Wabenstruktur - Honeycomb structure

Ein Bild einer Aluminiumwabenstruktur.

Wabenstruktur in der Natur

Wabenstrukturen sind natürliche oder künstliche Strukturen, die die Geometrie eines haben Waben der Minimierung der Menge des verwendeten Materials zu ermöglichen minimales Gewicht und minimal Materialkosten zu erreichen. Die Geometrie von Wabenstrukturen kann stark variieren, aber das gemeinsame Merkmal all dieser Strukturen ist eine Anordnung von Hohlzellen, die zwischen dünnen vertikalen Wänden gebildet werden. Die Zellen sind oft säulen- und sechseckig . Eine wabenförmige Struktur liefert ein Material mit minimaler Dichte und relativ hohen Kompressionseigenschaften außerhalb der Ebene und Schereigenschaften außerhalb der Ebene .

Künstliche Wabenstrukturmaterialien werden üblicherweise hergestellt, indem ein Wabenmaterial zwischen zwei dünnen Schichten geschichtet wird, die Zugfestigkeit verleihen. Dies bildet eine plattenartige Baugruppe. Wabenmaterialien werden häufig dort verwendet, wo flache oder leicht gekrümmte Oberflächen benötigt werden und ihre hohe spezifische Festigkeit wertvoll ist. Aus diesem Grund sind sie in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet , und Wabenmaterialien aus Aluminium, Glasfaser und fortschrittlichen Verbundwerkstoffen werden seit den 1950er Jahren in Flugzeugen und Raketen verwendet. Sie sind auch in vielen anderen Bereichen zu finden, von Verpackungsmaterialien in Form von papierbasiertem Wabenkarton bis hin zu Sportartikeln wie Ski und Snowboards.

Einführung

Natürliche Wabenstrukturen umfassen Bienenstöcke , Wabenverwitterung in Felsen, Kutteln und Knochen .

Künstlich hergestellte Wabenstrukturen umfassen Sandwichstruktur Verbunde mit Wabenkernen . Künstliche Wabenstrukturen werden unter Verwendung einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien hergestellt, abhängig von der beabsichtigten Anwendung und den erforderlichen Eigenschaften, von Papier oder Thermoplasten , die für geringe Festigkeit und Steifigkeit für Anwendungen mit geringer Belastung verwendet werden, bis hin zu hoher Festigkeit und Steifigkeit für Hochleistungsanwendungen, aus Aluminium oder faserverstärkten Kunststoffen. Die Festigkeit von Verbund- oder Sandwichpaneelen hängt von der Größe des Paneels, dem verwendeten Verkleidungsmaterial und der Anzahl oder Dichte der darin enthaltenen Wabenzellen ab. Wabenverbundwerkstoffe werden in vielen Branchen weit verbreitet verwendet, von der Luft- und Raumfahrtindustrie über die Automobil- und Möbelindustrie bis hin zu Verpackung und Logistik. Seinen Namen verdankt das Material seiner optischen Ähnlichkeit mit einer Bienenwabe – einer sechseckigen Plattenstruktur.

Geschichte

Die sechseckige Wabe der Honigbiene wird seit der Antike bewundert und bewundert. Die erste von Menschenhand geschaffene Wabe soll nach der griechischen Mythologie vor mehr als 3000 Jahren von Daedalus aus Gold im Wachsausschmelzguss hergestellt worden sein. Marcus Varro berichtet, dass die griechischen Geometer Euklid und Zenodorus herausgefunden haben, dass die sechseckige Form den Raum und die Baumaterialien am effizientesten nutzt. Die Innenrippen und versteckten Kammern in der Kuppel des Pantheons in Rom sind ein frühes Beispiel für eine Wabenstruktur.

Galileo Galilei diskutiert 1638 die Widerstandsfähigkeit von Hohlkörpern: "Die Kunst und noch mehr die Natur nutzt diese in Tausenden von Operationen, bei denen die Robustheit ohne zusätzliches Gewicht erhöht wird, wie man es an Vogelknochen und an vielen Halmen sieht, die leicht und sehr biege- und bruchfest.“ Robert Hooke entdeckt 1665, dass die natürliche Zellstruktur von Kork der sechseckigen Honigbienenwabe ähnelt und Charles Darwin stellt 1859 fest, dass „die Wabe der Bienenstockbiene, soweit wir sehen kann, ist absolut perfekt darin, Arbeit und Wachs zu sparen“.

