一体化集成加热与传感：3D打印升级热管理系统

在航天器热管理领域，一项获得欧盟"地平线2020"研究计划资助的创新项目正在改变设计范式。这个致力于先进热交换装置研发的项目由瑞士电子与微技术中心仪器事业部主导，联合法国里西航空增材制造公司和泰雷兹阿莱尼亚航天公司：

共同开发出一款突破性的3D打印集成式管道组件，成功实现了加热与传感功能的深度融合。

跨国合作打造创新团队

项目汇聚了来自欧洲核子研究组织、瑞士电子与微技术中心、法国里西航空和泰雷兹阿莱尼亚航天等机构的顶尖专家。

这支跨国研发团队凭借在航天、增材制造和传感技术领域的深厚积累，共同推动了这项革命性技术的发展。

从传统到创新：颠覆性的设计理念

在地球同步轨道35786公里的太空环境中，卫星面临着极端的温度挑战：阳光直射时可能过热，背阴时又会结冰。

为了维持卫星设备的正常运转，机械泵送回路（MPL）系统发挥着关键作用。

这个系统通过循环加压氨气（48bar）在卫星内部进行热量调节，将热量从高温区转移到低温区。

突破性的3D打印制造工艺

这项创新采用了独特的制造方案，将激光粉末床熔融（LPBF）、树脂注入和机械加工巧妙结合。

在LPBF工艺中，管段结构、导线以及连接器都在同一制造过程中完成，使用相同的316L不锈钢材料。

研发团队面临的最大挑战是确保导线与管段结构之间的电气绝缘。

他们创造性地提出了"牺牲桥"概念：在打印过程中通过临时支撑结构确保0.4毫米细导线的稳定性，待注入绝缘材料并固化后再通过精密机加工去除这些支撑。

在传感器方面，虽然初期采用的气溶胶喷射打印温度传感器的计量性能未能完全达到预期，但团队已经找到了解决方案：

在未来版本中使用已认证的商用传感器替代。

值得注意的是，由于传感器连接线和输出连接器已经集成在管段结构中，这种替换并不会影响产品的整体优势。

技术价值

这种创新设计为工业应用带来了前所未有的价值：

在结构可靠性方面，完全消除了传统设计中的粘合剂、螺丝等额外零件，避免了复杂的组装过程，从根本上杜绝了剥离和断裂风险。

在设计自由度方面，3D打印技术可以实现管状、平面状及复杂曲面等任意形状，加热器设计可完全根据具体应用需求优化。

特别是在性能方面，创新的导线布局确保了更均匀的热传递，实现了高功率密度，采用陶瓷绝缘时，加热温度可突破1000℃。

性能验证与实际应用

在泰雷兹阿莱尼亚航天公司进行的实际卫星热管理系统测试中，这款加热集成单元展现出令人印象深刻的性能指标： 

• 工作温度范围：-65℃至+85℃ ；

• 整体重量仅115克 ；

• 长度150毫米 ；

• 可承受1225bar的极限压力测试
  
  

此外，它还成功通过了振动测试以及模拟15年太空服役的热弹性寿命测试，充分证明了其可靠性。

更广阔的应用前景

这项源自航天领域的创新技术已经在CERN的粒子探测器CO2制冷系统中得到了实际应用。

展望未来，在需要高度集成加热和现场测量的场景中，如机械工业、医疗设备、生命科学、食品工业和化工行业等，这类集成器件将大放异彩。

这项创新不仅解决了传统热控系统的诸多痛点，更为实现紧凑、低成本和无线化的新一代热控系统奠定了基础。

来源：本文内容均源自CSEM官方发布的技术报告，AM易道仅作整理编译。