www.CADTHAI.com

พัฒนาการของคนไทยสู่สากล(FEA)
FEA อีกก้าวของงานออกแบบผลิตภัณฑ์

จนถึงปัจจุบัน ในภาคอุตสาหกรรมของไทยนั้น จะมีกี่บริษัทที่นำเอาซอฟต์แวร์ Computer Aided Engineering (CAE) มาใช้ในการแก้ปัญหาในการออกแบบหรือการผลิตอย่างจริงจัง โดยเฉพาะวิธีที่เรียกกันว่า Finite Element Method (FEA) ซึ่งเป็นวิธีที่ได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายมากที่สุด สิ่งที่เป็นอุปสรรคสำคัญอย่างหนึ่งในการนำเอาเทคโนโลยี FEA มาใช้งานและโดยเฉพาะจะต้องนำไประยุกต์กับงานจริง หรือสถานการณ์จริงที่กำลังเป็นปัญหาอยู่นั้นก็คือ ความรู้และความเข้าใจในองค์ประกอบต่าง ๆ ที่จะรวมกันเป็นแบบของปัญหาที่จะนำมาวิเคราะห์ ยกตัวอย่างเช่น ความรู้ความเข้าใจในคณิตศาสตร์ชั้นสูง, ความรู้ในเรื่องของวัสดุศาสตร์, การสร้างเงื่อนไขที่เป็นขอบเขตปัญหา จากที่กล่าวมาเป็นเพียงส่วนหนึ่งเท่านั้น ยังมีอีกมากที่ยังไม่รู้ว่างานของตนเองนั้นมีปัญหาหรืออาจจะรู้ถึงปัญหาหรือความต้องการในการออกแบบผลิตภัณฑ์ แต่ไม่รู้ว่าการใช้ CAE นั้นสามารถช่วยแก้ปัญหาได้ด้วยซ้ำไป

เมื่อปลายปี 1999 Siam Cast Iron Works Co.,Ltd. (SCI) ผู้ผลิตและจำหน่าย Cast Iron & Ductile Iron Valve ทั้งในและต่างประเทศ ได้ตัดสินใจที่จะเพิ่มประสิทธิภาพในส่วนงานออกแบบผลิตภัณฑ์ของบริษัท โดยนำเอา Software 3D Modeling (3D CAD) ชื่อ SolidWorks และ Software FEA ชื่อ COSMOS/Works จากประเทศอเมริกามาใช้งานในแผนกฝ่ายออกแบบ

ซึ่งในการตัดสินใจครั้งนี้เกิดขึ้นหลังจาก SCI ได้มีการศึกษาในเทคโนโลยี FEA โดยขอความสนับสนุนจากสถาบันการศึกษาและจากผู้จำหน่าย Software โดยใช้เวลามากกว่า 2 ปี จะเห็นว่าบริษัทฯ มีการศึกษาอย่างระมัดระวังและมีการเตรียมความพร้อมมาพอสมควร ในการนำเอา FEA มาใช้งานอย่างจริงจัง

ณ วันที่มีการตัดสินใจจนถึงปัจจุบัน ก็เป็นเวลาประมาณ 1 ปี เต็มที่ SCI ได้นำเอา FEA มาประยุกต์ใช้งาน ซึ่งเราจะมาดูกรณีตัวอย่างว่า การนำเอา FEA มาช่วยในการออกแบบนั้น มีประโยชน์อย่างไร และในแง่มุมใดบ้าง

SCI สู่มาตรฐานโลก

ก่อนที่พูดถึงเรื่องที่เกี่ยวพันกับ FEA ที่ใช้อยู่ในโรงงาน เรามาดูภาพรวมของผลิตภัณฑ์ที่ผลิตโดย SCI ก่อน เพื่อความเข้าใจนะครับ

Siam Cast Iron Works Co.,Ltd. (SCI) ได้ก่อตั้งบริษัท โดยการร่วมมือ ระหว่างไทยกับญี่ปุ่น เพื่อผลิตประตูน้ำเหล็กหล่อภายใต้ตรา SCI จำหน่ายทั้งในประเทศไทยและส่งออกทั่วโลก กลุ่มของผลิตภัณฑ์แบ่งเป็น 6 กลุ่ม ดังนี้

กลุ่มที่ 1 GATE VALVE ตั้งแต่ขนาด 50 mm. – 1600 mm.

