el honeycomb (estructura de panal) como refuerzo estructural

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE
PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
MONOGRAFIA
Que para obtener el título de:
INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA
PRESENTA:
ARTURO FLORES LIAHUT
DIRECTOR:
Dr. JOSÉ ALBERTO VELÁZQUEZ PÉREZ
XALAPA, VER.
DICIEMBRE 2011
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
INDICE
INTRODUCCION ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4
CAPITULO 1
GENERALIDADES DEL HONEYCOMB ------------------------------------------------------------ 5
1.1 Historia
1.2 El Honeycomb Definición
1.3 El Honeycomb Fabricado en Distintos Materiales
CAPITULO 2 PROPIEDADES DEL HONEYCOMB ------------------------------------------------------------ 15
2.1 Características
2.2 El honeycomb como Refuerzo Estructural
CAPITULO 3
MANUFACTURA ---------------------------------------------------------------------------------- 31
3.1 Herramientas para la Fabricación de la Estructura Honeycomb
3.2 El Proceso de Manufactura
3.3 Métodos de Manufactura
CAPITULO 4
APLICACIONES EN EL MERCADO -------------------------------------------------------------- 38
4.1 Introducción
4.2 En la Industria Aeronáutica
4.2.1 La ingeniería Aeronáutica
4.2.2 Materiales Aeronáuticos
4.2.3 Ejemplos de Aplicaciones
4.3 En la Industria Aeroespacial
4.4 En el Transporte
4.5 En la Construcción
4.5.1 Características de los Materiales para Construcción
4.5.2 Propiedades de los Materiales
4.5.3 Usos de la Estructura Honeycomb en la Construcción
APENDICE A Empresas que Fabrican Honeycomb --------------------------------------------------------- 57
APENDICE B Empresas que Fabrican Adhesivos ------------------------------------------------------------ 59
CONCLUSIONES ----------------------------------------------------------------------------------------------------- - 60
BIBLIOGRAFIA -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 61
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
INTRODUCCION
La estructura natural de panal se encuentras en las colmenas, en el desgaste natural de las rocas,
y en los huesos. El hombre fabrica estructuras de panal en forma de sándwich con núcleos en
formas de panal. Un ejemplo de una figura con estructura de panal se muestra en la siguiente
figura.
Las estructuras de panal hechas por el hombre se manufacturan usando una gran variedad de
materiales, dependiendo de la aplicación prevista y las características necesarias. De papel o
termoplástico, son usados para aplicaciones que requieren poca fuerza y rigidez, para aplicaciones
que requieren un mayor rendimiento de fuerza y rigidez se fabrican de aluminio o de fibra
reforzada de plástico. La fuerza que contengan los laminados o las estructuras en forma de
sándwich depende del tamaño del panel, el material usado en las caras del panel y la densidad del
número de celdas en forma de panal que contenga. Las estructuras de honeycomb son
extensamente utilizadas en muchas industrias, desde la industria aeroespacial, automotriz y
mobiliario para empaque y logística. El material toma este nombre por el visual parecido con los
panales de abeja.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
CAPITULO 1 GENERALIDADES DEL HONEYCOMB
1.1 HISTORIA
La forma hexagonal que tienen los panales de abeja ha sido admirada y estudiada desde
tiempos antiguos. La primera estructura de panal fue construida por daedalus fabricada con
distintos materiales, desde el oro hasta la cera hace 3000 años. Marcus varro reporta que los
geómetras griegos Euclides y Zenodorus encontraron que la forma hexagonal hace más
eficiente el uso del espacio y la construcción de materiales. La estructura interior y las
cámaras secretas del domo del Pantheon en Roma es un cercano ejemplo de una estructura
de panal (honeycomb structure).
Galileo Galilei discute en 1638 la resistencia de los sólidos huecos. “Arte, y aún más la
naturaleza, hace uso de estos en miles de operaciones en las que aumenta la robustez sin
añadir peso, como es visto en los huesos de las aves y tallos que son ligeros pero a la vez
resistentes a la flexión y a la fractura”.
Robert Hook descubre en 1665 que la estructura natural de las células del corcho es similar a
la estructura hexagonal de los panales de abeja.
Charles Darwin declara en 1859 que “Los panales de abeja, hasta donde podemos ver, es
absolutamente perfecta la forma de economizar la labor de construcción y de la cera”.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
La primera hoja con estructura de panal quizás fue fabricada por los chinos hace 2000 para
ornamentos, pero no se ha encontrado alguna referencia de esto. La expansión de los
procesos de producción del papel con estructura de panal fueron inventados por halle/saales
en Alemania por Hans Heilburg en 1901 para aplicaciones decorativas. Las primeras
estructuras de panal fabricadas con láminas de acero corrugado han sido utilizadas desde
1890 para la apicultura. Para el mismo propósito se fabrican hojas fundadoras para aumentar
la producción de miel, el proceso de moldeo para una estructura de panal es utilizar una
mezcla de pasta de papel y pegamento que fue patentada en 1878. Las tres técnicas utilizadas
para elaborar estructuras de panal: expansión, corrugación y moldeo son aun utilizadas y
fueron desarrolladas en 1901 para hojas con estructura de panal.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
1.2 EL HONEYCOMB DEFINICION
Las estructuras Honeycomb son estructuras que son fabricadas en la naturaleza o por el
hombre que tienen la geometría de un panal para permitir minimizar la cantidad de material
para alcanzar el peso mínimo y el costo mínimo de material. La geometría de las estructuras
de honeycomb pueden tener extensas variaciones pero todas estas estructuras tienen una
característica en común y es que en todas tienen filas con celdas huecas separadas por
paredes verticales muy delgadas. Las celdas comúnmente son en forma de columna y con una
forma hexagonal. Una estructura hecha con honeycomb provee la menor densidad y buenas
propiedades de compresión y cortante1.
1
BITZER, T. - Honeycomb Technology Chapman & Hall, London (1997)
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
1.3 HONEYCOMB FABRICADO EN DISTINTOS MATERIALES
Desde 1940 las estructuras honeycomb han sido fabricadas en diferentes materiales, así
como la estructura honeycomb puede ser fabricada con casi cualquier hoja plana de algún
material. Algunos de los materiales las comunes para su fabricación son:
Metálicos – aluminio, acero inoxidable, titanio
No metálicos – fibra de vidrio, Nomex, papel Kraft
También se fabrica inusualmente de otros materiales como el cobre, plomo, asbesto, kapton,
Mylar and Kevlar. Un material nuevo es la fibra de carbono, con el que se produce la
estructura honeycomb la cual tiene extremadamente altas propiedades mecánicas,
especialmente por un núcleo no metálico. De hecho es el primer no metálico que tiene el
mismo módulo de corte que el aluminio. La aleación más común de aluminio utilizada es el
3003 que se utiliza para el grado comercial. La aleación 2024 es usada para servicios que se
encuentran grandes temperaturas, resiste 420°F (216°C), mientras que otras aleaciones de
aluminio solo resisten hasta 350°F (177°C), El papel Nomex viene en grado comercial
también, T-722 de grado 412, tiene ligeramente más abajo las propiedades mecánicas del
aluminio pero no soporta los requerimientos de inflamabilidad.
