บุญรักษ์ กาญจนวรวณิชย์
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ
เมื่อพูดถึงโฟม คนส่วนใหญ่มักนึกถึงโฟมที่ทำจากพลาสติก เช่น โพลิสไตรีน (polystyrene) ซึ่งใช้ทำกระทงโฟม กล่องบรรจุอาหาร โฟมกันกระแทก และอื่นๆ จุดเด่นของวัสดุประเภทโฟมคือ น้ำหนักเบา และมีสมบัติเป็นฉนวนความร้อน เพราะปริมาตรส่วนใหญ่ของวัตถุเป็นช่องว่างหรือฟองอากาศ ทำให้โฟมมีความหนาแน่นน้อย
ด้วยความก้าวหน้าด้านเทคโนโลยี ทำให้วัสดุประเภทโฟมไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะวัสดุประเภทพลาสติกเพียงอย่างเดียว
ปัจจุบัน อุตสาหกรรมโลหะก็สามารถผลิตโฟมจากวัสดุโลหะได้ เรียกว่า โฟมโลหะ (metal foam) ซึ่งเป็นโลหะที่มีช่องว่างหรือโพรงอากาศ 75 – 95 เปอร์เซ็นต์ โฟมโลหะมีน้ำหนักน้อยกว่าโลหะตัน แต่มีความแข็งแรงกว่าโฟมที่ทำจากวัสดุอื่น นอกจากนี้ยังมีจุดเด่นอื่น เช่น มีสมบัติเป็นฉนวนกันความร้อน มีสมบัติดูดซับเสียง เป็นต้น
โฟมอะลูมิเนียม
โลหะที่นำมาผลิตเป็นโฟมโลหะมีหลายชนิดด้วยกัน แต่ที่นิยมใช้มากคือ โฟมอะลูมิเนียม ปัจจุบันวัสดุชนิดนี้ถูกนำไปประยุกต์ใช้ประโยชน์ในบางอุตสาหกรรม เช่น อุตสาหกรรมยานยนต์และการขนส่ง อุตสาหกรรมก่อสร้างและที่อยู่อาศัย โดยใช้ในโครงสร้างที่ต้องรับแรงกระแทก เป็นวัสดุดูดซับเสียง และฉนวนกันความร้อน ทั้งนี้ปัจจุบันมีผู้ผลิตโฟมอะลูมิเนียมจำหน่ายในเชิงพาณิชย์หลายรายด้วยกัน โดยใช้ชื่อทางการค้าต่างๆ เช่น ALPORAS, CYMAT, FOAMTECH, PLM-725, m.pore, FORMGRIP, DUOCEL, ALULIGHT, FOAMINAL และ ALUFOAM
วิธีสร้างฟองในเนื้อโลหะ
การผลิตโฟมโลหะ คือ การทำให้เกิดฟองก๊าซขนาดเล็กขึ้นในน้ำโลหะ (melt route) หรือผงโลหะหลอมเหลว (powder route) และกักฟองก๊าซให้คงสภาพไว้โดยเกิดการรวมตัวกันน้อยที่สุด เพื่อสะสมฟองขนาดเล็กจำนวนมากไว้ กระทั่งน้ำโลหะหรือผงโลหะหลอมเหลวแข็งตัวอย่างสมบูรณ์
ปัจจุบันการสร้างฟองในเนื้อโลหะมี 3 รูปแบบหลักคือ สร้างฟองในน้ำโลหะหรือโลหะเหลว (foaming in liquid metals) สร้างฟองในวัสดุตั้งต้น (foaming in metallic precursors) และการใช้แม่แบบร่างเป็นโครงสร้างโพรง (foaming in space holders) ซึ่งการผลิตโฟมโลหะจากน้ำโลหะจะมีต้นทุนต่ำกว่าการใช้ผงโลหะและแม่แบบร่างทั้งในกระบวนการผลิตแบบต่อเนื่องและไม่ต่อเนื่อง
ปัจจุบันการทำให้เกิดฟองในน้ำโลหะมี 3 วิธี ได้แก่
1.การฉีดก๊าซผ่านหัวพ่นลงในน้ำโลหะ
2.การเติมสารสลายตัวให้ฟองก๊าซ (foaming agent)
3.การอัดก๊าซความดันสูงให้ละลายในน้ำโลหะ และลดความดัน เพื่อให้ก๊าซขยายตัวและแยกออกมา
ทั้ง 3 วิธีล้วนแต่ทำให้ได้โฟมโลหะที่มีโครงสร้าง ช่วงขนาดรูพรุน (cell size) และความหนาแน่นสัมพัทธ์ (relative density) ต่างกัน
การพัฒนาวิธีผลิตโฟมโลหะ
