ハニカム構造

ハニカム構造は、ハニカムの形状を持つ自然または人工の 構造であり、使用する材料の量を最小限に抑えて、最小限の重量と最小限の材料コストを実現します。ハニカム構造の形状は多岐にわたりますが、すべてのこのような構造の共通の特徴は、薄い垂直壁の間に形成された中空のセルの配列です。セルの形状は円柱状や六角形であることが多いです。ハニカム形状の構造は、最小限の密度と比較的高い面外圧縮特性と面外せん断特性を備えた材料を提供します。^[1]

人工のハニカム構造材料は、通常、引張強度のある 2 つの薄い層の間にハニカム材料を重ねて作られます。これにより、プレート状のアセンブリが形成されます。ハニカム材料は、平面またはわずかに湾曲した表面が必要な場所で広く使用されており、高い比強度が役立ちます。このため、航空宇宙産業では広く使用されており、アルミニウム、グラスファイバー、高度な複合材料のハニカム材料は、1950 年代から航空機やロケットに使用されています。紙ベースのハニカム段ボールの形の梱包材から、スキーやスノーボードなどのスポーツ用品まで、他の多くの分野でも使用されています。

天然のハニカム構造には、蜂の巣、岩石に風化したハニカム、胃袋、骨などがあります。

人工ハニカム構造には、ハニカムコアを備えたサンドイッチ構造の複合材が含まれます。 ^[要出典]人工ハニカム構造は、用途や必要な特性に応じて、低荷重用途向けの低強度・低剛性の紙や熱可塑性プラスチックから、高性能用途向けの高強度・高剛性のアルミニウムや繊維強化プラスチックまで、さまざまな材料を使用して製造されます。積層パネルやサンドイッチパネルの強度は、パネルのサイズ、使用する表面材、およびその中のハニカムセルの数または密度によって異なります。ハニカム複合材は、航空宇宙産業、自動車、家具から包装や物流まで、多くの業界で幅広く使用されています。この材料の名前は、蜂の巣（六角形のシート構造）に視覚的に似ていることから付けられています。

ミツバチの六角形の巣は、古代から賞賛され、不思議に思われてきました。ギリシャ神話によると、最初の人工の蜂の巣は、3000年以上前にダイダロスがロストワックス鋳造で金から作ったと言われています。 ^[2] マルクス・ヴァロは、ギリシャの幾何学者ユークリッドとゼノドロスが、六角形が空間と建築材料を最も効率的に使用できることを発見したと報告しています。ローマのパンテオンのドームの内部のリブと隠し部屋は、蜂の巣構造の初期の例です。^[3]

ガリレオ・ガリレイは1638年に中空固体の耐久性について論じています。「芸術、そして自然は、重量を増やすことなく強度を高める何千もの作業に中空固体を利用しています。鳥の骨や、軽くて曲げたり折れたりしにくい多くの茎にそれが見られます」。^[4] ロバート・フックは1665年にコルクの自然な細胞構造がミツバチの六角形の巣に似ていることを発見しました。^[5]そしてチャールズ・ダーウィンは1859年に「私たちが知る限り、ミツバチの巣の巣は労力とワックスを節約するのに完璧です」と述べています。^[6]

最初の紙製ハニカム構造は、2000年前に中国人が装飾用に作ったものと思われるが、これに関する文献は見つかっていない。紙製ハニカムとその膨張製造工程は、1901年にドイツのハレ/ザーレでハンス・ハイルブルンによって装飾用途で発明された^{[7] 。波形金属板から作られた最初のハニカム構造は、1890年に養蜂用に提案された。 [8]}同じ目的で、より多くの蜂蜜を採取するための基礎シートとして、紙糊の混合物を使用したハニカム成形工程が1878年に特許を取得していた。 ^[9]今日でも使用されているハニカム製造の3つの基本技術、膨張、波形化、成形は、1901年までにサンドイッチ以外の用途ですでに開発されていた。

ヒューゴ・ユンカースは、積層構造内にハニカムコアを入れるというアイデアを初めて研究した。彼は1915年に航空機用として最初のハニカムコアを提案し、特許を取得した。^[10]彼は、航空機の構造を覆う布を金属板に置き換えるという構想を詳細に説明し、正方形や長方形のセル、あるいは三角形や六角形の中空体を並べて非常に狭い間隔で支えれば、金属板も圧縮荷重をかけられると推論した。連続した外皮をセル状コアに接着するという問題から、ユンカースは後に、リベット留めや溶接で接合できるオープン波形構造にたどり着いた。

