太空3D打印热管理的两个NASA新案例！

当金属3D打印遇上太空恶劣环境，减重50%的热管散热器和6倍展开比的记忆合金散热器是航天热管理领域必看的两个新案例。

我们一起来看看到底是个什么应用。

太空热管理的现实挑战

太空中的温度波动有多极端？从阳光直射的200多度到背阴面的零下100多度，这种剧烈变化足以让任何精密电子设备崩溃。

AM易道认为，这正是为什么类似NASA的机构一直在寻找更高效的热管理解决方案。

传统的散热器要么太重，要么效率不够，要么在极端环境下容易失效。

6月3日，这家成立于1986年的老牌3D打印企业3D Systems宣布与宾州州立大学、亚利桑那州立大学以及NASA格伦研究中心的合作项目取得应用进展。

钛合金热管散热器：轻量化的技术突破

先看第一个项目的成果。

图 1：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（75×125 毫米和 200×260 毫米面板）；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。（图片由宾夕法尼亚州立大学提供）

Figure 1展示了研究团队开发的钛合金热管散热器原型，包括75×125mm和200×260mm两种规格的面板。

这些散热器最吸引人的地方在于内部嵌入的分支热管网络—通过X射线CT扫描可以清楚看到内部多孔芯吸结构，这是实现被动流体循环的关键。

图中还能看到宾州大学博士生Tatiana El Dannaoui正在热真空测试设施中安装散热器原型，模拟太空环境下的实际工作状态。

AM易道认为，这种设计的巧妙之处在于利用了金属3D打印的成型特点。

传统热管制造需要复杂的工艺来形成内部多孔芯吸结构，而3D打印可以直接在打印过程中嵌入这种复杂的内部网络。

测试结果相当亮眼：

这种钛-水热管散热器在230°C的高温下正常工作，重量比传统方案减轻50%，从超过6kg/m²降至3kg/m²。

对于航天应用来说，每减少一公斤重量都意味着巨大的成本节约。

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形状记忆合金：被动展开的创新思路

第二个项目更有意思。

图 2：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，显示其接近等温运行。（图片由宾夕法尼亚州立大学提供）

Figure 2展示的是用镍钛形状记忆合金（nitinol）制造的可展开散热器概念图和原型演示器。

从图中可以看到这种散热器从紧凑的收纳状态放射状展开的设计概念，以及高度柔性的波纹管热管臂原型。

热成像图显示了SMA分支波纹管热管几乎等温的工作状态，证明了其优异的热传导性能。

可以想象到应用状态是卫星发射时散热器以紧凑形式收纳，进入轨道后通过内部流体加热自动展开成放射状结构。

这种被动展开机制消除了对电机或其他传统驱动装置的需求，在太空这种维修几乎不可能的环境中，这种简单可靠的设计显得尤为珍贵。

项目数据显示，这种SMA散热器的展开-收纳面积比达到12:1，比目前最先进的2:1提升了6倍，同时重量减轻70%，从19kg/m²降至不到6kg/m²。

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老牌企业的技术积淀

根据3DSystems自己的公开披露，过去十年中已经为太空飞行制造了超过2000个钛合金或铝合金结构件，以及200多个关键的被动RF飞行部件。

目前有超过15颗卫星搭载了其制造的飞行硬件在轨运行。

宾州大学副教授Alex Rattner在谈到与3D Systems的长期研发合作时提到，双方在航空航天工程和增材制造方面的专业知识结合，让他们能够探索先进的设计策略，推动现有技术边界。

低氧环境的3D打印平台配合3DXpert软件能力，使得团队能够用特殊材料制造出性能显著提升的新型部件。

市场前景与技术趋势

Research and Markets的数据显示，航空航天领域的增材制造市场规模预计将从2023年的12亿美元增长到2030年的38亿美元。

这个增长背后反映的是3D打印技术在航天应用中逐渐从概念验证走向实际应用。

再回到技术细节的深度思考

从技术层面看，这两个项目展现了金属3D打印在功能集成方面的独特价值。

传统制造方式下，热管和散热器通常是分别制造然后组装，而3D打印可以实现一体化成型。

这不仅减少了组装环节，还消除了接触热阻，提升了整体热传导效率。

对于形状记忆合金与散热结构的组合的3D打印概念，更是能启发很多新思路。

虽然这两个项目针对的是航天应用，但其技术原理和设计思路对其他行业同样有借鉴价值。

高性能计算、汽车电子、数据中心等领域都面临散热挑战，轻量化、高效率的热管理解决方案需求广泛。

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文章主要内容来源：3D Systems官方新闻稿

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