การเลือกใช้วัสดุเพื่อการก่อสร้างน้ำหนักเบาจะต้องคำนึงถึงอะไรบ้าง?

การมีน้ำหนักเบาเป็นคุณสมบัติที่มีลำดับความสำคัญแรกๆ ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือ อุตสาหกรรมยานยนต์และการบิน ซึ่งช่วยประหยัดต้นทุนพลังงานได้อย่างมาก ทั้งยังเพิ่มสมรรถนะความเร็วและระยะทางในการขับขี่ต่อเชื้อเพลิงที่ใช้

คุณผู้อ่านคงทราบดีว่าวัสดุแต่ละชนิด มีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน มีความหนักหรือมวลต่อปริมาตรของวัสดุที่ต่างกัน แต่คำจำกัดความของ “การก่อสร้างน้ำหนักเบา” นั้นไม่ใช่เรื่องที่มีความเรียบง่ายที่เพียงเปลี่ยนวัสดุให้เบาลงแล้วจบ แต่มีสิ่งที่ต้องคำนึงถึงอีกมายมายทั้งผลกระทบที่เกิดขึ้นกับฟังก์ชั่นการทำงาน กระบวนการผลิตที่ต้องปรับตามวัสดุ การออกแบบที่ต้องปรับเพื่อชดเชยคุณสมบัติวัสดุที่เปลี่ยนไป และยังต้องมีความประหยัดด้วย ในบทความนี้จะมาเล่าในรายละเอียดในสิ่งที่ต้องคำนึงเมื่อมีการเปลี่ยนวัสดุเพื่อให้ได้น้ำหนักเบาว่าต้องคำนึงถึงอะไรบ้าง

การก่อสร้างน้ำหนักเบา หมายถึง ความพยายามที่จะเปลี่ยนการออกแบบในลักษณะที่ปรับปรุงอัตราส่วนของน้ำหนักที่มีประโยชน์ (Useful weight) ต่อน้ำหนักตาย (Dead weight) ให้ดีขึ้นโดยที่ไม่ส่งผลเชิงลบต่อฟังก์ชั่นการทำงาน ตัวอย่างเป้าหมายหนึ่ง คือ การเพิ่มภาระน้ำหนักบรรทุกของยานพาหนะโดยที่ไม่เพิ่มน้ำหนักตาย หรือลดน้ำหนักของพาหนะโดยที่ยังสามารถรับภาระน้ำหนักบรรทุกได้เท่าเดิม แต่ไม่ทำให้ฟังก์ชั่นอื่นๆ อย่างความปลอดภัย ความสะดวกสบาย ย่อหย่อนลง

การเปลี่ยนเฉพาะวัสดุแต่เพียงอย่างเดียวไม่ใช่โซลูชั่นที่น่าพอใจ เพราะวัสดุที่เปลี่ยนมักต้องการการออกแบบที่แตกต่างออกไป เช่นการเพิ่มพื้นที่ติดตั้ง หรือรัศมีที่แตกต่างกัน) และ/หรือ การผลิตที่แตกต่าง เช่น การขึ้นรูป หรือเทคโนโลยีการเชื่อมติด การผนวกรวมการก่อสร้างน้ำหนักเบากับวัสดุให้ศักยภาพสูงสุด ดังนั้นใครที่ต้องการลดน้ำหนักของส่วนประกอบจะต้องมีความคุ้นเคยกับข้อจำกัดของการก่อสร้างวัสดุน้ำหนักเบา

น้ำหนักของส่วนประกอบ ขึ้นกับเรขาคณิตและพารามิเตอร์วัสดุ (วัสดุที่เลือกใช้)

