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

Dans le monde de l'ingénierie aérospatiale à enjeux élevés, protéger un véhicule de la chaleur ardente de la rentrée atmosphérique est une question de vie ou de mort. Lorsqu'un engin spatial ou un aéronef hypersonique replonge dans l'atmosphère, l'air devant lui se comprime et s'échauffe jusqu'à atteindre des milliers de degrés, créant une barrière thermique capable de faire fondre les métaux standards en quelques secondes. Pour survivre à cela, les ingénieurs s'appuient sur des systèmes de protection thermique, souvent construits sous forme de panneaux sandwich. Ces structures se composent de deux peaux extérieures fines et résistantes séparées par un noyau léger. Le rôle du noyau n'est pas de supporter le poids du véhicule, mais d'agir comme un isolant thermique, empêchant la chaleur de la peau extérieure brûlante d'atteindre l'électronique délicate et les réservels de carburant à l'intérieur. Pendant des décennies, la norme de l'industrie pour ce noyau a été une structure en nid d'abeille, composée de fines feuilles métalliques collées selon un motif hexagonal. C'est un modèle éprouvé et fiable, mais il est limité par les outils utilisés pour le fabriquer ; la forme du nid d'abeille est fixe et le matériau est uniforme dans toute sa structure.

Une équipe de chercheurs de l'université Malla Reddy Deemed to be University en Inde a exploré une voie différente, rendue possible par l'avancement rapide de l'impression 3D, ou fabrication additive. Au lieu de rester bloqués avec le nid d'abeille traditionnel, ils se sont demandé s'ils pouvaient concevoir un noyau doté d'une architecture interne tridimensionnelle plus complexe qui pourrait bloquer la chaleur encore plus efficacement. Ils se sont concentrés sur un motif géométrique spécifique connu sous le nom de treillis octet (octet-truss lattice), qui ressemble à un cadre répétitif de entretoises interconnectées, évoquant un échafaudage microscopique. En utilisant un ordinateur pour simuler des conditions de chaleur extrême, ils ont comparé directement ce nouveau design de treillis à l'ancienne norme du nid d'abeille, en testant ces deux modèles à différents niveaux de densité de matériau pour voir lequel maintiendrait l'arrière du panneau plus frais et plus stable.

Les chercheurs ont construit des modèles numériques détaillés des deux panneaux sandwich, en utilisant un alliage d'aluminium pour les matériaux, et les ont soumis à deux types de scénarios de chaleur intense. Dans le premier scénario, ils ont simulé une source de chaleur constante et régulière, maintenant la surface supérieure à une température brûlante de 500 degrés Celsius tandis que la partie inférieure restait fraîche. Dans le second scénario, plus dynamique, ils ont bombardé la surface supérieure avec un flux de chaleur massif pendant cinq minutes, imitant le chauffage soudain et violent qu'un véhicule pourrait subir lors d'un vol à grande vitesse. Ils ont lancé ces simulations à travers une gamme de densités, allant de très légères et aériennes à légèrement plus denses, afin de trouver le point d'équilibre où le matériau est assez léger pour être pratique mais assez épais pour stopper la chaleur.

Les résultats de ces simulations ont été clairs et favorables au nouveau design. Le noyau de treillis fabriqué par voie additive s'est avéré être un isolant supérieur au nid d'abeille traditionnel. Dans le test de chaleur constante, la structure en treillis a conduit la chaleur à travers le panneau environ 26 % moins efficacement que le nid d'abeille. Cette différence de performance s'est traduite directement par la température sur la face arrière protégée du panneau. Lorsque la partie supérieure a été soumise à l'intense rafale de chaleur de cinq minutes, l'arrière du panneau en nid d'abeille a atteint une température de 315 degrés Celsius. Le panneau en treillis, cependant, est resté nettement plus frais, sa face arrière atteignant seulement 287 degrés Celsius à une densité de 5 %, et atteignant un minimum de 256 degrés Celsius à la densité la plus basse testée de 3 %. Cela représente une différence de près de 30 degrés, une marge qui pourrait être le facteur décisant pour la survie ou l'échec d'un capteur lors d'une mission.

Au-delà de la simple exclusion de la chaleur, la structure en treillis a également mieux géré la contrainte physique de la chaleur. À mesure que les matériaux chauffent, ils se dilatent et peuvent se déformer ou se tordre, ce qui peut compromettre l'intégrité structurelle d'un véhicule. Le panneau en nid d'abeille s'est déformé de 2,34 millimètres sous la charge thermique, tandis que le panneau en treillis n'a subi qu'une déformation de 1,94 millimètre. Cette réduction de 17 % de la flexion suggère que le design en treillis est non seulement un meilleur bouclier thermique, mais aussi un bouclier plus stable, résistant à la distorsion causée par les changements de température extrêmes. Les chercheurs ont découvert que l'avantage du treillis provient de sa forme ; contrairement au nid d'abeille, qui possède des parois verticales droites permettant à la chaleur de voyager directement du haut vers le bas, le treillis est composé d'entretoises inclinées. Ces chemins inclinés forcent la chaleur à emprunter une route plus longue et plus sinueuse, ce qui la ralentit. De plus, la nature ouverte du treillis permet davantage d'échanges de rayonnement interne, ce qui aide à dissiper la chaleur au sein du noyau plutôt que de la laisser passer directement.

L'étude a également identifié les plages de densité spécifiques où ce design en treillis est le plus performant. Bien que les noyaux plus légers bloquent généralement mieux la chaleur car il y a moins de métal solide pour la conduire, les chercheurs ont découvert que si le noyau est trop léger, la chaleur peut circuler à travers les espaces d'air par rayonnement. Ils ont déterminé qu'une densité relative comprise entre 7 et 10 % offrait un équilibre optimal pour minimiser les températures de la face arrière dans le contexte des compromis spécifiques entre conduction et rayonnement, bien que la température de face arrière la plus basse de 256 °C ait été observée à la densité de 3 %. À ces densités, le noyau en treillis maintenait son avantage, gardant la face arrière environ 20 à 30 degrés plus fraîche que l'équivalent en nid d'abeille. Cette découverte fournit une directive concrète pour les ingénieurs qui souhaiteraient passer à ces nouveaux matériaux, montant exactement quelle quantité de matière est nécessaire pour obtenir la meilleure protection sans ajouter de poids inutile.

Bien que ces conclusions soient basées sur des simulations informatiques plutôt que sur des tests physiques en soufflerie, la cohérence des résultats à travers les différentes conditions de chaleur et densités offre un argument solide pour le potentiel de ces structures. Les chercheurs ont noté que le design en treillis permet un niveau de personnalisation impossible avec la fabrication traditionnelle, comme la création de noyaux avec des densités variables dans différentes couches pour optimiser davantage les performances. Bien que l'étude ait été limitée à l'aluminium et n'ait pas pris en compte toutes les variables du monde réel comme la rugosité de surface ou les liaisons imparfaites, les données suggèrent que les noyaux en treillis imprimés en 3D pourraient bientôt remplacer l'ancienne norme du nid d'abeille. Pour la prochaine génération d'engins spatiaux et de véhicules hypersoniques, cela pourrait signifier des systèmes de protection thermique plus légers, plus frais et plus fiables, transformant un motif géométrique complexe en un bouclier vital contre les feux de la rentrée.