แม้เทคโนโลยีการผลิตโฟมโลหะจะไม่ใช่เรื่องใหม่ แต่ก็เป็นเทคโนโลยีที่มีความเฉพาะทางมาก และเนื่องจากตัววัสดุมีศักยภาพสูงสามารถประยุกต์ใช้ได้หลายด้าน จึงมีการศึกษาวิจัยเรื่องนี้ในสถาบันอุดมศึกษา และบริษัทเอกชนชั้นนำต่างๆ ทั่วโลก
สำหรับประเทศไทยยังไม่สามารถผลิต และไม่มีการใช้งานโฟมโลหะ เพราะชิ้นงานมีราคาสูงและต้องนำเข้าจากต่างประเทศ ขณะที่การศึกษาวิจัยมีอยู่ในสถาบันอุดมศึกษาเพียงบางแห่ง ดังนั้น ดร.สมพงษ์ ศรีมโนเสาวภาคย์ นักวิจัยของศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ และคณะ จึงดำเนินการศึกษาและพัฒนา เพื่อปรับปรุงกระบวนการผลิตโฟมอะลูมิเนียมจากน้ำโลหะให้มีต้นทุนการผลิตต่ำกว่าปัจจุบัน และเป็นองค์ความรู้สำหรับสนับสนุนอุตสาหกรรมในอนาคต
หลังจากศึกษาข้อมูลที่มีผู้ดำเนินการก่อนหน้าแล้ว คณะวิจัยเลือกพัฒนาวิธีผลิตโฟมโลหะด้วยการพ่นอากาศลงในน้ำโลหะโดยตรง เนื่องจากเมื่อเปรียบเทียบเฉพาะวิธีสร้างฟองในโลหะเหลวทั้ง 3 วิธีแล้ว การผลิตโฟมโลหะวิธีนี้มีต้นทุนต่ำที่สุด
อย่างไรก็ตาม ปัญหาสำคัญของการผลิตด้วยวิธีนี้คือ ฟองก๊าซที่เกิดในน้ำโลหะมักไม่เสถียร ส่งผลให้ฟองไม่สามารถสะสมจำนวนจนมีจำนวนมากพอสำหรับเป็นวัสดุโฟมที่ใช้งานได้
แนวทางการแก้ปัญหา คือ ต้องปรับสภาพน้ำโลหะก่อน โดยเติมอนุภาคเซรามิกส์ขนาดเล็ก ปริมาณ 10 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนักลงไป (อนุภาคที่ใช้ต้องไม่ละลายในน้ำโลหะ) เพื่อเพิ่มความหนืดให้น้ำโลหะ อนุภาคจะเข้าไปแทรกตัวบริเวณผนังฟองเพื่อหน่วงการไหลออกจากผนังฟองให้ช้าลง จึงช่วยลดการแตก การรวมตัว และการลอยของฟองได้
อย่างไรก็ตาม การปรับสภาพน้ำโลหะด้วยอนุภาคไม่ใช่เรื่องง่าย เพราะอนุภาคทั่วไปจะไม่สัมผัสติดน้ำโลหะ โดยเฉพาะอนุภาคที่มีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรมาก ดังนั้น คณะวิจัยจึงนำอนุภาคไปเคลือบผิวให้มีสมบัติติดกับน้ำโลหะดีขึ้นก่อนนำไปเติมในน้ำโลหะ และกวนด้วยใบพัด ซึ่งกระบวนการทั้งหมดนี้มีผลให้ต้นทุนการผลิตสูงขึ้น
ทีมวิจัยได้พัฒนาอุปกรณ์วัดความหนืดน้ำโลหะขณะกวน และอุปกรณ์วัดความสามารถในการไหลของน้ำโลหะ เพื่อติดตามการเปลี่ยนแปลงค่าความหนืดของน้ำโลหะก่อนผลิตโฟม และช่วยควบคุมคุณภาพโฟมโลหะ ซึ่งชิ้นงานโฟมอะลูมิเนียมที่ทีมวิจัยผลิตโดยวิธีพ่นอากาศลงน้ำโลหะโดยตรงมีขนาดโพรงระหว่าง 1.0 – 23.4 มิลลิเมตร (โฟมอะลูมิเนียมที่จำหน่ายในเชิงพาณิชย์มีขนาดโพรงประมาณ 1 – 25 มิลลิเมตร) และมีความพรุนระหว่าง 46.8 – 90.7 เปอร์เซ็นต์
การผลิตโฟมโลหะด้วยแม่แบบเกลือ
เนื่องจากการผลิตโฟมอะลูมิเนียมแบบพ่นอากาศลงในน้ำโลหะเกี่ยวข้องกับหลายปัจจัยไม่ว่าจะเป็น สภาพน้ำโลหะ การพ่นอากาศ และการแข็งตัว ซึ่งทั้งหมดมีผลโดยตรงต่อโครงสร้างโฟม คณะวิจัยจึงพัฒนาวิธีการผลิตโฟมอะลูมิเนียมโดยใช้เกลือ (NaCl) เป็นแม่แบบขึ้น วิธีนี้ช่วยให้สามารถควบคุมโครงสร้างโฟมให้มีลักษณะตามต้องการง่ายกว่า โดยเกลือที่จะนำมาใช้ต้องมีขนาดอนุภาคเหมาะสม และผ่านกระบวนการปรับสภาพก่อนจึงจะสามารถใช้ได้
