Las estructuras en forma de panal son estructuras naturales o artificiales que tienen la geometría de un panal para permitir la minimización de la cantidad de material utilizado para alcanzar un peso mínimo y un costo de material mínimo . La geometría de las estructuras en forma de panal puede variar ampliamente, pero la característica común de todas estas estructuras es una matriz de celdas huecas formadas entre paredes verticales delgadas. Las celdas suelen tener forma de columna 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 en forma de panal fabricados por el hombre se fabrican comúnmente colocando un material en forma de panal entre dos capas delgadas que proporcionan resistencia a la tensión . Esto forma un conjunto en forma de placa. Los materiales en forma de panal se utilizan ampliamente donde se necesitan superficies planas o ligeramente curvas y su alta resistencia específica es valiosa. Se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial por esta razón, y los materiales en forma de panal de aluminio, fibra de vidrio y materiales compuestos avanzados se han utilizado 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 en forma de panal a base de papel, hasta artículos deportivos como esquís y tablas de snowboard.
Las estructuras naturales en forma de panal incluyen colmenas , panales erosionados en rocas , callos y huesos .
Las estructuras de panal artificiales incluyen compuestos con estructura tipo sándwich con núcleos de panal. [ cita requerida ] Las estructuras de panal 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 aplicaciones de alto rendimiento, desde aluminio o plásticos reforzados con fibra. La resistencia de los paneles laminados o tipo sándwich depende del tamaño del panel, el material de revestimiento utilizado y la cantidad o densidad de las celdas de panal dentro de él. Los compuestos de panal se utilizan ampliamente en muchas industrias, desde las industrias aeroespaciales, automotriz y de muebles hasta el embalaje y la logística. El material toma su nombre de su parecido visual con el panal de una abeja : una estructura de lámina hexagonal.
El panal hexagonal de la abeja ha sido objeto de admiración y admiración desde la antigüedad. Según la mitología griega, el primer panal fabricado por el hombre fue fabricado por Dédalo con oro mediante fundición a la cera perdida hace más de 3000 años. [2] Marco Varro informa que los geómetras griegos Euclides y Zenodoro descubrieron que la forma hexagonal permite un uso más eficiente del espacio y de los materiales de construcción. Las nervaduras interiores y las cámaras ocultas de la cúpula del Panteón de Roma son un ejemplo temprano de una estructura de panal. [3]
Galileo Galilei analiza en 1638 la resistencia de los cuerpos huecos: «El arte, y más aún la naturaleza, se sirve de ellos en miles de operaciones en las que se aumenta la robustez sin añadir peso, como se ve en los huesos de los pájaros y en muchos tallos ligeros y muy resistentes a la flexión y a la rotura». [4] Robert Hooke descubre en 1665 que la estructura celular natural del corcho es similar al panal hexagonal de las abejas. [5] y Charles Darwin afirma en 1859 que «el panal de las abejas de la colmena, hasta donde podemos ver, es absolutamente perfecto en cuanto a economizar trabajo y cera». [6]
Las primeras estructuras de panal 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, Alemania, por Hans Heilbrun en 1901 [7] para aplicaciones decorativas. Las primeras estructuras de panal a partir de láminas de metal corrugado se habían propuesto para la apicultura en 1890. [8] Con el mismo propósito, como láminas de base para cosechar más miel, se había patentado en 1878 un proceso de moldeo de panal utilizando una mezcla de pegamento y pasta de papel. [9] Las tres técnicas básicas para la producción de panales que todavía se utilizan hoy en día (expansión, corrugación y moldeo) ya se desarrollaron en 1901 para aplicaciones no sándwich.
Hugo Junkers fue el primero en explorar la idea de un núcleo de panal dentro de una estructura laminada. Propuso y patentó los primeros núcleos de panal para aplicaciones aeronáuticas en 1915. [10] 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 puede cargarse en compresión si se sostiene a 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 se podía remachar o soldar entre sí.
El primer uso de estructuras de panal para aplicaciones estructurales se había propuesto de forma independiente para aplicaciones de construcción y publicado ya en 1914. [11] En 1934, Edward G. Budd patentó un panel sándwich de panal de acero soldado a partir de láminas de metal corrugado y Claude Dornier se propuso en 1937 resolver el problema de unión del núcleo con la piel enrollando o presionando una piel que está en estado plástico en las paredes de la celda del núcleo. [12] La primera unión adhesiva estructural exitosa de estructuras sándwich de panal fue lograda por Norman de Bruyne de Aero Research Limited , quien patentó un adhesivo con la viscosidad adecuada para formar filetes de resina en el núcleo de panal en 1938. [13] El North American XB-70 Valkyrie hizo un uso extensivo de paneles de panal de acero inoxidable utilizando un proceso de soldadura fuerte que desarrollaron.
A continuación se ofrece un resumen de los avances importantes en la historia de la tecnología de panal: [14]
Las tres técnicas tradicionales de producción de panales, expansión, corrugación y moldeado, se desarrollaron en 1901 para aplicaciones que no fueran sándwich. Para aplicaciones decorativas, la producción de panales expandidos alcanzó un notable grado de automatización en la primera década del siglo XX.
