TECH FOCUS | การผลิตชิ้นส่วน CFRP อย่างรวดเร็วด้วยเลเซอร์ USP

พลาสติกผสมเส้นใยคาร์บอนเสริมแรง หรือ Carbon fiber-reinforced plastics – CFRP เป็นวัสดุผสม หรือ วัสดุคอมโพสิตที่ใช้ในงานโครงสร้างที่มีความหลากหลายที่สุดประเภทหนึ่ง ด้วยการรวมเอาข้อดีของคุณสมบัติเชิงกลในส่วนประกอบต่างๆ ไว้ด้วยกัน ต่อไปนี้คือผลงานจากการพัฒนามาเป็นเวลาหลายปี

เมื่อเดือนมีนาคม 2017 สถาบันเทคโนโลยีเลเซอร์ Fraunhofer (Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT) ได้เริ่มดำเนินโครงการกับพันธมิตร 4 รายจากการวิจัยและอุตสาหกรรม ภายใต้หัวข้อ “Carbolase – การผลิตชิ้นส่วน CFRP ตามสั่ง-ตามเวลาที่ต้องการแบบอัตโนมัติด้วยผลิตภาพระดับสูง” (“Carbolase — Highly productive, automated and tailor-made just-in-time CFRP component manufacturing”) ซึ่งเป็นโครงการที่ได้รับเงินทุนจากกองทุนเพื่อการพัฒนาภูมิภาคแห่งยุโรป (European Regional Development Fund หรือ ERDF) เป้าหมายที่ชัดเจนของโครงการนี้ก็คือ เพื่อช่วยให้ผู้ประกอบการ SMEs ในภูมิภาค North Rhine-Westphalian ได้มีส่วนร่วมในโครงการ ในฐานะผู้นำเทคโนโลยีและเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันระยะยาวของกลุ่มธุรกิจรายย่อยเหล่านี้ทั้งในเวทีระดับชาติและระดับนานาชาติ ส่วนเป้าหมายสำคัญของพันธมิตรในโครงการนี้ก็คือ การทำให้กระบวนการผลิต CFRP ง่ายขึ้นและช่วยลดต้นทุนในการผลิต

เรามาทำความรู้จักวิธีการดั้งเดิมของการประกอบชิ้นส่วนโพลีเมอร์ผสมใยคาร์บอนเสริมแรง (carbon fiber-reinforced polymer) กันก่อน แบบเดิมก็คือการเจาะรูในโมดูล CFRP ที่ประดิษฐ์ขึ้น แล้วยึดเข้ากับตัวยึดโลหะ (metal fasteners)  เช่น เกลียวหมุน (threaded inserts) ทั้งนี้ การเปลี่ยนชิ้นส่วนเดิมด้วยชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักเบานั้น ต้องการตัวเชื่อมประสานระหว่างชิ้นส่วน CFRP และชิ้นส่วนทั่วไปที่ถอดออกได้และมีความปลอดภัย

---

Fact in Tech | การยิงเลเซอร์ ไม่ใช่การเชื่อม

สิ่งสำคัญที่ต้องพิจารณาก็คือ การยึด CFRP กับเหล็ก จนถึงปัจจุบัน กระบวนการเชื่อมโดยใช้วัตถุประสานยังถูกใช้อยู่ ซึ่งมีข้อเสียอยู่ 4 ประการ

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

ข้อด้อยทั้งหมดนี้จะถูกทำให้หมดไปด้วยการใช้เลเซอร์ (ข้อมูลจาก: www.mmthailand.com)

---

โครงการ Carbolase ได้ทดลองด้วยวิธีการหลากหลายในการรวมตัวยึด (Fasteners) ใน textile preform ต่าง ๆ เข้าด้วยกัน ซึ่งในที่สุด CFRP ก็ถูกผลิตขึ้นด้วยวิธีการหนึ่งใน additional curing process รวมถึงตัวยึดด้วย ด้วยวิธีการนี้ทำให้สามารถตัดทอนกระบวนการผลิตลงได้อย่างมาก แต่วิธีการนี้จะใช้ได้ผลก็ต่อเมื่อมีการ cut-outs ตัวยึด (fasteners) ใน textile preform ที่เจาะด้วยความแม่นยำสูงเท่านั้น

จากนั้นทีมงานในโครงการได้พัฒนากระบวนการผลิตชิ้นส่วน CFRP ที่ได้ตรวจสอบจากผลงานทั้งหมด โดยเลือกวิธีการตัดด้วยเครื่อง CNC แบบสามขา, กระบวนการเลเซอร์ และการจัดการแบบอัตโนมัติ คือการรวมเอาเทคโนโลยีของแต่ละขั้นตอนในกระบวนการเหล่านี้ไว้ในเซลล์หุ่นยนต์เดียว และเป็นไปโดยอัตโนมัติทุกขั้นตอน ขั้นแรก preform ถูกขึ้นรูปด้วยการตัด การซ้อนตัว และการประกอบวัตถุดิบที่นำมาทอ (textiles) ขั้นต่อไปก็คือ การเจาะ cut-outs ด้วยเลเซอร์ Ultrashort Pulsed  หรือ USP ที่มีความแม่นยำสูงใน preforms สำหรับตัวยึดโลหะ (metal fasteners)