ชิ้นงานโฟมอะลูมิเนียมก่อน (ซ้าย) และหลัง (ขวา) กำจัดแม่แบบเกลือออก
การผลิตโฟมโลหะโดยใช้เกลือเป็นแม่แบบ เริ่มจากดูดน้ำโลหะอะลูมิเนียมเข้าสู่แม่แบบ หลังจากปล่อยให้น้ำโลหะอะลูมิเนียมแข็งตัวโดยสมบูรณ์ในแม่แบบแล้ว นำชิ้นงานไปกำจัดเกลือออกโดยใช้น้ำเป็นตัวทำละลาย วิธีนี้จะได้ชิ้นงานที่มีโครงสร้างเป็นส่วนกลับของแม่แบบเกลือ โดยความพรุนของโฟมโลหะขึ้นอยู่กับขนาดและรูปร่างของอนุภาคเกลือ และแรงที่ใช้อัดขึ้นรูปแม่แบบ ซึ่งโฟมอะลูมิเนียมที่ทีมวิจัยสามารถผลิตได้มีความพรุนอยู่ในช่วง 70.6 – 78.3 เปอร์เซ็นต์
โครงสร้างโฟมโลหะแบบเปิด (ซ้าย) และแบบปิด (ขวา)
วิธีการผลิตโฟมโลหะที่คณะวิจัยพัฒนาขึ้นมาทั้ง 2 วิธีนั้น มีจุดเด่น จุดด้อยแตกต่างกัน การผลิตโดยพ่นอากาศอัดในน้ำโลหะโดยตรง มีจุดเด่นคือ มีต้นทุนการผลิตต่ำ และได้โฟมโลหะที่มีโครงสร้างโพรงแบบปิด แต่มีจุดด้อยคือ ควบคุมโครงสร้างของโฟมโลหะค่อนข้างยาก
ขณะที่การผลิตโฟมโลหะโดยใช้เกลือเป็นแม่แบบมีจุดเด่นคือ ทำให้ได้โครงสร้างโพรงเป็นแบบเปิด สามารถควบคุมขนาดโพรง ความพรุน การกระจายตัวของโพรงได้ดี และสามารถผลิตชิ้นงานให้มีรูปร่างตามต้องการได้แม่นยำ ขณะที่จุดด้อยของวิธีนี้คือ ต้องเตรียมแม่แบบเกลือก่อน ซึ่งทำให้ต้นทุนการผลิตเพิ่มขึ้น
เครื่องต้นแบบสำหรับผลิตโฟมอะลูมิเนียม
สถานภาพปัจจุบัน
ดังที่กล่าวแล้วว่า โฟมโลหะเป็นเทคโนโลยีและผลิตภัณฑ์ที่มีศักยภาพมาก แต่ในประเทศไทยยังมีการวิจัย และศึกษาวิธีผลิตโฟมโลหะกันน้อย ดังนั้นคณะวิจัยจึงต้องพัฒนาเทคโนโลยีหลายอย่างขึ้นเอง ได้แก่
- อุปกรณ์วัดความหนืดของของเหลวขณะกวนแบบเรียลไทม์ ซึ่งเป็นอุปกรณ์วัดและรายงานค่าความหนืดของน้ำโลหะ ณ เวลาขณะนั้น
- อุปกรณ์ผลิตชิ้นส่วนโฟมโลหะในแม่พิมพ์แบบหลายชิ้น
- เครื่องกำเนิดฟองแบบควบคุมทิศทางการป้อนฟอง
ซึ่งอุปกรณ์ในข้อ 2 และ 3 ใช้ในกระบวนการผลิตโฟมโลหะแบบพ่นอากาศลงน้ำโลหะ โดยทั้ง 3 เทคโนโลยีได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรเรียบร้อยแล้ว และมีอีก 2 เทคโนโลยีอยู่ระหว่างการเตรียมยื่นจดสิทธิบัตร นอกจากนี้ทีมวิจัยกำลังจะดำเนินการวิจัยร่วมกับบริษัทเอกชนรายหนึ่ง เพื่อพัฒนาต้นแบบโฟมโลหะ ซึ่งจะนำไปสู่การผลิตผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ต่อไป
แหล่งข้อมูลอ้างอิง
สมพงษ์ ศรีมโนเสาวภาคย์ และไพบูลย์ วัฒนพรภัณฑ์ (2552) รายงานการวิจัย พัฒนา และวิศวกรรมฉบับสมบูรณ์ การศึกษาเบื้องต้นในการผลิตโฟมอะลูมิเนียมจากน้ำโลหะ ระยะที่ 2 ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ
