ผลกระทบของความร้อนที่เกิดขึ้น ภายในแม่พิมพ์ หล่อทราย

สาธิต นิลใย

1. บทนำ

ปัจจุบันนี้มีการพัฒนาในด้านอุตสาหกรรมด้วยเทคโนโลยีที่ทันสมัย ทำให้มีการพัฒนาในด้านการลงทุน และเพิ่มคุณภาพของผลิตภัณฑ์หรือโครงสร้างใหม่ เพื่ออันเป็นประโยชน์ต่อการลงทุน และการนำไปใช้งานตามข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์นั่น ๆ โดยเฉพาะในงานด้านการออกแบบผลิตภัณฑ์หรือโครงสร้าง ที่ต้องมีการออกแบบตามมาตรฐาน ASTM, SAE หรือ JIS และ DIN เป็นต้น

ภาคอุสาหกรรมส่วนใหญ่ ได้มีการนำเอาเทคโนโลยีมาช่วยในงานออกแบบ และวิเคราะห์แบบ เพื่อเป็นแนวทางในการออกแบบ หรือแก้ไขคัดแปลง รูปร่างต่าง ๆ ให้มีลักษณะเด่น และในขณะเดียวกันต้องมีความแข็งแรงมากพอต่อการนำไปใช้งาน ซึ่งในส่วนนี้เอง สำหรับในงานเชิงวิศวกรรมของอุตสาหกรรมต่าง ๆ มีการออกแบบตามมาตรฐานดังที่กล่าวมาในข้างต้นนี้แล้ว แต่ยังไม่เพียงพอต่อสภาพการออกแบบ และวิเคราะห์โครงสร้างหรือผลิตภัณฑ์ที่สลับซ้อนมากนัก แต่ในขณะเดียวกันแล้วยังมีการออกแบบด้วยมาตรฐานของ การคำนวณด้วยเชิงตัวเลข (Numerical Method) ซึ่งเรียกกันว่า หลักการคำนวณด้วยวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ (Finite Element Method “FEM”) โดยใช้คอมพิวเตอร์มาช่วยคำนวณผลจากการออกแบบ หรือวิเคราะห์แบบ และกำหนดเงื่อนไขของสภาพการใช้งานของโครงสร้างหรือผลิตภัณฑ์ในทุกรูปแบบ ซึ่งสามารถคำนวณได้เที่ยงตรง แม่นยำ และยังสามารถแสดงผลลัพธ์ต่าง ๆ ได้ ตามค่าสมบัติวัสดุที่ใช้ และรูปร่างทางกายภาพของหุ่นจำลองตามสภาพเงื่อนไขของการทำงาน ด้วยเหตุผลนี้ในปัจจุบันงานทางด้านวิศวกรรม ได้มีการออกแบบด้วยโปรแกรม 3 มิติ (3D Model) และยังสามารถวิเคราะห์โครงสร้างที่ซับซ้อนด้วยวิธีไฟไนตเอลิเมนต ซึ่งจะส่งผลให้วิศวกร สามารถออกแบบ และวิเคราะห์โครงสร้างได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ทำให้ทราบขึ้นปัจจัยหลักที่สำคัญต่อการออกแบบ และวิเคราะห์โครงสร้างได้เป็นอย่างดี

สำหรับในที่นี้จะขอแนะนำโปรแกรม COSMOSWorks เป็นโปรแกรมสําเร็จรูปในเชิงพาณิชย์ที่ใชนิยมใช้ในการวิเคราะห เพื่อที่จะออกแบบหรือวิเคราะห์ความเสียหายที่อาจจะเกิดขึ้นในงานเชิงวิศวกรรม ดวยหลักการคำนวณวิธีไฟไนตเอลิเมนต (FEM) ที่ใชในอุตสาหกรรมต่าง ๆ มากมาย “www.cosmosm.com” ซึ่งจุดเด่นของการใช้วิธีไฟไนต์เอลิเมนต์สามารถนำไปประยุกตใหเหมาะกับงานตาง ๆ ได้เป็นอย่างดี และสะดวกตอการออกแบบ และวิเคราะหโครงสร้างที่อยู่ภายใต้เงื่อนไขของการออกแบบ หรือใช้ในงานเชิงปฏิบัติ เพื่อแสดงถึงแนวโน้มที่อาจจะเกิดขึ้นได้ และบ่งชี้ถึงบริเวณวิกฤติ (Critical Point) ของโครงสร้างหรือผลิตภัณฑ นั่น ๆ ภายใตการออกแบบหรือตามสภาพการใช้งานได โดยเฉพาะปัจจุบันนี้สามารถนำไปประยุกต์ในทางการแพทย์, ทางด้านโยธา เครื่องกล หรือทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ และยังรวมไปถึงงานด้านยานอวกาศ เป็นต้น

