Estructura de panal

Las estructuras de panal son estructuras naturales o artificiales que poseen la geometría de un panal para minimizar la cantidad de material utilizado y lograr un peso y un costo mínimos . La geometría de las estructuras de panal puede variar ampliamente, pero la característica común de todas ellas es una matriz de celdas huecas formadas entre paredes verticales delgadas. Las celdas suelen ser columnares y hexagonales . Una estructura en forma de panal proporciona un material con una densidad mínima y propiedades de compresión y cizallamiento fuera del plano relativamente altas . ^{[ 1 ]}

Los materiales estructurales de nido de abeja artificiales se fabrican comúnmente intercalando una capa de material de nido de abeja entre dos capas delgadas que proporcionan resistencia a la tracción . Esto forma una estructura similar a una placa. Los materiales de nido de abeja se utilizan ampliamente donde se requieren superficies planas o ligeramente curvas y su alta resistencia específica es valiosa. Por esta razón, se utilizan mucho en la industria aeroespacial , y los materiales de nido de abeja en aluminio, fibra de vidrio y materiales compuestos avanzados se han incorporado a aeronaves 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 con forma de panal incluyen colmenas , formaciones de panal erosionadas en rocas , callos y huesos .

Las estructuras de panal artificiales incluyen compuestos tipo sándwich con núcleos de panal . Estas estructuras se fabrican utilizando diversos materiales, según la aplicación prevista y las características requeridas, desde papel o termoplásticos , utilizados para aplicaciones de baja resistencia y rigidez con cargas ligeras , hasta aluminio o plásticos reforzados con fibra, que ofrecen alta resistencia y rigidez para aplicaciones de alto rendimiento. La resistencia de los paneles laminados o tipo sándwich depende del tamaño del panel, del material de revestimiento y del número o densidad de las celdas de panal en su interior. Los compuestos de panal se utilizan ampliamente en numerosas industrias, desde la aeroespacial, la automotriz y la del mueble hasta la del embalaje y la logística. El material recibe su nombre por su parecido visual con un panal de abejas : una estructura de láminas hexagonales.

El panal hexagonal de la abeja ha sido admirado y objeto de asombro desde la antigüedad. Según la mitología griega, el primer panal artificial fue fabricado por Dédalo con oro mediante la técnica de la cera perdida hace más de 3000 años. ^{[ 2 ]} Marco Varrón 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 en Roma son un ejemplo temprano de estructura de panal. ^{[ 3 ]}

Galileo Galilei analiza 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 observa en los huesos de las aves y en muchos tallos que son ligeros y muy resistentes a la flexión y 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 la abeja, por lo que podemos ver, es absolutamente perfecto para economizar mano de obra 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[cn]. Los panales de papel y el proceso de producción por expansión fueron inventados en Halle/Saale en Alemania por Hans Heilbrun en 1901 ^{[ 7 ]} para aplicaciones decorativas. Las primeras estructuras de panal de láminas de metal corrugado se propusieron para la apicultura en 1890. ^{[ 8 ]} Con el mismo propósito, como láminas base para cosechar más miel, se patentó un proceso de moldeo de panal utilizando una mezcla de pegamento de pasta de papel en 1878. ^{[ 9 ]} Las tres técnicas básicas para la producción de panales que todavía se utilizan hoy en día —expansión, corrugación y moldeo— ya se habían desarrollado en 1901 para aplicaciones que no fueran sándwiches.

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 panal para aplicaciones aeronáuticas en 1915. ^{[ 10 ]} Describió en detalle su concepto para reemplazar las estructuras de aeronaves recubiertas de tela por láminas de metal y argumentó que una lámina de metal también puede soportar cargas de compresión si se apoya a intervalos muy pequeños mediante la disposición lado a lado de una serie de celdas cuadradas o rectangulares o cuerpos huecos triangulares o hexagonales. El problema de unir una piel continua a núcleos celulares llevó a Junkers posteriormente a la estructura corrugada abierta, que podía remacharse o soldarse.

