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

No mundo de alto risco da engenharia aeroespacial, proteger um veículo do calor abrasador da reentrada atmosférica é uma questão de vida ou morte. Quando uma espaçonave ou aeronave hipersônica mergulha de volta na atmosfera, o ar à sua frente se comprime e aquece até milhares de graus, criando uma barreira térmica que pode derreter metais comuns em segundos. Para sobreviver a isso, os engenheiros dependem de sistemas de proteção térmica, frequentemente construídos como painéis sanduíche. Essas estruturas consistem em duas peles externas finas e resistentes separadas por um núcleo leve. O trabalho do núcleo não é suportar o peso do veículo, mas atuar como um isolante térmico, impedindo que o calor da pele externa escaldante alcance a eletrônica delicada e os tanques de combustível no interior. Por décadas, o padrão da indústria para este núcleo tem sido uma estrutura de colmeia (honeycomb), feita de finas folhas de metal coladas em um padrão hexagonal. É um design comprovado e confiável, mas é limitado pelas ferramentas usadas para fabricá-lo; a forma de colmeia é fixa e o material é uniforme em toda a sua extensão.

Uma equipe de pesquisadores da Malla Reddy Deemed to be University, na Índia, explorou um caminho diferente, um possibilitado pelo rápido avanço da impressão 3D, ou manufatura aditiva. Em vez de ficarem presos à tradicional colmeia, eles se perguntaram se poderiam projetar um núcleo com uma arquitetura interna tridimensional mais complexa que pudesse bloquear o calor de forma ainda mais eficaz. Eles focaram em um padrão geométrico específico conhecido como treliça octet-truss, que se parece com uma estrutura repetitiva de suportes interconectados, assemelhando-se a um andaime microscópico. Usando um computador para simular condições de calor extremo, eles compararam este novo design de treliça diretamente contra o antigo padrão de colmeia, testando-os em vários níveis de densidade de material para ver qual manteria a parte traseira do painel mais fria e estável.

Os pesquisadores construíram modelos digitais detalhados de ambos os painéis sanduíche, usando liga de alumínio para os materiais, e os submeteram a dois tipos de cenários de calor intenso. No primeiro cenário, eles simularam uma fonte de calor constante e contínua, mantendo a superfície superior a uma temperatura escaldante de 500 graus Celsius enquanto a parte inferior permanecia fria. No segundo cenário, mais dinâmico, eles bombardearam a superfície superior com um enorme surto de fluxo de calor por cinco minutos, imitando o aquecimento súbito e violento que um veículo pode experimentar durante um voo de alta velocidade. Eles executaram essas simulações em uma gama de densidades, de muito leves e arejadas a ligeiramente mais densas, para encontrar o ponto ideal onde o material fosse leve o suficiente para ser prático, mas espesso o suficiente para deter o calor.

Os resultados dessas simulações foram claros e favoráveis ao novo design. O núcleo de treliça fabricado por adição provou ser um isolante superior em comparação com a colmeia tradicional. No teste de calor constante, a estrutura de treliça conduziu o calor através do painel cerca de 26 por cento menos eficientemente do que a colmeia. Essa diferença de desempenho traduziu-se diretamente na temperatura do lado protegido do painel. Quando a parte superior foi submetida ao intenso surto de calor de cinco minutos, a parte traseira do painel de colmeia atingiu uma temperatura de 315 graus Celsius. O painel de treliça, no entanto, permaneceu significativamente mais frio, com sua face traseira atingindo apenas 287 graus Celsius a 5% de densidade, e alcançando um mínimo de 256 graus Celsius na densidade mais baixa testada de 3%. Isso representa uma diferença de quase 30 graus, uma margem que pode ser o fator decisivo entre um sensor sobreviver a uma missão ou falhar.

Além de manter o calor para fora, a estrutura de treliça também lidou melhor com o estresse físico do calor. À medida que os materiais aquecem, eles se expandem e podem empenar ou dobrar, o que pode comprometer a integridade estrutural de um veículo. O painel de colmeia empenou 2,34 milímetros sob a carga térmica, enquanto o painel de treliça empenou apenas 1,94 milímetros. Essa redução de 17 por cento no empenamento sugere que o design de treliça é não apenas um escudo térmico melhor, mas também um mais estável, resistindo à distorção que acompanha as mudanças extremas de temperatura. Os pesquisadores descobriram que a vantagem da treliça vem de sua forma; ao contrário da colmeia, que possui paredes verticais retas que permitem que o calor viaje diretamente do topo para o fundo, a treliça é feita de suportes angulados. Esses caminhos angulados forçam o calor a percorrer uma rota mais longa e sinuosa, retardando-o. Além disso, a natureza aberta da treliça permite mais troca de radiação interna, o que ajuda a dissipar o calor dentro do núcleo em vez de deixá-lo passar diretamente.

O estudo também identificou faixas de densidade específicas onde este design de treliça apresenta o melhor desempenho. Embora núcleos mais leves geralmente bloqueiem melhor o calor porque há menos metal sólido para conduzi-lo, os pesquisadores descobriram que, se o núcleo for muito leve, o calor pode viajar através das lacunas de ar via radiação. Eles determinaram que uma densidade relativa entre 7 e 10 por cento oferecia um equilíbrio ideal para minimizar as temperaturas da face traseira no contexto dos compromissos específicos entre condução e radiação, embora a temperatura absoluta mais baixa da face traseira de 256°C tenha sido observada na densidade de 3%. Nessas densidades, o núcleo de treliça manteve sua vantagem, mantendo a face traseira aproximadamente 20 a 30 graus mais fria do que o equivalente de colmeia. Essa descoberta fornece uma diretriz concreta para engenheiros que desejam mudar para esses novos materiais, mostrando exatamente quanto material é necessário para obter a melhor proteção sem adicionar peso desnecessário.

Embora esses resultados sejam baseados em simulações de computador em vez de testes físicos em túnel de vento, a consistência dos resultados através de diferentes condições de calor e densidades oferece um argumento forte para o potencial dessas estruturas. Os pesquisadores observaram que o design de treliça permite um nível de customização que é impossível com a manufatura tradicional, como criar núcleos com densidades variadas em diferentes camadas para otimizar ainda mais o desempenho. Embora o estudo tenha sido limitado ao alumínio e não tenha considerado todas as variáveis do mundo real, como rugosidade superficial ou ligações imperfeitas, os dados sugerem que núcleos de treliça impressos em 3D poderiam em breve substituir o antigo padrão de colmeia. Para a próxima geração de espaçonaves e veículos hipersônicos, isso pode significar sistemas de proteção térmica mais leves, mais frios e mais confiáveis, transformando um padrão geométrico complexo em um escudo vital contra os fogos da reentrada.