Ejemplo de algunos materiales utilizados:
Aluminio
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
La estructura honeycomb fabricada en un material liviano que ofrece una excelente fuerza y
resistencia a la corrosión para la industria de la arquitectura y en el transporte.
Existe una variedad de grados para diversas aplicaciones del honeycomb fabricado en
aluminio.
El grado comercial es una estructura honeycomb de bajo peso y que ofrece fuerza y
resistencia a la corrosión y está fabricada con aleación de papel de aluminio. Las
características de este material son su resistencia a las llamas, resistencia a la humedad,
altamente conductor térmico, soporta temperaturas de hasta 350°F, de bajo peso y gran
fuerza. Es utilizado para direccionar flujos de aire o de luz, absorción de energía,
herramientas, paneles de para techos y pisos, entre otras aplicaciones.
El grado aeroespacial es una estructura honeycomb con un bajo peso que ofrece una fuerza
y resistencia a la corrosión superior al grado comercial y está fabricada con aleación de papel
de aluminio. Las características de este material es su resistencia a las flamas, excelente
resistencia a la humedad y a la corrosión, soporta altísimas temperaturas y es de bajo peso y
gran fuerza. Es utilizado para construir pisos de aviones, alas con misiles, cubiertas de
ventilador, depósitos de combustible, componentes de fuselaje, palas de rotor de
helicóptero, absorción de energía entre otros.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Existe otro tipo de estructura de honeycomb fabricada con aleación de papel de aluminio
que también ofrece una gran fuerza y bajo peso. Su principal característica es que es de
mayor desempeño que el utilizado en la industria aeroespacial pero es muy costoso.
Fibra aramida
La estructura honeycomb fabricada con fibra aramida es fabricada por DuPont Nomex® y
puede ser recubierta con resinas fenólicas resistentes al calor para gran desempeño en las
carreras automovilísticas y aplicaciones aeroespaciales.
Existe una variedad de grados para diversas aplicaciones del honeycomb fabricado en fibra
de aramida.
El grado comercial de fibra de aramida por DuPont Nomex® y puede ser recubierta con
resinas fenólicas resistentes al calor para gran desempeño en las carreras automovilísticas y
aplicaciones aeroespaciales.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
El grado aeroespacial de fibra de aramida exhibe una espectacular propiedad a las flamas.
Sus principales características son su resistencia a la corrosión, resistencia al fuego( se auto
extingue), excelente resistencia al peso, excelente aislador eléctrico, excelente aislador
térmico, gran dureza, gran rendimiento a la fatiga y a la fluencia, buena estabilidad térmica,
compatible con casi todos los compuestos adhesivos, muy baja densidad. Es principalmente
utilizado para la industria aeroespacial por ejemplo en la construcción de alas con misiles
palas de rotor de helicóptero, para tanques de combustible, para la marina entre otros.
Existe un grado más alto de fibra de aramida que supera las propiedades del grado
aeroespacial en un 40%, es extremadamente fuerte, perfecta estabilidad a la temperatura y a
la humedad, mejor resistencia ala fluencia, cumple con estrictas normas de humo, toxicidad e
inflamabilidad, muy resistente.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Acero inoxidable
La estructura honeycomb fabricada con acero inoxidables es utilizada para herramientas,
para mamparos, puertas y pisos de trenes y en todo aquel ambiente hostil en el que se
requiera un material resistente y capaz.
Las principales características de este material es su excelente resistencia a la corrosión y a
la humedad, es resistente a las flamas y a los hogos.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Termoplástico
La estructura honeycomb fabricada con policarbonato y polipropileno exhiben una forma
única en la estructura de las celdas, y una excelente resistencia a la corrosión que hace a
estos materiales ideales para paneles de sándwich, moldes de partes, túneles de viento,
rejillas y direccionales de flujos.
La estructura honeycomb fabricada en policarbonato tiene una núcleo único. El núcleo tiene
3 orientaciones en comparación con otras estructuras honeycomb con solo 2 orientaciones,
haciendo más uniformes sus propiedades, cada celda tiene una forma tubular y es
intrínsecamente estale.
La estructura honeycomb fabricada en polipropileno posee un núcleo de tres orientaciones
contra las 2 comunes de los demás, haciendo más uniformes sus propiedades. Este se
suministra con o sin un velo de poliéster no tejido para una mejor unión. También se
suministra con o sin barrera de la película bajo el velo de poliéster para limitar el consumo de
resina. Sus principales características son; su gran fuerza, resistencia a la corrosión por
humedad, amortiguación al sonido y a la vibración, absorción de energía, termo formable,
soporta temperaturas de hasta 180°F y es reciclable.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
También se fabrica en un material llamado infusión de grado PP el cual es óptimo para
procesos de infusión. Es ligero, de baja densidad y muy efectiva, este material se fabrica a la
medida del cliente.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
CAPITULO 2 PROPIEDADES DEL HONEYCOMB
2.1 CARACTERISTICAS
El honeycomb cuenta con características únicas para cada estructura debido a que se fabrica en
diferentes materiales, estos no poseen las mismas características físicas y propiedades mecánicas,
entonces las propiedades de una estructura honeycomb viene directamente relacionadas con el
material con el que se fabrica. Algunas de las propiedades más comunes a mencionar después de
un exhaustivo estudio de todos los materiales con los que se fabrica son las siguientes.
-
Excelente resistencia a la compresión
Buena resistencia al esfuerzo cortante.
Extremadamente ligero
En algunos materiales como el polipropileno no absorbe el agua lo cual lo hace excelente
para construcciones expuestas a la humedad
En algunos materiales el honeycomb es totalmente resistente a la corrosión, a las sales, a
los hongos y a la humedad
Es una excelente estructura para la absorción de energía como las vibraciones y el sonido.
Resistente a la fatiga incluso con grosores de tamaño pequeño
Excelentes propiedades bajo la acción de calor.
Una de las ventajas más importantes es que en la mayoría de los materiales en que se
construye son reciclables
Es fácil de cortar, pegar, soldar, manejar, amoldar, entre otros.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
2.2 EL HONEYCOMB COMO REFUERZO ESTRUCTURAL
Las caras del panel de una estructura honeycomb puede compararse con las bridas de una viga
en I, debido a que estos son los que se encuentran sometidos a esfuerzos de flexión en una viga.
Con una cara a compresión y la otra a tensión. Similarmente el núcleo honeycomb corresponde a
la membrana de una viga en I. El núcleo resiste los esfuerzos cortantes, también incrementa la
dureza de la estructura al mantener las caras separadas, esto como mejora de la viga en I, le da un
soporte continuo a las bridas o caras para producir un panel rígido de manera uniforme. El
adhesivo que une las caras y el núcleo une rígidamente los componentes de la estructura en
sándwich y les permite actuar como una unidad con gran rigidez a la torsión y a la flexión.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
La estructura honeycomb abarca una variedad ilimitada de materiales y configuraciones para su
construcción. La estructura provee una gran versatilidad así como un gran rango de combinación a
elegir materiales entre el núcleo y las caras.
