เสริมหล่อโลหะอะลูมิเนียมด้วยแอพพลิเคชันฝีมือคนไทย

ทีมวิจัยเทคโนโลยีการผลิตอะลูมิเนียม กลุ่มวิจัยกระบวนการทางวัสดุและการผลิตอัตโนมัติ ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค) ได้พัฒนาแอพพลิเคชันสำหรับกระบวนการหล่ออะลูมิเนียม โดยมุ่งเน้นการควบคุมโครงสร้างเชิงโลหะวิทยา ทำให้ควบคุมและปรับแต่งตัวแปรในกระบวนการผลิตได้โดยสะดวก ลดการพึ่งพาแรงงานทักษะฝีมือ ช่วยลดของเสีย ที่สำคัญคือได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพดีสม่ำเสมอ

อะลูมิเนียม (Aluminium) เป็นโลหะที่มีการใช้งานอย่างแพร่หลายทั้งในภาคอุตสาหกรรมและภาคครัวเรือน ด้วยให้สมบัติที่แข็งแรง รับภาระน้ำหนักได้สูง ขึ้นรูปง่าย ไม่เป็นสนิม ทนการกัดกร่อน และมีน้ำหนักเบา การขึ้นรูปอะลูมิเนียมผสมอาจแบ่งได้เป็น 2 ประเภทหลัก ได้แก่ การหล่อ (casting) และการใช้แรงขึ้นรูป (wrought aluminium process)

การหล่อมักใช้เพื่อผลิตชิ้นส่วนให้มีรูปทรงต่างๆ ตามต้องการ วิธีนี้สามารถผลิตชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อน หรือมีขนาดและพื้นผิวที่หลากหลายได้ เช่น ชิ้นส่วนยานยนต์ ชิ้นส่วนอากาศยาน หรืออุปกรณ์เครื่องจักรกล

อุตสาหกรรมหล่ออะลูมิเนียมในประเทศไทยส่วนใหญ่ในปัจจุบันเป็นการหล่ออะลูมิเนียมเกรด A356 ซึ่งมีธาตุประกอบหลัก ได้แก่ อะลูมิเนียม ซิลิคอน และแมกนีเซียม เป้าประสงค์หลักคือการหล่อให้เต็มชิ้นงานและไม่มีจุดบกพร่อง ดังนั้นกระบวนการผลิตจึงมุ่งเน้นไปที่การควบคุมส่วนผสมทางเคมีเป็นหลัก ด้วยเหตุนี้จึงทำให้การพัฒนาเทคโนโลยีกระบวนการหล่อด้านอื่นๆ โดยเฉพาะกระบวนการหล่อที่มีการควบคุมโครงสร้างเชิงโลหะวิทยาไม่ได้รับความสนใจจากผู้ประกอบการเท่าที่ควร

อย่างไรก็ดี แนวโน้มของกระบวนการหล่ออะลูมิเนียมในปัจจุบันมุ่งสู่การผลิตชิ้นส่วนในอุตสาหกรรมยานยนต์ อากาศยาน และเครื่องจักรกล ชิ้นส่วนเหล่านี้ต้องมีสมบัติทางกลที่ดี แข็งแรงมากขึ้น  แต่มีน้ำหนักเบาลง และเนื่องจากสมบัติทางกลของชิ้นงานสัมพันธ์โดยตรงกับโครงสร้างจุลภาคทางโลหะวิทยา ดังนั้นการหล่อชิ้นงานที่มีการควบคุมโครงสร้างทางโลหะวิทยาจึงมีแนวโน้มทวีความสำคัญมากขึ้นในอนาคต

การทำนายโครงสร้างจุลภาคของงานหล่อเป็นเรื่องท้าทาย และมีตัวแปรจำนวนมากที่เกี่ยวข้องในการคำนวณ และแม้ว่าโปรแกรมจำลองการหล่อจำนวนหนึ่งจะมีโมดูลที่สามารถติดตั้งเพิ่มเติมเข้าไป เพื่อให้ทำนายโครงสร้างจุลภาคได้ แต่โปรแกรมเหล่านี้ก็มีราคาสูงมาก อีกทั้งการใช้งานเพื่อกำหนดค่าตัวแปรต่างๆ ในโปรแกรมก็ค่อนข้างยุ่งยากในทางปฏิบัติ

นอกจากนี้ยังมีข้อมูลจากการผลิตจริงบางอย่างที่มีค่าความแปรปรวนสูงและไม่สามารถควบคุมได้ เช่น การหดตัวและการเกิดช่องว่างระหว่างชิ้นงานกับแม่พิมพ์ขณะโลหะหลอมเหลวแข็งตัว หรือการเลือกประเภทและความหนาของสารเคลือบผิวแม่พิมพ์ ปัจจัยเหล่านี้ล้วนส่งผลต่อการถ่ายเทความร้อนในกระบวนการหล่อและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ทั้งสิ้น ทั้งนี้แม้ว่าโรงงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ที่มีการลงทุนสูง อาจนำระบบ SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) เข้ามาใช้ แต่ก็เป็นเพียงการใช้เพื่อควบคุมขั้นตอนการผลิตเท่านั้น ยังไม่ได้ควบคุมลงไปถึงระดับโครงสร้างจุลภาคและสมบัติทางกลของชิ้นงานแต่อย่างใด

ดังนั้นทางทีมวิจัยจึงได้พัฒนาแอพพลิเคชันซอฟต์แวร์ที่สามารถทำงานร่วมกับระบบ SCADA เพื่อใช้จัดเก็บและเตรียมชุดข้อมูลสำหรับใช้ในการทำนายความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรการหล่อและโครงสร้างจุลภาคของงานหล่อ         ทั้งนี้ข้อมูลจากการศึกษาที่ผ่านมาระบุว่าการทำนายโครงสร้างจุลภาคส่วนใหญ่จะอาศัยข้อมูลรูปแบบการเย็นตัวที่เกิดจากการถ่ายเทความร้อนของชิ้นงานเป็นหลัก โดยพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดตัวหนึ่งคือค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนระหว่างรอยต่อ (Interface heat transfer coefficient; IHTC) อย่างไรก็ตามจากผลการจำลองการหล่อประกอบกับข้อมูลงานวิจัยในอดีตของทีมวิจัยพบว่า ค่า IHTC มีความแปรปรวนสูงมาก และมักมีค่าไม่คงที่แม้กระทั่งภายในชิ้นงานเดียวกันเอง

ด้วยเหตุนี้ทีมวิจัยจึงมีแนวทางในการจัดเก็บชุดข้อมูลเพื่อการทำนายโครงสร้างจุลภาคโดยหลีกเลี่ยงการทำนายจากค่า IHTC โดยตรง แต่ใช้ความรู้จากหลายส่วนประกอบเข้าด้วยกัน โดยเฉพาะด้านโลหะวิทยา ซึ่งเป็นการหาลักษณะเฉพาะตัวของวัสดุจากข้อมูลเส้นโค้งการเย็นตัวในแม่พิมพ์มาตรฐานที่ได้ออกแบบไว้ แล้วจึงวิเคราะห์และจัดแบ่งช่วงข้อมูลเพื่อใช้ในการจัดหมวดหมู่ของกลุ่มวัสดุอะลูมิเนียม จากนั้นทำนายหารูปแบบการเย็นตัวของชิ้นงานจากข้อมูลการผลิตที่ได้บันทึกไว้ร่วมกับข้อมูลการผลิตที่วัดได้ในขณะนั้น