3D NASA资助！Systems与高校合作推进航天应用，突破太空热管理难题

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。