Thermal Performance of Additively Manufactured Lattice and Honeycomb Sandwich Cores for Heat Shielding

In der hochriskanten Welt der Luft- und Raumfahrttechnik ist der Schutz eines Fahrzeugs vor der sengenden Hitze beim Wiedereintritt in die Atmosphäre eine Frage von Leben und Tod. Wenn ein Raumfahrzeug oder ein Hyperschallflugzeug in die Atmosphäre eintaucht, komprimiert sich die Luft vor ihm und erhitzt sich auf tausende Grad, wodurch eine thermische Barriere entsteht, die Standardmetalle in Sekundenschnelle schmelzen lassen kann. Um dies zu überstehen, verlassen sich Ingenieure auf thermische Schutzsysteme, die oft als Sandwichpaneele aufgebaut sind. Diese Strukturen bestehen aus zwei dünnen, starken Außenschichten, die durch einen leichten Kern getrennt sind. Die Aufgabe des Kerns besteht nicht darin, das Gewicht des Fahrzeugs zu tragen, sondern als thermischer Isolator zu fungieren, um zu verhindern, dass die Hitze der glühenden äußeren Schicht die empfindliche Elektronik und die Treibstofftanks im Inneren erreicht. Jahrzehntelang war der Industriestandard für diesen Kern eine Wabenstruktur, die aus dünnen Metallfolien besteht, die in einem hexagonalen Muster zusammengeklebt sind. Es ist ein bewährtes, zuverlässiges Design, aber es wird durch die Werkzeuge begrenzt, mit denen es hergestellt wird; die Wabenform ist fix vorgegeben, und das Material ist durchgehend einheitlich.

Ein Forschungsteam der Malla Reddy Deemed to be University in Indien hat einen anderen Weg eingeschlagen, der durch den rasanten Fortschritt des 3D-Drucks, oder der additiven Fertigung, ermöglicht wurde. Anstatt an der traditionellen Wabenstruktur festzusitzen, stellten sie die Frage, ob sie einen Kern mit einer komplexeren, dreidimensionalen internen Architektur entwerfen könnten, die Hitze möglicherweise noch effektiver blockiert. Sie konzentrierten sich auf ein spezifisches geometrisches Muster, das als Octet-Truss-Gitter bekannt ist und wie ein sich wiederholendes Gerüst aus miteinander verbundenen Streben aussieht, ähnlich einem mikroskopischen Gerüst. Durch die Verwendung eines Computers zur Simulation extremer Hitzebedingungen verglichen sie dieses neue Gitterdesign direkt mit dem alten Wabenstandard und testeten sie bei verschiedenen Materialdichten, um zu sehen, welches Design die Rückseite des Paneels kühler und stabiler halten würde.

Die Forscher erstellten detaillierte digitale Modelle beider Sandwichpaneele unter Verwendung einer Aluminiumlegierung für die Materialien und setzten sie zwei Arten von intensiven Hitzeszenarien aus. Im ersten Szenario simulierten sie eine stetige, konstante Wärmequelle, wobei die Oberseite auf 500 Grad Celsius erhitzt wurde, während die Unterseite kühl blieb. Im zweiten, dynamischeren Szenario beschossen sie die Oberseite mit einem massiven Hitzeschub für fünf Minuten, was die plötzliche, heftige Erhitzung nachbildete, die ein Fahrzeug während eines Hochgeschwindigkeitsflugs erfahren könnte. Sie führten diese Simulationen über einen Bereich von Dichten durch, von sehr leicht und luftig bis hin zu etwas dichter, um den idealen Punkt zu finden, an dem das Material leicht genug ist, um praktisch zu sein, aber dick genug, um die Hitze zu stoppen.

Die Ergebnisse dieser Simulationen waren eindeutig und zugunsten des neuen Designs ausgefallen. Der additiv gefertigte Gitterkern erwies sich als überlegener Isolator im Vergleich zur traditionellen Wabenstruktur. Im Test mit stetiger Hitze leitete die Gitterstruktur die Wärme etwa 26 Prozent weniger effizient durch das Paneel als die Wabenstruktur. Dieser Leistungsunterschied schlug sich direkt in der Temperatur auf der geschützten Rückseite des Paneels nieder. Als die Oberseite dem intensiven, fünfminütigen Hitzeschub ausgesetzt war, erreichte die Rückseite des Wabenpaneels eine Temperatur von 315 Grad Celsius. Das Gitterpaneel blieb jedoch signifikant kühler, wobei seine Rückseite bei einer Dichte von 5 % eine Temperatur von nur 287 Grad Celsius erreichte und bei der niedrigsten getesteten Dichte von 3 % einen Minimalwert von 256 Grad Celsius erreichte. Das ist ein Unterschied von fast 30 Grad – eine Marge, die darüber entscheiden kann, ob ein Sensor eine Mission übersteht oder versagt.