Mencionando algunas consideraciones que se deben de tomar en cuenta cuando se requiera una
selección del material del núcleo, las caras y el adhesivo son:
Estructurales
Fuerza
Los materiales utilizados en núcleos honeycomb y algunas caras están directamente relacionadas
respecto a las propiedades mecánicas y se debe de tener cuidado que el material elegido este
orientado a obtener las mejores prestaciones de sus atributos.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Rigidez
Las estructuras honeycomb en sándwich son utilizadas frecuentemente para maximizar dureza y
disminuir peso.
Desempeño del adhesivo
El adhesivo debe de unir rígidamente las caras al núcleo del material en el orden de que se
transmitan las cargas de una cara a la otra. El adhesivo idóneo incluye un alto modulo, disponibles
en líquido, pasta o películas de secado. Como regla general no se debe de utilizar un adhesivo
frágil que no soporte raspones en una estructura en sándwich que pueda estar sometida a daños
en un almacén, en el manejo o en servicio.
Consideraciones económicas
Los paneles pueden proveer una solución efectiva a los costos. Se deberá de realizar un análisis de
costos valorando aspectos de producción y ensamblado.
Ambientales
Temperatura
Así como en cualquier sistema con materiales el ambiente térmico jugara un papel importante en
la selección de materiales. Todos los sistemas son básicamente operados desde un cuarto especial.
En la selección de materiales se debe tener en cuenta la disponibilidad de las instalaciones para
fabricarlos.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Flamabilidad
Los materiales utilizados en las estructuras en sándwich están clasificados en tres categorías:
1) No inflamables – que significa que no arderán.
2) Auto extinguible - se dice que un material es auto extinguible cuando deja de arder al
separarlo de una llama o factor de calor externo
3) Inflamable – Que se enciende con facilidad y desprende inmediatamente llamas.
Transferencia de calor
La transferencia de calor a través de una estructura sándwich obedece a los principios básicos de
convección, conducción y radiación. Núcleo metálico con cara metálicas maximizan el flujo de
calor.
Humedad
Algunos materiales para los núcleos y caras ofrecen una excelente resistencia a la degradación por
humedad.
Disolventes de adhesivos y desgasificación.
Algunos adhesivos emiten gases o vapores de solventes durante el curado que pueden interactuar
con los sistemas de resina en algunos núcleos no metálicos o con el adhesivo en los nodos de los
núcleos honeycomb metálicos. Todo el proceso de unión debe ser supervisado para que no
disminuyan las propiedades mecánicas de los materiales por incompatibilidades entre ellos.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
El desempeño mecánico
La fuerza y dureza de las estructuras honeycomb son proporcionales a su densidad. En la siguiente
figura se muestra una gráfica con el desempeño relativo entre la espuma PVC con materiales que
se fabrica el honeycomb.
Tamaño de celda
Un tamaño grande de celda significa un bajo costo, pero en combinación con una delgada capa
de material en sus caras no resultaría muy adecuado. Un tamaño pequeño de celda entrega una
mejora en la apariencia de la superficie y provee de una excelente área de unión pero esto a un
alto precio. Normalmente se fabrican en forma hexagonal, algunas otras se fabrican con formas
rectangulares
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
La forma hexagonal entrega una menor densidad con el material que se fabrique. Las celdas
rectangulares son más fáciles de formar.
Material utilizado para capas
La tabla en el apéndice II muestra las propiedades de los materiales típicos para la construcción
de las capas del sándwich. Las consideraciones a tomar incluyen los objetivos requeridos en
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
cuanto al peso del mismo, maltratos, corrosión, decoración y costos. El grosor del material que se
utilice afecta directamente las propiedades a tensión y deflexión del panel.
Materiales de adhesión
Para la unión de paneles de honeycomb es importante el siguiente criterio:
1. Para lograr una buena unión entre el núcleo y las capas el adhesivo deberá fluir lo
suficiente para formar una película sin huir de la piel a la articulación del núcleo.
2. Todo esfuerzo debe hacerse para asegurar el contacto íntimo entre partes durante la
unión, ya que el adhesivo tiene que llenar los huecos entre las superficies a unir. Los
adhesivos se suministran a menudo con el apoyo de un paño vehículo, con el objetivo de
ayudarles a permanecer en el lugar cuando se comprimen entre ellas.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Funcionamiento de las vigas en sándwich con núcleo honeycomb.
Bajo la acción de cargas.
Considere una viga en voladizo con una carga aplicada en el extremo voladizo. La carga aplicada
crea un momento flexionante que es máximo en el extremo voladizo y una fuerza cortante a lo
largo de la viga. En un panel con forma de sándwich esta fuerza crean una tensión en la capa
superior y una compresión en la capa inferior. El núcleo mantiene separadas las capas del panel
transfiriendo los esfuerzos a las capas provocando que el panel trabaje como una estructura
homogénea.
Deflexiones
La deflexión de un panel en forma de sándwich se constituye de flexión y de la desviación de corte.
La flexión depende de la tensión relativa y módulos de compresión de los materiales de las capas.
La desviación de corte depende del módulo de corte del núcleo.
El total de deflexiones = momento flexionante + deformación de corte
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Fallas
Los diseñadores de los paneles en forma de sándwich deben asegurar toda posible falla potencial
en el análisis. Una serie de fallas se presentan a continuación
1. Fuerza
Las capas y el núcleo del material deberán de poder ser capaces de soportar la tensión de
tracción, compresión y cizallamiento incluida por el diseño de carga. El adhesivo entre el núcleo y
las capas deberá ser capaz de transferir las tensiones entre el núcleo y las capas.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
2. Rigidez
El panel con forma de sándwich debe tener la dureza suficiente para prevenir una deflexión
excesiva.
3. Pandeo
El espesor del núcleo y el módulo de corte deben ser adecuados para evitar que el panel se
pandee bajo fuerzas de compresión
4. Desviación
El espesor del núcleo y el módulo de corte deben ser adecuados para prevenir una falla prematura
bajo fuerzas de compresión.
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5. Arrugamiento de capa
El módulo de compresión de la capa y la resistencia a la compresión del núcleo debe ser
suficientemente alto para evitar esta falla.
6. Arrugamiento dentro de las celdas
Para una capa dada, las celdas del núcleo deben ser suficientemente pequeñas para prevenir esta
falla.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
7. Compresión local
La fuerza de compresión del núcleo debe ser adecuado para resistir cargas en la superficie del
panel.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Guía para el diseño de paneles de honeycomb en forma de sándwich como refuerzo estructural
1. Definir condiciones de carga(punto de aplicación, carga distribuida)
Tener cuidado a determinar las cargas a las que estará sujeta. Por ejemplo vea la tabla siguiente.
