การลดน้ำหนักด้วยวัสดุคอมโพสิท
" Weight reduction with composites”
แปลจากนิตยสาร JEC Magazine Composites No.45
โดย กิตติ อนุชาผัด
ปัญหาที่เกิดจากมลภาวะเป็นพิษซึ่งเกิดจากก๊าซคาร์บอนไดอ๊อกไซด์และราคาของน้ำมันที่สูงขึ้นอย่างไม่หยุดทำให้ค่าใช้จ่ายในการขนส่งเพิ่มขึ้นอย่างมากเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้ผู้ผลิตยานยานต์จำเป็นต้องหามาตรการที่เหมาะสมมาแก้ไขสถานการณ์ที่เลวร้ายอยู่ในขณะนี้ซึ่งวิธีการแก้ไขได้อย่างถูกจุดและทำได้ไม่ยากคือการลดน้ำหนักของสินค้าที่นำมาผลิตซึ่งวัสดุที่มีน้ำหนักเบาแต่แข็งแรงเทียบเท่าโลหะเช่นวัสดุคอมโพสิทจึงเป็นทางเลือกหนึ่งที่เหมาะสมในการลดน้ำหนักโดยไม่สูญเสียความแข็งแรงจากข้อมูลที่ได้มีการทดสอบสมรรถนะของรถยนต์ที่ลดน้ำหนักลง10%สามารถพิ่มประสิทธิภาพของการประหยัดเชื้อเพลิงได้ 5-7% ดังนั้นรถยนต์ที่ถูกใช้งานอยู่บนถนน (ประมาณ 66%) ซึ่งเป็นรถยนต์ขนาดกลางมีน้ำหนักประมาณ 1,500 กิโลกรัมต่อวัน หากต้องลดน้ำหนัก 10% นั่นก็หมายถึงเป็นการลดน้ำหนักถึง 120-150 กิโลกรัม/คัน และหนึ่งในมาตรการลดน้ำหนักซึ่งทำได้ง่ายโดยเฉพาะในอุตสาหกรรมรถยนต์คือการนำเอาวัสดุมาผสมผสานกันในรูปแบบของคอมโพสิทมาใช้นั่นเอง
ตามที่ประเทศในยุโรปได้ออกกฏหมายควบคุมการลดประมาณอ๊อกซิเจนให้ลดลงจึงทำให้การลดน้ำหนักของยานพาหนะ จำเป็นต้องกระทำในประเทศเยอรมนีได้มีการสำรวจว่าการจราจรเป็นสาเหตุให้เกิดก๊าซอ็อกซิเจนถึง 11.9% ดังนั้นจากปีค.ศ. 2012 กฏหมายควบคุมมลภาวะเป็นพิษของประเทศในเครือทวีปยุโรปหรือ EU ได้กำหนดการควบคุมปริมาณก๊าซอ๊อกซิเจนไว้ที่ 130 กรัม/กิโลเมตร และประเทศในเครือทวีปยุโรปทุกประเทศ จะต้องตอบสนองนโยบายนี้ให้ได้ภายในปีค.ศ.2015วัสดุคอมโพสิทน้ำหนักเบา เช่น เทอร์โมพลาสติกคอมโพสิท เป็นทางเลือกหนึ่งที่สามารถลดน้ำหนักของยานยนต์ได้ โดยแบ่งออกเป็นการใช้งาน 2 ระดับ คือส่วนที่เป็นโครงสร้างรับแรงโดยสามารถเสริมแรงด้วยเส้นใยทอ (Textile reinforcement) และวัสดุเทอร์โมพลาสติกคอมโพสิทเสริมแรงน้ำหนักเบา(Low weight reinforced thermoplastic composites-LWRT) ส่วนที่เป็นโครงสร้างรับแรงจะมีความหนาแน่นของวัสดุ เทอร์โมพลาสติกคอมโพสิทที่ 1.1–1.7 กรัม/ ลบ.ซม.ใน ขณะที่น้ำหนักเฉลี่ยของLWRTอยู่ที่1,200–2,100กรัม/ตารางเมตร
