การพัฒนานวัตกรรมทางด้านวัสดุ การออกแบบและกระบวนการผลิต

แนวคิด ทฤษฎี และสมมติฐานงานวิจัย

การพัฒนานวัตกรรมทางด้านวัสดุ การออกแบบและกระบวนการผลิตสามารถช่วยเพิ่มขีดความสามารถให้ผู้ประกอบการไทยในการผลิตชิ้นส่วนที่มีมูลค่าสูง รวมถึงทั้งลดต้นทุนการผลิต นอกจากนั้นยังเปิดโอกาสให้เกิดการใช้เทคโนโลยีสมัยใหม่ในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ส่วนสำคัญต่อการพัฒนาเศรษฐกิจของประเทศไม่ว่าจะเป็น อุตสาหกรรมการผลิตชิ้นส่วนยานยนต์ อากาศยาน อุปกรณ์การแพทย์และพลังงานทดแทน อย่างไรก็ตามการนำเทคโนโลยีเหล่านี้มาใช้ให้เกิดประโยชน์สูงสุดมีความจำเป็นที่จะต้องเข้าใจพื้นฐานของเทคโนโลยีอย่างถ่องแท้ โครงการวิจัยชุดนี้จึงให้ความสำคัญไปที่การทำความเข้าใจรวมถึงพัฒนากระบวนการขึ้นรูปจากเทคโนโลยีแบบต่างๆ รวมถึงการออกแบบอุปกรณ์การเก็บเกี่ยวพลังงานที่ใช้ความรู้ในลักษณะสหสาวิชา เนื้อหาข้างล่างได้ทำการสรุป แนวคิด ทฤษฎี และสมมติฐานงานวิจัย ของต่อละโครงการย่อยอย่างย่อ โดยแนวคิด ทฤษฎี และสมมติฐานงานวิจัยที่สมบูรณ์นั้นได้ถูกเขียนไว้ที่เอกสารของโครงการย่อยแต่ละฉบับ

โครงการย่อยที่ 1: การศึกษาการเชื่อมชิ้นส่วนที่ทำด้วยเหล็กต่างเกรดและวัสดุต่างชนิด

โครงสร้างของรถยนต์มีชิ้นส่วนที่ต้องนำมาประกอบรวมกันที่มาจากวัสดุที่แตกต่างกันเป็นจำนวนมากขึ้น โดยชิ้นส่วนแต่ละชิ้นถูกนำมาประกอบเข้าด้วยกันโดยวิธีการเชื่อมเป็นส่วนใหญ่ ในปัจจุบันมีความพยายามในการลดน้ำหนักของรถยนต์ลงโดยนำวัสดุที่มีน้ำหนักเบาหรือมีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นมาใช้มากขึ้น โดยที่บางชิ้นส่วนก็ยังคงต้องใช้วัสดุประเภทเดิม ดังนั้นการเชื่อมต่อชิ้นส่วนที่ผลิตจากวัสดุต่างชนิดกันจึงมีความจำเป็นมากขึ้น เนื่องจากวัสดุแต่ละชนิดมีสมบัติทางเคมี และสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกัน ส่งผลทำให้การเชื่อมวัสดุต่างชนิดมีความยากลำบากในการควบคุมคุณภาพและกำหนดคุณลักษณะของรอยเชื่อม การเชื่อมชิ้นส่วนยานยนต์แบบดั้งเดิมนั้นนิยมใช้การเชื่อมความต้านทานแบบจุด (Resistance spot welding: RSW), การเชื่อมด้วยการอาร์คแก๊ส (Gas metal arc welding) และการเชื่อมด้วยลำอิเล็กตรอน (Electron beam welding) เนื่องจากเป็นวิธีการที่ทำให้เกิดมลพิษต่ำ ชิ้นงานที่ได้มีคุณภาพค่อนข้างสูง และค่าใช้จ่ายในการเตรียมชิ้นงานและกระบวนการค่อนข้างต่ำ แต่การเชื่อมด้วยวิธีดังกล่าวเหล่านี้ยังมีข้อจำกัดอยู่มากในด้านการใช้งานที่ไม่หลากหลายโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับการเชื่อมวัสดุต่างชนิด การควบคุมคุณภาพของชิ้นงานที่ต้องเข้มงวด และจำเป็นต้องมีการตรวจสอบคุณภาพทุกขั้นตอนเนื่องจากการควบคุมความร้อนในระหว่างการเชื่อมทำได้ยาก ส่งผลทำให้โครงสร้างจุลภาคและสมบัติของวัสดุที่นำมาเชื่อมเปลี่ยนแปลงไป และยังทำให้เกิดความเค้นตกค้าง (Residual stress) จนชิ้นงานเกิดการบิดตัวเมื่อเวลาผ่านไป ดังนั้นจึงต้องมีการนำเทคโนโลยีการเชื่อมที่ดีขึ้นมาใช้เพื่อแก้ไขหรือลดปัญหาดังกล่าว

