UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

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1 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

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3 INDICE INTRODUCCION CAPITULO 1 GENERALIDADES DEL HONEYCOMB Historia 1.2 El Honeycomb Definición 1.3 El Honeycomb Fabricado en Distintos Materiales CAPITULO 2 PROPIEDADES DEL HONEYCOMB Características 2.2 El honeycomb como Refuerzo Estructural CAPITULO 3 MANUFACTURA 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 Introducción 4.2 En la Industria Aeronáutica La ingeniería Aeronáutica Materiales Aeronáuticos Ejemplos de Aplicaciones 4.3 En la Industria Aeroespacial 4.4 En el Transporte 4.5 En la Construcción Características de los Materiales para Construcción Propiedades de los Materiales Usos de la Estructura Honeycomb en la Construcción APENDICE A Empresas que Fabrican Honeycomb APENDICE B Empresas que Fabrican Adhesivos CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA

4 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. 4

5 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. 5

6 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 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. 6

7 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 cortante 1. 1 BITZER, T. - Honeycomb Technology Chapman & Hall, London (1997) 7

8 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 8

9 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. 9

10 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. 10

11 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. 11

12 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. 12

13 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. 13

14 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. 14

15 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. 15

16 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. 16

17 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. 17

18 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. 18

19 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. 19

20 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 20

21 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 21

22 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. 22

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24 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 24

25 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. 25

26 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. 26

27 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. 27

28 7. Compresión local La fuerza de compresión del núcleo debe ser adecuado para resistir cargas en la superficie del panel. 28

29 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. 29

30 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. 30

31 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. 31

32 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 32

33 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. 33

34 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. 34

35 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 35

36 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%. 36

37 Máquina para fabricar Honeycomb El precio aproximado es de Euros Tamaños de celda para Honeycomb: 11mm 22mm 44mm 55mm 110mm Aire comprimido: Poder: Voltaje: Consumo de potencia: Max. 6 bar. 400 V 3 fases 50 Hertz. 24V DC 25 KVA 37

38 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

39 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 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 potentes

40 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/m 3 Abedul E=14250Mpa Resistencia a la tracción 100Mpa Densidad: 630kg/m 3 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

41 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

42 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 ( ºC) Desventajas 42

43 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 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

44 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

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