Estructura de panal

Un panel de nido de abeja de plástico reforzado con fibra de vidrio.

Su elaboración se determina por la imitación de la estructura típica de un panal de abejas con el objetivo de obtener una cantidad mínima de material que tenga tanto el costo como el peso mínimo del propio material. Aunque es imposible el imitar el amplio catálogo de formas que suelen tener los panales de abejas convencionales todas las estructuras de panal están compuestas de las celdas huecas y hexagonales. Como resultado la densidad del material disminuye en contraparte aumenta la resistencia a la compresión y al corte.[2]

En la industria aquellos materiales que se fabrican con la estructura de panal tienen que sobreponerse sobre placas para unirse entre sí, de este modo se obtiene el efecto panal adquiriendo una alta resistencia a pesar de su peso, es por ello que suelen ser materiales como la fibra de vidrio, el aluminio ya que son materiales ligeros, los que toman esta forma. En forma general sus usos en la ingeniería se encuentran principalmente en la industria aeroespacial, utilizados en la fabricación de naves espaciales, cohetes, aviones en menor medida se puede utilizar para artículos específicos en otros campos como por ejemplo esquís, materiales de embalaje, muebles o en la industria automotriz para las estructuras de los automóviles. Por su parte la estructura se encuentra presente en la naturaleza no solo en los panales si no en caparazones de tortugas, la parte interna de las estructuras óseas, en algunas rocas debido al efecto del desgaste. Son también conocidos como panales hexagonales. Para formar el esqueleto de la estructura de panal se requieren sobreponer cavidades hexagonales unidas, la razón de la forma hexagonal se deriva en el diseño: existen 3 prismas regulares los cuales son capaces de superponerse entre sí, sin que queden espacios, de los 3 anteriores que son: prisma triangular, prisma cuadrangular y prisma hexagonal. El que mayor volumen ocupa es este último. para cerrar las celdas que se crean en la estructura se cubre de igual manera con la forma óptima: 3 rombos iguales. Para su fabricación sintética existen métodos de manufactura: como el método de expansión que se logra por medio de extrusión generando un núcleo en la estructura hexagonal.

A lo largo de la historia los hombres han estudiado el complejo desarrollo de las abejas para construir sus panales, en la antigua Roma se utilizó en la construcción de cámaras ocultas dentro del Panteón.[3]

En el continente asiático hace 2000, principalmente en China se utilizaban panales artificiales de papel con el fin de ser decorativos, más recientemente en el año 1901 los paneles artificiales de papel fueron producidos en Alemania de igual forma para fines decorativos. En este año fue cuando se consolidaron las 3 formas en las que se producen las estructuras artificiales, estas son: por moldeo, expansión y corrugación.

Los primeros usos en ingeniería parten del año 1915 por parte de Hugo Junkers, quien patentó por primera vez núcleos en forma de panal dentro de la industria aeroespacial. Para su proceso buscaba introducir las estructuras de panal en lugar de las estructuras simples de lámina que se usaban como cubierta, su desarrollo lo llevó a describir cómo es posible cargar con compresión las láminas si estas se encuentran en posiciones apoyadas en pequeños intervalos por medio de huecos similares a los de panales.

En 1934 Edward G. Budd formuló que era posible crear una combinación de una estructura en forma de panal utilizando acero con láminas de metal corrugado, para 1937 se buscó obtener la solución por Claude Dornier un fabricante alemán de aviones. En el año de 1938 Aero Research Limited una empresa británica especializada en el desarrollo de adhesivos, la cual logró un adhesivo que permite la adecuada formación de filetes en los intervalos del panal. Gracias a este adhesivo se popularizó el uso en naves norteamericanas con paneles de acero inoxidable.

Para la ingeniería el uso y la aplicación de las estructuras de panal tienen la siguiente línea del tiempo:

1665- Robert Hook descubre que las estructuras celular de los corchos son similares a los panales de abejas por lo que teoriza sobre sus aplicaciones.

1726- Jacob Leupold presenta explicaciones de los efectos de las estructuras de panal y publica una construcción en vigas en sandwich de Schildknecht.

1830- Robert Stephenson desarrolla la primera construcción para transporte, con ella logra reducir el peso de locomotoras ``Planet``.

