Las estructuras de panal son estructuras naturales o artificiales que tienen la geometría de un panal para permitir la minimización de la cantidad de material usado para alcanzar un peso mínimo y un costo de material mínimo. La geometría de las estructuras alveolares puede variar ampliamente, pero la característica común de todas estas estructuras es una serie de celdas huecas formadas entre paredes verticales delgadas. Las celdas son a menudo de forma columnar y hexagonal . Una estructura en forma de panal proporciona un material con una densidad mínima y propiedades de compresión fuera del plano relativamente altas y propiedades de corte fuera del plano . [1]
Los materiales estructurales de nido de abeja artificiales se fabrican comúnmente colocando un material de nido de abeja entre dos capas delgadas que proporcionan resistencia a la tensión. Esto forma un conjunto en forma de placa. Los materiales de nido de abeja se utilizan ampliamente cuando se necesitan superficies planas o ligeramente curvas y su alta resistencia específica es valiosa. Son ampliamente utilizados en la industria aeroespacial por esta razón, y los materiales en forma de panal en aluminio, fibra de vidrio y materiales compuestos avanzados se han presentado en aviones y cohetes desde la década de 1950. También se pueden encontrar en muchos otros campos, desde materiales de embalaje en forma de cartón de nido de abeja a base de papel, hasta artículos deportivos como esquís y tablas de snowboard.
Introducción
Las estructuras de panal naturales incluyen colmenas , erosión de panal en rocas, callos y huesos .
Las estructuras de nido de abeja artificiales incluyen compuestos estructurados en sándwich con núcleos de nido de abeja . [2] Las estructuras de nido de abeja artificiales se fabrican utilizando una variedad de materiales diferentes, según la aplicación prevista y las características requeridas, desde papel o termoplásticos , utilizados para baja resistencia y rigidez para aplicaciones de baja carga, hasta alta resistencia y rigidez para alta. aplicaciones de alto rendimiento, desde aluminio o plásticos reforzados con fibra. La resistencia de los paneles laminados o sándwich depende del tamaño del panel, del material de revestimiento utilizado y del número o densidad de las celdas alveolares que contiene. Los compuestos de nido de abeja se utilizan ampliamente en muchas industrias, desde la industria aeroespacial, automotriz y de muebles hasta embalaje y logística. El material toma su nombre de su parecido visual con el panal de abejas , una estructura de hoja hexagonal.
Historia
El panal hexagonal de la abeja melífera ha sido admirado y maravillado desde la antigüedad. Se dice que el primer panal hecho por el hombre, según la mitología griega, fue fabricado por Dédalo a partir de oro mediante fundición a la cera perdida hace más de 3000 años. [3] Marcus Varro informa que los geómetras griegos Euclides y Zenodorus descubrieron que la forma hexagonal hace un uso más eficiente del espacio y los materiales de construcción. Las nervaduras interiores y las cámaras ocultas de la cúpula del Panteón en Roma son un ejemplo temprano de una estructura de panal. [4] [ se necesita cita completa ]
Galileo Galilei discute en 1638 la resistencia de los sólidos huecos: "El arte, y la naturaleza aún más, los utiliza en miles de operaciones en las que se aumenta la robustez sin añadir peso, como se ve en los huesos de las aves y en muchos tallos que son ligero y muy resistente a doblarse y romperse ”. [5] Robert Hooke descubre en 1665 que la estructura celular natural del corcho es similar al panal hexagonal de abejas. [6] y Charles Darwin afirma en 1859 que" el panal de la colmena- abeja, por lo que podemos ver, es absolutamente perfecta para economizar mano de obra y cera ”. [7]
Las primeras estructuras de nido de abeja de papel podrían haber sido hechas por los chinos hace 2000 años para adornos, pero no se ha encontrado ninguna referencia al respecto. Los panales de papel y el proceso de producción de expansión fueron inventados en Halle / Saale en Alemania por Hans Heilbrun en 1901 [8] para aplicaciones decorativas. En 1890 se propusieron las primeras estructuras de panal de abejas a partir de láminas de metal corrugado para la apicultura. [9] Con el mismo propósito, como láminas de base para recolectar más miel, en 1878 se patentó un proceso de moldeo en panal que utiliza una mezcla de pasta de papel y pegamento. [10 ] Las tres técnicas básicas para la producción de panal de abejas que todavía se utilizan en la actualidad (expansión, corrugado y moldeado) ya fueron desarrolladas en 1901 para aplicaciones que no son sándwich.