การเชื่อมพลาสติกกับโลหะมีความคล้ายคลึงกับการเชื่อมแก้ว ขั้นตอนการเชื่อมต้องเริ่มต้นด้วยการเตรียมพื้นผิวโลหะซึ่งอาจทำได้หลายวิธี อาทิ การเตรียมผิวด้วยเลเซอร์ (laser beam) การใช้กระบวนการทางเคมี (Nano chemical treatment) ซึ่งประกอบด้วยขั้นตอนต่างๆตามลำดับดังนี้ การกัดด้วยด่าง การกัดด้วยกรด การทำ T-treatment และการล้างและเป่าให้แห้ง กระบวนการทางเคมีนี้จะช่วยขจัดคราบไขมัน น้ำมัน ที่ติดอยู่บนผิวโลหะ แล้วจึงสร้างรูพรุนในระดับนาโนบนผิวโลหะ ก่อนนำโลหะไปเชื่อมต่อกับชิ้นงานพลาสติกต่อไป สำหรับการเชื่อมชิ้นงานโลหะและพลาสติกนั้นอาจทำได้หลายวิธีเช่นกัน เช่น การฉีดพลาสติกด้วยแรงดันเข้าไปยังแม่พิมพ์ที่ต่อกับชิ้นงานโลหะและปล่อยให้เย็นตัว พลาสติกที่หลอมจะแทรกตัวเข้าไปตามรูพรุนของผิวโลหะและช่วยให้พลาสติดยึดติดกับโลหะได้ หรืออาจทำโดยการให้ความร้อนกับชิ้นงานพลาสติกพร้อมกับออกแรงกดไปบนชิ้นงานพลาสติกอีกชิ้นหรือชิ้นงานโลหะที่ต้องการจะเชื่อมต่อเข้าด้วยกัน ชิ้นงานพลาสติกจะเกิดการหลอมติดกันจนเป็นเนื้อเดียว  ซึ่งเกิดจากการแพร่ของโมเลกุลระหว่างผิวสัมผัสเข้าหากัน หรือในกรณีของการเชื่อมพลาสติกกับโลหะ พลาสติกที่หลอมจะไหลตัวเข้าไปตามรูพรุนบนผิวชิ้นงานโลหะด้วยแรงอัดและแข็งตัว ทำให้ชิ้นงานทั้งสองยึดติดกันได้ แหล่งให้ความร้อนในการเชื่อมพลาสติกมีหลากหลาย ได้แก่ การเชื่อมด้วยแผ่นความร้อน (Hot plate welding) การเชื่อมด้วยคลื่นความถี่สูง (High frequency welding) การเชื่อมแบบฉีด (Injection welding) การเชื่อมด้วยเลเซอร์ (Laser welding) เป็นต้น

สำหรับพลาสติกโดยทั่วไปแบ่งออกเป็นสองประเภทคือ เทอร์โมเซต และเทอร์โมพลาสติก พลาสติกเทอร์โมเซตเป็นพลาสติกที่ไม่สามารถเชื่อมติดโดยอาศัยความร้อนได้ ตัวอย่างของพลาสติกประเภทนี้คือ epoxy ซิลิโคน ยางวัลคาไนซ์ โพลีเอสเตอร์ และ โพลียูรีเทน เป็นต้น ส่วนพลาสติกประเภทเทอร์โมพลาสติกจะสามารถเชื่อมติดด้วยความร้อนได้ เนื่องจากเมื่อเทอร์โมพลาสติกได้รับความร้อน พลาสติกเจะกิดการหลอมเหลว และแข็งตัวอีกครั้งเมื่อเย็นตัวลง โดยที่คุณสมบัติไปเปลี่ยนไป ตัวอย่างของพลาสติกประเภทนี้ได้แก่ โพลีเอททิลีน โพลีโพรพิลีน โพลีสไตรีน พีวีซี เทฟลอน และสเปคตราลอน เป็นต้น ในงานวิจัยนี้จึงทำการศึกษาการเชื่อมระหว่างชิ้นงานเทอร์โมพลาสติกและชิ้นงานอะลูมิเนียมด้วยกระบวนการ hot plate welding เนื่องจากจุดหลอมเหลวของวัสดุทั้งสองมีความแตกต่างกันไม่มากเท่าพลาสติกและเหล็กกล้า และกระบวนการ hot plate welding เป็นกระบวนการที่ไม่ยุ่งยากจึงเหมาะสำหรับใช้ศึกษาอิทธิพลของตัวแปรต่างๆ เช่น วัสดุ อุณหภูมิหลอม ระยะเวลา แรงกด ซึ่งเมื่อเข้าใจตัวแปรเหล่านี้แล้วจะสามารถนำความรู้ที่ได้ไปประยุกต์ใช้กับเทคนิคการเชื่อมวัสดุต่างชนิดแบบอื่นได้ และศึกษาการเชื่อมเลเซอร์ระหว่างชิ้นงานอะลูมิเนียมและชิ้นงานเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำด้วย ซึ่งเป็นกระบวนการที่ภาคอุตสาหกรรมยังขาดประสบการณ์ทำให้ชิ้นงานที่ได้ไม่มีคุณภาพ วัสดุทั้งสองมีจุดหลอมเหลวที่ต่างกันมากทำให้ในระหว่างการเชื่อมโครงสร้างของวัสดุเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมากและส่งผลต่อความแข็งแรงของจุดเชื่อมได้

