导读:太空不仅是人类探索的前沿领域,也是增材制造(AM)技术的重要舞台。面对极端环境下的工程挑战,航天工程师往往将3D打印视为一种解决方案。
2025年6月,南极熊获悉,3D Systems宣布与宾夕法尼亚州立大学(Penn State)和亚利桑那州立大学(Arizona State University)合作,在NASA资助下开发新型热管理系统,为航天器散热难题提供创新答案。
△a. 增材制造的高温钛合金热辐射器原型,内嵌分支热管网络(面板尺寸分别为75×125和200×260毫米);b. 散热器X射线CT扫描图,显示用于被动流体循环的内部多孔芯吸层;c. 宾夕法尼亚州立大学博士生Tatiana El Dannaoui正在热真空测试设施中安装散热器原型,以模拟太空环境运行;d. 热管散热器在真空室内运行的热图像。
定制化钛合金热辐射器:更轻更强的散热方案
此次合作的核心目标是利用3D Systems的直接金属打印(DMP)技术与Oqton的3DXpert软件,开发嵌入式高温被动热管网络。这些热管集成于钛合金热辐射板中,用于高效排除航天器内部热量。据3D Systems介绍,通过3D打印技术制造的辐射器在单位面积重量上比现有产品减轻50%,同时耐受温度显著提升。
●直接金属打印(DMP)是一种基于激光的增材制造技术,通过高精度激光束选择性熔融金属粉末层,逐层构建出复杂的三维金属部件。该技术允许实现传统工艺难以加工的高度复杂结构,广泛应用于航空航天、医疗和汽车等领域。3D Systems的DMP技术提供高质量、高性能的金属零件制造解决方案 。
●3DXpert是由Oqton开发的一体化增材制造软件,专为金属3D打印设计。支持从CAD模型准备、优化到打印的全流程操作,显著提升了设计效率与打印成功率。该软件简化了工作流程,增强了对打印过程的控制能力,被广泛用于提升生产效率和零件质量
实验数据显示,钛-水热管原型在230°C高温下成功运行,且结构强度满足太空环境需求。研究人员通过X射线CT扫描验证了辐射器内部多孔毛细结构的设计精度,这一结构可实现流体的被动循环,无需额外动力系统。宾夕法尼亚州立大学博士生Tatiana El Dannaoui主导了热真空测试,模拟太空环境下的实际工况,验证了系统的可靠性。
形状记忆合金解锁折叠设计,CubeSats散热效率提升六倍
除了钛合金方案,研究团队还开发了基于镍钛合金(nitinol)的形状记忆合金(SMA)辐射器。这种材料在受热时可自动展开,形成比传统卫星散热器大六倍的表面积,特别适合微型卫星(CubeSats)的紧凑型设计。研究人员通过DMP技术一体化打印了辐射器的分支热管结构,内部多孔网络与外壳同步成型,减少了装配复杂性。
实验原型展示了高度柔性的波纹管臂设计,热成像图显示其表面温度分布接近等温状态,证明了高效的热传导能力。3D Systems表示,这类被动驱动的SMA辐射器可大幅简化卫星热管理系统,降低维护成本。
△a. 增材制造形状记忆合金 (SMA) 散热器概念图,其径向热管分支可从紧凑的收纳状态展开。b. 带有高柔顺性波纹管热管臂的 SMA 原型演示器。c. SMA 分支波纹管热管的热图像,显示其工作状态接近等温。
产学研协同创新,突破传统制造限制
宾夕法尼亚州立大学机械工程系副教授Alex Rattner表示:“与3D Systems的长期研发合作推动了航空航天领域的颠覆性创新。增材制造技术让我们能探索传统工艺无法实现的复杂几何设计。”3D Systems航空航天与国防副总裁Mike Shepard补充称,太空热管理是DMP技术的理想应用场景,其解决方案不仅适用于航天领域,还可拓展至汽车、高性能计算和AI数据中心。
技术展望:从实验室到深空探测
当前研究已证明3D打印在航天热管理中的可行性,未来团队计划优化材料性能,例如提升高温下的长期稳定性,并探索更多轻量化拓扑结构。此外,结合AI算法的热管路径规划可能进一步释放设计潜力。若技术成熟,这类辐射器有望应用于深空探测器、火星基地等极端环境项目,同时为商业航天降低制造成本。
可以说,这一进展标志着增材制造从地面工业向太空领域的深度渗透。随着技术迭代,3D打印或成为未来航天器核心组件的标准制造方式,推动人类探索宇宙的能力迈上新台阶。
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