ハニカム構造の構造用途での最初の使用は、建築用途で独立して提案され、1914年にすでに発表されていました。^[11] 1934年にエドワード・G・バッドは波形金属板から溶接された鋼鉄ハニカムサンドイッチパネルの特許を取得し、クロード・ドルニエは1937年に可塑性状態のスキンをコアセル壁に巻き付けるか押し付けることによってコアスキンの接着問題を解決することを目指しました。^[12]ハニカムサンドイッチ構造の最初の成功した構造接着接合は、エアロリサーチリミテッドのノーマン・デ・ブリュインによって達成されました。彼は1938年にハニカムコアに樹脂フィレットを形成するのに適した粘度の接着剤の特許を取得しました。^[13]ノースアメリカンのXB-70ヴァルキリーは、彼らが開発したろう付けプロセスを使用してステンレス鋼ハニカムパネルを広範に使用しました。

ハニカム技術の歴史における重要な発展の概要は以下の通りである。^[14]

• 紀元前60年、シケリアのディオドロスは、ダイダロスがロストワックス鋳造法で金のハニカムを製造したと報告している。
• 紀元前36年、マーカス・ヴァロは六角形の形状が空間と建築資材の最も効率的な利用法であると報告しました。
• 126 パンテオンはローマで再建され、ドームを支えるために格天井構造、つまり四角い構造の形をした沈んだパネルが使用されました。
• 1638ガリレオ・ガリレイは中空の固体について、重量を加えずに抵抗が増加することを論じた。
• 1665年、ロバート・フックはコルクの天然細胞構造が六角形のミツバチの巣に似ていることを発見しました。
• 1859年、チャールズ・ダーウィンは、ミツバチの巣は労力と蜜ろうを節約するのに最適であると述べました。
• 1877年、FHクスターマンは紙糊混合物を使用したハニカム成形プロセスを発明しました。
• 1890年、ユリウス・シュタイゲルが波形金属板からハニカムを製造するプロセスを発明した。
• 1901年、ハンス・ハイルブルンが六角形の紙製ハニカムと膨張式製造プロセスを発明。
• 1914年、R. HöflerとS. Renyiが、構造用途におけるハニカム構造の初めての特許を取得しました。
• 1915年、ヒューゴ・ユンカースが航空機用の最初のハニカムコアの特許を取得。
• 1931年、ジョージ・トムソンは軽量石膏ボードパネルに装飾的な紙製ハニカムを使用することを提案しました。
• 1934年、エドワード・G・バッドは波形金属板から溶接された鋼鉄ハニカムサンドイッチパネルの特許を取得しました。
• 1937年、クロード・ドルニエは、プラスチック状態のスキンをコアセル壁に押し付けたハニカムサンドイッチパネルの特許を取得しました。
• 1938年、ノーマン・デ・ブリュインがハニカムサンドイッチ構造の構造接着接合の特許を取得。
• 1941年 ジョン・D・リンカーンは航空機のレドームに紙製のハニカム構造の使用を提案した。
• 1948 ロジャー・スティールは繊維強化複合シートを使用した拡張生産プロセスを適用しました。
• 1969 年のボーイング 747 には、デュポン社のノーメックス アラミド繊維紙を使用した Hexcel Composites 社の広範囲にわたる耐火ハニカムが組み込まれました。
• 1980 年代 押し出し成形法で製造される熱可塑性ハニカムが導入されました。

従来のハニカム製造技術である拡張、波形成形、成形の 3 つは、サンドイッチ以外の用途向けに 1901 年までにすべて開発されました。装飾用途では、拡張ハニカム製造は 20 世紀の最初の 10 年間で驚くほど自動化されました。

現在、ハニカムコアは、ガラス繊維強化プラスチック（グラスファイバーとも呼ばれる）、炭素繊維強化プラスチック、ノーメックスアラミド紙強化プラスチック、または金属（通常はアルミニウム）などの複合材料から、拡張プロセスと波形プロセスを経て製造されています。^[15]

金属（アルミニウムなど）のハニカムは現在、膨張法で生産されています。1枚のアルミニウム板にスリットを入れ、ハニカムを折り畳む連続工程は、1920年頃にはすでに開発されていました。^[16] 金属ロールを切断して曲げることにより、金属ハニカムの連続インライン生産が可能です。^[17]

熱可塑性ハニカムコア（通常はポリプロピレン製）は、通常、押し出し成形品のブロック^[18]または押し出し成形チューブ^{[19] [20]}からハニカムシートを切り出して押し出し加工することによって作られます。

最近、熱可塑性ハニカムを製造するための新しい独自のプロセスが導入され、ハニカムコアの連続生産^[21]と、スキンを直接積層してコスト効率の高いサンドイッチパネルを製造するハニカムのインライン生産が可能になりました。^[22]

複合ハニカム構造は、数多くの工学および科学の用途で使用されてきました。

^{さらに最近の開発では、ハニカム構造は、陽極酸化アルミナのナノホールアレイ[23]}、ポリマー 薄膜の微細孔アレイ^{[24] 、} 活性炭ハニカム^[25]、フォトニックバンドギャップハニカム構造^[26]などの用途にも有利であることが示されています。

