แนวคิดที่เป็นแรงบันดาลใจสำหรับโครงสร้างน้ำหนักเบา

วัสดุที่มีความแข็งแกร่งสูงนั้นเป็นที่นิยมเป็นอย่างมากในภาควิศวกรรมเครื่องกล เนื่องจากมีน้ำหนักค่อนข้างเบา และในขณะเดียวกันก็มีความทนทาน โดยคณะวิจัยจากสถาบัน Fraunhofer Institute for Production Technology (IPT) นั้น กำลังให้ความสนใจวัสดุประเภทนี้

เครื่องมือกลมักจะมีข้อจำกัดทางกายภาพเมื่อใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงทนทานสูง ซึ่งสามารถแก้ไขได้โดยการใช้ชิ้นส่วนโครงสร้างที่ผลิตจากวัสดุผสมเส้นใยเสริมแรงที่มีน้ำหนักเบาในเครื่องจักร อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ส่งผลให้เกิดอุปสรรคร้ายแรงดังที่ปรากฏในโครงการวิจัยของ Fraunhofer IPT ในเมือง Aachen ที่อยู่ระหว่างทำการศึกษา ซึ่งจะถูกนำเสนอในงาน EMO Hannover

โดยปกติแล้วนักวิจัยจาก Aachen มักจะใช้วิธีแบบองค์รวมในการออกแบบอย่างเต็มประสิทธิภาพ หรือกล่าวได้ว่า นักวิจัยจะมองการออกแบบเครื่องจักรในแง่ของการเกี่ยวเนื่องกันเป็นหนึ่งเดียว ซึ่งรวมไปถึงการพัฒนาส่วนประกอบที่สำคัญในการขับเคลื่อนของเครื่องจักรด้วย โดยนักวิจัยได้ร่วมมือกับผู้ผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักรจากเมือง Magdeburg เพื่อทดสอบว่าส่วนประกอบของเครื่องจักรที่เป็นนวัตกรรมใหม่สำหรับการหมุนแกนตั้ง (Z-axis) ที่ผลิตจากพลาสติกผสมเส้นใยคาร์บอนเสริมแรง (Carbon Fibre-Reinforced Plastic : CFRP) ทำงานอย่างไรในเครื่องจักร และจะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพตัวเลื่อนตามแกนตั้ง (Z-slide) ได้อย่างไร

“เราเริ่มพัฒนาการทำงานจากตัวเลื่อนตามแกนตั้งที่ผลิตจากพลาสติกผสมเส้นใยคาร์บอนเสริมแรงในปี 2556” Christoph Tischmann ผู้จัดการสาขาของ MAP Werkzeugmaschinen GmbH จากเมือง Magdeburg กล่าว “เรามีประสบการณ์อย่างมากในเรื่องแกนเส้นตรง (Linear) และแกนหมุนรอบ (Rotary) สำหรับเครื่องจักรอะลูมิเนียม แต่สำหรับวัสดุทนแรง เช่น โลหะผสมไทเทเนียมอัลลอยด์ มันจะไม่มีแรงขับเคลื่อนที่จำเป็น” ดังนั้น MAP จึงตัดสินใจพัฒนาส่วนประกอบเครื่องจักรที่มีการขับเคลื่อนที่ทรงพลัง ตัวอย่างเช่น เพลาหมุนกำลัง 55 และ 72 กิโลวัตต์ (มีแรงหมุน 210 และ 273 นิวตันเมตร ตามลำดับ ในโหมด S1 หรือ S6) ซึ่งใช้อยู่ในปัจจุบัน โดยมีน้ำหนักและขนาดที่มากกว่าอย่างมีนัยสำคัญ “ดังนั้น เพื่อไม่ให้เกิดการถ่วงด้านแรงกำลังเราจึงมองหาวิธีที่จะทดแทนน้ำหนักที่มากกว่าแทน” Christoph Tischmann อธิบาย “นั่นคือเหตุผลว่าทำไมเราถึงเปลี่ยนมาใช้ CFRP” หากเปรียบเทียบการทำงาน ชิ้นส่วนสำหรับเครื่องจักรที่ใช้ในแกนตั้งที่มีเพลาหมุนใช้ถึงกำลัง 28-36 กิโลวัตต์

ดังนั้น สิ่งที่เข้ามามีส่วนในที่นี้ คือ การเพิ่มพลังงานขับเคลื่อนให้เป็นสองเท่าโดยประมาณ ในขณะเดียวกันการใช้ CFRP ช่วยลดมวลถึง 60% เมื่อเปรียบเทียบกับแกนหมุนที่ทำจากเหล็ก “อย่างไรก็ตาม เราไม่ได้มุ่งเป้าไปที่น้ำหนักจุดใดจุดหนึ่ง แต่เรามุ่งเน้นที่สัดส่วนที่เหมาะสมที่สุดระหว่างน้ำหนักและกำลังกล” Filippos Tzanetos เจ้าหน้าที่ด้านวิทยาศาสตร์แห่ง Fraunhofer IPT อธิบาย