Hugo Junkers exploró por primera vez la idea de un núcleo de panal dentro de una estructura laminada. Propuso y patentó los primeros núcleos de nido de abeja para aplicaciones aeronáuticas en 1915. [11] Describió en detalle su concepto de reemplazar las estructuras de aeronaves cubiertas de tela por láminas de metal y razonó que una lámina de metal también se puede cargar en compresión si se apoya en Intervalos muy pequeños al disponer una al lado de la otra una serie de celdas cuadradas o rectangulares o cuerpos huecos triangulares o hexagonales. El problema de unir una piel continua a los núcleos celulares llevó a Junkers más tarde a la estructura corrugada abierta, que podía remacharse o soldarse entre sí.
El primer uso de estructuras de nido de abeja para aplicaciones estructurales se propuso de forma independiente para aplicaciones de construcción y se publicó ya en 1914. [12] En 1934, Edward G. Budd patentó un panel sándwich de nido de abeja de acero soldado a partir de láminas de metal corrugado y Claude Dornier se propuso en 1937 resolver el problema. problema de unión entre el núcleo y la piel al enrollar o presionar una piel que está en estado plástico en las paredes de las células del núcleo. [13] Norman de Bruyne de Aero Research Limited logró la primera unión adhesiva estructural exitosa de estructuras tipo sándwich de panal de abeja , quien patentó un adhesivo con la viscosidad adecuada para formar filetes de resina en el núcleo de panal en 1938. [14] The North American XB -70 Valkyrie hizo un uso extensivo de paneles de nido de abeja de acero inoxidable mediante un proceso de soldadura fuerte que desarrollaron.
A continuación se ofrece un resumen de los avances importantes en la historia de la tecnología alveolar: [15]
- 60 a. C. Diodorus Siculus informa sobre un panal dorado fabricado por Dédalo mediante fundición a la cera perdida .
- 36 BC Marcus Varro informa sobre el uso más eficiente del espacio y los materiales de construcción por su forma hexagonal .
- 126 El Panteón fue reconstruido en Roma utilizando una estructura de cofre , panel hundido en forma de estructura cuadrada, para sostener su cúpula.
- 1638 Galileo Galilei analiza los sólidos huecos y su aumento de resistencia sin agregar peso.
- 1665 Robert Hooke descubre que la estructura celular natural del corcho es similar al panal hexagonal de la abeja.
- 1859 Charles Darwin afirma que el panal de la abeja colmena es absolutamente perfecto para economizar trabajo y cera.
- 1877 FH Küstermann inventa un proceso de moldeado alveolar utilizando una mezcla de pasta de papel y pegamento.
- 1890 Julius Steigel inventa el proceso de producción de panal a partir de láminas de metal corrugado.
- 1901 Hans Heilbrun inventa los panales hexagonales de papel y el proceso de producción de expansión.
- 1914 R. Höfler y S. Renyi patentan el primer uso de estructuras alveolares para aplicaciones estructurales.
- 1915 Hugo Junkers patenta los primeros núcleos alveolares para aplicaciones aeronáuticas.
- 1931 George Thomson propone utilizar panales decorativos de papel gastado para paneles de cartón-yeso livianos.
- 1934 Edward G. Budd patenta el panel sándwich tipo panal de acero soldado a partir de láminas de metal corrugado.
- 1937 Claude Dornier patenta un panel sándwich de nido de abeja con pieles prensadas en estado plástico en las paredes de la celda central.
- 1938 Norman de Bruyne patenta la unión adhesiva estructural de estructuras tipo sándwich de panal.