El primer uso de estructuras de panal 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 de panal de acero soldado a partir de láminas de metal corrugado y Claude Dornier se propuso en 1937 resolver el problema de la unión núcleo-piel enrollando o presionando una piel en estado plástico en las paredes de las celdas 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 desarrollos importantes en la historia de la tecnología de panal de abeja: ^{[ 14 ]}

• En el año 60 a. C., Diodoro Sículo relata la existencia de un panal de oro fabricado por Dédalo mediante la técnica de fundición a la cera perdida .
• En el año 36 a. C., Marcus Varro afirma que la forma hexagonal es la que permite un uso más eficiente del espacio y de los materiales de construcción .
• 126 El Panteón fue reconstruido en Roma utilizando una estructura de casetones , un panel hundido en forma de estructura cuadrada, para sostener su cúpula.
• En 1638, Galileo Galilei analiza los sólidos huecos y cómo aumentan su resistencia sin añadir peso.
• En 1665, Robert Hooke descubre que la estructura celular natural del corcho es similar al panal hexagonal de las abejas.
• En 1859, Charles Darwin afirmó que el panal de la abeja obrera era absolutamente perfecto para economizar mano de obra y cera.
• En 1877, FH Küstermann inventa un proceso de moldeo en forma de panal utilizando una mezcla de pegamento a base de pasta de papel.
• En 1890, Julius Steigel inventa el proceso de producción de estructuras alveolares a partir de láminas de metal corrugado.
• En 1901, Hans Heilbrun inventa los panales de papel hexagonales y el proceso de producción por expansión.
• En 1914, R. Höfler y S. Renyi patentaron el primer uso de estructuras de panal para aplicaciones estructurales.
• En 1915, Hugo Junkers patenta los primeros núcleos de panal de abeja para aplicaciones aeronáuticas.
• En 1931, George Thomson propuso utilizar panales de papel reciclado decorativos para paneles de yeso ligeros.
• En 1934, Edward G. Budd patentó un panel sándwich de acero alveolar soldado fabricado con láminas de metal corrugado.
• En 1937, Claude Dornier patenta un panel sándwich de estructura alveolar con revestimientos prensados ​​en estado plástico sobre las paredes celulares del núcleo.
• En 1938, Norman de Bruyne patenta la unión adhesiva estructural de estructuras sándwich de panal de abeja.
• En 1941, John D. Lincoln propuso el uso de paneles de papel expandido tipo panal para los radomos de las aeronaves.
• En 1948, Roger Steele aplicó el proceso de producción por expansión utilizando láminas compuestas reforzadas con fibra.
• El Boeing 747 de 1969 incorpora una extensa estructura de panal ignífuga de Hexcel Composites, fabricada con papel de fibra de aramida Nomex de DuPont.
• En la década de 1980 se introdujeron los panales de abeja termoplásticos producidos mediante procesos de extrusión.

Las tres técnicas tradicionales de producción de panal de abeja —expansión, corrugación y moldeo— se desarrollaron hacia 1901 para aplicaciones distintas a las de sándwich. Para aplicaciones decorativas, la producción de panal de abeja expandido alcanzó un notable grado de automatización en la primera década del siglo XX.

Actualmente, 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 fibra de vidrio (también conocido como fibra de vidrio), plástico reforzado con fibra de carbono , plástico reforzado con papel de aramida Nomex o a partir de un metal (generalmente aluminio ). ^{[ 15 ]}

Actualmente, los panales de abeja de metales (como el aluminio) se producen mediante el proceso de expansión. Los procesos continuos de plegado de panales de abeja a partir de una sola lámina de aluminio, tras realizar cortes, se desarrollaron ya 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 doblado. ^{[ 17 ]}

Los núcleos de panal termoplásticos (generalmente de polipropileno ) se fabrican habitualmente mediante extrusión procesada 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 la producción en línea de panales con laminación directa de las capas exteriores en un panel sándwich rentable. ^{[ 22 ]}

Las estructuras compuestas de panal de abeja se han utilizado en numerosas aplicaciones de ingeniería y científicas.