โครงการย่อยที่ 2: การวิเคราะห์และทดสอบการเก็บเกี่ยวพลังงานไฟฟ้าโดยใช้สปริงบีแลวิลที่ซ้อนกับวัสดุเพียโซอิเล็กทริก

Energy is an essential requirement for living mankind. Much of the world increase in energy demand among the developing, strong economic growth and expanding populations lead the increase in world energy use. Indeed, despite notable efforts in the development of sustainable energy technologies (e.g. solar cells, hydroelectric, wind, biofuels, and geothermal), approximately 90 percent of the energy consumed in this world is derived from fossil fuel, and only 10 percent from renewables. Nowadays, providing efficient and clean power is a challenge for devices that range from the micro to macro. Energy harvesting devices is becoming an area of increased interest, specifically piezoelectric type. From the advantages of piezoelectric materials, the decentralized generation of energy avoids the need for long-range transmission and provides fewer energy conversions.

Amongst several methods implemented to harvest unused ambient energy, one approach is employing piezoelectric material to produce an electrical potential when subjected to mechanical loads, attaching to or embedded within structures that vibrate during operation to capture otherwise wasted mechanical vibrating and convert it to electrical power.  In case of vibration, the snap through behavior in bistable structures is beneficial for providing energy, from changing from one stable point to another new stable point when enough load was applied. This behavior causes large deformations more than normally obtained from monostable engineering structure. Furthermore, after loading has been removed the structure can be designed to either snap-back to the original position or still rest in the new stable state until the new reversed load was applied again. This bistability behavior are caused by geometric nonlinearities of structure, asymmetric loading or anisotropic properties in material. Bistable structures were widely applied to engineering research for example, adaptive or morphing aircraft, microelectromechanical systems (MEMS) such as micro actuators, micro motors, relay systems, and bistable laminated composite tubes.

However, to the best of our knowledges, the study of piezoelectric energy harvesting with fiber-reinforced and piezoelectric laminated composite Belleville springs has not been found. This motivates us to study this new concept of Belleville springs, which is a kind of bistable structure and the snap through behavior of the Belleville springs for harvesting energy. It is believed that the opportunities for implementation of this devices are enormous. Therefore, deep understanding in response characteristics of these smart springs with a huge variety of potential materials and geometries is very essential for development for designing this type of bistable structure for energy harvesting.

โครงการย่อยที่ 3: การพัฒนาชิ้นส่วนมูลค่าสูงด้วยกระบวนการพิมพ์สามมิติของโลหะ

แม้ว่าในปัจจุบันชิ้นส่วนต่างๆสามารถทำการขึ้นรูปได้ด้วยการหลอมจากแม่พิมพ์ หรือการกลึงเพื่อตัดเนื้อวัสดุออกให้ได้รูปทรงตามที่ต้องการ อย่างไรก็ตามกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิมมีข้อจำกัดหลายๆข้อ ยกตัวอย่างเช่น