- 1941 John D. Lincoln propone el uso de panales de papel expandidos para radomos de aviones
- 1948 Roger Steele aplica el proceso de producción de expansión utilizando láminas compuestas reforzadas con fibra.
- El Boeing 747 de 1969 incorpora extensos panales resistentes al fuego de Hexcel Composites utilizando papel de fibra de aramida Nomex de DuPont.
- Década de 1980 Se introducen los panales termoplásticos producidos mediante procesos de extrusión.
Fabricar
Las tres técnicas tradicionales de producción de panal, expansión, corrugado y moldeado, fueron desarrolladas en 1901 para aplicaciones no sándwich. Para aplicaciones decorativas, la producción ampliada de panales alcanzó un grado notable de automatización en la primera década del siglo XX.
Hoy en día, los núcleos de nido de abeja se fabrican mediante el proceso de expansión y el proceso de corrugación a partir de materiales compuestos como plástico reforzado con vidrio (también conocido como fibra de vidrio), plástico reforzado con fibra de carbono , plástico reforzado con papel de aramida Nomex o de un metal (generalmente aluminio ). [dieciséis]
En la actualidad, los panales de los metales (como el aluminio) se producen mediante el proceso de expansión. Los procesos continuos de plegado de panales de una sola hoja de aluminio después de cortar las ranuras ya se habían desarrollado alrededor de 1920. [17] La producción continua en línea de panales de metal se puede realizar a partir de rollos de metal mediante corte y doblado. [18]
Los núcleos de nido de abeja termoplásticos (normalmente de polipropileno ) se fabrican normalmente mediante extrusión procesada mediante un bloque de perfiles extruidos [19] o tubos extruidos [20] [21] de los que se cortan las láminas de nido de abeja.
Recientemente se implementó un proceso nuevo y único para producir panales termoplásticos, que permite una producción continua [22] de un núcleo de panal así como la producción en línea de panales con laminación directa de pieles en un panel sándwich rentable. [23]
Aplicaciones
Las estructuras de panal de abejas compuestas se han utilizado en numerosas aplicaciones científicas y de ingeniería.
Área de aplicación | Industria | Empresa / Producto |
---|---|---|
Conchas de carreras | Deporte | Vespoli , barcos de carreras de Janousek |
Fabricación aeroespacial | Aeroespacial | Hexcel , Plascore Incorporated |
Planeadores | Aeroespacial | Schleicher ASW 19 , Proyecto de impulso solar |
Helicópteros | Aeroespacial | Kamov Ka-25 , Bell 533 , Westland Lynx |
Avion a reacción | Aeroespacial | General Dynamics / Grumman F-111B , F-111 Aardvark , todos los aviones comerciales desde el Boeing 747 |
Subestructura de cohetes | Aeroespacial | Unidad de instrumentos Saturn V , Mars Exploration Rover , S-520 |
Tecnología LED | Encendiendo | SmartSlab |
Tecnología de altavoz | Audio | Altavoz # Diseño del controlador: altavoces dinámicos , woofer |
Estructura de espejo telescópico | Aeroespacial | telescopio espacial Hubble |
Estructura del automóvil | Automotor | Panther Solo , Jaguar XJ220 , Dome F105 , Bluebird-Proteus CN7 , BMW i3 / i8 , Koenigsegg Agera |
Tablas de snowboard | Deportes | Tabla de snowboard |
Mueble | Carpintería | Mueble |
Desarrollos más recientes muestran que las estructuras de nido de abeja también son ventajosas en aplicaciones que involucran matrices de nanoagujeros en alúmina anodizada , [24] matrices microporosas en películas delgadas de polímero , [25] panales de carbón activado , [26] y estructuras de nido de abeja con brecha de banda fotónica . [27]
Aerodinámica
Una malla de panal se usa a menudo en aerodinámica para reducir o crear turbulencias de viento . También se utiliza para obtener un perfil estándar en un túnel de viento (temperatura, velocidad de flujo). Un factor importante para elegir la malla correcta es la relación de longitud (longitud frente al diámetro de la celda en forma de panal) L / d .
