هيكل خلية النحل

الهياكل الشبيهة بخلايا النحل هي هياكل طبيعية أو من صنع الإنسان تتخذ شكل خلية النحل ، مما يسمح بتقليل كمية المواد المستخدمة إلى أدنى حد ممكن، وبالتالي الوصول إلى أقل وزن وأقل تكلفة للمواد . تتنوع أشكال هذه الهياكل بشكل كبير، ولكن السمة المشتركة بينها جميعًا هي مجموعة من الخلايا المجوفة المتكونة بين جدران رأسية رقيقة. غالبًا ما تكون هذه الخلايا عمودية أو سداسية الشكل. يوفر الهيكل الشبيه بخلايا النحل مادة ذات كثافة منخفضة وخصائص انضغاط وقص عالية نسبيًا خارج المستوى . ^{[ 1 ]}

تُصنع المواد الهيكلية ذات البنية الخلوية عادةً عن طريق وضع طبقة من مادة ذات بنية خلوية بين طبقتين رقيقتين توفران لها قوة تحمل للشد ، مما يُشكل بنية شبيهة بالصفائح. تُستخدم هذه المواد على نطاق واسع في التطبيقات التي تتطلب أسطحًا مستوية أو منحنية قليلاً، حيث تُعد قوتها النوعية العالية ميزة قيّمة. ولهذا السبب، تُستخدم بكثرة في صناعة الطيران والفضاء ، وقد استُخدمت مواد ذات بنية خلوية من الألومنيوم والألياف الزجاجية والمواد المركبة المتقدمة في الطائرات والصواريخ منذ خمسينيات القرن الماضي. كما تُستخدم أيضًا في العديد من المجالات الأخرى، بدءًا من مواد التغليف المصنوعة من ورق مقوى ذي بنية خلوية، وصولًا إلى الأدوات الرياضية مثل الزلاجات وألواح التزلج على الجليد.

تشمل الهياكل الطبيعية الشبيهة بخلايا النحل خلايا النحل ، وتجوية خلايا النحل في الصخور ، والكرشة ، والعظام .

تشمل الهياكل الاصطناعية ذات البنية الشبيهة بخلايا النحل مركبات ذات بنية شطيرية تحتوي على لبٍّ شبيه بخلايا النحل . تُصنع هذه الهياكل باستخدام مجموعة متنوعة من المواد المختلفة، وذلك تبعًا للتطبيق المقصود والخصائص المطلوبة، بدءًا من الورق أو اللدائن الحرارية ، المستخدمة للتطبيقات ذات القوة والصلابة المنخفضة للأحمال الخفيفة ، وصولًا إلى المواد ذات القوة والصلابة العالية للتطبيقات عالية الأداء، مثل الألومنيوم أو البلاستيك المقوى بالألياف. تعتمد قوة الألواح الرقائقية أو الشطيرية على حجم اللوح، ومادة التغطية المستخدمة، وعدد أو كثافة خلايا النحل داخله. تُستخدم مركبات خلايا النحل على نطاق واسع في العديد من الصناعات، من صناعات الطيران والفضاء والسيارات والأثاث إلى التعبئة والتغليف والخدمات اللوجستية. تستمد هذه المادة اسمها من تشابهها البصري مع خلية النحل - وهي بنية صفائحية سداسية الشكل.

لطالما أثار قرص العسل السداسي إعجابًا ودهشةً منذ القدم. ووفقًا للأساطير اليونانية، يُقال إن أول قرص عسل من صنع الإنسان صنعه ديدالوس من الذهب بتقنية الصب بالشمع المفقود قبل أكثر من 3000 عام. ^{[ 2 ]} ويذكر ماركوس فارو أن عالمي الهندسة اليونانيين إقليدس وزينودوروس وجدا أن الشكل السداسي يُحقق الاستخدام الأمثل للمساحة ومواد البناء. وتُعدّ الأضلاع الداخلية والحجرات المخفية في قبة البانثيون في روما مثالًا مبكرًا على بنية قرص العسل . ^{[ 3 ]}

ناقش غاليليو غاليلي في عام 1638 مقاومة الأجسام المجوفة، قائلاً: "يستفيد الفن، والطبيعة أكثر من ذلك، من هذه المقاومة في آلاف العمليات التي تزيد من المتانة دون إضافة وزن، كما هو الحال في عظام الطيور وفي العديد من السيقان الخفيفة والمقاومة جدًا للانحناء والكسر". ^{[ 4 ]} اكتشف روبرت هوك في عام 1665 أن البنية الخلوية الطبيعية للفلين تشبه قرص العسل السداسي. ^{[ 5 ]} وذكر تشارلز داروين في عام 1859 أن "قرص العسل، على حد علمنا، مثالي تمامًا في ترشيد الجهد والشمع". ^{[ 6 ]}