Neben der bloßen Blockierung der Hitze bewältigte die Gitterstruktur auch die physische Belastung der Hitze besser. Wenn Materialien heiß werden, dehnen sie sich aus und können sich verformen oder verbiegen, was die strukturelle Integrität eines Fahrzeugs beeinträchtigen kann. Das Wabenpaneel verbog sich unter der thermischen Last um 2,34 Millimeter, während das Gitterpaneel nur um 1,94 Millimeter verbog. Diese Reduzierung der Verbiegung um 17 Prozent deutet darauf hin, dass das Gitterdesign nicht nur ein besserer thermischer Schild, sondern auch ein stabilerer ist, da es der Verformung durch extreme Temperaturänderungen widersteht. Die Forscher fanden heraus, dass der Vorteil des Gitters in seiner Form liegt; im Gegensatz zur Wabenstruktur, die gerade, vertikale Wände hat, die die Hitze direkt von oben nach unten leiten, besteht das Gitter aus angewinkelten Streben. Diese angewinkelten Pfade zwingen die Hitze dazu, einen längeren, gewundeneren Weg zu nehmen, was sie verlangsamt. Zusätzlich ermöglicht die offene Natur des Gitters einen stärkeren internen Strahlungsaustausch, was hilft, die Hitze innerhalb des Kerns abzuleiten, anstatt sie einfach direkt hindurchgehen zu lassen.

Die Studie identifizierte auch spezifische Dichtebereiche, in denen dieses Gitterdesign am besten abschneidet. Während leichtere Kerne die Hitze im Allgemeinen besser blockieren, da weniger festes Metall vorhanden ist, um sie zu leiten, stellten die Forscher fest, dass die Hitze bei einem zu leichten Kern über die Luftspalte durch Strahlung wandern kann. Sie ermittelten, dass eine relative Dichte zwischen 7 und 10 Prozent ein optimales Gleichgewicht für die Minimierung der Rückseiten-Temperaturen im Kontext der spezifischen Kompromisse zwischen Leitung und Strahlung bietet, obwohl die absolut niedrigste Rückseiten-Temperatur von 256 °C bei der 3 %-Dichte beobachtet wurde. Bei diesen Dichten behielt der Gitterkern seinen Vorteil bei und hielt die Rückseite etwa 20 bis 30 Grad kühler als das Waben-Äquivalent. Dieser Befund liefert Ingenieuren, die eventuell zu diesen neuen Materialien wechseln möchten, eine konkrete Leitlinie und zeigt genau auf, wie viel Material benötigt wird, um den besten Schutz zu gewährleisten, ohne unnötiges Gewicht hinzuzufügen.

Obwohl diese Ergebnisse auf Computersimulationen und nicht auf physischen Windkanaltests basieren, bietet die Konsistenz der Ergebnisse über verschiedene Hitzebedingungen und Dichten hinweg ein starkes Argument für das Potenzial dieser Strukturen. Die Forscher merkten an, dass das Gitterdesign ein Maß an Anpassbarkeit ermöglicht, das mit traditioneller Fertigung unmöglich ist, wie etwa die Erstellung von Kernen mit variierenden Dichten in verschiedenen Schichten, um die Leistung weiter zu optimieren. Obwohl die Studie auf Aluminium beschränkt war und nicht alle realen Variablen wie Oberflächenrauheit oder unvollkommene Bindungen berücksichtigte, deuten die Daten darauf hin, dass 3D-gedruckte Gitterkerne den alten Wabenstandard bald ersetzen könnten. Für die nächste Generation von Raumfahrzeugen und Hyperschallflugzeugen könnte dies bedecklichere, kühlere und zuverlässigere thermische Schutzsysteme bedeuten, indem ein komplexes geometrisches Muster in einen lebenswichtigen Schild gegen das Feuer des Wiedereintritts verwandelt wird.