Relación de longitud <1: Las mallas de panal de relación de longitud baja se pueden utilizar en la parrilla delantera de los vehículos . Además de las razones estéticas, estas mallas se utilizan como pantallas para conseguir un perfil uniforme y reducir la intensidad de las turbulencias. [28]
Relación de longitud >> 1: Las mallas de panal de gran relación de longitud reducen la turbulencia lateral y los remolinos del flujo. Los primeros túneles de viento los usaban sin pantallas; desafortunadamente, este método introdujo una alta intensidad de turbulencia en la sección de prueba. La mayoría de los túneles modernos utilizan tanto panal como pantallas.
Si bien los panales de aluminio son de uso común en la industria, se ofrecen otros materiales para aplicaciones específicas. Las personas que utilizan estructuras metálicas deben tener cuidado de eliminar las rebabas, ya que pueden introducir turbulencias adicionales. Las estructuras de policarbonato son una alternativa de bajo costo.
El centro en forma de panal de esta entrada de aire de circuito abierto para el primer túnel de viento de Langley aseguró un flujo de aire constante y no turbulento. Dos mecánicos posan cerca del extremo de entrada del túnel real, donde se introdujo aire en la sección de prueba a través de un arreglo de panal para suavizar el flujo.
Honeycomb no es la única sección transversal disponible para reducir los remolinos en un flujo de aire. Las secciones transversales cuadradas, rectangulares, circulares y hexagonales son otras opciones disponibles, aunque el panal es generalmente la opción preferida. [29]
Propiedades
En combinación con dos pieles aplicadas sobre el panal, la estructura ofrece un panel sándwich de excelente rigidez con un peso mínimo. El comportamiento de las estructuras alveolares es ortotrópico , lo que significa que los paneles reaccionan de manera diferente según la orientación de la estructura. Por tanto, es necesario distinguir entre las direcciones de simetría , las denominadas direcciones L y W. La dirección L es la dirección más fuerte y rígida. La dirección más débil está a 60 ° de la dirección L (en el caso de un hexágono regular ) y la dirección más compatible es la dirección W. [1] Otra propiedad importante del núcleo tipo sándwich de panal es su resistencia a la compresión. Debido a la configuración hexagonal eficiente, donde las paredes se apoyan entre sí, la resistencia a la compresión de los núcleos alveolares es típicamente más alta (con el mismo peso) en comparación con otras estructuras de núcleo sándwich como, por ejemplo, núcleos de espuma o núcleos corrugados.
Las propiedades mecánicas de los panales dependen de la geometría de su celda, las propiedades del material a partir del cual se construye el panal (a menudo denominado sólido), que incluyen el módulo de Young, la tensión de fluencia y la tensión de fractura del material, y la relativa densidad del panal (la densidad del panal normalizada por la del sólido, ρ * / ρ s ). [30] [31] Se ha descubierto que los módulos elásticos de los panales de baja densidad son independientes del sólido. [32] Las propiedades mecánicas de los panales también variarán según la dirección en la que se aplique la carga.