ربما صنع الصينيون أولى هياكل قرص العسل الورقية قبل ألفي عام لأغراض الزينة، ولكن لم يُعثر على أي مرجع يؤكد ذلك. [cn] اخترع هانز هايلبرون في مدينة هاله/سال الألمانية عام 1901 ^{[ 7 ]} أقراص العسل الورقية وعملية إنتاجها بالتمدد لأغراض الزينة. [8] وكانت أولى هياكل قرص العسل المصنوعة من صفائح معدنية مموجة قد اقتُرحت لتربية النحل عام 1890. ^{[ 9 ]} وللغرض نفسه، كصفائح أساسية لحصاد المزيد من العسل، سُجّلت براءة اختراع لعملية تشكيل قرص العسل باستخدام خليط من معجون الورق والغراء عام 1878. ^{[ 9 ]} أما التقنيات الأساسية الثلاث لإنتاج قرص العسل التي لا تزال تُستخدم حتى اليوم - التمدد والتمويج والتشكيل - فقد طُوّرت بحلول عام 1901 لتطبيقات غير تقليدية.

استكشف هوغو يونكرز فكرة النواة الخلوية داخل الهيكل الرقائقي لأول مرة. واقترح وحصل على براءة اختراع لأول نوى خلوية لتطبيقات الطائرات عام 1915. ^{[ 10 ]} وصف بالتفصيل مفهومه لاستبدال هياكل الطائرات المغطاة بالقماش بألواح معدنية، ورأى أن اللوح المعدني يمكن أن يتعرض للضغط إذا تم دعمه على مسافات صغيرة جدًا عن طريق ترتيب سلسلة من الخلايا المربعة أو المستطيلة أو الأجسام المجوفة المثلثة أو السداسية جنبًا إلى جنب. أدت مشكلة ربط غلاف متصل بالنوى الخلوية إلى ابتكار يونكرز لاحقًا للهيكل المموج المفتوح، والذي يمكن تثبيته بالمسامير أو اللحام.

طُرح أول استخدام لهياكل قرص العسل في التطبيقات الإنشائية بشكل مستقل في مجال البناء ونُشر عام 1914. ^{[ 11 ]} وفي عام 1934، حصل إدوارد ج. باد على براءة اختراع للوحة ساندويتشية من الفولاذ الملحوم على شكل قرص عسل مصنوعة من صفائح معدنية مموجة، وفي عام 1937، سعى كلود دورنييه إلى حل مشكلة ربط اللب بالطبقة الخارجية عن طريق دحرجة أو ضغط طبقة خارجية في حالة لدنة داخل جدران خلايا اللب. ^{[ 12 ]} حقق نورمان دي بروين من شركة Aero Research Limited أول ربط لاصق هيكلي ناجح لهياكل ساندويتشية على شكل قرص العسل ، حيث حصل على براءة اختراع لمادة لاصقة ذات لزوجة مناسبة لتشكيل طبقات راتنجية على لب قرص العسل عام 1938. ^{[ 13 ]} استخدمت طائرة North American XB-70 Valkyrie على نطاق واسع ألواح قرص العسل المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ باستخدام عملية لحام طورتها الشركة.