Die ersten Papierwabenstrukturen wurden möglicherweise vor 2000 Jahren von den Chinesen für Ornamente hergestellt, aber es wurde keine Referenz dafür gefunden. Papierwaben und das Expansionsverfahren wurden 1901 in Halle/Saale in Deutschland von Hans Heilbrun für dekorative Anwendungen erfunden. Erste Wabenstrukturen aus Wellblech wurden 1890 für die Bienenhaltung vorgeschlagen. Für den gleichen Zweck, als Fundamentplatten für mehr Honigernte, wurde 1878 ein Wabenformverfahren unter Verwendung einer Papierleimmischung patentiert. Die drei Grundtechniken für Die noch heute gebräuchlichen Wabenfertigungen – Expansion, Riffelung und Formgebung – wurden bereits 1901 für Nicht-Sandwich-Anwendungen entwickelt.

Hugo Junkers erforschte zuerst die Idee eines Wabenkerns innerhalb einer Laminatstruktur. Er schlug 1915 die ersten Wabenkerne für Flugzeuganwendungen vor und patentierte sie. Er beschrieb ausführlich sein Konzept, die gewebebespannten Flugzeugstrukturen durch Bleche zu ersetzen und argumentierte, dass ein Blech auch auf Druck belastet werden kann, wenn es in sehr kleinen Abständen abgestützt wird durch Aneinanderreihen einer Reihe von quadratischen oder rechteckigen Zellen oder dreieckigen oder sechseckigen Hohlkörpern. Das Problem, eine durchgehende Haut mit Zellkernen zu verbinden, führte Junkers später zu der offenen Wellstruktur, die vernietet oder verschweißt werden konnte.

Der erste Einsatz von Wabenstrukturen für strukturelle Anwendungen für Bauanträge und veröffentlichte bereits im Jahr 1914. Im Jahr 1934 unabhängig vorgeschlagen worden ist Edward G. Budd patentierte eine geschweißte Stahlwabensandwichplatte aus Wellblech und Claude Dornier Ziel 1937 zu lösen , um die Kern-Haut Bindungsproblem durch Rollen oder Pressen einer Haut, die sich in einem plastischen Zustand befindet, in die Kernzellwände. Die erste erfolgreiche strukturelle Verklebung von Waben-Sandwich-Strukturen wurde von Norman de Bruyne von Aero Research Limited erreicht , der 1938 einen Klebstoff mit der richtigen Viskosität zur Bildung von Harzleisten auf dem Wabenkern patentierte. Die nordamerikanische XB-70 Valkyrie wurde ausgiebig verwendet von Edelstahl- Wabenplatten mit einem von ihnen entwickelten Lötverfahren .

XB-70 des Dryden Flight Research Center 1968

Nachfolgend eine Zusammenfassung der wichtigsten Entwicklungen in der Geschichte der Wabentechnologie:

• 60 BC Diodor berichtet von einer goldenen Wabe hergestellt von Daedalus über Wachsausschmelzverfahren .
• 36 v. Chr. Marcus Varro berichtet von der effizientesten Nutzung von Raum und Baumaterialien durch sechseckige Form.
• 126 Das Pantheon wurde in Rom unter Verwendung einer Kassettenstruktur , einer versenkten Platte in Form einer quadratischen Struktur, um die Kuppel zu tragen, wiederaufgebaut .
• 1638 Galileo Galilei diskutiert Hohlkörper und deren Widerstandserhöhung ohne zusätzliches Gewicht.
• 1665 Robert Hooke entdeckt, dass die natürliche Zellstruktur von Kork der sechseckigen Honigbienenwabe ähnelt.
• 1859 Charles Darwin stellt fest, dass der Wabe der Bienenstockbiene absolut perfekt ist, um Arbeit und Wachs zu sparen.
• 1877 FH Küstermann erfindet ein Wabenformverfahren mit einer Papierleimmischung.
• 1890 Julius Steigel erfindet das Wabenherstellungsverfahren aus Wellblech.
• 1901 Hans Heilbrun erfindet die sechseckigen Papierwaben und das Expansionsverfahren.
• 1914 R. Höfler und S. Renyi patentieren die erste Verwendung von Wabenstrukturen für strukturelle Anwendungen.
• 1915 Hugo Junkers patentiert die ersten Wabenkerne für Flugzeuganwendungen.
• 1931 George Thomson schlägt vor, dekorative verbrauchte Papierwaben für leichte Gipskartonplatten zu verwenden.
• 1934 Edward G. Budd patentiert geschweißte Stahlwaben-Sandwichplatten aus Wellblechen.
• 1937 Claude Dornier patentiert eine Waben-Sandwichplatte mit in die Kernzellwände plastisch eingepressten Häuten.
• 1938 Norman de Bruyne patentiert die strukturelle Verklebung von Waben-Sandwich-Strukturen.
• 1941 John D. Lincoln schlägt die Verwendung von expandierten Papierwaben für Flugzeugradome vor
• 1948 Roger Steele wendet das Expansionsverfahren mit faserverstärkten Verbundplatten an.
• 1969 Boeing 747 enthält umfangreiche feuerbeständige Waben von Hexcel Composites unter Verwendung des Nomex-Aramidfaserpapiers von DuPont.
• 1980er Im Extrusionsverfahren hergestellte thermoplastische Waben werden eingeführt.