Carga en el plano: bajo una carga en el plano, a menudo se asume que el grosor de la pared del panal es pequeño en comparación con la longitud de la pared. Para un panal regular, la densidad relativa es proporcional a la relación entre el espesor de la pared y la longitud de la pared (t / L) y el módulo de Young es proporcional a (t / L) 3 . [30] [31] Bajo una carga de compresión suficientemente alta, el panal alcanza una tensión crítica y falla debido a uno de los siguientes mecanismos: pandeo elástico, deformación plástica o aplastamiento quebradizo. [30] El modo de falla depende del material del sólido del que está hecho el panal. El pandeo elástico de las paredes de la celda es el modo de falla de los materiales elastoméricos, [31] los materiales dúctiles fallan debido a la deformación plástica y el aplastamiento frágil es el modo de falla cuando el sólido es frágil. [30] [31] El esfuerzo de pandeo elástico es proporcional a la densidad relativa al cubo, el esfuerzo de colapso plástico es proporcional a la densidad relativa al cuadrado, y el esfuerzo de aplastamiento frágil es proporcional a la densidad relativa al cuadrado. [30] [31] Después de la tensión crítica y la falla del material, se observa una tensión de meseta en el material, en la que se observan aumentos en la tensión mientras que la tensión del panal permanece aproximadamente constante. [31] Una vez que se alcanza una cierta deformación, el material comenzará a someterse a densificación a medida que una mayor compresión empuja las paredes de la celda juntas. [31]
Carga fuera del plano: bajo carga fuera del plano, el módulo de Young fuera del plano de un panal hexagonal regular es proporcional a la densidad relativa del panal. [30] La tensión de pandeo elástica es proporcional a (t / L) 3 mientras que la tensión de pandeo de plástico es proporcional a (t / L) 5/3 . [30]
La forma de la celda de panal a menudo se varía para satisfacer diferentes aplicaciones de ingeniería. Las formas que se usan comúnmente además de la celda hexagonal regular incluyen celdas triangulares, celdas cuadradas y celdas hexagonales de núcleo circular y celdas cuadradas de núcleo circular. [33] Las densidades relativas de estas células dependerán de su nueva geometría.
Ver también
- Agujeros de iluminación
- Espuma de metal
- Sección estructural hueca
- Material compuesto
- Compuesto estructurado sándwich
- Sistema de placa sandwich
- Teoría del haz de Timoshenko
- Teoría de la placa
- Panel emparedado
- Estructura triangular
Referencias
- ↑ a b Wahl, L .; Maas, S .; Waldmann, D .; Zurbes, A .; Freres, P. (28 de mayo de 2012). "Esfuerzos cortantes en placas sandwich alveolares: solución analítica, método de elementos finitos y verificación experimental" . Revista de Estructuras y Materiales Sandwich . 14 (4): 449–468. doi : 10.1177 / 1099636212444655 . S2CID 137530481 .
- ^ Krzyżak, Aneta; Mazur, Michał; Gajewski, Mateusz; Drozd, Kazimierz; Komorek, Andrzej; Przybyłek, Paweł (2016). "Compuestos estructurados sándwich para aeronáutica: métodos de fabricación que afectan algunas propiedades mecánicas" . Revista Internacional de Ingeniería Aeroespacial . 2016 : 1–10. doi : 10.1155 / 2016/7816912 . ISSN 1687-5966 .
- ↑ Diodorus Siculus, Biblioteca de Historia , siglo I a. C.
- ^ MacDonald 1976 , p. 33 "Hay aberturas en ella [la rotonda] aquí y allá, en varios niveles, que dan a algunas de las muchas cámaras diferentes que forman un panal de abejas en la estructura de la rotonda, un panal de abejas que es parte integral de una sofisticada solución de ingeniería ..."
- ↑ Galilei, G., Discorsi e dimostrazioni matematiche, intorno á due nuoue scienze , Leiden, Elzeviers, 1638
- ^ Hooke, R., Micrographia , Londres, J. Martyn y J. Allestry, 1665
- ^ Darwin, C., Sobre el origen de las especies por medio de la selección natural , Londres, John Murray, 1859
- ^ Heilbrun y Pinner, Papiernetz , DE133165, 1901
- ↑ Julius Steigel, Verfahren zur Herstellung von Kunstwaben , DE57655, 1890
- ^ Küstermann, FH, Künstliche Bienenwaben nebst den Instrumenten zur Herstellung derselben , DE7031, 1879
- ↑ Hugo Junkers, Abdeckung für Flugzeugtragflächen und dergleichen , DE310040, 1915
- ^ Höfler, R. y S. Renyi, Plattenförmiger Baukörper , DE355036, 1914
- ^ Dornier, C. Mejoras en o en relación con un método para la fabricación de miembros estructurales ligeros, más particularmente para la construcción de aeronaves , GB515267, Dornier Metallbauten GmbH, 1937
- ^ "Sociedad de Adhesivos y Adhesivos" . Uksaa-www.me.ic.ac.uk. 1904-11-08. Archivado desde el original el 19 de octubre de 2013 . Consultado el 13 de febrero de 2014 .
