔網(wǎng)絡與外殼同步成型，減少了裝配復雜性。

實驗原型展示了高度柔性的波紋管臂設計，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能力。3D Systems表示，這類被動驅動的SMA輻射器可大幅簡化衛(wèi)星熱管理系統(tǒng)，降低維護成本。


△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機械工程系副教授Alex Rattner表示：“與3D Systems的長期研發(fā)合作推動了航空航天領域的顛覆性創(chuàng)新。增材制造技術讓我們能探索傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的復雜幾何設計?！?D Systems航空航天與國防副總裁Mike Shepard補充稱，太空熱管理是DMP技術的理想應用場景，其解決方案不僅適用于航天領域，還可拓展至汽車、高性能計算和AI數(shù)據(jù)中心。

技術展望：從實驗室到深空探測
當前研究已證明3D打印在航天熱管理中的可行性，未來團隊計劃優(yōu)化材料性能，例如提升高溫下的長期穩(wěn)定性，并探索更多輕量化拓撲結構。此外，結合AI算法的熱管路徑規(guī)劃可能進一步釋放設計潛力。若技術成熟，這類輻射器有望應用于深空探測器、火星基地等極端環(huán)境項目，同時為商業(yè)航天降低制造成本。

可以說，這一進展標志著增材制造從地面工業(yè)向太空領域的深度滲透。隨著技術迭代，3D打印或成為未來航天器核心組件的標準制造方式，推動人類探索宇宙的能力邁上新臺階。