วัสดุที่ใช้เป็นโครงสร้างรับแรงจะเป็นวัสดุโครงร่างชนิด (PP Resin Matrix)แต่ก็สามารถใช้วัสดุโครงร่างชนิดอื่นๆ (other resin matrices) ก็ได้ส่วนวัสดุที่ใช้เสริมกำลัง (reinforcement fibers) ก็ยังเป็นใยแก้วชนิด choppedและ continuous glass fibers ซึ่งแล้วแต่ความต้องการในการเลือกใช้วัสดุและระบบการทำงาน (materials and processes choice of usage) เพื่อให้ได้มาของความแข็งแรงและคุณสมบัติของชิ้นงานในการพัฒนาวัสดุที่ใช้กับโครงสร้างรับแรงอย่างหนึ่ง คือ การเติมสารเติมเต็ม (mineral-filled grade additives) ให้กับวัสดุเสริมแรงที่ไม่ใช่สิ่งทอ ทำให้สามารถเพิ่มคุณสมบัติเชิงกลได้ถึง 25% และโดยการใส่วัสดุเสริมแรงชนิดทอรับแรงได้หลายทิศทาง (multi-layer design for fabric-reinforcedmaterials) เข้าไปในโครงสร้างรับแรง ทำให้การเสริมกำลังโดยใช้โครงเหล็กช่วยจึงไม่มีความจำเป็นในการสร้างโครงสร้างรับแรงกระแทกด้านหน้าของรถยนต์ได้นอกจากนั้นการนำเอาวัสดุทนความร้อน เช่น สารประกอบ PP/PAและ PA หรือ PBT มาเป็นวัสดุโครงร่าง (เรซิ่น) จึงทำให้เกิดมิติใหม่ในการเสริมสมรรถนะของชิ้นส่วนยานยนต์ได้ในกรณีที่ต้องรับแรงสูงมาก (extreme loads) สามารถนำเอาวัสดุเสริมแรงชนิดที่เป็นเส้นใยเหล็ก (steel-cord-reinforced grade) มาประยุกต์ใช้รับแรงซึ่งสามารถทนแรงกระแทกได้ขณะเกิดการชนด้วยความเร็ว 80 กม./ชม. เนื่องจากการออกแบบที่เป็นโครงสร้างประสารกันสามารถดูดซับพลังงานได้
วัสดุกลุ่มที่สอง ได้แก่ วัสดุเทอร์โมพลาสติกคอมโพสิทเสริมแรงน้ำหนักเบาหรือLWRTส่วนมากใช้กับชิ้นงานภายในและชิ้นงานใต้ตัวถังดังนั้นอุตสาหกรรมรถยนต์จึงต้องเปลี่ยนวัสดุที่แข็งแรงแต่หนักกว่าเช่นชิ้นงานที่ทำจากระบบที่ทำการฉีดขึ้นเทคโนโลยีการผลิตแบบ LFT หรือ GMT มาเป็นวัสดุที่มีความหนาแน่นต่ำกว่า
วัสดุที่นำมาใช้ทั้งสองกลุ่มได้ถูกนำมาผลิตเป็นชิ้นส่วนในรถยนต์มาแล้วหลายปี รวมๆ แล้ววัสดุประเภทให้ความแข็งแรงของโครงสร้างรถยนต์ โดยใช้วัสดุคอมโพสิทแทนเหล็ก จะสามารถลดน้ำหนักได้ถึง 50 กิโลกรัม เฉพาะในเรื่องของวัสดุโครงสร้าง ได้แก่ โครงสร้างป้องกันการชน โครงขอบประตู ฐานรองรับเครื่องยนต์ โครงรับแรงด้านหน้า โครงสร้างรับแผงหน้าปัทม์ โครงรับเบาะที่นั่ง โครงรับฝากระโปรงท้าย ชิ้นส่วนใต้ตัวถัง และชิ้นส่วนอื่นๆ อีกมากมาย
การลดน้ำหนักภายในของรถยนต์ โดยการใช้ระบบLWRT ถึงแม้จะไม่สามารถทำได้มากเท่ากับการลดน้ำหนักโครงสร้างรับแรงแต่สามารถลดน้ำหนักโดยรวมแล้วได้ถึง 8 กิโลกรัม/รถยนต์หนึ่งคันซึ่งทำได้โดยใช้ระบบLWRTทดแทนวัสดุที่ใช้อยู่เดิมเช่น แผงหน้าปัทม์ส่วนบนชิ้นส่วนคลุมบริเวณเพลากลางแผงข้างประตูแผ่นกรุเพดานหลังคาแผงกรุพื้นห้องเก็บของท้ายรถผนังหลังเบาะนั่งหลัง และชิ้นส่วนอื่นๆรวมกันทั้งโครงสร้างรับแรงและโครงสร้างระบบLWRT จะสามารถลดน้ำหนักรวมกันถึง 60 กิโลกรัม ในรถยนต์หนึ่งคัน ดยการเปลี่ยนชิ้นส่วนเดิมมาเป็นวัสดุคอมโพสิทแต่ก็มีข้อควรระวังในเรื่องของการใช้วัสดุและระบบการใช้เทคโนโลยีการผลิตที่ถูกต้องและเหมาะสม
ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ www.quadrantplastics.com