2. Definir el tipo de panel(viga en voladizo, simplemente apoyada)
Esto está determinado por el tipo y extensión del panel.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
3. Definir las limitaciones físicas / espacio
Esto debe incluir las valoraciones de los requerimientos que incluyen:
-
Límite de deflexión
límite de espesor
Límite de peso
Factor de seguridad
La selección de materiales preliminares debe basarse en anteriores criterios.
4. Cálculos preliminares
- Hacer suposiciones del material de capa, grosor de la capa y del panel completo. Ignore el
material del núcleo en esta etapa.
- Calcular la dureza
- Calcular la deflexión
- Calcular la tensión de las capas
- Calcular la tensión principal de corte
5. Optimización de diseño
- Modificar el grosor de la capa y del panel para lograr un mayor desempeño.
- Seleccione el núcleo adecuado para soportar esfuerzos cortantes.
6.
-
Calculo a detalle
Calcular la dureza
Calcular la deflexión, incluyendo la desviación de corte.
Calcular el esfuerzo de las caras.
Calcular el esfuerzo cortante del núcleo
Revisar que no exista pandeo.
Revisar que no exista desviaciones.
Revisar que no exista el arrugamiento de capa.
Revisar que no exista arrugamiento dentro de las celdas.
Revisar que no existan cargas locales ene l núcleo.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
CAPITULO 3
MANUFACTURA
3.1 Herramientas para la Fabricación de la Estructura Honeycomb
La manufactura de materiales como el Honeycomb requieren para su fabricación superficies muy
precisas en las maquinas, que sean capaces de soportar repetidos procesos del ciclo de curado a
altas temperaturas y presiones. Algunas partes o detalles de la manufactura del Honeycomb
requieren diversas herramientas como por ejemplo:
-
Modelo maestro para patrones de referencia
Herramienta de Cortado
Localizador preciso para realizar perforaciones con taladro
Máquinas de ensamblado
El Objetivo principal de cualquier herramienta para fabricar Honeycomb es tener una precisión
respetable dentro de los confines del diseñador y fabricante. El diseño inicial de las herramientas
es el asunto más importante a la hora de iniciar la fabricación de materiales como el Honeycomb.
El modelo maestro es una fuente identificada con agujeros, líneas de referencia, líneas de corte o
cualquier otra característica que se requiera para duplicar otras herramientas. El modelo maestro
es una representación física del punto de referencia para cualquier herramienta. Debido a que esa
superficie será la que proveerá el patrón de referencia para cualquier operación subsecuente en
un futuro, se debe tener extremo cuidado para proteger el modelo maestro.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
3.2 El Proceso de Manufactura
La manufactura de materiales compuestos como el Honeycomb conlleva una serie de distintas
operaciones que dependerán comúnmente de la tecnología disponible y de la habilidad de las
personas. El proceso de manufactura también varía debido a la gran variedad de materiales para la
fabricación de materiales compuestos como el Honeycomb así como sus aplicaciones. Cada uno de
los procesos de manufactura tiene características que definen el tipo de producto a producir. Esto
es ventajoso porque esta habilidad permite proveerle a su cliente una solución a sus
requerimientos. Los principales factores a considerar para obtener una mayor eficiencia en los
procesos son:
-
Necesidades de los clientes
El volumen total de producción
Requerimientos de desempeño
Objetivos económicos
Tamaño de los productos
Labor
Complejidad de la superficie
Materiales
Apariencia
Herramientas/Ensamblados
Velocidad de producción
Equipamiento
Las metas de las manufactura de materiales compuestos como el Honeycomb son:
- Lograr un producto consistente controlando factores como:
-Grosor de la fibra
-Volumen de la fibra
-Dirección de la fibra
- Minimizar agujeros
- Disminuir el esfuerzo interno residual
- Fabricar bajo el proceso de producción más barato
El procedimiento para alcanzar estas metas conlleva una serie de acciones para seleccionar 3
componentes clave.
- Material a utilizar y su configuración
- Herramientas
- Proceso
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
3.3 Métodos de Manufactura
Hay 4 métodos básicos para producir la estructura honeycomb, unión con adhesivos, soldadura
por resistencia, soldadura, difusión de unión y fusión térmica. Estos métodos están basados en
como los nodos están conectados. Por mucho el métodos más utilizado es la unión con adhesivos,
quizás el 95% de los núcleos de estructuras honeycomb está fabricado de este modo. La soldadura
por resistencia, soldadura o difusión de unión son utilizadas exclusivamente para núcleos que
deben enfrentar grandes temperaturas o condiciones ambientales muy severas, su fabricación es
mucho más costosa. La máxima temperatura que resiste la unión por adhesivos es de 750°F
(399°C). A algunos materiales termoplásticos se les calientan los nodos, esto produce que se
fundan parcialmente; después son presionados entre ellos y las dos hojas de la cinta se fusionan
en los nodos. En este método no es necesario utilizar adhesivos.
Hay 2 técnicas básicas utilizadas para convertir la hoja del material en el núcleo de una
estructura honeycomb: el proceso de expansión y el de corrugación. Casi todos los núcleos unidos
con adhesivos son fabricados de la manera más eficiente en el proceso de expansión, como el
ilustrado en la figura.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Para núcleos metálicos se les aplica un revestimiento resistente a la corrosión de aplica a las
hojas de papel de aluminio y las líneas adhesivas son impresas en ellas. Las hojas son cortadas y
ampliadas, y el adhesivo es curado pajo precio a temperaturas elevadas. Después la rebanada de
HOBE es cortada para alcanzar el grosor requerido. Cuando los núcleos de metal son expandidos,
las hojas de producción con nodos descubiertos se van uniendo par que no pierdan su forma
geométrica.
El procedimiento para estructuras honeycomb no metálicas es un poco diferente. En este las
hojas no retienen su forma después de haber sido expandidas y deben ser puestas en un soporte.
