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

En el mundo de alto riesgo de la ingeniería aeroespacial, proteger un vehículo del calor abrasador de la reentrada atmosférica es una cuestión de vida o muerte. Cuando una nave espacial o un avión hipersónico se lanza de nuevo a la atmósfera, el aire frente a él se comprime y se calienta hasta alcanzar miles de grados, creando una barrera térmica que puede derretir los metales estándar en segundos. Para sobrevivir a esto, los ingenieros confían en sistemas de protección térmica, a menudo construidos como paneles sándwich. Estas estructuras consisten en dos pieles exteriores delgadas y resistentes separadas por un núcleo ligero. El trabajo del núcleo no es soportar el peso del vehículo, sino actuar como un aislante térmico, evitando que el calor de la piel exterior abrasadora llegue a la electrónica delicada y a los tanques de combustible en el interior. Durante décadas, el estándar de la industria para este núcleo ha sido una estructura de panal de abeja (honeycomb), hecha de finas láminas metálicas pegadas en un patrón hexagonal. Es un diseño probado y fiable, pero está limitado por las herramientas utilizadas para fabricarlo; la forma de panal es fija y el material es uniforme en todo su interior.

Un equipo de investigadores de la Universidad Malla Reddy Deemed to be University en la India ha explorado un camino diferente, uno hecho posible por el rápido avance de la impresión 3D, o fabricación aditiva. En lugar de quedarse estancados con el tradicional panal de abeja, se preguntaron si podrían diseñar un núcleo con una arquitectura interna tridimensional más compleja que pudiera bloquear el calor de manera aún más efectiva. Se centraron en un patrón geomético específico conocido como red de armazón octet-truss (octet-truss lattice), que parece un marco repetitivo de puntales interconectados, asemejándose a un andamio microscópico. Utilizando una computadora para simular condiciones de calor extremo, compararon este nuevo diseño de red directamente contra el viejo estándar de panal de abeja, probándolos en varios niveles de densidad de material para ver cuál mantendría la parte posterior del panel más fría y estable.

Los investigadores construyeron modelos digitales detallados de ambos paneles sándwich, utilizando una aleación de aluminio para los materiales, y los sometieron a dos tipos de escenarios de calor intenso. En el primer escenario, simularon una fuente de calor constante y continua, manteniendo la superficie superior a una temperatura abrasadora de 500 grados Celsius mientras la inferior permanecía fría. En el segundo escenario, más dinámico, bombardearon la superficie superior con un estallido masivo de flujo de calor durante cinco minutos, imitando el calentamiento repentino y violento que un vehículo podría experimentar durante un vuelo de alta velocidad. Ejecutaron estas simulaciones a través de un rango de densidades, desde muy ligeras y aireadas hasta ligeramente más densas, para encontrar el punto ideal donde el material fuera lo suficientemente ligero para ser práctico pero lo suficientemente grueso como para detener el calor.

Los resultados de estas simulaciones fueron claros y favorables para el nuevo diseño. El núcleo de red fabricado mediante fabricación aditiva demostró ser un aislante superior al tradicional panal de abeja. En la prueba de calor constante, la estructura de red condujo el calor a través del panel aproximadamente un 26 por ciento menos eficientemente que el panal de abeja. Esta diferencia de rendimiento se tradujo directamente en la temperatura en la parte posterior protegida del panel. Cuando la parte superior fue sometida al intenso estallido de calor de cinco minutos, la parte posterior del panel de panal de abeja alcanzó una temperatura de 315 grados Celsius. El panel de red, sin embargo, se mantuvo significativamente más frío, con su cara posterior alcanzando solo 287 grados Celsius al 5% de densidad, y logrando un mínimo de 256 grados Celsius en la densidad más baja probada del 3%. Esa es una diferencia de casi 30 grados, un margen que podría ser el factor decisivo para que un sensor sobreviva a una misión o falle.

Más allá de solo mantener el calor fuera, la estructura de red también manejó mejor el estrés físico del calor. A medida que los materiales se calientan, se expanden y pueden deformarse o doblarse, lo que puede comprometer la integridad estructural de un vehículo. El panel de panal de abeja se deformó 2.34 milímetros bajo la carga térmica, mientras que el panel de red solo se deformó 1.94 milímetros. Esta reducción del 17 por ciento en la flexión sugiere que el diseño de red es no solo un mejor escudo térmico, sino también uno más estable, resistiendo la distorsión que conllevan los cambios extremos de temperatura. Los investigadores descubrieron que la ventaja de la red proviene de su forma; a diferencia del panal de abeja, que tiene paredes verticales rectas que permiten que el calor viaje directamente de la parte superior a la inferior, la red está compuesta por puntales angulados. Estos caminos angulados obligan al calor a seguir una ruta más larga y sinuosa, ralentizándolo. Además, la naturaleza abierta de la red permite un mayor intercambio de radiación interna, lo que ayuda a disipar el calor dentro del núcleo en lugar de dejar que pase directamente a través de él.

El estudio también identificó rangos de densidad específicos donde este diseño de red funciona mejor. Si bien los núcleos más ligeros generalmente bloquean mejor el calor porque hay menos metal sólido para conducirlo, los investigadores descubrieron que si el núcleo es demasiado ligero, el calor puede viajar a través de los huecos de aire mediante radiación. Determinaron que una densidad relativa entre el 7 y el 10 por ciento ofrecía un equilibrio óptimo para minimizar las temperaturas de la cara posterior en el contexto de los compromisos específicos entre conducción y radiación, aunque la temperatura más baja absoluta de la cara posterior de 256 °C se observó en la densidad del 3%. A estas densidades, el núcleo de red mantuvo su ventaja, manteniendo la cara posterior aproximadamente entre 20 y 30 grados más fría que su equivalente de panal de abeja. Este hallazgo proporciona una directriz concreta para los ingenieros que deseen cambiar a estos nuevos materiales, mostrando exactamente cuánto material se necesita para obtener la mejor protección sin añadir peso innecesario.

Aunque estos hallazgos se basan en simulaciones por computadora en lugar de pruebas físicas en túneles de viento, la consistencia de los resultados a través de diferentes condiciones de calor y densidades ofrece un argumento sólido para el potencial de estas estructuras. Los investigadores señalaron que el diseño de red permite un nivel de personalización que es imposible con la fabricación tradicional, como la creación de núcleos con densidades variables en diferentes capas para optimizar aún más el rendimiento. Aunque el estudio se limitó al aluminio y no tuvo en cuenta todas las variables del mundo real, como la rugosidad de la superficie o la unión imperfecta, los datos sugieren que los núcleos de red impresos en 3D podrían reemplazar pronto el viejo estándar del panal de abeja. Para la próxima generación de naves espaciales y vehículos hipersónicos, esto podría significar sistemas de protección térmica más ligeros, más fríos y más fiables, convirtiendo un complejo patrón geométrico en un escudo vital contra los fuegos de la reentrada.