คำถามที่เกิดขึ้น คือ การเปลี่ยนแบบตัวเลื่อนตามแกนตั้งที่ทำด้วยเหล็กไปใช้ CFRP โดยตัวขับเคลื่อนที่มีน้ำหนักเพิ่มขึ้นเกือบสองเท่านั้นจะส่งผลต่อแบบเครื่องโดยรวมอย่างไร ในการนี้ Fraunhofer IPT จึงทำการวิเคราะห์ปฏิกิริยาทำความร้อนและการเคลื่อนที่ของทั้งเครื่องที่กระทำต่อตัวเลื่อนตามแกนตั้ง “เครื่องจักรกำลังอยู่ภายใต้การตรวจสอบการปล่อยไอเสียอย่างละเอียด” Christoph Tischmann กล่าว “เราได้ใช้ตัวตรวจวัดเหล่านี้ในการพัฒนาวิธีแก้ปัญหาหลายทางเพื่อที่จะพัฒนาการออกแบบ”

เนื่องด้วยวัสดุนั้นไม่สามารถนำมาเปลี่ยนแทนที่กันเฉยๆ ได้ จึงจำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแบบที่เหมาะสมโดยยึดจากวัสดุใหม่ การจำลองด้วยองค์ประกอบแบบจำกัดได้แสดงให้เห็นถึงคุณค่าในทางปฏิบัติในบริบทนี้ “จากคอมพิวเตอร์ เราได้พิจารณาอย่างละเอียดในจุดเฉพาะต่างๆ ในแบบที่ให้ผลลัพธ์อย่างชัดเจนที่สุดเพื่อระบุปัจจัยที่เกี่ยวข้อง” Filippos Tzanetos อธิบาย “จากนั้นเราจึงลองเปลี่ยนส่วนประกอบเดิมบางชิ้นด้วยชิ้นส่วนที่ใกล้เคียงกันที่ผลิตจากอะลูมิเนียม หรือ CFRP หรือ เพื่อพัฒนาแรงทางกลในจุดที่สำคัญบางจุดด้วยวิธีการเสริมแรงหรือริบ (Ribs)”

การใช้ CFRP เป็นความท้าทายอย่างหนึ่งสำหรับวิศวกรออกแบบ เนื่องจากวัสดุจะทำงานตามแกนยาวที่ต่างกัน “การทำงานตามแกนยาวที่ต่างกัน” เป็นศัพท์ที่ใช้อธิบายทิศทางของเครื่องหรือการทำงาน ซึ่งหมายความว่าในวัสดุที่เสริมแรงด้วยเส้นใยนั้น แรงหรือความแข็งแกร่งจะขึ้นอยู่กับทิศทางของเส้นใย อย่างไรก็ตาม ชิ้นส่วนจาก CFRP จะทำงานในการจำลองต่างออกไปจากการทำงานจริง” Filippos Tzanetos อธิบายอย่างละเอียดให้ผู้เชี่ยวชาญได้เห็นภาพว่า “นัยของการจำลองถูกประมาณโดยใช้การกระจายที่ไม่คงที่ที่ให้ความหมายไว้ใน DIN ISO 21748:2014-05 ความไม่คงที่ของปัจจัยกำหนดตัวแบบทำให้เกิดอิทธิพลหนึ่งต่อความไม่คงที่ของปัจจัยที่ทำให้เกิดตัวแปรเอาท์พุตของตัวแบบ โดยสิ่งนี้จะถูกคำนวณโดยใช้วิธีจำลองแบบ Monte Carlo”

การออกแบบทั้งหมดจะถูกเปลี่ยนเพื่อให้เหมาะสมกับวัสดุใหม่

ในโครงการเช่นนี้ สถาบัน Fraunhofer จะได้รับการช่วยเหลือจากสถาบันต่างๆ หรือกลุ่มอื่นๆ แต่ในกรณีนี้ นักวิทยาศาสตร์มีการสนับสนุนภายในอยู่แล้ว “ในสถาบันของเรามีแผนกเทคโนโลยีที่ผลิตอุปกรณ์ประกอบด้วยเส้นใยเสริมแรง และเทคโนโลยีระบบเลเซอร์” Filippos Tzanetos ชี้แจง “แผนกนี้ทำงานมาหลายปีโดยมีการสะสมความเชี่ยวชาญในด้านการขึ้นรูปส่วนประกอบเครื่องจักรจากพลาสติกผสมเส้นใยเสริมแรง (Fibre Reinforced Plastics : FRPs) และให้การสนับสนุนพวกเราอย่างกระตือรือร้นในฐานะผู้เชี่ยวชาญด้านแบบจำลองสำหรับการขึ้นรูปส่วนประกอบจากเส้นใยเสริมแรง”