1. จำนวนของชิ้นงานที่ผลิตมีผลโดยตรงกับต้นทุนตามหลักการ Economy of Scale ซึ่งส่งผลต่อการผลิตชิ้นส่วนที่ต้องการการออกแบบเฉพาะและต้องการปริมาณไม่เยอะมาก เช่น อุปกรณ์การแพทย์ และชิ้นส่วนอากาศยานสามารถทำได้ยาก
2. ในหลายครั้งมีความจำเป็นที่ต้องแยกผลิตชิ้นส่วนหลายๆชิ้นเพื่อนำมาประกอบกันให้เป็นชิ้นงานตามที่ต้องการ อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีการขึ้นรูปสามมิติช่วยลดความต้องการในการประกอบชิ้นส่วน ด้วยความสามารถในการผลิตชิ้นงานที่สามารถนำไปใช้งาน (functional parts) ได้ทันที
3. การออกแบบชิ้นงานด้วยหลักการ Topology optimization ทำให้ชิ้นงานมีน้ำหนักเบาลง แต่สามารถรับแรงได้เท่าได้เดิม ชิ้นงานลักษณะนี้อาจไม่สามารถขึ้นรูปได้ด้วยวิธีการผลิตแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีการขึ้นรูปสามมิติได้เพิ่มขีดความสามาถในการขึ้นรูปชิ้นงานที่มีความซับซ้อนสูงได้
4. ในการออกแบบชิ้นงานใหม่ การทำชิ้นงานจำลองหรือ Prototype ไม่สามารถทำได้อย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะในกรณีที่แม่พิมพ์มีความจำเป็นในการผลิต เนื่องจากต้องมีการออกแบบและผลิตแม่พิมพ์ก่อนจึงจะสามารถผลิตชิ้นงานได้ ซึ่งในกรณีของเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิตินั้น ชิ้นงานสามรถทำการผลิตได้ทันทีหลังการออกแบบ จึงสามารถทำให้การพัฒนาชิ้นส่วนสามารถทำได้อย่างรวดเร็ว

ถึงแม้ว่าการใช้เทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติของโลหะเพื่อผลิตชิ้นส่วนในอุตสาหกรรมจะมีอัตราการใช้ที่เพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดดในรอบ 5 ปีที่ผ่านมา แต่การใช้เทคโนโลยีได้จำกัดอยู่ในประเทศที่เป็นผู้นำทางเทคโนโลยี เช่น สหรัฐอเมริกา เยอรมัน สิงคโปร์ และญี่ปุ่นเป็นต้น ปัจจุบันประเทศไทยได้มีการใช้เทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติของโลหะบ้างแล้ว ในลักษณะของการทำงานวิจัยและผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์ อย่างไรก็ตามการใช้เทคโนโลยีนี้ในอุตสาหกรรมอากาศยานนั้นยังมีปริมาณน้อยมากเมื่อเทียบกับขนาดของธุรกิจรวมถึงศักยภาพของเทคโนโลยีในการเพิ่มศักยภาพการผลิตของธุรกิจดังกล่าว

ถึงแม้ว่าเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติจะมีข้อดีหลายข้อตามที่กล่าวมาข้างต้น ความท้าทายหลักของการใช้เทคโนโลยีนี้คือการควบคุมการผลิตชิ้นงานให้ได้มาตรฐานตามที่ต้องการ เนื่องจากมีตัวแปรในการผลิตหลายตัวแปรที่ส่งผลต่อคุณสมบัติทางอุณหภูมิรวมถึงคุณสมบัติทางกลของชิ้นงาน ยกตัวอย่างเช่น ขนาดของเลเซอร์ ค่าพลังงานของเลเซอร์ ขนาดของผงโละ ความเร็วในการเคลื่อนที่ของเลเซอร์เป็นต้น ดังนั้นการหาสภาวะที่เหมาะสมในการขึ้นรูปชิ้นงานให้ได้คุณสมบัติที่ต้องการจึงต้องอาศัยการทดลอง ทดสอบ และวิเคราะห์ชิ้นงาน รวมถึงใช้เครื่องมือทางคณิตศาสตร์เพื่อช่วยเพิ่มความเข้าใจของอิทธิพลของตัวแปรในการผลิตต่อคุณภาพชิ้นงาน ทางคณะผู้วิจัยซึ่งมีความเชี่ยวชาญในด้านการขึ้นรูปของโลหะทั้งแบบที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันและการใช้เทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติจึงมีความตั้งใจที่จะศึกษาการใช้เทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติของโลหะเพื่อผลิตชิ้นส่วนที่ใช้ในการซ่อมบำรุงอากาศยาน โดยมุ่งเน้นในการหาสภาวะที่เหมาะสมในการผลิต รวมทั้งมีการทดสอบเปรียบเทียบชิ้นงานเดียวกันที่มาจากกระบวนการขึ้นรูปแบบต่างๆ