3D Systems的DMP技术与NASA、宾州州立大学和亚利桑那州立大学的研究团队合作，开发先进的航天器热管理系统。通过使用3D打印技术，团队在钛合金和镍钛合金中嵌入热管和形状记忆合金组件，解决了传统热系统的重量和制造复杂性。采用3D打印技术生产的钛合金散热器，在230°C高温下成功运行，重量减轻了50%，有效提高了热传导效率，降低了发射成本。形状记忆合金散热器则可以在太空中自动展开，无需机械驱动器，适用于小型卫星和高功率CubeSat任务。此项技术为未来航天任务提供了更高效、更可靠的热管理解决方案。
3D打印机OEM公司3D Systems的应用创新小组（AIG）正在与宾夕法尼亚州立大学（PSU）、亚利桑那州立大学（ASU）和NASA Glenn研究中心的研究人员合作，开发用于航天器的先进热管理系统。
这些由NASA资助的项目正在使用3D Systems的直接金属打印（DMP）技术和Oqton的3DXpert软件，生产由钛和镍钛合金制成的高性能散热器和热管。
通过将热管和形状记忆合金组件直接嵌入到散热器中，团队解决了传统热系统的重量和制造复杂性，使未来的太空任务变得更加具有成本效益和能力。
“我们与3D Systems长期的研发合作关系使得在航空航天应用中使用3D打印的开创性研究成为可能，”宾夕法尼亚州立大学副教授Alex Rattner说。“航空航天工程和增材制造领域的集体专业知识使我们能够探索先进的设计策略，推动着我们对前沿技术的认知。”
a. 增材制造的形状记忆合金（SMA）散热器概念，带有从紧凑储存形式展开的径向热管分支；b. 原型SMA示范器，带有高度顺应的波纹管热管臂；c. SMA分支波纹管热管的热成像，显示几乎等温操作。图片来源：PSU。
航天器的高效冷却
一个研究重点是使用3D打印钛合金热散热器，并嵌入高温被动热管。传统上，制造这些内部多孔的 wick 结构涉及多个制造步骤，以允许流体循环并传递热量。团队使用3DXpert软件将这些多孔结构直接嵌入到钛合金热管壁中，省去了额外的步骤并减少了变异性。
这些整体钛合金散热器在230°C的温度下成功运行，并展示了50%的重量减少，达到了每平方米3公斤，而传统系统的重量为每平方米6公斤以上。该方法满足了NASA关于提高热传递效率和降低发射成本的目标。
另一个项目则研究了如何使用形状记忆合金（SMA）制造可展开的散热器。研究人员生产了世界上首批功能性镍钛合金（Nitinol）部件之一，该部件在加热时可以被被动驱动和展开。团队设计了一种可展开的辐射结构，使用3DXpert软件在Nitinol中实现，结果使得展开和收缩的面积比率增加了六倍，同时重量减少超过70%，从每平方米19公斤降至6公斤以下。
这些基于SMA的散热器可以在太空中展开，无需机械驱动器，为高功率CubeSat和小型卫星任务提供了更可靠的热管理。宾夕法尼亚州立大学的图像和测试数据确认了原型的热性能，并证明它们能够承受严苛的太空条件。
根据3D Systems引用的Research and Markets报告，2023年航空航天增材制造行业的市场价值为12亿美元，预计到2030年将增长至近40亿美元。在过去十年中，3D Systems为太空任务生产了超过2,000个钛合金和铝合金部件，反映出增材制造在构建高性能、轻量化系统方面日益增长的作用。
PSU的博士候选人Tatiana El Dannaoui，在热真空测试设施中安装散热器原型，以模拟太空环境操作。照片来源：PSU。
超越太空的热管理解决方案
随着增材制造部件的应用，热管理正在多个领域得到简化。最近，澳大利亚热传递专家Conflux Technology与意大利超级跑车制造商Pagani合作，改善了Pagani Utopia传动系统的热性能。
这家澳大利亚公司为搭载6升双涡轮V12发动机的超级跑车开发了3D打印的滤芯热交换器，与之前的设计相比，热排放提高了30%。这一改进有助于支持全球排放合规性，并确保在极限驾驶条件下的热可靠性。Pagani的测试确认了新系统的耐用性和有效性，满足了赛道和公路使用的性能标准。
去年，Diamond Hard Surfaces与Wolverhampton大学的衍生公司Additive Analytics合作，开发了嵌入式电子散热器，改善了电子产品和CPU的热散发。通过超越传统的减材制造方法，该项目利用3D打印技术创建复杂的几何形状，提高了热交换效率和冷却性能。
该开发结合了Diamond Hard Surfaces的专利工艺与Additive Analytics在材料开发和激光加工方面的专业知识。这一方法使得制造具有更高表面积与体积比的散热器成为可能，从而帮助防止热点的产生并延长紧凑型高性能设备的使用寿命。