Las hojas del material contienen una pequeña cantidad de resina la cual debe ser termo fijada en
un horno. La mayoría de estructuras de honeycomb fabricadas con papel retendrán su forma
expandida. Entonces el bloque de honeycomb a veces llegan a ser tan grandes como de 4 pies por
8 pies de 3 pies de espesor (1.2m X 2.4m por 0.9m de espesor), estas son sumergidas en una
resina fenólica y curadas en horno. El ciclo de curado es repetido hasta alcanzar la densidad
requerida. Usualmente son solo dos o tres veces, pero hay casos en las que se requiere sumergirlo
30 veces. La mayoría delos núcleos de estructuras honeycomb fabricadas con fibras de vidrio
deben permanecer en un soporte mientras el curado se lleva acabo. Los adhesivos en las líneas
pueden ser impresas cruzando las líneas o sobre las líneas. La primera estructura honeycomb en
fibra de vidrio fue fabricada usando en rollo con ondas cuadradas. Después se descubrió que la
estructura honeycomb en fibra de vidrio tenía un módulo de corte mucho más alto, en ocasiones
hasta 3 veces más alto, si se utilizaban ondas diagonales a 45°. Es más costoso fabricar de esta
manera porque para construir este núcleo se tienen que modificar las fábricas. Las propiedades
mecánicas de dos núcleos con estructura honeycomb hechas de fibra de vidrio/fenólicos en ondas
rectas y en ondas diagonales a 45° se muestran a continuación. Las otras propiedades mecánicas
son aproximadamente las mismas excepto el módulo de compresión. Una ventaja adicional de las
ondas diagonales es que es más tolerante al daño.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
PROPIEDAD
DIAGONAL 45°
RECTO 90°
Resistencia a la compresión
550 psi
590 psi
Módulo de compresión
44 ksi
57 ksi
L Resistencia al corte
275 psi
310 psi
L Modulo de corte
23 ksi
13 ksi
W Resistencia al corte
140 psi
160 psi
W Modulo de corte
14 ksi
7 ksi
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
El método de corrugación es la técnica original usada para fabricar núcleos de estructura
honeycomb. Aunque la labor es intensiva este método es aun utilizado para hacer núcleos de
metal de alta densidad y algunos núcleos no metálicos.
En el método de corrugación las hojas son corrugadas primero, después el adhesivo es aplicado a
los nodos y las hojas son apiladas y curadas en un horno. Ya que solo se puede aplicar una ligera
presión al block el adhesivo del nodo es mucho más grueso que el núcleo ampliado.
El adhesivo del nodo corrugado puede ser el 10% del peso total del núcleo mientras que en el de
expansión es del 1%.
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“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Máquina para fabricar Honeycomb
El precio aproximado es de 350.000 Euros
Tamaños de celda para Honeycomb:
11mm
22mm
44mm
55mm
110mm
Aire comprimido:
Max. 6 bar.
Poder:
400 V – 3 fases – 50 Hertz.
Voltaje:
24V DC
Consumo de potencia:
25 KVA
37
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Capítulo 4 Aplicaciones en el mercado
4.1 Introducción
El mayor uso del honeycomb es en aplicaciones estructurales. Esto es porque los paneles
honeycomb en forma de sándwich son extremadamente eficientes en dureza – peso y en
situaciones de fuerza – peso. Cuando se busca lograr el peso mínimo de una estructura el
honeycomb será difícil de vencer debido a sus características estructurales. A continuación
presentare usos comunes del honeycomb en el mercado.
4.2 En la Industria aeronáutica
La aeronáutica es la ciencia o disciplina cuyo ámbito es el estudio, diseño y manufactura de
aparatos mecánicos capaces de elevarse en vuelo, así como el conjunto de las técnicas que
permiten el control de aeronaves. La aeronáutica también engloba la aerodinámica, que estudia el
movimiento y el comportamiento del aire cuando un objeto se desplaza en su interior, como
sucede con los aviones. Estas dos ramas son parte de la ciencia física.
No debe confundirse con el término aviación (referido al manejo de aviones), si bien en la
práctica no es extraño oír cómo se utiliza un término para referirse al otro. Así, por ejemplo, es
correcto hablar de "ingeniero aeronáutico", ya que se trata de una carrera de estudios, pero en
cambio debe hablarse de "historia de la aviación".
38
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
4.2.1 La ingeniería Aeronáutica
La ingeniería aeronáutica es un área que investiga, diseña, manufactura y mantiene en buen
estado productos como los aviones, misiles y satélites espaciales. Se relaciona con los temas
científicos de la Aerodinámica, Materiales, Tecnología, Estructuras de aviones y Mecánica de
fluidos.
Debido al desarrollo de la industria aeroespacial, actualmente se habla más de "Ingeniería
Aeroespacial" que de "Ingeniería Aeronáutica", aunque también se escucha el término "Ingeniería
Aeronáutica y del Espacio".
Los nuevos ingenieros aeroespaciales tienen un perfil profesional muy demandado desde finales
del siglo XX y principios del XXI.
En México, la Asociación de Ingenieros en Aeronáutica, Presidida por el Ingeniero David
Almaguer Núñez, es la encargada de mantener una estrecha relación con el subsector aéreo y los
profesionales de la aviación.
4.2.2 Materiales Aeronáuticos
Los intentos por volar han sido muchos, y se ha tratado en conseguir, no solo por la técnica
inadecuada, si no por los materiales incorrectos o falta de motores ligeros y potentes2.
2
http://www.sandglasspatrol.com/IIGM-12oclockhigh/Materiales%20Aeronauticos.htm
39
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
La madera
Los primeros materiales en emplearse fueron la madera y la tela, proporcionaban una resistencia
adecuada con un peso muy bajo. La madera en muchos aspectos se comporta como un material
compuesto, por cómo está constituida por capas, con mejores propiedades en la dirección
longitudinal de la fibra, tiene valores de módulo elástico y resistencias muy altos para su densidad.
Veamos algunos ejemplos:
Abeto
E=9000Mpa
Resistencia a la tracción: 70Mpa
Densidad: 400kg/m3
Abedul
E=14250Mpa
Resistencia a la tracción 100Mpa
Densidad: 630kg/m3
Estos valores son mejores que los de algunas aleaciones de aluminio pero la madera sufre
cambios en su tamaño y sus propiedades con la variación de humedad. La madera se ve sometida
al ataque biológico. Fue utilizada hasta la segunda guerra mundial. Antes principalmente en
estructuras recubiertas de tela y en recubrimientos.
40
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
El acero
El acero tiene buenas cualidades respecto a resistencia, pero su densidad es excesiva y tiene
graves problemas de corrosión. No obstante sustituyó a la madera en la construcción: Ya en la
primera Guerra Mundial Bunkers empleó chapas de aluminio corrugado para ahorrarse el peso de
los rigidizadores y crear el 1er avión enteramente metálico (y monoplano) relegando el uso de la
madera, y Fokker empleó la estructura del tubo de acero recubierta de tela.
Resistencia
Su densidad es 3 veces la densidad de las aleaciones de aluminio, y hasta 10 veces la de la madera.
Hay que evitar que en su uso entre en contacto con aleaciones de aluminio:
Corrosión galvánica en contacto con otras aleaciones (ésta también se da entre aleaciones de
aluminio, pero es menor, por ser su potencial de oxidación más semejante).
Al ser más rígido que el aluminio, se cargará más que este, haciendo que no trabaje como debiera.
Aún es esencial para la fabricación de algunos componentes, como pueden ser el tren de
aterrizaje, herrajes, bancadas de motor entre otros. Su coste es inferior al de otro tipo de
aleaciones. Es tres veces más pesada que el aluminio, pero también tres veces más resistente.
Aluminio
En el siglo XIX el aluminio era tan caro de producir que era considerado un metal semiprecioso.
Además las cualidades del aluminio sin alear ni refinar, dejaban mucho que desear, como para
pensar en él para algún uso industrial (la resistencia del aluminio aleado es de 6 a 8 veces superior
al aluminio sin alear).