فيما يلي ملخص لأهم التطورات في تاريخ تكنولوجيا قرص العسل: ^{[ 14 ]}

• يذكر ديودور الصقلي في عام 60 قبل الميلاد أن ديدالوس صنع قرص عسل ذهبيًا باستخدام تقنية الصب بالشمع المفقود .
• يشير ماركوس فارو في عام 36 قبل الميلاد إلى أن الشكل السداسي هو الاستخدام الأمثل للمساحة ومواد البناء .
• 126 أعيد بناء البانثيون في روما باستخدام هيكل مقبب ، وهو عبارة عن لوحة غائرة على شكل هيكل مربع، لدعم قبته.
• في عام 1638، ناقش غاليليو غاليلي الأجسام الصلبة المجوفة وقدرتها على زيادة المقاومة دون إضافة وزن.
• في عام 1665، اكتشف روبرت هوك أن البنية الخلوية الطبيعية للفلين تشبه قرص العسل السداسي.
• في عام 1859، ذكر تشارلز داروين أن قرص العسل الخاص بنحلة الخلية مثالي تمامًا في توفير العمالة والشمع.
• في عام 1877، اخترع إف إتش كوسترمان عملية تشكيل على شكل قرص العسل باستخدام خليط من معجون الورق والغراء.
• في عام 1890، اخترع يوليوس شتايجل عملية إنتاج خلايا النحل من الصفائح المعدنية المموجة.
• في عام 1901، اخترع هانز هايلبرون خلايا النحل الورقية السداسية وعملية الإنتاج بالتمدد.
• في عام 1914، حصل كل من ر. هوفلر وس. ريني على براءة اختراع لأول استخدام لهياكل قرص العسل في التطبيقات الهيكلية.
• في عام 1915، حصل هوغو يونكرز على براءة اختراع لأولى النوى الخلوية لتطبيقات الطائرات.
• في عام 1931، اقترح جورج طومسون استخدام أقراص العسل الورقية المزخرفة والمستهلكة لألواح الجبس الخفيفة.
• في عام 1934، حصل إدوارد جي. باد على براءة اختراع للوحة ساندويتشية من الفولاذ الملحوم على شكل قرص العسل مصنوعة من صفائح معدنية مموجة.
• في عام 1937، حصل كلود دورنييه على براءة اختراع للوحة ساندويتش على شكل قرص العسل مع طبقات خارجية مضغوطة في حالة بلاستيكية داخل جدران الخلية الأساسية.
• في عام 1938، حصل نورمان دي بروين على براءة اختراع للربط اللاصق الهيكلي للهياكل الساندويتشية على شكل قرص العسل.
• في عام 1941، اقترح جون د. لينكولن استخدام هياكل قرص العسل الورقية الموسعة في أغطية الرادار للطائرات.
• في عام 1948، قام روجر ستيل بتطبيق عملية الإنتاج بالتمدد باستخدام صفائح مركبة مقواة بالألياف.
• طائرة بوينغ 747 موديل 1969 تتضمن خلايا نحل واسعة النطاق مقاومة للحريق من شركة هيكسل كومبوزيتس باستخدام ورق ألياف الأراميد نومكس من شركة دوبونت.
• تم طرح أقراص العسل المصنوعة من اللدائن الحرارية في ثمانينيات القرن العشرين، والتي يتم إنتاجها عن طريق عمليات البثق.

طُوّرت تقنيات إنتاج أقراص العسل التقليدية الثلاث، وهي التمديد والتجعيد والقولبة، بحلول عام 1901 لتطبيقات غير الساندويتش. أما بالنسبة للتطبيقات الزخرفية، فقد بلغ إنتاج أقراص العسل الموسّعة درجةً ملحوظةً من الأتمتة في العقد الأول من القرن العشرين.

تُصنع اليوم لبّات قرص العسل من خلال عملية التمدد وعملية التموج من مواد مركبة مثل البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية (المعروف أيضًا باسم الألياف الزجاجية)، والبلاستيك المقوى بألياف الكربون ، والبلاستيك المقوى بورق نومكس أراميد، أو من معدن (عادةً الألومنيوم ). ^{[ 15 ]}

تُصنع خلايا النحل المعدنية (مثل الألومنيوم) اليوم بعملية التمدد. وقد طُوّرت عمليات طي خلايا النحل من صفيحة ألومنيوم واحدة بعد عمل شقوق فيها منذ حوالي عام 1920. ^{[ 16 ]} ويمكن إنتاج خلايا النحل المعدنية بشكل متواصل من لفائف معدنية عن طريق القطع والثني. ^{[ 17 ]}

عادة ما يتم تصنيع لب قرص العسل المصنوع من اللدائن الحرارية (عادة من البولي بروبيلين ) عن طريق البثق الذي تتم معالجته عبر كتلة من المقاطع المبثوقة ^{[ 18 ]} أو الأنابيب المبثوقة ^{[ 19 ] [ 20 ]} والتي يتم تقطيع صفائح قرص العسل منها.

تم مؤخراً تطبيق عملية جديدة وفريدة من نوعها لإنتاج خلايا النحل المصنوعة من اللدائن الحرارية، مما يسمح بالإنتاج المستمر ^{[ 21 ]} لقلب خلية النحل بالإضافة إلى الإنتاج المباشر لخلايا النحل مع الترقق المباشر للطبقات الخارجية في ألواح ساندويتش فعالة من حيث التكلفة. ^{[ 22 ]}

تم استخدام الهياكل المركبة على شكل قرص العسل في العديد من التطبيقات الهندسية والعلمية.