2. ปัญหาในการวิเคราะห์

ภาคอุตสาหกรรมแม่พิมพ์ (Mold) ที่ต้องการหล่อชิ้นงานในรูปแบบต่าง ๆ ต้องทำแบบหล่อหรือไส้หล่อของชิ้นงานก่อนที่จะนำไปหล่อชิ้นงานจริง โดยเฉพาะขบวนการออกแบบแม่พิมพ์ ให้เหมาะสมต่อชิ้นงาน (ตัวแบบหล่อ) ต้องคำนึงถึงปัจจัยหลาย ๆ อย่าง ตั้งแต่ออกแบบแม่พิมพ์ของแบบหล่อ เพื่อให้ได้หล่อชิ้นงานตรงตามข้อกำหนดของการใช้งาน

รูปที่ 1. ชุดวาล์วระบายน้ำ

จากรูปที่ 1. (a) เป็นลักษณะของวาล์วระบายน้ำขนาดกลางที่ใช้งานทั่ว ๆ ไป ซึ่งในรูปที่ 1. (b) จะเป็นแบบหล่อวาล์วระบายน้ำ (Body Valve or Mold Valve) และในรูปที่ 1. (c) จะเป็นแบบหล่อ (ไส้หล่อ) โดยใช้ทรายในการหล่อให้เป็นรูปร่างภายในของตัวแบบหล่อวาล์วระบายน้ำ เพื่อที่จะนำไปหล่อจริง และนำไปประกอบเข้ากับชิ้นส่วนอื่น ๆ อีก

สำหรับในบทความนี้ จะกล่าวถึงแม่พิมพ์ ที่ใช้สำหรับหล่อทราย (ไส้หล่อ) มีลักษณะการหล่อดังนี้ ใช้ทรายหล่อให้เป็นรูปร่างภายในของตัวแบบหล่อวาล์วระบายน้ำ ดังแสดงในรูปที่ 1. (c) โดยให้ความร้อนบนแม่พิมพ์เข้าทั้งสองด้าน ความร้อนนี้จะใช้หัวพ่นก๊าซเป็นเปลวไฟมาเผาที่ผิวด้านบน และด้านล่างของแม่พิมพ์ดังกล่าว ในตำแน่งวงกลมของแม่พิมพ์ แล้วจะใช้ชุด ไฮดรอลิด ดันฐานแม่พิมพ์ทั้ง 4 ขา เพื่อกดอัดให้แม่พิมพ์อัดแบบหล่อ ภายใต้อุณหภูมิที่กำหนดไว้ เพื่อได้ตัวแบบหล่อทรายที่ดี ดังแสดงในรูปที่ 2. แต่ปัญหาที่มักเจอกันโดยส่วนใหญ่มาจาก แม่พิมพ์เกิดการโก่งตัว จากการสะสมของอุณหภูมิที่ใช้งาน และตัวของแบบหล่อทรายเกิดการไหม้หรือเกิดการแตก ร้าว ของแบบหล่อ แล้วทำให้เกิดความเสียหายต่อการนำไปสร้างแบบหล่อจริงต่อไป สำหรับปัญหาที่จะวิเคราะห์นี้ จะต้องกระจายอุณหภูมิของบนตัวแม่พิมพ์ เพื่อลดการโก่งตัวของแม่พิมพ์ลง โดยต้องทำการเปิด-ปิดหัวพ่นไฟในตำแหน่งใด ๆ เพื่อได้อุณหภูมิที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วแม่พิมพ์ (เฉพาะภายในแบบหล่อ) และแสดงถึงแนวโน้มของการแตกหักของแบบหล่ออีกด้วย

