ทีมวิจัย มจธ. พัฒนาอะลูมิเนียมผสมชนิดใหม่ ที่มีคุณสมบัติทนความร้อนสูง และแข็งแรงกว่าอะลูมิเนียม-ซิลิคอนแบบเดิม เพิ่มอายุการใช้งานของวัสดุ ที่มีส่วนผสมของอะลูมิเนียม-นิกเกิล และธาตุหายาก อย่าง สแกนเดียม (Sc) สร้างทางเลือกใหม่สำหรับอุตสาหกรรมที่ต้องการวัสดุที่แข็งแรงและเสถียรในสภาพแวดล้อมรุนแรง พร้อมต่อยอดสู่การใช้งานจริงในอุตสาหกรรมยานยนต์สมัยใหม่ โดยเฉพาะรถยนต์ไฟฟ้า และเทคโนโลยี Giga Casting
รศ.ดร.เชาวลิต ลิ้มมณีวิจิตร (ซ้าย) และ รศ.ดร.พร้อมพงษ์ ปานดี (ขวา)
กว่า 10 ปีที่ รศ.ดร.เชาวลิต ลิ้มมณีวิจิตร และ รศ.ดร.พร้อมพงษ์ ปานดี นักวิจัยจากภาควิชาวิศวกรรมอุตสาหการ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี และ ดร.ชนันฐ์ สุวรรณปรีชา บัณฑิตทุนเพชรพระจอมเกล้าดุษฎีบัณฑิต ปัจจุบันเป็นนักวิจัยจาก ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (MTEC) ร่วมกันวิจัยพัฒนาอะลูมิเนียมผสมชนิดใหม่ ผ่านงานวิจัยโลหะเจืออะลูมิเนียม-นิกเกิล ที่มีการเติมธาตุผสมหล่อสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง โดยเน้นการออกแบบโครงสร้างเส้นใยของเฟสที่แข็งแรง ประสานกับเนื้อโลหะเสริมความแข็งแรงของอนุภาคระดับนาโน ที่ไม่สูญเสียสมรรถนะ คงความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงได้
ดร.ชนันฐ์ สุวรรณปรีชา
รศ.ดร.เชาวลิต เล่าถึงปัญหาที่เป็นต้นทางของโจทย์วิจัยว่า สิ่งที่กำลังได้รับความสนใจในแวดวงวัสดุศาสตร์ คือ การคิดค้นโลหะผสม ที่มีสมบัติ ทนความร้อนได้สูง โดยยังคงรักษาน้ำหนักเบา และความแข็งแกร่งเหมือนโลหะเอาไว้ได้ ซึ่ง อะลูมิเนียม (Al) เป็นโลหะที่มีความแข็งแรงสูง และมีน้ำหนักเบา เมื่อเทียบกับโลหะอื่น เช่น เหล็ก และ ทองแดง แต่ข้อจำกัดของการใช้อะลูมิเนียม คือ ไม่ทนความร้อน จึงไม่สามารถนำไปใช้งานในบริเวณที่ต้องเผชิญกับความร้อนสูงได้ อะลูมิเนียมเกรดดั้งเดิมจะสูญเสียประสิทธิภาพลดลงเร็วมาก จึงไม่สามารถใช้อะลูมิเนียมแบบดั้งเดิมได้
จากโจทย์ดังกล่าว ทีมวิจัยจึงได้พัฒนาการใช้ นิเกิล(Ni) แทนที่ ซิลิคอนในอะลูมิเนียมผสมแบบเดิม พบว่า เกิดเส้นใยสารประกอบอะลูมิเนียม-นิกเกิล (Al₃Ni) อยู่ในโครงสร้าง ทำหน้าที่เป็นแกนเสริมความแข็งแรง ที่ทนทานต่อความร้อนสูง แต่การใช้อะลูมิเนียมผสมนิเกิลเพียงอย่างเดียว ไม่ได้ให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดตามที่คาดหวัง จึงมีความจำเป็นต้องหาเทคนิค ผ่านการเติมธาตุอื่น ๆ เข้าไป ซึ่งเปรียบเสมือน “เคล็ดลับ” หรือ “ผงชูรส” ในการทำอาหาร สิ่งนั้น คือ โลหะหายาก (Rare Earth elements) อย่าง สแกนเดียม (Scandium : Sc)