Herstellung

Wabenförmige Crash-Absorptionsstruktur aus spritzgegossenem thermoplastischem Polymer an einem BMW i3

Die drei traditionellen Wabenproduktionstechniken Expansion, Wellung und Formgebung wurden alle bis 1901 für Nicht-Sandwich-Anwendungen entwickelt. Für dekorative Anwendungen erreichte die erweiterte Wabenfertigung im ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts einen bemerkenswerten Automatisierungsgrad.

Heute werden Wabenkerne über das Expansionsverfahren und das Wellverfahren aus Verbundwerkstoffen wie glasfaserverstärktem Kunststoff (auch Fiberglas genannt), kohlefaserverstärktem Kunststoff , Nomex- Aramidpapier-verstärktem Kunststoff oder aus einem Metall (meist Aluminium ) hergestellt.

Waben aus Metallen (wie Aluminium) werden heute nach dem Expansionsverfahren hergestellt. Kontinuierliche Verfahren zum Falten von Waben aus einem einzigen Aluminiumblech nach dem Schneiden von Schlitzen wurden bereits um 1920 entwickelt. Eine kontinuierliche Inline-Produktion von Metallwaben kann durch Schneiden und Biegen von Metallrollen erfolgen.

Thermoplastische Wabenkerne (meist aus Polypropylen ) werden in der Regel durch Extrusion über einen Block aus extrudierten Profilen oder extrudierten Rohren verarbeitet, aus denen die Wabenplatten geschnitten werden.

Vor kurzem wurde ein neues, einzigartiges Verfahren zur Herstellung thermoplastischer Waben eingeführt, das eine kontinuierliche Herstellung eines Wabenkerns sowie eine Inline-Produktion von Waben mit direkter Kaschierung der Deckschichten zu kostengünstigen Sandwichelementen ermöglicht.

Anwendungen

Verbundwabenstrukturen wurden in zahlreichen technischen und wissenschaftlichen Anwendungen verwendet.

Neuere Entwicklungen zeigen , dass Wabenstrukturen in Anwendungen , bei denen nanohole Arrays in Ferner vorteilhaft sind eloxiertes Aluminiumoxid , mikroporösen Arrays in Polymer - Dünnschichten , Aktivkohlewabe und photonische Bandgap - Struktur Wabe.

Aerodynamik

Wabenförmiges, abgeschirmtes Zentrum für Langleys ersten Windkanal

Ein Waben Mesh wird häufig in verwendet Aerodynamik zu reduzieren oder Wind zu schaffen Turbulenzen . Es wird auch verwendet, um im Windkanal ein Standardprofil (Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit) zu erhalten. Ein wichtiger Faktor bei der Auswahl des richtigen Netzes ist das Längenverhältnis (Länge vs. Wabenzellendurchmesser) L/d .

Längenverhältnis <1: Honeycomb Maschen niedrigen Längenverhältnis kann auf Fahrzeuge vorne verwendet werden Gitter . Neben den ästhetischen Gründen werden diese Gewebe als Siebe verwendet, um ein gleichmäßiges Profil zu erhalten und die Turbulenzintensität zu reduzieren.

Längenverhältnis >> 1: Wabengewebe mit großem Längenverhältnis reduzieren seitliche Turbulenzen und Wirbel der Strömung. Frühe Windkanäle verwendeten sie ohne Bildschirme; Leider führte diese Methode zu einer hohen Turbulenzintensität in der Teststrecke. Die meisten modernen Tunnel verwenden sowohl Waben als auch Siebe.

Während Aluminiumwaben in der Industrie weit verbreitet sind, werden für spezielle Anwendungen auch andere Materialien angeboten. Personen, die Metallkonstruktionen verwenden, sollten darauf achten, Grate zu entfernen, da diese zusätzliche Turbulenzen verursachen können. Polycarbonat- Strukturen sind eine kostengünstige Alternative.

Die wabenförmige, abgeschirmte Mitte dieses offenen Lufteinlasses für Langleys ersten Windkanal sorgte für einen stetigen, nicht turbulenten Luftstrom. Zwei Mechaniker posieren in der Nähe des Eingangsendes des eigentlichen Tunnels, wo Luft durch eine Wabenanordnung in die Teststrecke gezogen wurde, um die Strömung zu glätten.

Honeycomb ist nicht der einzige verfügbare Querschnitt, um Wirbel in einem Luftstrom zu reduzieren. Quadratische, rechteckige, kreisförmige und sechseckige Querschnitte sind andere verfügbare Wahlen, obwohl Waben im Allgemeinen die bevorzugte Wahl sind.