En la actualidad, los núcleos de panal 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 ). [15]
En la actualidad, los panales de abeja fabricados a partir de metales (como el aluminio) se fabrican mediante el proceso de expansión. Los procesos continuos de plegado de panales de abeja a partir de una única lámina de aluminio después de cortar ranuras ya se habían desarrollado alrededor de 1920. [16] La producción continua en línea de panales de abeja metálicos se puede realizar a partir de rollos de metal mediante corte y plegado. [17]
Los núcleos de panal termoplásticos (generalmente de polipropileno ) se fabrican habitualmente mediante un proceso de extrusión a través de un bloque de perfiles extruidos [18] o tubos extruidos [19] [20] de los que se cortan las láminas de panal.
Recientemente se ha implementado un nuevo y único proceso para producir panales termoplásticos, que permite una producción continua [21] de un núcleo de panal, así como una producción en línea de panales con laminación directa de capas para formar un panel sándwich rentable. [22]
Las estructuras de panal compuestas se han utilizado en numerosas aplicaciones científicas y de ingeniería.
Los desarrollos más recientes muestran que las estructuras de panal también son ventajosas en aplicaciones que involucran matrices de nanoagujeros en alúmina anodizada, [23] matrices microporosas en películas delgadas de polímero , [24] panales de carbón activado , [25] y estructuras de panal con brecha de banda fotónica . [26]
En aerodinámica, se suele utilizar una malla de nido de abeja para reducir o crear turbulencias eólicas . También se utiliza para obtener un perfil estándar en un túnel de viento (temperatura, velocidad de flujo). Un factor importante a la hora de elegir la malla adecuada es la relación de longitud (longitud vs diámetro de la celda del nido de abeja) L/d .
Relación de longitud < 1: Las mallas de nido de abeja con una relación de longitud baja se pueden utilizar en la parrilla delantera de los vehículos . Además de por razones estéticas, estas mallas se utilizan como pantallas para obtener un perfil uniforme y reducir la intensidad de la turbulencia. [27]
Relación de longitud >> 1: Las mallas de nido de abeja con una relación de longitud grande reducen la turbulencia lateral y los remolinos del flujo. Los primeros túneles de viento las utilizaban sin pantallas; desafortunadamente, este método introducía una alta intensidad de turbulencia en la sección de prueba. La mayoría de los túneles modernos utilizan tanto nido de abeja 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 de metal deben tener cuidado de eliminar las rebabas , ya que pueden generar turbulencias adicionales. Las estructuras de policarbonato son una alternativa de bajo costo.
El centro en forma de panal de abeja de esta entrada de aire de circuito abierto para el primer túnel de viento de Langley garantizaba un flujo de aire constante y sin turbulencias. Dos mecánicos posan cerca del extremo de entrada del túnel real, donde se succionó aire hacia la sección de prueba a través de un sistema en forma de panal de abeja para suavizar el flujo.
El panal 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. [28]
En combinación con dos capas aplicadas sobre el panal, la estructura ofrece un panel sándwich con una excelente rigidez con un peso mínimo. El comportamiento de las estructuras de panal es ortotrópico , lo que significa que los paneles reaccionan de manera diferente según la orientación de la estructura. Por lo tanto, es necesario distinguir entre las direcciones de simetría , las llamadas direcciones L y W. La dirección L es la más fuerte y la más rígida. La dirección más débil está a 60° de la dirección L (en el caso de un hexágono regular ) y la dirección más flexible es la dirección W. [1] Otra propiedad importante del núcleo sándwich de panal es su resistencia a la compresión. Debido a la eficiente configuración hexagonal, donde las paredes se apoyan entre sí, la resistencia a la compresión de los núcleos de panal es típicamente mayor (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 su geometría de celda, las propiedades del material del que está construido el panal (a menudo denominado sólido), que incluyen el módulo de Young, el límite elástico y el límite de fractura del material, y la densidad relativa del panal (la densidad del panal normalizada por la del sólido, ρ * /ρ s ). [29] [30] La relación entre los módulos elásticos efectivos y los módulos de Young del sólido, por ejemplo , y de los panales de baja densidad son independientes del sólido. [31] Las propiedades mecánicas de los panales también variarán según la dirección en la que se aplique la carga.
Carga en el plano: Bajo carga en el plano, a menudo se supone que el espesor 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 . [29] [30] Bajo una carga de compresión suficientemente alta, el panal alcanza una tensión crítica y falla debido a uno de los siguientes mecanismos: pandeo elástico, fluencia plástica o aplastamiento frágil. [29] 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 para los materiales elastoméricos, [30] los materiales dúctiles fallan debido a la fluencia plástica y el aplastamiento frágil es el modo de falla cuando el sólido es frágil. [29] [30] La tensión de pandeo elástico es proporcional a la densidad relativa al cubo, la tensión de colapso plástico es proporcional a la densidad relativa al cuadrado y la tensión de aplastamiento frágil es proporcional a la densidad relativa al cuadrado. [29] [30] 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 deformación mientras que la tensión del panal permanece aproximadamente constante. [30] Una vez que se alcanza una cierta deformación, el material comenzará a sufrir densificación a medida que una mayor compresión empuja las paredes celulares juntas. [30]
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. [29] La tensión de pandeo elástico es proporcional a (t/L) 3 mientras que la tensión de pandeo plástico es proporcional a (t/L) 5/3 . [29]
La forma de la celda en forma de panal suele variar para satisfacer distintas aplicaciones de ingeniería. Las formas que se utilizan habitualmente, además de la celda hexagonal regular, incluyen celdas triangulares, celdas cuadradas, celdas hexagonales con núcleo circular y celdas cuadradas con núcleo circular. [32] Las densidades relativas de estas celdas dependerán de su nueva geometría.
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 en la estructura de la rotonda, un panal que es parte integral de una sofisticada solución de ingeniería...