“สแกนเดียม เป็นหนึ่งใน “secret recipe” ที่ยังไม่เคยมีใครเจือเข้าไปในอะลูมิเนียมเกรดมาก่อน สแกนเดียม ที่เจือลงไป มีคุณสมบัติที่สำคัญ คือ มีสัมประสิทธิการแพร่ในเนื้ออะลูมิเนียมต่ำมาก และมีความสามารถในการละลายในสภาวะของแข็งที่ต่ำ และการมีธาตุสแกนเดียม ทำให้ได้เป็นอนุภาคในระดับนาโนเมตร (เล็กกว่าไมโครเมตรประมาณ 1,000 เท่า) กระจายตัวอยู่ภายในเนื้ออะลูมิเนียม เกิดเป็นอนุภาคระดับนาโนของสารประกอบอะลูมิเนียม-สแกนเดียม (Al₃Sc) ซึ่งจะช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับทั้งเส้นใย Al₃Ni และเนื้ออะลูมิเนียม ทำให้วัสดุโดยรวม มีความแข็งแรงและทนต่ออุณหภูมิสูง (High Strength and Heat Resistance) ได้ดีขึ้น” รศ.ดร.เชาวลิต กล่าวเพิ่มเติม
อะลูมิเนียมผสมใหม่ ที่มีสมบัติทนความร้อนสูงขึ้นนี้ มีเป้าหมายที่จะนำไปใช้ในงานที่ต้องเผชิญกับอุณหภูมิสูง อย่าง ชิ้นส่วนทางวิศวกรรมที่ต้องทนความร้อน เช่น ฝาสูบเครื่องยนต์ดีเซล ที่มีกำลังอัดสูง ซึ่งอุณหภูมิในห้องเผาไหม้จะสูงขึ้น ชิ้นส่วนที่ใกล้กับเครื่องยนต์เจ็ท ที่อะลูมิเนียมเกรดทั่วไปอาจแตกร้าว หรือ เสียรูปได้ การใช้อะลูมิเนียมทนความร้อนสูงขึ้น จะช่วยให้สามารถพัฒนาเครื่องยนต์ให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นได้ นอกจากนั้น กระบวนการเชื่อมประกอบในสภาวะของแข็งของชิ้นส่วนอะลูมิเนียมเกรดต่างกันเข้าด้วยกัน หรือ เชื่อมอะลูมิเนียมเข้ากับวัสดุอื่น เช่น เหล็ก ทั้งในรถยนต์ทั่วไป และรถยนต์ไฟฟ้า จำเป็นต้องผ่านอุณหภูมิสูง หากใช้อะลูมิเนียมที่ไม่ทนความร้อน ย่อมส่งผลให้ความแข็งแรงบริเวณแนวเชื่อมและพื้นที่ใกล้เคียงลดลง ซึ่งล้วนเป็นความท้าทายในการพัฒนาวัสดุสมัยใหม่ในอุตสาหกรรมยานยนต์ โดยเฉพาะรถยนต์ไฟฟ้าที่ต้องการลดน้ำหนักของตัวโครงสร้างลง เพื่อชดเชยกับน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นจากแบตเตอรี่ ทำให้เพิ่มระยะทางวิ่ง โดยใช้แหล่งพลังงานเท่าเดิม