ในการก่อสร้างน้ำหนักเบา จะมีปัจจัยที่ต้องคำนึงคือ ลักษณะการออกแบบเรขาคณิต และคุณสมบัติวัสดุ ซึ่งคุณสมบัติของวัสดุสามารถวิเคราะห์และคำนวณค่าที่จำเป็นเพื่อรองรับการใช้งานได้ คุณสมบัติเชิงกลต่างๆ เช่น แรงดึง/แรงบีบอัด การโก่งตัวของวัสดุ ในบางกรณีเรขาคณิต (รูปทรงชิ้นส่วน) ได้กำหนดมาแล้ว ซึ่งเป็นกรณีทั่วไป เช่น ความยาว หรือขนาดของพื้นที่ติดตั้งที่กำหนดมา น้ำหนักของส่วนประกอบก็จะขึ้นกับพารามิเตอร์ของวัสดุ (วัสดุที่เลือกใช้) ซึ่งโดยปกติจะมีตารางค่าวัสดุสำหรับการเปรียบเทียบอยู่ โดยคำนวณเป็นช่วงของดัชนีเทียบกับเหล็ก เช่น พารามิเตอร์ของวัสดุ ว่าเป็นกี่เท่าเมื่อเทียบกับเหล็กเนื่องจากเหล็กเป็นวัสดุที่ใช้กันมากที่สุด ค่าเหล่านี้เป็นค่าเฉลี่ยของดัชนีคุณภาพ เป็นที่สังเกตว่าในตาราง เส้นใยคาร์บอน (CFK) และเส้นใยแก้ว (GFK) จะเห็นค่าที่มีช่วงกว้างมาก เพราะจริงๆ แล้วเส้นใยคอมโพสิตเหล่านี้จริงๆ ไม่ใช่ชนิดวัสดุ แต่เป็นส่วนผสมของเส้นใย ตารางนี้เป็นเพียงส่วนเดียวของคุณสมบัติวัสดุ ยังมีคุณสมบัติอื่นๆ  อีกมากมาย ซึ่งจะพิจารณาขึ้นกับการใช้งานแต่ละประเภท เช่น การนำความร้อน การกระจายความร้อน ความต้านทานการกัดกร่อน ฯลฯ

การออกแบบน้ำหนักเบาต้องประหยัด

ในแง่อุตสาหกรรม การรอมชอมที่ดีที่สุดระหว่างน้ำหนักและข้อกำหนดเชิงเทคนิคอื่นๆ นั้นยังไม่พอ แต่ยังต้องประหยัดด้วย ด้วยเหตุผลด้านต้นทุน ผลิตภัณฑ์วิศวกรรมเครื่องกลส่วนใหญ่จึงทำจากโลหะ ซึ่งโลหะที่สำคัญที่สุดคือ เหล็ก อลูมิเนียมและแมกนีเซียม ซึ่งไม่เพียงแต่คุณสมบัติวัสดุที่แตกต่างกันซึ่งมีอิทธิพลต่อตัวชี้วัดเชิงคุณภาพ แต่ความสามารถในการแปรรูปและต้นทุนที่เกี่ยวข้องของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปและกึ่งสำเร็จรูป ยังมีความแตกต่างกันอีกด้วย

จากตารางจะเห็นว่า โลหะแต่ละชนิดมีข้อดีข้อด้อยที่แตกต่างกัน หากเปรียบเทียบกันระหว่างสามวัสดุ อลูมิเนียมและแมกนีเซียม จะเหมาะสำหรับการอัดรีดระดับอุตสาหกรรม แต่ไม่ใช่สำหรับเหล็ก ในขณะที่แมกนีเซียมมีความเหมาะสมมากที่สุดในการหล่อขึ้นรูปเมื่อเทียบกับโลหะอีกสองชนิด สำหรับชิ้นส่วนขนาดเล็กของโทรศัพท์มือถือ กล้อง เคสแลปท๊อป ซึ่งแมกนีเซียมมีความยากในเชิงเทคโนโลยีในการผลิตเป็นแผ่น

คุณผู้อ่านอาจพอเห็นภาพว่า การก่อสร้างน้ำหนักเบาที่ประหยัดจึงเป็นงานที่นักออกแบบต้องมีความรู้ที่มากในด้านคุณสมบัติวัสดุ รวมถึงเทคโนโลยีการผลิตและต้นทุนที่เกี่ยวข้อง บริษัทและนักออกแบบที่ต้องการประสบความสำเร็จด้านการประหยัดจะต้องปิดช่องว่างในความรู้ความเข้าใจเหล่านี้

อ้างอิง : https://www.etmm-online.com/

บทความอื่นๆ :

• ระบบวัสดุแบบเปิด vs แบบปิด: การแบ่งขั้วที่มีอิทธิพลต่อตลาดวัสดุการพิมพ์ 3 มิติ
• เครื่องประดับไฮเทค ผลิตด้วยเทคโนโลยีการหลอมผงวัสดุทีละชั้นด้วยเลเซอร์
• โฟโต้โพลิเมอร์เรซิ่น ยืดหยุ่นได้ สำหรับการผลิตชิ้นส่วนโฟม

About The Author