تُظهر التطورات الحديثة أن هياكل قرص العسل مفيدة أيضًا في التطبيقات التي تتضمن مصفوفات الثقوب النانوية في الألومينا المؤكسدة ، ^{[ 23 ]} ومصفوفات المسام الدقيقة في الأغشية الرقيقة البوليمرية ، ^{[ 24 ]} وهياكل قرص العسل الكربونية المنشطة ، ^{[ 25 ]} وهياكل قرص العسل ذات فجوة النطاق الفوتوني . ^{[ 26 ]}

تُستخدم الشبكة ذات الشكل السداسي غالبًا في الديناميكا الهوائية لتقليل اضطراب الرياح أو إحداثه . كما تُستخدم للحصول على شكل قياسي في نفق الرياح (درجة الحرارة، سرعة التدفق). ومن أهم العوامل في اختيار الشبكة المناسبة نسبة الطول (الطول مقابل قطر خلية قرص العسل) L/d .

نسبة الطول < 1: يمكن استخدام شبكات قرص العسل ذات نسبة الطول المنخفضة في الشبكة الأمامية للمركبات . إلى جانب الأسباب الجمالية، تُستخدم هذه الشبكات كحواجز للحصول على مظهر موحد وتقليل شدة الاضطراب. ^{[ 27 ]}

نسبة الطول >> 1: تعمل الشبكات السداسية ذات نسبة الطول الكبيرة على تقليل الاضطراب الجانبي والدوامات في التدفق. استخدمت أنفاق الرياح القديمة هذه الشبكات بدون شاشات؛ ولكن لسوء الحظ، أدت هذه الطريقة إلى زيادة شدة الاضطراب في قسم الاختبار. تستخدم معظم الأنفاق الحديثة كلاً من الشبكات السداسية والشاشات.

على الرغم من شيوع استخدام هياكل الألومنيوم على شكل خلايا نحل في الصناعة، إلا أن هناك مواد أخرى متاحة لتطبيقات محددة. ينبغي على مستخدمي الهياكل المعدنية الحرص على إزالة النتوءات لأنها قد تُسبب اضطرابات إضافية. تُعد هياكل البولي كربونات بديلاً منخفض التكلفة.

يضمن تصميم مركز مدخل الهواء ذي الدائرة المفتوحة، والمُزوّد ​​بشبكة على شكل خلية نحل، والمُصمّم لأول نفق هوائي في لانغلي، تدفقًا ثابتًا للهواء دون اضطراب. يقف فنيان بالقرب من مدخل النفق الفعلي، حيث يتم سحب الهواء إلى قسم الاختبار عبر تصميم على شكل خلية نحل لتسهيل تدفقه.

لا يُعدّ شكل قرص العسل المقطع العرضي الوحيد المتاح لتقليل الدوامات في تدفق الهواء. فالمقاطع العرضية المربعة والمستطيلة والدائرية والسداسية هي خيارات أخرى متاحة، على الرغم من أن شكل قرص العسل هو الخيار المفضل عمومًا. ^{[ 28 ]}

بالإضافة إلى طبقتين خارجيتين تُطبقان على هيكل قرص العسل، يوفر هذا الهيكل لوحة ساندويتشية تتميز بصلابة فائقة مع وزن خفيف للغاية. تتسم هياكل قرص العسل بسلوك متعامد الخواص ، أي أن الألواح تتفاعل بشكل مختلف تبعًا لاتجاه الهيكل. لذلك، من الضروري التمييز بين اتجاهي التناظر ، وهما الاتجاه L والاتجاه W. يُعد الاتجاه L هو الأقوى والأكثر صلابة. أما الاتجاه الأضعف فهو عند زاوية 60 درجة من الاتجاه L (في حالة الشكل السداسي المنتظم )، بينما يُعد الاتجاه W هو الأكثر مرونة. ^{[ 1 ]} من الخصائص المهمة الأخرى لقلب قرص العسل الساندويتشية مقاومته للضغط. فبفضل التكوين السداسي الفعال، حيث تدعم الجدران بعضها بعضًا، تكون مقاومة الضغط لقلوب قرص العسل أعلى عادةً (عند نفس الوزن) مقارنةً بهياكل الساندويتش الأخرى، مثل قلوب الرغوة أو القلوب المموجة.

تعتمد الخصائص الميكانيكية لخلايا النحل على هندسة خلاياها، وخصائص المادة التي تُصنع منها (والتي يُشار إليها غالبًا بالمادة الصلبة)، والتي تشمل معامل يونغ، وإجهاد الخضوع، وإجهاد الكسر للمادة، والكثافة النسبية لخلية النحل (كثافة خلية النحل مقسومة على كثافة المادة الصلبة، ρ ^* /ρs ₎ . ^{[ 29 ] [ 30 ]} نسبة معاملات المرونة الفعالة إلى معاملات يونغ للمادة الصلبة، على سبيل المثال ،${\displaystyle \kappa ^{*}/E_{\text{s}}}$و${\displaystyle E^{*}/E_{\text{s}}}$إن خصائص خلايا النحل منخفضة الكثافة مستقلة عن المادة الصلبة. ^{[ 31 ]} كما تختلف الخصائص الميكانيكية لخلايا النحل باختلاف اتجاه تطبيق الحمل.