Desarrollos más recientes muestran que las estructuras de panal también son ventajosas en aplicaciones que involucran matrices de nanohuecos en alúmina anodizada , ^{[ 23 ]} matrices microporosas en películas delgadas de polímero , ^{[ 24 ]} panales de carbón activado , ^{[ 25 ]} y estructuras de panal de banda prohibida fotónica . ^{[ 26 ]}

En aerodinámica, se suele utilizar una malla de panal para reducir o generar turbulencias de viento . También se emplea para obtener un perfil estándar en un túnel de viento (temperatura, velocidad del flujo). Un factor clave para elegir la malla adecuada es la relación de longitud (longitud frente al diámetro de la celda del panal) L/d .

Relación de longitud < 1: Las mallas de panal con una baja relación de longitud se pueden usar en la parrilla delantera de los vehículos . Además de las razones estéticas, estas mallas se usan como pantallas para obtener un perfil uniforme y reducir la intensidad de la turbulencia. ^{[ 27 ]}

Relación de longitud >> 1: Las mallas de panal con una gran relación de longitud reducen la turbulencia lateral y los remolinos del flujo. Los primeros túneles de viento las utilizaban sin rejillas; lamentablemente, este método generaba una alta intensidad de turbulencia en la sección de prueba. La mayoría de los túneles modernos utilizan tanto mallas de panal como rejillas.

Si bien los panales de aluminio son de uso común en la industria, se ofrecen otros materiales para aplicaciones específicas. Quienes utilicen estructuras metálicas deben tener cuidado de eliminar las rebabas , ya que pueden generar turbulencias adicionales. Las estructuras de policarbonato son una alternativa económica.

El centro alveolar y protegido de la entrada de aire de circuito abierto del primer túnel de viento de Langley garantizaba un flujo de aire constante y sin turbulencias. Dos mecánicos posan cerca de la entrada del túnel, donde el aire era aspirado hacia la sección de prueba mediante una estructura alveolar para suavizar el flujo.

La sección transversal de panal no es la única disponible para reducir los remolinos en un flujo de aire. Existen otras opciones como secciones transversales cuadradas, rectangulares, circulares y hexagonales, aunque la de panal suele ser la preferida. ^{[ 28 ]}

En combinación con dos capas aplicadas sobre el panal, la estructura ofrece un panel sándwich con excelente rigidez y mínimo peso. 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 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, los núcleos de espuma o los núcleos corrugados.

Las propiedades mecánicas de los panales dependen de la geometría de sus celdas, las propiedades del material del que está hecho 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 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, p. ej .,${\displaystyle \kappa ^{*}/E_{\text{s}}}$y${\displaystyle E^{*}/E_{\text{s}}}$, de panales de baja densidad son independientes del sólido. ^{[ 31 ]} Las propiedades mecánicas de los panales también variarán en función de 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 espesor de pared/longitud de 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 las celdas es el modo de falla para 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 al cubo de la densidad relativa, la tensión de colapso plástico es proporcional al cuadrado de la densidad relativa y la tensión de aplastamiento frágil es proporcional al cuadrado de la densidad relativa. ^{[ 29 ] [ 30 ]} Tras 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 cierta deformación, el material comenzará a experimentar densificación a medida que una mayor compresión empuja las paredes de las celdas entre sí. ^{[ 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 del panal suele variar para adaptarse a diferentes aplicaciones de ingeniería. Además de la celda hexagonal regular, las formas comúnmente utilizadas incluyen celdas triangulares, cuadradas, hexagonales con núcleo circular y cuadradas con núcleo circular. ^{[ 32 ]} Las densidades relativas de estas celdas dependerán de su nueva geometría. Estas formas también pueden inspirarse en teselaciones matemáticas; las teselaciones periódicas pueden proporcionar una amplia gama de propiedades mecánicas. De particular interés es el control del coeficiente de Poisson y el módulo elástico . ^{[ 33 ]} Las teselaciones periódicas distintas de los hexágonos y triángulos rara vez dan la misma respuesta mecánica en todas las direcciones, un fenómeno conocido como anisotropía . ^{[ 34 ]} Se ha descubierto que los panales basados ​​en teselaciones aperiódicas , como la teselación de Penrose , ofrecen una amplia gama de rendimiento mecánico, todo isotrópico en el plano. ^{[ 35 ]}

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