รูปที่ 2. ชุดแม่พิมพ์หล่อวาล์วระบายน้ำ

3. วัตถุประสงค์

2.1. หาสาเหตุของความเสียหายที่เกิดจากความร้อนที่เหมาะสม

2.2. หาตำแหน่งของการพ่นความร้อนบนตัวแม่พิมพ์

4. บทวิเคราะห์

จากปัญหาดังกล่าว สามารถใช้วิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ มาประยุกต์ใช้เพื่อทำนายพฤติกรรมต่าง ๆ ที่อาจจะเกิดขึ้นได้ สำหรับในที่นี้จะใช้โปรแกรมสำเร็จรูปในเชิงพาณิชย์ที่ชื่อว่า COSMOSWorks โดยใช้หลักการวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ เพื่อมาศึกษาผลของการกระจายตัวของอุณหภูมิที่เกิดขึ้นจากการปรับเปลี่ยนตำแหน่งของหัวพ่นเปลวไฟ (เปิด-ปิดไฟ) ซึ่งจะพิจารณาอยู่ในปัญหาความร้อนที่ไม่แปรเปลี่ยนไปกับเวลา (Study State Problem) และปัญหาความร้อนที่แปรเปลี่ยนไปกับเวลา (Transient State Problem) จากปัญหานี้เองตัวแม่พิมพ์ถูกความร้อนจากเปลวไฟตลอดเวลาช่วงการทำงาน 10 ชั่วโมง และใช้เวลาเผาหรืออบแบบหล่อ 1 ชั่วโมง พบว่า ชิ้นงานเกิดรอยไหม้ และเกิดการแตกร้าว ขึ้นในบริเวณคอคอดของแบบหล่อ ดังนั้นในที่นี้จะพิจารณาสภาวะของความร้อนไม่แปรเปลี่ยนไปกับเวลา เพื่อบ่งชี้แนวโน้มของการกระจายตัวของความร้อนบนแม่พิมพ์ และเป้าหล่อของแบบหล่อได้ดังต่อไปนี้

พิจารณาแม่พิมพ์หล่อวาล์วระบายน้ำ ออกเป็น 2 กรณีศึกษา

กรณีศึกษาที่ 1. ชุดหัวพ่นเปลวไฟกระจายบนแม่พิมพ์เต็มพื้นที่วงกลมสีแดง

(ใช้หัวพ่นเปลวไฟ 46 หัวต่อแม่พิมพ์ 1 ด้าน)

กรณีศึกษาที่ 2. ชุดหัวพ่นเปลวไฟกระจายบนแม่พิมพ์ไม่เต็มพื้นที่วงกลมสีแดง

(ใช้หัวพ่นเปลวไฟ 24 หัวต่อแม่พิมพ์ 1 ด้าน)

รูปที่ 3. กรณีศึกษาชุดแม่พิมพ์หล่อวาล์วระบายน้ำ (ระนาบ XY) โดยใช้วิธีไฟไนต์เอลิเมนต์

ข้อสมมติฐานในการวิเคราะห์

1. ค่าสมบัติทางกลมีลักษณะเป็นเนื้อเดียวกันตลอดชิ้นงาน (Homologous Material)

2. ค่าโมดูลัสยืดหยุ่นของวัสดุมีค่าคงที่ (Elastic Modulus Constant or Isotropic Material)

3. ค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวความร้อนเป็นแบบ เชิงเส้น (Linear Thermal Expansion Coefficient)

4. ไม่คำนึงค่าความเค้นตกค้างภายในวัสดุ (Residual Stress)

5. แรงกดอัดของชุด ไฮดรอลิด กระทำที่ฐานดันแม่พิมพ์ในแต่ละฐาน ด้วยแรงสุทธิ เท่ากับ 100 N

6. อุณหภูมิสิ่งแวดล้อมเท่ากับ 35 ^oC และค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนเท่ากับ 25 W/m²-^oK

7. อุณหภูมิสิ่งแวดล้อมเท่ากับ 35 ^oC และค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนเท่ากับ 5 W/m²-^oK

8. อุณหภูมิที่ออกจากหัวพ่นเปลวไฟในแต่ละหัวพ่น เท่ากับ 350 ^oC (พื้นสีแดงวงกลมบนแม่พิมพ์)

หมายเหตุ : ในข้อที่ 5 ถึง ข้อที่ 8 พิจารณาจากการข้อมูลทดสอบของแม่พิมพ์หล่อวาล์วระบายน้ำ

รูปที่ 4. ชุดแม่พิมพ์หล่อวาล์วระบายน้ำ โดยใช้วิธีไฟไนต์เอลิเมนต์

จากรูปที่ 4. ตัวแม่พิมพ์ที่ใช้ในทางปฏิบัติ ทำมาจากเหล็กหล่อสีเท่า (อ้างอิงจากข้อมูลสมบัติของโปรแกรม COSMOSWorks โดยมีค่าที่ใกล้เคียงกับสมบัติของบริษัทผู้ผลิต) จะพิจารณาสภาพเงื่อนไขของอุณหภูมิภายในแบบหล่อทราย เท่ากับ 330 – 340 ^oC เพื่อที่จะได้แบบหล่อทรายที่ไม่ไหม้หรือเกิดการแตกหักของแบบหล่อ พบว่า กรณีศึกษาที่ 1. สอดคล้องต่อการนำไปใช้ในทางปฏิบัติ เนื่องมาจากในบริเวณของแบบหล่อทรายมีอุณหภูมิถึง 350 ^oC ทำให้เกิดรอยไหม้ และมีการแตกหักเกิดขึ้นในส่วนที่คอคอด ดังแสดงในรูปที่ 5. และในรูปที่ 6. ตามลำดับ

รูปที่ 5. การกระจายตัวอุณหภูมิที่เกิดขึ้นบนตัวแม่พิมพ์หล่อวาล์วระบายน้ำ ของกรณีศึกษาที่ 1.