“นอกจากนั้น วัสดุใหม่นี้ยังถูกพัฒนาเพื่อรองรับการผลิตแบบใหม่ อย่าง Gigacasting เทคโนโลยีหล่อโครงสร้างของ EV ซึ่งเป็นแนวโน้มใหม่ในอุตสาหกรรมรถยนต์ไฟฟ้าแทบทุกรุ่น โดยเทคโนโลยีนี้ใช้เครื่องฉีดอะลูมิเนียมขนาดใหญ่มาก เพื่อหล่อชิ้นส่วนขนาดใหญ่เพียงไม่กี่ชิ้น แทนการผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็กจำนวนมากแล้วนำมาเชื่อมประกอบกัน (เช่น จาก 171 ชิ้น เหลือ 2 ชิ้น) การลดจำนวนชิ้นส่วนนี้ จะช่วยลดเวลาและต้นทุนการผลิต และเพิ่มความแข็งแรงของโครงสร้างโดยรวม เพราะมีรอยต่อน้อย วัสดุที่ใช้ใน Gigacasting จำเป็นต้องมีความแข็งแรงสูง และสามารถเชื่อมประกอบกับวัสดุอื่นได้ ซึ่งอะลูมิเนียมทนความร้อนนี้ สามารถตอบโจทย์ได้” รศ.ดร.เชาวลิต เล่าถึงการต่อยอดงานวิจัยเพื่อสนับสนุนเทคโนโลยีใหม่ของโลก
แม้จะประสบความสำเร็จในระดับห้องปฏิบัติการ และได้เผยแพร่ผลงานในวารสารวิจัยชั้นนำของโลก รวมถึงการได้รับการจดสิทธิบัตรเป็นที่เรียบร้อยแล้ว แต่ทีมวิจัยยอมรับว่า ยังมีความท้าทายอีกมากในการนำวัสดุนี้ไปสู่การใช้งานจริง ไม่ว่าจะเป็นการทดสอบสมบัติในระยะยาว การขยายกระบวนการผลิต (scale-up) และที่สำคัญที่สุด คือ การจับมือกับภาคอุตสาหกรรมในการนำวัสดุไปใช้จริง
“เราต้องการทำงานร่วมกับภาคอุตสาหกรรม ในการนำวัสดุนี้ไปทดสอบในสเกลที่ใหญ่ขึ้น เพื่อให้มั่นใจในประสิทธิภาพ และปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้น การที่ประเทศไทยจะพัฒนาตนเองให้เป็นเจ้าของเทคโนโลยี และสร้างแบรนด์ของตัวเองได้ แทนที่จะเป็นเพียงผู้รับจ้างผลิต จำเป็นอย่างยิ่งที่ภาครัฐ (ทั้งสถาบันวิจัย/มหาวิทยาลัย) และภาคเอกชน (อุตสาหกรรม) จะต้องทำงานร่วมกัน โดยมหาวิทยาลัยเป็นผู้สร้างองค์ความรู้ใหม่และจดสิทธิบัตร ในขณะที่ ภาคเอกชนต้องกล้าลงทุนต่อยอด นำงานวิจัยไปพัฒนาและทดสอบเพื่อใช้ในแอปพลิเคชันที่ชัดเจน การทำงานร่วมกัน ตั้งแต่การตั้งโจทย์วิจัย จะช่วยให้งานวิจัยตอบโจทย์ และพร้อมใช้งานได้รวดเร็วยิ่งขึ้น”
งานวิจัยนี้ อาจดูเป็นเรื่องของโลหะและวิศวกรรมที่ไกลตัวในสายตาคนทั่วไป แต่แท้จริงแล้ว คือ ภาพสะท้อนของความพยายามในการสร้าง “เทคโนโลยีวัสดุด้วยตัวเอง” ของคนไทย ที่สามารถแข่งขันในระดับโลกได้ หากได้รับการต่อยอดจากทุกภาคส่วนอย่างจริงจัง วัสดุชิ้นนี้อาจเป็นจุดเริ่มต้นของการขยับสถานะของประเทศไทย จากผู้ผลิตตามคำสั่ง ไปสู่การเป็น “ผู้สร้างเทคโนโลยีด้วยตัวเอง” ได้ในอนาคต