1890- Julius Steigel desarrollo panales artificiales para el desarrollo de la apicultura utilizando estructuras de panal artificiales que las abeja aceptaron al ser rociados con resina fenólica.

1915- Hugo Junkers el primero en patentar las estructuras de panal para aviones, sus diseños permiten soportar cargas en gran precisión mediante celdas triangulares o hexagonales.

1924- Theodor von Karman el primero en utilizar una estructura de panal con estilo de emparedado con plástico reforzado, se utilizó para las estructuras de aviones.

1938- Norman de Bruyne patentó un proceso por el cual logró elaborar una estructura de panal en forma de emparedado por medio de adhesivos, fue utilizado en la elaboración de aviones.

1941- John D. Lincoln menciona el uso de paneles estructurales de papel para aviones.

1948- Roger Steele a través de su compañía Plastics Company luego Hexcel, elaboró paneles de fibra de vidrio por medio de un proceso de pre-curado, bajo el lema de que los panales son estructuras sumamente eficiente que se puede diseñar.

1969- Hexcel logra desarrollar paneles resistentes al fuego utilizados para los Boeing 747 en sus componentes.

1983- Duchene, DIetzsch, Hadl desarrollan la elaboración de panales por medio del proceso de extrusión, se colocan pequeños tubos en un bloque de gran tamaño y luego se cortan en para formar los paneles en forma hexagonal.[4]

La fabricación de las estructuras de panal consiste en tres técnicas: por medio de la expansión el moldeado y la corrugación, cabe señalar que estas formas no permiten la aplicación de compresión. Gracias a los desarrollos en la industria, la fabricación actual permite la compresión a través del proceso de expansión y corrugación en materiales como el aluminio o los plásticos reforzados. Para la fabricación de paneles de plástico se utiliza el proceso de extrusión con tubos para luego cortar los paneles resultantes.[5] Estos procesos permiten una producción continua y en línea con el panel en forma de emparedado. Para el proceso que involucra metales como el aluminio se utiliza el proceso de expansión con diferentes configuraciones, la configuración tradicional de un núcleo hexagonal y las configuraciones especiales que permiten aprovechar al máximo los beneficios de las estructuras de panal. Los materiales plásticos y metálicos no son los únicos que pueden tratar, existen procesos no comunes para la producción de cartón, papel con fines de amortiguación y refuerzo.

Las propiedades obtenidas por el diseño de la estructura de panal se obtienen gracias la rigidez y el peso: por un lado el peso es considerablemente Ligero en comparación a la gran rigidez que ofrece, cuando la estructura se compacta como si fuera un emparedado, los paneles resultantes adquieren la propiedad de reaccionar en diferentes orientaciones gracias a esto en base a la direcciones L y W. ganan también la propiedad de ser resistentes a la compresión esto es gracias la configuración hexagonal, las paredes de los paneles resisten mucho con respecto a otras con su mismo peso que no están configuradas de forma hexagonal.[6]

Por otra parte las propiedad mecánicas se obtienen de igual forma por la formación celular, aunque su resistencia varía según la dirección en la que se aplique una carga, la tensión es alta y la densidad es baja. la tensión crítica que se obtiene es alta, sin importar el material el panal genera una meseta en la tensión, una vez alcanzada la máxima tensión se obtiene una mayor densidad en el material gracias a la compresión de las paredes empujándose entre sí. Aunque generalmente estas propiedades se optimizan con una formación hexagonal en las aplicaciones de ingeniería también se utilizan paneles triangulares o cuadrados dependiendo de la tensión y el peso que se busca obtener, ya que la densidad y la tensión dependen de la geometría que poseen los paneles.[7]

Las aplicaciones son fundamentales en diversos ámbitos principalmente en la ingeniería:

Para la aerodinámica las redes de paneles hexagonales tiene una aplicación específica: ayuda a manipular turbulencias de viento, así como crear un túnel de viento con características específicas de temperatura y velocidad. En las turbinas se utiliza estas mallas en la parte trasera evitando así la turbulencia, también se utilizan como protección para eliminar las pequeñas partículas que puedan introducirse y crear turbulencias. Se utiliza en equipos de cómputo que buscan regular la temperatura y se colocan para liberar el flujo de aire con una temperatura baja de igualmente las celdas en forma hexagonal protegen al ventilador del equipo de pequeñas rebabas que puedan introducirse.[8]