การสนับสนุนด้านนี้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการแก้ปัญหาที่พบเมื่อเปลี่ยนมาใช้ส่วนประกอบจาก FRP ในการสร้างฐานผลิตหรือเครื่องจักร เนื่องจากวัสดุเหล่านี้ตามคุณสมบัติที่แตกต่างทางกายภาพแล้วจะไม่ค่อยถูกใช้ในงานเช่นนี้ “จนถึงปัจจุบัน การใช้วัสดุเช่นนี้ในการผลิตก็ยังถือว่าเป็นความลังเลอย่างเห็นได้ชัดที่จะใช้ FRPs เพราะว่ามันตรงข้ามกับวัสดุหลักที่ใช้อยู่ และไม่ไปด้วยกันกับแบบที่มีและมาตรฐานการขึ้นรูป ดังนั้น จึงไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะคาดเดาว่าการทำงานทางกลของชิ้นส่วนที่ผลิตจาก FRP จะสามารถไปด้วยกันได้กับโครงสร้างส่วนที่เหลือของเครื่องจักร” นักวิทยาศาสตร์ที่ Aachen อธิบาย “เมื่อมีความผิดพลาดเกิดขึ้น เช่น เมื่อชิ้นส่วนถูกขึ้นรูปโดยมีความแข็งแกร่งทางกลที่มีทิศทางเพียงหนึ่งแกน ในขณะที่ปล่อยให้ความแข็งแกร่งทางกลมีทิศทางไปตามแกนอื่นๆ แต่ถ้าเราใช้เครื่องมือจำลองเพื่อตั้งจุดร่วมที่เหมาะสมของความสัมพันธ์ร่วมระหว่างชิ้นส่วนที่ทำจาก FRP กับการเคลื่อนที่ทางกลของตัวเครื่องมือกลได้ ก็จะไม่เกิดข้อผิดพลาดขึ้น ดังนั้น เพื่อแก้ปัญหานี้ จำเป็นต้องอาศัยความเชี่ยวชาญด้านต่างๆ ของบริษัทมาร่วมในโครงการนี้”

การยิงเลเซอร์ ไม่ใช่การเชื่อม

สิ่งสำคัญที่ต้องพิจารณาสำคัญคือการยึด CFRP กับเหล็ก จนถึงปัจจุบัน กระบวนการเชื่อมโดยใช้วัตถุประสานยังถูกใช้อยู่ ซึ่งตามข้อมูลจาก Filippos Tzanetos นั้นมีข้อเสียอยู่ 4 ประการ

• พื้นผิวของ CFRP จะถูกกระทำด้วยเครื่องทางกล ซึ่งจะนำไปสู่ความไม่มั่นคงและความอ่อนแอของคุณสมบัติของ CFRP
• ให้ผลความแข็งแกร่งทางกลที่แน่นอนแค่ในระดับต่ำ(10 – 40 Megapascal ต่อจุดเชื่อม)
• เปลี่ยนไปตามสภาวะโดยรอบ (เช่น อุณหภูมิ การปนเปื้อน การทำให้บางลง การหล่อเย็น)
• จุดเชื่อมจะมีความต้านทานต่ำต่อการสึกหรอกัดกร่อน

ข้อด้อยทั้งหมดนี้จะถูกทำให้หมดไปด้วยการใช้เลเซอร์ แต่ไม่ใช่แค่เทคโนโลยีด้านการยึดเท่านั้นที่ผู้จัดการสาขาจาก MAP เห็นว่าเป็นปัญหา “ในการที่จะทำให้มั่นใจได้ว่าได้วางตำแหน่งที่ถูกต้องและความถูกต้องแม่นยำในการทำซ้ำในตัวเครื่องแม้ว่าจะทำในกรณีของการตอบสนองต่อการเคลื่อนที่สูง เราได้ปาดชั้นของแนวเส้นตรงด้วยมือ” Christoph Tischmann กล่าว “ในตอนนี้ สิ่งนี้เป็นเรื่องท้าทายที่ใหญ่สำหรับพวกเราที่จะต้องทำให้สำเร็จใน CFRP ด้วยเช่นกัน”

แม้ว่าจะมีอุปสรรคดังที่กล่าวมาทั้งหมด การเปลี่ยนแปลงสู่ CFRP ก็คุ้มค่า ผู้เชี่ยวชาญที่มีวิสัยทัศน์ได้แสดงความคิดเห็นไว้ในงาน EMO Hannover โดยผู้ผลิตชิ้นส่วนเครื่องมือกลกำลังใคร่ครวญถึงข้อมูลที่ได้รับจากทาง Fraunhofer IPT เพื่อที่จะแสดงจุดเด่นด้านความก้าวหน้าและวิธีต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับ ‘วัสดุชนิดใหม่’ “โดยพื้นฐานแล้ว ในตอนจบของโครงการนี้ เรามุ่งหวังว่าจะสามารถนำเสนอเครื่องจักรที่คล่องแคล่ว มีความแม่นยำสูง และเหนือสิ่งอื่นใดมีศักยภาพสูงสู่ท้องตลาด” Chrristoph Tischmann อธิบาย “เราอยากที่จะเห็นเครื่องนี้ได้รับการยอมรับในวงกว้างโดยเฉพาะอย่างยิ่งในภาคส่วนของอากาศยาน”