41
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
A partir de la Primera Guerra Mundial, el desarrollo de sus aleaciones, y la necesidad de un metal
menos pesado que el acero, lleva a su implantación masiva en la aviación, y hasta nuestros días ha
sido el material más usado en aeronáutica gracias a sus características.
Adecuada resistencia
Baja densidad
Conocimiento de sus técnicas de fabricación (fácilmente forjable, fácil de trabajar y reparar, se
conoce muy bien su funcionamiento...)
Desventajas
Envejecimiento: con el tiempo sus propiedades mecánicas se alteran
Pequeñas muescas, cortes o arañazos pueden causar graves perjuicios a una pieza
Uso limitado por temperatura
Titanio
Su densidad está entre la del aluminio y la del acero.
Características:
Se comporta bien ante la corrosión
Soporta bien las altas temperaturas (400 – 500ºC)
Desventajas
42
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Sus propiedades se degradan en ambientes salinos
Su coste es 7 veces superior al del aluminio
Materiales Compuestos
En parte su comportamiento puede asimilarse al de la madera: Son apilados en capas de
distintos tipos de materiales, lo que hace que sus propiedades varíen según la dirección
Tienen la gran ventaja de poder fabricar los materiales “a medida”, es decir, en función de las
necesidades de resistencia, las direcciones de aplicación de las cargas, construiremos nuestro
material compuesto de una forma u otra. Ejemplo: en los materiales compuestos de fibras
embebidas en matriz plástica, el % de unos y otros, el tipo de fibra (matt o fieltro, tejido...) y el
orden de apilamiento de las capas... los elegiremos en función de las características que deseamos
obtener. Podemos encontrarlos en multitud de formas y presentaciones comerciales. Los más
comunes son fibras embebidas en matrices plásticas. Los esfuerzos y cargas serán soportados por
las fibras, mientas que la matriz da cohesión y mantiene la forma. Las fibras pueden presentarse
en forma de tejido, de fieltro, de bandas, Ejemplo:
Fibra de carbono. Módulo de Young hasta 400000 N/mm² y resistencia a tracción ultima hasta
2800 N/mm Plásticos, con refuerzos de fibra
Las primeras en usarse fueron las de fibra de vidrio – matriz epoxi. Se utilizaban en carenados y
otras estructuras que no tuvieran que soportar grandes cargas.
En los 60 se empleó por primera vez aramida (ej: kevlar ®). Es más rígido que la fibra de vidrio,
soporta muy bien los impactos, pero no trabaja bien a compresión ni soporta bien el ataque medio
ambiental. Otras fibras usadas son las de carbono, o las mixtas (tejidos de más de un tipo de fibra,
como en la imagen de abajo)
Estructuras Sándwich (o Honeycomb, aunque esta designación es la del núcleo en forma de
prismas hexagonales –panel de abeja, se suele hablar en muchas ocasiones de todas las
estructuras en sándwich como honeycomb, independientemente de la forma del núcleo). Con este
tipo de construcción se buscan (y se consiguen) unas excelentes características, con muy poco
peso. Básicamente consiste en construir un núcleo y recubrirlo por ambas caras. Este núcleo está
43
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
prácticamente hueco, siendo poco su peso. Pero al forrarlo con el revestimiento, se le da una gran
resistencia.
Estructura de un honeycomb
La estructura básica es un núcleo, cuya forma variará en función de las propiedades que
queramos obtener (por ejemplo, flexibilidad), el recubrimiento (puede ser metálico o bien de
madera o de materiales compuestos), y una capa intermedia entre ambos, que hace que se
adhieran (no es estrictamente necesaria).
Se consiguen estructuras muy ligeras y altamente resistentes que disminuyen drásticamente el
peso del vehículo.
44
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
4.2.3 Ejemplos de aplicaciones
Matriz metálica
Grafito-Aluminio (ARAL) = ARamid Aluminium Laminate
Está compuesto de delgadas láminas de aluminio y fibra de aramida. El aluminio proporciona alta
resistencia de forma isotrópica, y propiedades metálicas para la forja, mientras que la fibra de
aramida proporciona al material compuesto resistencia a rotura y fatiga. Usado en las alas del
Fokker 50 ahorraron un 20% de peso.
Boro-Aluminio
Fibra de vidrio-Aluminio (GLARE)
Se desarrolló Boro-Aluminio y Fibra de vidrio-Aluminio (GLARE) por el mal comportamiento del
ARAL frente a la compresión (por las fibras de aramida)
Consiste en un conjunto de láminas alternas de aluminio y fibra de vidrio.
Características:
-
Alta resistencia a la rotura
-
Muy alta resistencia a la fatiga (la fibra de vidrio amortigua la propagación de grietas)
-
Resistencia a daños externos
-
Alta resistencia a la corrosión
-
Buena resistencia al fuego (no olvidemos que algunas cortinas ignífugas para parcelar
grandes espacios en caso de incendio se fabrican en fibra de vidrio).
45
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Todos los aviones que vuelan hoy en día en el occidente tiene partes con estructura honeycomb
como núcleo. La compañía BOEING ha sido un usuario grande del honeycomb en sus jets
comerciales. A continuación tenemos un ejemplo del ala de un Boeing 787 fabricado en aluminio
monolítico con una estructura honeycomb, el ala se comporta como una viga en voladizo que lleva
el ala al fuselaje y soporta los principales esfuerzos, mide aproximadamente 50 pies 3 (15.2
metros).
4
3
Anon, “A Brief look at Composite Materials in Airbus Commercial Aircraft”, High Performance Composites
March/April 1999
4
http://translate.google.com.mx/translate?hl=es&langpair=en%7Ces&u=http://www.kemfast.com/content/
metals/honeycomb.html
46
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
4.3 En la Industria aeroespacial
En la industria aérea es común que disminuir el peso de 1 lb (045 Kg) salve entre US $ 500 y US $
1000 dólares; sin embargo, en vehículos espaciales la reducción de 1 lb puede significar miles de
dólares salvados. Para lanzar una libra al espacio puede ser extremadamente costoso. El
transbordador espacial utiliza muchos paneles de honeycomb para mantener el peso en lo
mínimo. Una nueva aplicación aeroespacial es en el telescopio espacial de Jet Propulsión
Laboratory (JPL), fabricado con un núcleo de aluminio con caras de carbón en forma hexagonal5.
5
http://www.plascore.com/aerospace-aramid-fiber-honeycomb.php?lang=l_es
47
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
4.4 En el transporte
Desde los 70’s, década en la que se produjo una de las peores crisis de energéticos en el mundo,
las tendencias de la industria automotriz se modificaron.
Cambios drásticos en el diseño y manufactura de los vehículos automotores condujeron a una
mejoría en los procesos de combustión y a una reducción en el peso de los vehículos, lo cual a su
vez condujo a una notoria disminución en el uso de combustible.
La disminución en el peso se dio de dos maneras, por un lado las dimensiones se redujeron y por
el otro se sustituyó el acero por materiales de menor densidad, aluminio y plástico, básicamente.