- ^ "EconHP Holding - Historial /index.php" . Econhp.de. Archivado desde el original el 18 de julio de 2011 . Consultado el 13 de febrero de 2014 .
- ^ "Propiedades y atributos de panal de abeja de Hexweb ™" (PDF) . Compuestos Hexcel. Archivado desde el original (PDF) el 1 de junio de 2010 . Consultado el 21 de septiembre de 2006 .
- ↑ [1] , Dean, HB (1919). Panal de abeja artificial. US1389294. Estados Unidos, John D. Howe.
- ^ "Lesjöfors desarrolla una herramienta para la invención de Ericsson" . Lesjoforsab.com . Consultado el 13 de febrero de 2014 .
- ^ Nidaplast Corporation (8 de noviembre de 2013). "Nidaplast Environment and Composites, creación de productos de polipropileno alveolar" . Nidaplast.com. Archivado desde el original el 5 de junio de 2014 . Consultado el 13 de febrero de 2014 .
- ^ "Tubus-Waben" . Tubus Waben . Consultado el 13 de febrero de 2014 .
- ^ "Núcleos de nido de abeja - Productos de paneles de nido de abeja" . Plascore . Consultado el 13 de febrero de 2014 .
- ^ "ThermHex Waben GmbH" .
- ^ "EconCore NV" . EconCore.com . Consultado el 3 de octubre de 2014 .
- ^ Masuda, H. y Fukuda, K., (1995), Matrices de nanoagujeros de metal ordenadas realizadas mediante una replicación en dos pasos de estructuras de panal de alúmina anódica, Science, 268 (5216), p. 1466.
- ^ Yabu, H. y Takebayashi, M. y Tanaka, M. y Shimomura, M., 2005, Propiedades superhidrofóbicas y lipofóbicas de estructuras autoorganizadas en forma de panal y acerico, Langmuir, 21 (8), págs. 3235-3237.
- ^ Gadkaree, KP, (1998), Estructuras de panal de carbono para aplicaciones de adsorción, Carbon, 36 (7-8), págs. 981-989.
- ^ Broeng, J. y Barkou, SE y Bjarklev, A. y Knight, JC y Birks, TA y Russell, PSJ, (1998), Huecos de banda fotónica muy aumentados en estructuras de sílice / aire, Optics Communications, 156 (4-6 ), págs. 240–244.
- ^ Bradshaw, Peter; Mehta, Rabi. "Panal" . Diseño de Túnel de Viento . Archivado desde el original el 2 de septiembre de 2011.
- ^ "Componentes de un túnel de viento" . Bright Hub . Archivado desde el original el 20 de noviembre de 2010.
- ^ a b c d e f g Gibson, Lorna J .; Ashby, MF; Harley, Brendan A. (2010). Materiales celulares en la naturaleza y la medicina . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 9780521195447. OCLC 607986408 .
- ^ a b c d e f g Courtney, Thomas H. (2000). Comportamiento mecánico de materiales (2ª ed.). Boston: McGraw Hill. ISBN 978-0070285941. OCLC 41932585 .
- ^ Torquato, S .; Gibiansky, LV; Silva, MJ; Gibson, LJ (enero de 1998). "Efectivas propiedades mecánicas y de transporte de sólidos celulares". Revista Internacional de Ciencias Mecánicas . 40 (1): 71–82. doi : 10.1016 / s0020-7403 (97) 00031-3 . ISSN 0020-7403 .
- ^ Zhang, Qiancheng; Yang, Xiaohu; Li, Peng; Huang, Guoyou; Feng, Shangsheng; Shen, Cheng; Han, Bin; Zhang, Xiaohui; Jin, Feng (octubre de 2015). "Ingeniería bioinspirada de estructura de panal - Uso de la naturaleza para inspirar la innovación humana". Progreso en ciencia de materiales . 74 : 332–400. doi : 10.1016 / j.pmatsci.2015.05.001 . ISSN 0079-6425 .