กล่าวได้ว่า เลเซอร์ USP นำเสนอทางเลือกที่ดีกว่าให้กับการผลิตแบบดั้งเดิม – แต่ถ้าหากเลเซอร์ถูกรวมเข้ากับเซลล์หุ่นยนต์ ในการตั้งค่าแบบเดิม ultrashort pulses จะถูกไกด์ไปตามเส้นทางเจาะโดยใช้กระจก แต่วิธีการนี้ไม่สามารถใช้ได้กับแขนหุ่นยนต์ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ผู้เชี่ยวชาญจาก Fraunhofer ILT และ Amphos GmbH ได้ทำงานร่วมกันเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีใหม่สำหรับการประสานลำแสงเลเซอร์ USP เข้า-ออก โดย USP laser source จะถูกเชื่อมต่อกับสแกนเนอร์บนแขนหุ่นยนต์ผ่านเส้นใยแกนกลวง หรือ hollow core fiber

เมื่อวันที่ 26 กันยายน 2019 ที่ผ่านมาสมาคม Carbolase ได้รับรางวัล CAMX Award อันทรงเกียรติในหัวข้อ “Combined Strength” (รวมพลัง) ที่งาน Composites and Advanced Materials Expo เมือง Anaheim รัฐแคลิฟอร์เนีย รางวัล CAMX เป็นรางวัลที่มอบให้กับนวัตกรรมที่มีแนวโน้มว่า จะมีอิทธิพลอย่างมากต่ออนาคตของวัสดุคอมโพสิต ส่วนเหตุผลที่คณะกรรมการพึงพอใจเป็นพิเศษก็คือ แนวคิดของทีมงานในการรวมแสงเลเซอร์เข้าด้วยกันตั้งแต่เริ่มต้นกระบวนการผลิต เพื่อลดขั้นตอนที่สิ้นเปลืองค่าใช้จ่ายและใช้เวลามาก

Successful results

เพื่อทดสอบวิธีการใหม่และแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ทางเทคนิค พันธมิตรโครงการได้ทำการสาธิตในส่วนประกอบ B-pillar และดำเนินการทดสอบเชิงกลแบบคลอบคลุมทั้งกระบวนการ ซึ่งผ่านไปด้วยความสำเร็จ ในชุดของการทดสอบทั้งแบบดึง (pullout) และแบบบิดเกลียว (torsion) นั้น ข้อต่อที่ผลิตโดยใช้วิธี Carbolase ทำได้ดีกว่าชิ้นส่วน CFRP ที่ผลิตด้วยวิธีการทั่วไป ซึ่งเป็นผลจาก interlocking connection ระหว่างเม็ดมีดและวัสดุเมทริกซ์ (matrix material) ส่วนประกอบ CFRP ที่ผลิตโดยใช้วิธีการใหม่นี้สามารถทนต่อแรงดึงสูงสุดสูงสุดได้ถึง 50% สูงกว่าชิ้นส่วนที่ผลิตแบบเดิมด้วย glued-in inserts  ทั้งนี้ ขึ้นอยู่กับการออกแบบองค์ประกอบ การปรับปรุงประสิทธิภาพเชิงกลนี้มีศักยภาพในการลดความหนาและน้ำหนักของชิ้นส่วนโดยรวม

วิธีการ Carbolase ช่วยให้นักออกแบบมีอิสระในการสร้างสรรค์มากขึ้นเมื่อกำหนดขนาดและตำแหน่งของตัวยึด นับเป็นความก้าวหน้าที่ปูทางไปสู่การปรับแต่งส่วนประกอบ CFRP (customisation of CFRP components) ที่มีประสิทธิภาพเหนือกว่าวิธีการผลิตที่ดำเนินอยู่ในปัจจุบัน

---

คาร์บอนไฟเบอร์ – Carbon Fiber (CFRP) คือ อะไร

คาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) เป็นวัสดุคอมโพสิตเสริมเส้นใย มีอัตราส่วนกำลังรับแรงต่อน้ำหนักสูง สามารถทนทานต่อการกัดกร่อน ไม่เป็นสนิม มีความคงทนเป็นเลิศ และสะดวกในการติดตั้งและใช้งาน กำลังรับแรงดึงเชิงกลของ CFRP มีค่าสูงถึง 10 เท่าของเหล็กเสริมธรรมดา นอกจากนี้การใช้เหล็กเสริมธรรมดายังเสี่ยงต่อการเกิดสนิมได้ง่าย แต่ CFRP ไม่ใช่เหล็กจึงไม่เกิดสนิมตามมาในอนาคต

ปัจจุบันนี้การใช้วัสดุคอนกรีตและเหล็กเสริมในงานซ่อมแซมและเสริมกำลังโครงสร้างถือว่าทำได้ค่อนข้างยากและใช้แรงงานมาก อีกทั้งยังรบกวนการใช้งานโครงสร้างเดิมและผู้อยู่อาศัยอีกด้วย การเสริมกำลังด้วยวัสดุคอมโพสิตเสริมเส้นใย ทำให้เกิดการรบกวนโครงสร้างในระดับที่น้อยมาก จึงเป็นวัสดุเสริมกำลังที่ได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายในมาตรฐานการออกแบบสากล เช่น มาตรฐาน ACI440 ของประเทศสหรัฐอเมริกา มาตรฐานของสมาคมวิศวกรรมโยธาแห่งประเทศญี่ปุ่น และมาตรฐานของประเทศยุโรป เป็นต้น  (ข้อมูลจาก: www.smartcoating.com)

---

อ้างอิง: https://www.etmm-online.com/faster-cfrp-component-manufacturing-with-ultrashort-pulsed-laser-gal-924727/?p=3#gallerydetail

บทความที่เกี่ยวข้อง:

เลเซอร์สำหรับวัสดุคอมโพสิต ไว แรง จริง

Top three ways to increase positioning system’s 3D accuracy | 3 เทคนิคเพื่อระบบการระบุตำแหน่งที่แม่นยำยิ่งขึ้น

About The Author