Las estructuras alveolares son estructuras naturales o artificiales que tienen la geometría de un panal para permitir minimizar la cantidad de material utilizado para alcanzar un peso mínimo y un coste 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 delgadas paredes verticales. Las células suelen tener forma columnar y hexagonal . Una estructura en forma de panal proporciona un material con una densidad mínima y propiedades de compresión fuera del plano y propiedades de corte fuera del plano relativamente altas . [1]
Los materiales estructurales de panal artificiales se fabrican comúnmente colocando un material de panal entre dos capas delgadas que brindan resistencia a la tensión . Esto forma un conjunto en forma de placa. Los materiales alveolares se utilizan ampliamente cuando se necesitan superficies planas o ligeramente curvadas y su alta resistencia específica es valiosa. Por este motivo, se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial , y los materiales alveolares 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 alveolar a base de papel hasta artículos deportivos como esquís y tablas de snowboard.
Las estructuras naturales de panal incluyen colmenas , panales erosionados en rocas , tripas y huesos .
Las estructuras alveolares artificiales incluyen compuestos estructurados en sándwich con núcleos alveolares. [ cita necesaria ] Las estructuras alveolares artificiales se fabrican utilizando una variedad de materiales diferentes, según la aplicación prevista y las características requeridas, desde papel o termoplásticos , que se utilizan para aplicaciones de baja resistencia y rigidez para aplicaciones de carga baja , hasta alta resistencia y rigidez para 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 alveolares se utilizan ampliamente en muchas industrias, desde la industria aeroespacial, la automoción y la del mueble hasta el embalaje y la logística. El material debe su nombre a su parecido visual con el panal de abeja : una estructura laminar hexagonal.
El panal hexagonal de la abeja melífera ha sido objeto de admiración y de curiosidad desde la antigüedad. Según la mitología griega, el primer panal hecho por el hombre fue fabricado por Dédalo hace más de 3.000 años con oro mediante fundición a la cera perdida . [2] 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 de Roma son un ejemplo temprano de estructura de panal. [3]
Galileo Galilei analiza en 1638 la resistencia de los sólidos 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 las aves y en muchos tallos que se ligero y muy resistente a la flexión y 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 la colmena- La abeja, por lo que podemos ver, es absolutamente perfecta a la hora de ahorrar mano de obra y cera”. [6]
Las primeras estructuras de panal de papel probablemente fueron hechas por los chinos hace 2.000 años para fines ornamentales, 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 alveolares hechas de láminas de metal corrugado se propusieron para la apicultura en 1890. [8] Con el mismo propósito, como láminas de base para cosechar más miel, en 1878 se patentó un proceso de moldeo en forma de panal utilizando una mezcla de pegamento de pasta de papel. [9 ] Las tres técnicas básicas para la producción de panal que todavía se utilizan hoy en día (expansión, corrugación y moldeado) ya se desarrollaron en 1901 para aplicaciones no sándwich.
Hugo Junkers fue el primero en explorar la idea de un núcleo alveolar 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 los aviones 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 disponiendo 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 ondulada abierta, que podía remacharse o soldarse entre sí.
El primer uso de estructuras alveolares para aplicaciones estructurales se propuso de forma independiente para aplicaciones de construcción y se publicó ya en 1914. [11] En 1934, Edward G. Budd patentó un panel sándwich alveolar 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 hacer rodar o presionar una piel que está en estado plástico contra las paredes celulares 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 del panal en 1938. [13] El XB norteamericano -70 Valkyrie hizo un uso extensivo de paneles alveolares 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 del panal: [14]
Las tres técnicas tradicionales de producción de panal (expansión, corrugación y moldeado) se desarrollaron en 1901 para aplicaciones no tipo sándwich. Para aplicaciones decorativas, la producción ampliada de panales alcanzó un notable grado de automatización en la primera década del siglo XX.
Hoy en día, 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]
Hoy en día se producen panales de metales (como el aluminio) mediante el proceso de expansión. Alrededor de 1920 se desarrollaron procesos continuos de plegado de panales a partir de una sola hoja de aluminio después de cortar ranuras. [16] La producción continua en línea de panales de metal se puede realizar a partir de rollos de metal cortando y doblando. [17]
Los núcleos alveolares termoplásticos (normalmente de polipropileno ) se fabrican normalmente mediante extrusión procesada mediante un bloque de perfiles extruidos [18] o tubos extruidos [19] [20] de los que se cortan las láminas alveolares.
Recientemente se ha implementado un proceso nuevo y único para producir panales termoplásticos, que permite una producción continua [21] de un núcleo de panal, así como la producción en línea de panales con laminación directa de las pieles en un panel sándwich rentable. [22]
Las estructuras alveolares compuestas se han utilizado en numerosas aplicaciones científicas y de ingeniería.
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 polímeros , [24] panales de carbón activado , [25] y estructuras de panal de banda prohibida fotónica . [26]
Una malla alveolar se utiliza a menudo en aerodinámica para reducir o crear turbulencias del viento . También se utiliza para obtener un perfil estándar en un túnel de viento (temperatura, velocidad del flujo). Un factor importante a la hora de elegir la malla adecuada es la relación de longitud (longitud frente a diámetro de la celda del panal) L/d .
Relación de longitud < 1: Se pueden utilizar mallas de panal de baja relación de longitud 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. [27]
Relación de longitud >> 1: Las mallas alveolares de gran relación de longitud reducen las turbulencias laterales y los remolinos del flujo. Los primeros túneles de viento los utilizaban 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 y protegido 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 una disposición en forma de panal para suavizar el flujo.
El panal no es la única sección transversal disponible para reducir los remolinos en el flujo de aire. Otras opciones disponibles son secciones transversales cuadradas, rectangulares, circulares y hexagonales, aunque el panal suele ser la opción preferida. [28]
En combinación con dos pieles aplicadas sobre el panal, la estructura ofrece un panel sándwich con una excelente rigidez con un peso mínimo. El comportamiento de las estructuras alveolares es ortotrópico , es decir, los paneles reaccionan de forma diferente según la orientación de la estructura. Por tanto, es necesario distinguir entre los sentidos de simetría , los llamados sentidos 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 flexible es la dirección W. [1] Otra propiedad importante del núcleo sándwich alveolar 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 alveolares suele ser mayor (con el mismo peso) en comparación con otras estructuras de núcleo tipo sándwich, como, por ejemplo, núcleos de espuma o núcleos corrugados.
Las propiedades mecánicas de los panales dependen de la geometría de sus celdas, las propiedades del material con el que se construye el panal (a menudo denominado sólido), que incluyen el módulo de Young, el límite elástico 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 ). [29] [30] La relación entre los módulos elásticos efectivos y los módulos de Young del sólido, por ejemplo , y , de panales de baja densidad, son independientes del sólido. [31] Las propiedades mecánicas de los panales también variarán según la dirección en la que se aplica 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 normal, 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 celulares es el modo de falla de 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 tensión, el material comenzará a densificarse a medida que una mayor compresión empuja las paredes celulares hacia una misma. [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] El esfuerzo de pandeo elástico es proporcional a (t/L) 3 mientras que el esfuerzo de pandeo plástico es proporcional a (t/L) 5/3 . [29]
La forma de la celda alveolar a menudo varía para satisfacer diferentes aplicaciones de ingeniería. Las formas que se usan comúnmente 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 células 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 solución de ingeniería sofisticada...