รูปที่ 6. การสะสมของอุณหภูมิที่เกิดขึ้นภายในแม่พิมพ์ ของกรณีศึกษาที่ 1. (ภาพตัด)

รูปที่ 7. การกระจายตัวอุณหภูมิที่เกิดขึ้นบนตัวแม่พิมพ์หล่อวาล์วระบายน้ำ ของกรณีศึกษาที่ 2.

รูปที่ 8. การสะสมของอุณหภูมิที่เกิดขึ้นภายในแม่พิมพ์ ของกรณีศึกษาที่ 2. (ภาพตัด)

จากรูปที่ 7. แสดงถึงการกระจายตัวอุณหภูมิที่เกิดขึ้น ของกรณีศึกษาที่ 2. พบว่า จากการปรับเปลี่ยนเปลวไฟให้ความร้อนบนตัวแม่พิมพ์เฉพาะทางด้านข้าง เพื่อที่จะกระจายความร้อนที่เกิดขึ้นในบริเวณตรงกึ่งกลางแม่พิมพ์ และจะส่งผลให้แบบหล่อ (ไส้หล่อ) ได้รับความร้อนที่สม่ำเสมอ ลดการแตกหักหรือไหม้ได้ เพราะเนื่องมาจากในบริเวณกึ่งกลางแม่พิมพ์มีเนื้อของแม่พิมพ์มากกว่าในบริเวณอื่น ๆ จึงทำให้เกิดการสะสมความร้อนภายในตัวแม่พิมพ์ ดังแสดงในรูปที่ 5. และในรูปที่ 8. ตามลำดับ ซึ่งเป็นสาเหตุทำให้แม่พิมพ์มีอุณหภูมิสูง และทำให้ไม่สามารถอบแบบหล่อได้ ผลก็คือ ในบางบริเวณแบบหล่อมีรอยไหม้ และเกิดการแตกหักในบริเวณดังกล่าวอีกด้วย

5. บทสรุป

จากผลการวิเคราะห์ สภาวะที่แม่พิมพ์ถูกความร้อนจากเปลวไฟตลอดเวลาในชั่วโมง ทำงาน 10 ชั่วโมง และใช้เวลาเผาหรืออบแบบหล่อ 1 ชั่วโมง โดยจะพิจารณาให้เป็นปัญหาความร้อนที่ไม่แปรเปลี่ยนไปกับเวลา พบว่า ในกรณีศึกษาที่ 1. จะให้ความสอดคล้องต่อการใช้งานมากที่สุด เพราะว่า ชิ้นงานเกิดรอยไหม้ และเกิดการแตกร้าว ขึ้นในบริเวณคอคอดของแบบหล่อ เนื่องมาจากเกิดการสะสมความร้อนภายในตัวแม่พิมพ์ จึงเป็นผลให้มีอุณหภูมิสูง มากกว่าในบริเวณอื่น ๆ สำหรับในกรณีศึกษาที่ 2. จะแสดงถึงการกระจายความร้อนที่เกิดขึ้นบนตัวแม่พิมพ์ อย่างสม่ำเสมอ เนื่องมาจากการปิดไฟของหัวพ่นเปลวไฟในบริเวณกึ่งกลางแม่พิมพ์ เพื่อลดการสะสมความร้อนดังกล่าวที่เกิดขึ้น ซึ่งเป็นผลให้มีอุณหภูมิอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่กำหนดไว้ เพื่อลดปัญหาการโก่งตัว รอยไหม้ รอยแตกร้าวลงได้ และที่สำคัญยังช่วยประหยัดการใช้ก๊าซลง ประมาณ 50 เปอร์เซ็นต์ ที่ใช้ได้อีกด้วย (จากเดิมใช้หัวพ่นเปลวไฟ 46 หัวต่อแม่พิมพ์ 1 ด้าน ลดลงเหลือ 24 หัวพ่นต่อแม่พิมพ์ 1 ด้าน)

แต่อย่างไรก็ตาม ในฉบับหน้า จะพิจารณาถึงผลของความเค้น, ความดันกดอัด, ระยะการโก่งตัวของแม่พิมพ์ ที่เกิดขึ้นจากความร้อนสะสมทั้ง 2 กรณีศึกษา และยังรวมไปถึงการหาสภาวะของความร้อนที่แปรเปลี่ยนไปกับเวลาของชั่วโมงทำงาน และหาความเหมาะสมของอุณหภูมิภายในของแม่พิมพ์ กับแบบหล่อ เพื่อแสดงถึงแนวโน้มที่จะลดราคาในด้านต้นทุนการผลิต ลดความเสียหายที่เกิดขึ้นเป็นประจำต่อแบบหล่อ/แม่พิมพ์ เป็นต้น

___________________________________________