ハニカムメッシュは、空気力学において、風の乱流を低減または発生させるためによく使用されます。また、風洞内で標準プロファイル (温度、流速) を得るためにも使用されます。適切なメッシュを選択する際の主な要素は、長さ比 (長さ対ハニカム セル直径) L/dです。

長さ比<1：長さ比の低いハニカムメッシュは、車両のフロントグリルに使用できます。美観上の理由のほかに、これらのメッシュは均一なプロファイルを実現し、乱流の強度を減らすためのスクリーンとして使用されます。^[27]

長さ比 >> 1: 長さ比の大きいハニカム メッシュは、流れの横方向の乱流と渦流を軽減します。初期の風洞では、スクリーンなしでハニカム メッシュが使用されていましたが、残念ながら、この方法ではテスト セクションに高い乱流強度が生じました。現代の風洞のほとんどは、ハニカムとスクリーンの両方を使用しています。

業界ではアルミニウム製のハニカムが一般的に使用されていますが、特定の用途向けに他の素材も提供されています。金属構造を使用する場合は、バリによって乱流がさらに発生する可能性があるため、バリの除去に注意する必要があります。ポリカーボネート構造は低コストの代替品です。

ラングレーの最初の風洞のこの開放型空気取り入れ口の中央はハニカム構造で、スクリーンで覆われており、安定した乱流のない空気の流れを確保しています。2 人のメカニックが、空気がハニカム構造を通ってテスト セクションに引き込まれ、流れがスムーズになる実際の風洞の入口端近くでポーズをとっています。

ハニカムは、気流の渦を減らすために利用できる唯一の断面ではありません。正方形、長方形、円形、六角形の断面も選択肢としてありますが、一般的にはハニカムが好まれます。^[28]

ハニカムに施された 2 つのスキンとの組み合わせにより、この構造は最小限の重量で優れた剛性を備えたサンドイッチ パネルを提供します。ハニカム構造の挙動は直交異方性であり、パネルは構造の向きに応じて異なる反応を示します。したがって、対称方向、いわゆる L 方向と W 方向を区別する必要があります。L 方向は最も強く、最も硬い方向です。最も弱い方向は L 方向から 60° の方向 (正六角形の場合) で、最も柔軟な方向は W 方向です。^[1] ハニカム サンドイッチ コアのもう 1 つの重要な特性は、その圧縮強度です。壁が互いに支え合う効率的な六角形構成により、ハニカム コアの圧縮強度は、フォーム コアや波形コアなどの他のサンドイッチ コア構造と比較して、通常は高くなります (同じ重量の場合)。

ハニカムの機械的特性はそのセルの形状、ハニカムを構成する材料（固体と呼ばれることが多い）の特性（材料のヤング率、降伏応力、破壊応力など）とハニカムの相対密度（固体の密度で正規化したハニカムの密度、ρ ^* /ρ _s）によって決まります。^{[29] [30]}低密度ハニカムの有効弾性係数と固体のヤング率の比、例えば、、およびは、固体とは無関係です。^[31]ハニカムの機械的特性は、荷重が適用される方向によっても異なります。 ${\displaystyle \kappa ^{*}/E_{\text{s}}}$${\displaystyle E^{*}/E_{\text{s}}}$

面内荷重：面内荷重では、ハニカムの壁の厚さは壁の長さに比べて小さいと想定されることが多い。通常のハニカムの場合、相対密度は壁の厚さと壁の長さの比（t / L）に比例し、ヤング率は（t / L）³に比例する。^{[29] [30]}十分に高い圧縮荷重がかかると、ハニカムは臨界応力に達し、弾性座屈、塑性降伏、または脆性破砕のいずれかのメカニズムにより破損する。^[29]破損モードは、ハニカムが作られている固体の材料に依存する。セル壁の弾性座屈は、エラストマー材料の破損モードであり、^[30]延性材料は塑性降伏により破損し、脆性破砕は固体が脆い場合の破損モードである。^{[29] [30]}弾性座屈応力は相対密度の3乗に比例し、塑性崩壊応力は相対密度の2乗に比例し、脆性圧潰応力は相対密度の2乗に比例します。^{[29] [30]}材料の臨界応力と破損に続いて、材料にプラトー応力が観察され、ハニカムの応力はほぼ一定のままである一方で、ひずみの増加が観察されます。^[30]一定のひずみに達すると、材料はさらなる圧縮によってセル壁が押し付けられ、緻密化が始まります。^[30]

面外荷重：面外荷重下では、正六角形ハニカムの面外ヤング率はハニカムの相対密度に比例します。^[29]弾性座屈応力は（t / L）^{3に比例し、塑性座屈応力は（t / L） 5 / 3}に比例します。^[29]

ハニカムセルの形状は、さまざまな工学用途に合わせて変更されることが多い。正六角形セルの他によく使用される形状には、三角形セル、正方形セル、円形コアの六角形セル、円形コアの正方形セルなどがある。^[32]これらのセルの相対密度は、新しい形状によって決まる。

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