Así, llegamos a los modelos de la década de los 90’s en donde elpeso promedio de un auto
mediano (Jetta, Cavalier) es del orden de los 1,400 Kg y de ellos, casi el 15% en peso corresponde a
materiales plásticos. Esto también se presenta en automóviles de lujo, por ejemplo, un Audi Avant
C4 de 1994 pesaba 1396 Kg y de ellos 200 Kg eran de plástico.6 De los 1365 Kg. que pesa un
Porsche 911 Carrera del año 1994, el 15.6% eran de plástico.
De ahí 154 Kg están en la carrocería, 35 Kg en el sistema eléctrico, 18 Kg, en el motor y 6 Kg en
los sistemas de suspensión y dirección.
Entre los materiales plásticos más utilizados está el polipropileno - alrededor del 2.6% en peso
del total de plásticos en el automóvil el cual se utiliza entre otras cosas, para formar el panel de
instrumentos, figura, o el ensamble de una sola pieza (que reemplaza a 5 piezas metálicas)
formado por la tapa del abanico del radiador, el recipiente para el refrigerante, y para el líquido de
los limpiadores (delantero y trasero) y el túnel de llenado de estos últimos contenedores.
El polietileno de alta densidad -0.7% en peso del total de plásticos en el automóvil-se encuentra
formando los tanques de una sola pieza para almacenar la gasolina. Otros materiales plásticos
como los acrílicos, los policarbonatos, PVC y materiales compuestos, tienen aplicaciones
importantes en esta industria.
48
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
La vida moderna depende en gran parte del acero, como uno de los metales de mayor uso. Este
material proporciona la rigidez necesaria para diferentes estructuras de edificios, autos, vehículos
especiales entre otras aplicaciones. Sus principales propiedades son la ductibilidad, resistencia a la
tensión, dureza, contracción, resistencia a la compresión y resistencia al impacto. El Aluminio es
otro de los materiales de gran importancia en la industria de los metales, es el de más larga
estructura y de mayor ductibilidad, factible de transformar por vaciado, rolar, estampar, dibujar
maquinar y extruír. Es resistente a la corrosión, refleja el calor y es excelente conductor de
electricidad.
La industria del transporte comienza a encontrar las ventajas de los paneles honeycomb.
Reduciendo el peso de los vehículos se ha convertido en una prioridad. Europa está abriendo
camino a los autos ligero para carreteras. Varios automóviles de Europa tienen paneles de
honeycomb en sus puertas y pisos. El trabajo se realiza para poder alcanzar la construcción de un
automóvil construido totalmente con paneles de honeycomb. También el carro sobre rieles del
parque de diversiones Dysneilandia utiliza penales de honeycomb.
En 1974 Hexcel diseño y fabrico una camioneta de 40 ft (12.2m) utilizando paneles de aluminio
con estructura honeycomb. Esta camioneta solo pesaba 8000 lb (3629 Kg) y era 3000 lb (1361 Kg)
más ligera que otra camioneta de su categoría. Hexcel no pudo vender la camioneta a ninguna
compañía, principalmente porque era mucho más costosa que las camionetas promedio. Esta
camioneta es aun utilizada por Hexcel y a recorrido mas de dos millones de millas (tres millones de
kilómetros) y aún sigue en buenas condiciones.
En los automóviles de competencia los paneles de honeycomb en fibra de carbono son los más
utilizados hoy en día debido a que la fibra de carbono presenta características favorables en el
desempeño de un automóvil de carreras.
49
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Chassis: Dallara GP2/08 Survival cell: Estructura en Sándwich Carbono/aluminio honeycomb
fabricada por Dallara. Alerón trasero y delantero – Estructuras de carbono fabricadas por
Dallara. Carroceria – Carbono – Kevlar estructura honeycomb fabricada por Dallara.
Motor: Mecachrome Built Renault 4.0 L (4,000 cc) (245 in³) DOHC V8.
Transmision : GearTek 6-speed paddle shift gearbox and one reverse.
Potencia: 612 hp (456 kW; 620 PS) @ 10,000 rpm.
Combustible: Elf 100 RON, no refuelling.
Tanque de combustible: FIA homologated rubber safety tank.
Capacidad del tanque de combustible: 33 US gal (125 L; 27 imp gal).
Suministro de combustible: Inyeccion directa.
Aspiracion: Natural.
Electronics/ECU: Magneti Marelli.
Largo: 4,867 mm (192 in).
Altura: 1,047 mm (41 in) (including FOM roll hoop camera).
ancho: 1,805 mm (71 in) (bodywork 1,500 mm (59 in)).
Separación entre ejes: 3,119 mm (123 in).
Peso: 688 kg (1,517 lb) (without driver).
50
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
4.5 En la construcción
Introducción
Desde sus comienzos, el ser humano ha modificado su entorno para adaptarlo a sus necesidades.
Para ello ha hecho uso de todo tipo de materiales naturales que, con el paso del tiempo y el
desarrollo de la tecnología, se han ido trasformando en distintos productos mediante procesos de
manufactura de creciente sofisticación
Los primeros materiales empleados por el hombre fueron el barro, la piedra, y fibras vegetales
como madera o paja.
Los primeros "materiales manufacturados" por el hombre probablemente hayan sido los ladrillos
de barro (adobe), que se remontan hasta el 13.000 a. C, mientras que los primeros ladrillos de
arcilla cocida que se conocen datan del 4.000 a. C.
4.5.1 Características de los materiales para construcción.
Entre los primeros materiales habría que mencionar también tejidos y pieles, empleados como
envolventes en las tiendas, o a modo de puertas y ventanas primitivas.
Los materiales de construcción se emplean en grandes cantidades, por lo que deben provenir de
materias primas abundantes y baratas. Por ello, la mayoría de los materiales de construcción se
elaboran a partir de materiales de gran disponibilidad como arena, arcilla o piedra.
Además, es conveniente que los procesos de manufactura requeridos consuman poca energía y
no sean excesivamente elaborados. Esta es la razón por la que el vidrio es considerablemente más
caro que el ladrillo, proviniendo ambos de materias primas tan comunes como la arena y la arcilla,
respectivamente.
51
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Los materiales de construcción tienen como característica común el ser duraderos. Dependiendo
de su uso, además deberán satisfacer otros requisitos tales como la dureza, la resistencia
mecánica, la resistencia al fuego, o la facilidad de limpieza.
Por norma general, ningún material de construcción cumple simultáneamente todas las
necesidades requeridas: la disciplina de la construcción es la encargada de combinar los materiales
para satisfacer adecuadamente dichas necesidades.