Eigenschaften

Eine Verbund-Sandwichplatte (A) mit Wabenkern (C) und Deckschichten (B)

In Kombination mit zwei auf der Wabe aufgebrachten Häuten bietet die Struktur eine Sandwichplatte mit hervorragender Steifigkeit bei minimalem Gewicht. Das Verhalten der Wabenstrukturen ist orthotrop , dh die Platten reagieren je nach Ausrichtung der Struktur unterschiedlich. Daher muss zwischen den Symmetrierichtungen , der sogenannten L- und W-Richtung, unterschieden werden. Die L-Richtung ist die stärkste und die steifste Richtung. Die schwächste Richtung liegt bei 60° von der L-Richtung (im Fall eines regelmäßigen Sechsecks ) und die nachgiebigste Richtung ist die W-Richtung. Eine weitere wichtige Eigenschaft des Waben-Sandwichkerns ist seine Druckfestigkeit. Aufgrund der effizienten hexagonalen Konfiguration, bei der sich die Wände gegenseitig unterstützen, ist die Druckfestigkeit von Wabenkernen typischerweise höher (bei gleichem Gewicht) im Vergleich zu anderen Sandwich-Kernstrukturen wie beispielsweise Schaumkernen oder Wellkernen.

Die mechanischen Eigenschaften von Waben hängen von ihrer Zellgeometrie, den Eigenschaften des Materials, aus dem die Wabe aufgebaut ist (oft als Festkörper bezeichnet), einschließlich des Elastizitätsmoduls, der Streckgrenze und der Bruchspannung des Materials, und der relativen Dichte der Wabe (die Dichte der Wabe, normiert auf die des Festkörpers, ^* /ρ _s ). Es wurde festgestellt, dass die Elastizitätsmoduli von Waben mit niedriger Dichte unabhängig vom Festkörper sind. Die mechanischen Eigenschaften von Waben variieren auch in Abhängigkeit von der Richtung, in der die Last aufgebracht wird.

Belastung in der Ebene: Bei Belastung in Ebene wird oft davon ausgegangen, dass die Wandstärke der Wabe im Vergleich zur Wandlänge gering ist. Bei einer regulären Wabe ist die relative Dichte proportional zum Verhältnis von Wanddicke zu Wandlänge (t/L) und der Elastizitätsmodul ist proportional zu (t/L) ³ . Bei ausreichend hoher Druckbelastung erreicht die Wabe eine kritische Belastung und versagt aufgrund eines der folgenden Mechanismen – elastisches Knicken, plastisches Nachgeben oder sprödes Quetschen. Die Art des Versagens hängt vom Material des Festkörpers ab, aus dem die Wabe besteht. Elastisches Knicken der Zellwände ist die Versagensart für elastomere Materialien, duktile Materialien versagen aufgrund des plastischen Nachgebens und sprödes Quetschen ist die Versagensart, wenn der Feststoff spröde ist. Die elastische Knickspannung ist proportional zur relativen Dichte im Quadrat, die plastische Kollapsspannung ist proportional zur relativen Dichte im Quadrat und die spröde Druckspannung ist proportional zur relativen Dichte im Quadrat. Nach der kritischen Spannung und dem Versagen des Materials wird eine Plateauspannung im Material beobachtet, bei der Dehnungserhöhungen beobachtet werden, während die Spannung der Wabe ungefähr konstant bleibt. Sobald eine bestimmte Dehnung erreicht ist, beginnt das Material sich zu verdichten, da eine weitere Kompression die Zellwände zusammendrückt.

Belastung außerhalb der Ebene: Bei Belastung außerhalb der Ebene ist der Young-Modul einer regelmäßigen hexagonalen Wabe proportional zur relativen Dichte der Wabe. Die elastische Knickspannung ist proportional zu (t/L) ^3, während die plastische Knickspannung proportional zu (t/L) ^{5/3 ist} .

Die Form der Wabenzelle wird oft variiert, um verschiedenen technischen Anwendungen gerecht zu werden. Formen, die neben der regulären sechseckigen Zelle üblicherweise verwendet werden, umfassen dreieckige Zellen, quadratische Zellen und sechseckige Zellen mit kreisförmigem Kern und quadratische Zellen mit kreisförmigem Kern. Die relativen Dichten dieser Zellen hängen von ihrer neuen Geometrie ab.

Siehe auch

Wabengitter, das bei einem Computerlüfter verwendet wird , um Lüfterflügel abzudecken.

• Löcher aufhellen
• Metallschaum
• Hohler Strukturquerschnitt
• Verbundwerkstoff
• Sandwichstrukturierter Verbund
• Sandwichplattensystem
• Timoschenko-Strahltheorie
• Plattentheorie
• Sandwichplatte
• Dreiecksstruktur

Verweise