التحميل المستوي: في حالة التحميل المستوي، يُفترض عادةً أن سُمك جدار خلية النحل صغير مقارنةً بطوله. بالنسبة لخلية نحل منتظمة، تتناسب الكثافة النسبية طرديًا مع نسبة سُمك الجدار إلى طوله (t/L)، ويتناسب معامل يونغ طرديًا مع (t/L) ^³ . ^{[ 29 ] [ 30 ]} عند تعرض خلية النحل لحمل ضغط عالٍ بما يكفي، تصل إلى إجهاد حرج وتنهار نتيجةً لإحدى الآليات التالية: الانبعاج المرن، أو الخضوع اللدن، أو التكسر الهش. ^{[ 29 ]} يعتمد نمط الانهيار على مادة المادة الصلبة التي تُصنع منها خلية النحل. يُعد الانبعاج المرن لجدران الخلايا نمط الانهيار للمواد المطاطية، ^{[ 30 ]} بينما تنهار المواد المطيلية نتيجةً للخضوع اللدن، ويكون التكسر الهش نمط الانهيار عندما تكون المادة الصلبة هشة. ^{[ 29 ] [ 30 ]} يتناسب إجهاد الانبعاج المرن طرديًا مع مكعب الكثافة النسبية، ويتناسب إجهاد الانهيار اللدن طرديًا مع مربع الكثافة النسبية، ويتناسب إجهاد السحق الهش طرديًا مع مربع الكثافة النسبية. ^{[ 29 ] [ 30 ]} بعد بلوغ الإجهاد الحرج وفشل المادة، يُلاحظ استقرار في إجهاد المادة، حيث تزداد الانفعالات بينما يبقى إجهاد خلية النحل ثابتًا تقريبًا. ^{[ 30 ]} بمجرد بلوغ انفعال معين، تبدأ المادة في الخضوع لعملية التكثيف مع ازدياد الضغط الذي يدفع جدران الخلايا معًا. ^{[ 30 ]}

التحميل خارج المستوى: تحت تأثير التحميل خارج المستوى، يتناسب معامل يونغ خارج المستوى لخلايا النحل السداسية المنتظمة طرديًا مع الكثافة النسبية لخلية النحل. ^{[ 29 ]} يتناسب إجهاد الانبعاج المرن طرديًا مع (t/L) ^3، بينما يتناسب إجهاد الانبعاج اللدن طرديًا مع (t/L) ^5/3 . ^{[ 29 ]}

غالبًا ما يُغيّر شكل خلية قرص العسل لتلبية تطبيقات هندسية مختلفة. تشمل الأشكال الشائعة الاستخدام، إلى جانب الخلية السداسية المنتظمة، الخلايا المثلثية والمربعة، والخلايا السداسية ذات النواة الدائرية، والخلايا المربعة ذات النواة الدائرية. ^{[ 32 ]} تعتمد الكثافة النسبية لهذه الخلايا على هندستها الجديدة. يمكن أيضًا استلهام هذه الأشكال من التبليط الرياضي؛ إذ يُمكن للتبليط الدوري أن يُوفر نطاقًا واسعًا من الخصائص الميكانيكية. ومن الأمور ذات الأهمية الخاصة التحكم في نسبة بواسون ومعامل المرونة . ^{[ 33 ]} نادرًا ما يُعطي التبليط الدوري، بخلاف السداسيات والمثلثات، نفس الاستجابة الميكانيكية في جميع الاتجاهات، وهي ظاهرة تُعرف باسم التباين . ^{[ 34 ]} وُجد أن خلايا قرص العسل القائمة على التبليط غير الدوري ، مثل تبليط بنروز ، تُوفر نطاقًا واسعًا من الأداء الميكانيكي، جميعها متجانسة الخواص في المستوى. ^{[ 35 ]}

• فتحة تهوية
• رغوة معدنية
• مقطع هيكلي مجوف
• المواد المركبة
• مركب ذو بنية ساندويتش
• نظام طبق الساندويتش
• نظرية تيموشينكو للشعاع
• نظرية الصفائح
• لوحة ساندويتش
• بنية المثلث