4.5.2 Propiedades de los materiales
Con objeto de utilizar y combinar adecuadamente los materiales de construcción conocer sus
propiedades. Los fabricantes deben garantizar unos requisitos mínimos en sus productos, que se
detallan en hojas de especificaciones. Entre las distintas propiedades de los materiales se
encuentran:
Densidad: relación entre la masa y el volumen
Higroscopicidad: capacidad para absorber el agua
Coeficiente de dilatación: variación de tamaño en función de la temperatura
Conductividad térmica: facilidad con que un material permite el paso del calor
Resistencia mecánica: capacidad de los materiales para soportar esfuerzos
Elasticidad: capacidad para recuperar la forma original al desaparecer el esfuerzo
Plasticidad: deformación permanente del material ante una carga o esfuerzo
Rigidez: capacidad de los materiales de soportar cargas con poca deformación, es la resistencia a
la deformación
Posiblemente la información sobre el honeycomb parezca complicada, la simple idea es: la
estructura honeycomb provee un mejor desempeño que materiales como el acero, cobre,
52
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
aluminio, madera, contrachapado, vidrio, fibra de vidrio, polímeros y todos aquellos materiales
utilizados para la construcción que sus formas comunes de aplicación
4.5.3 Usos de la Estructura Honeycomb en la Construcción
Hoy en día el término de honeycomb es cada vez más mencionado en la industria del diseño y la
arquitectura, cualquier ingeniero civil con una vasta experiencia podría afirmar que la naturaleza
es el mejor ejemplo de la eficiencia en el diseño, el simple panal de las abejas nos da una lección
de ello, la milagrosa estructura es a prueba de ruido, estructuralmente fuerte y estéticamente
cautivadora, pero, lo más importante es un increíble ligereza.
Afortunadamente un material que traído desde la naturaleza a la construcción ha servido para la
fabricación de paneles para paredes, puertas, cubiertas de techo, vigas estructurales, muebles,
entre otros.
53
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
En el mundo del diseño la estructura honeycomb fabricado con policarbonato permite una total
transparencia cuando es vista frontalmente, pero se oscurece cuando es vista desde otro ángulo.
Las celdas tubulares actúan de acuerdo a la posición del sol, por ejemplo: bloquean los rayos del
sol cuando este se encuentra en su punto más alto en el cielo y gracias a sus propiedades minimiza
el calor producido por el sol y proporciona una excelente sombra, reduciendo la cantidad de
energía necesaria para calentar o enfriar un espacio6.
Más allá del avance tecnológico ocurrido también podemos estar seguros que la futura
sustentabilidad de las construcciones está asegurada, porque utilizando las fibras de madera se
obtiene un material muy viable en la construcción, es simplemente brillante su uso debido a que
su mayor porcentaje de material utilizado es aire.
6
http://www.dsgnwrld.com/panelites-clearshade-igu-and-bonded-series-panels-6406/
54
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
El honeycomb fabricado con papel kraft comercial es ampliamente utilizado en puertas,
divisiones, casas móviles, campers, letreros y construcciones similares. El núcleo debe de ser
económico debido a la gran competencia de materiales que existe en el mercado. El peso ligero no
es la principal consideración, aunque es usualmente deseada. De todos modos el bajo costo es el
criterio dominante. La estructura honeycomb en papel reemplaza la madera contrachapada que
es relativamente barata.
Un grado específico de papel kraft es utilizado para fabricar alberges para militares así como se
muestra en la siguiente figura. Aquí se muestra el alberge militar en unidades de 8 ft por 8 ft por
20 ft de largo, estos pueden ser conectados entre ellos para aumentar la capacidad. Estas
unidades deben ser muy ligeras para poder transportarlas a lugares muy remotos.
Otro uso militar es el de hangares para aviones. Todo el hangar, que es bastante largo, cabe en 4
cajas.
55
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Cazadores de diseños tomaron esta foto del edificio Plaza Sinosteel Internacional en Tianjin,
China, de 1,174 pies de altura, diseñado por arquitectos locos. La estructura blanca externa con las
ventanas hexagonales gigantes que varían ligeramente en tamaño no es solo por estética del
edificio. Estos sostienen todo el edificio sin la necesidad de estructuras internas7.
7
http://www.luxury-insider.com/luxury-news/2008/08/sinosteel-international-plaza-in-tianjin
56
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Apéndice A
Empresas que fabrican Honeycomb
Alcore, Inc.
1324 Brass Mill Road
Belcamp, MD 21017, USA
+ 1 – 410 – 272 – 2224 Fax +1 – 410 – 272 – 8050
Euro- Composite S.A.
BP. 95, Zone Industrielle, L – 6401
Echternach, Luxemburg
+ 352 – 729463 Fax +352 – 729460
Hexacomb Honeycomb Corporation
7980 Clayton Road
St Louis, MO 63117, USA
+ 1 – 314 – 647 – 0701 Fax + 1 – 314 – 647 – 5242
Hexcel Corporation
5794 West Las Positas Boulevard
Pleasonton, CA 94588, USA
57
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
+ 1 – 510 – 847 – 9500 Fax + 1 – 510 – 734 – 9042
Kentucky Metals, Inc.
825 Progress Road
New Albany, IN 47150, USA
+ 1 – 812 – 948 – 1573
Fax + 1 – 812 – 945 – 4641
M.C. Gill Corporation
4056 Easy Street
El Monte, CA 91731, USA
+ 1 – 818 – 443 – 4022 Fax + 1 – 818 – 350 – 5880
Nida-Core Corporation
3240 S.W. 42an Avenue
Palm City, FL 34990, USA
+ 1 – 407 – 287 – 6464 Fax + 1 – 407 – 287 – 5373
Norfield Corporation
46 Kenosia Avenue
Danbury, CT 06810, USA
+ 1 – 203 – 792 – 5110 Fax + 1 – 203 – 797 – 0390
58
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Apéndice B
Empresas que fabrican Adhesivos
3M Company
Aerospace Materials Department
Building 223 – IN – 07, 3M Center
St Paul, MN 55144, USA
+ 1 – 612 – 733 – 1110
B.F. Goodrich Company
Adhesive Systems Division
123 West Bartges Street
Akron, OH 44311, USA
+ 1 – 216 – 374 – 2900
Ciba-Geigy Corporation
Formulated Materials Group
4917 Dawn Avenue
East Lansing, MI 48823, USA
+ 1 – 800 – 955 – 5509
59
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
Conclusión
Los líderes de la industria en todo el mundo buscan estructuras que pesen cada vez menos
debido a los proyectos visionarios que ellos tienen, el Honeycomb es una estructura que provee de
soluciones a esos proyectos debido a que cuenta con características innovadoras para el mercado
de casi cualquier industria, en la industria aérea por ejemplo nunca se ha presentado una falla de
este material en servicio, claro que el tipo de material debe ser seleccionado de acuerdo a las
características de la aplicación considerando factores como la calidad de la superficie, el esfuerzo
cortante y la dureza, el esfuerzo de compresión, el peso, la absorción de humedad y la tolerancia
al daño, los materiales disponibles para la fabricación de estas estructuras Honeycomb pueden ser
metálicos y no metálicos.
60
“EL HONEYCOMB (ESTRUCTURA DE PANAL) COMO REFUERZO ESTRUCTURAL“
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