กลุ่มที่ 2 BUTTERFLY VALVE ตั้งแต่ขนาด 80 mm. – 3000 mm.

กลุ่มที่ 3 CHECK VALVE ตั้งแต่ขนาด 50 mm. – 1800 mm.

กลุ่มที่ 4 AIR RELEASED VALVE ตั้งแต่ขนาด 25 mm. – 300 mm.

กลุ่มที่ 5 KNIFE GATE VALVE ตั้งแต่ขนาด 80 mm. – 1200 mm.

กลุ่มที่ 6 เบ็ดเตล็ด

ผลิตภัณฑ์ของ SCI นั้นเป็นผลิตภัณฑ์ที่จะต้องมีการกำหนด Spec ทางวิศวกรรมเพื่อการนำไปใช้งานของลูกค้า เช่น Head Loss ของผลิตภัณฑ์, ขนาด, น้ำหนัก, ความสามารถในการรับแรงดัน หรืออัตราการไหลของตัว Valve ชนิดต่าง ๆ ซึ่งข้อมูลต่าง ๆ ที่ต้องการใน Valve แต่ละชนิดหรือรุ่นนั้น จะต้องผ่านการทดสอบจากชิ้นงานสำเร็จรูปจริง ๆ นั่นหมายถึงจะต้องมีการผลิตต้นแบบ (Prototype) จำนวนมากซึ่งเป็นต้นทุนที่สูงมาก

Case Study

อย่างในกรณีศึกษาที่เกิดขึ้นจริง GATE VALUE เป็นผลิตภัณฑ์อีกกลุ่มหนึ่งของบริษัทฯ การใช้งานที่มีความดันตั้งแต่ 0.25, 0.6, 1.0 MPa จนถึงงานประเภทแรงดันสูง เช่นงานระบบป้องกันอัคคีภัยเป็นต้น

ในกรณีศึกษานี้เราจะนำเอา FEA เข้ามาช่วยในการลดต้นทุนการผลิต และเพิ่ม Spec ของผลิตภัณฑ์ GATE VALUE โดยการใช้ Optimization Model ของ COSMOS/Works ในการทำขนาดที่เหมาะสมของผนัง Valve หลังจากเปลี่ยนวัสดุ จาก Cast Iron มาเป็น Ductile Iron.

ในโครงการนี้เริ่มต้นมาจากการนำเอาตัวเรือนของ GATE VALVE มาวิเคราะห์หาความเค้น เพื่อเสรมความแข็งแรงของตัว Valve ก่อนในเบื้องต้น คำถามต่ำมาจึงเกิดขึ้นว่า แล้วถ้าเราใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงมากขึ้น เราสามารถลดขนาด, น้ำหนัก ของ Valve ได้หรือไม่ หรือถ้าเราใช้ขนาดเท่าเดิมแล้ว Valve เราสามารถจะรับแรงดันเพิ่มขึ้นเท่าไร จากปัญหาเหล่านี้นำมาสู่การวิเคราะห์ของ Valve ในรุ่น PN16 จนถึง PN40

3D Modeling

SolidWorks ถูกนำมาใช้ในการขึ้น 3D Model คุณพีระพงษ์ เวฬุนารักษ์ (Design Engineer) กล่าวว่า 3D Model ของตัว Valve นี้ใช้เวลาประมาณ 2-3 วัน ทำงาน ประกอบไปด้วย 2 ส่วน คือ ตัวเรือน Valve และ ฝาครอบด้านบน นอกส่วนของตัว Valve เองแล้ว คุณพีระพงษ์ ยังเพิ่มเติมในส่วนฝาปิด เพื่อใช้เป็นส่วนประกอบในการทดสอบใน Computer ซึ่งจะตรงกับการทดสอบของจริง เมื่อ Model สมบูรณ์ ก็ใช้ Automatic Mesh Computer สร้าง Mesh แบบ Tetrahedron

Analysis with COSMOS/Works

หลังจาก Solid Model ที่ได้จาก SolidWorks ทำการ Assembly เสร็จ Assign Material Properties ของเหล็กหล่อ ซึ่งใช้ข้อมูลที่ได้จากการ Test Specimen ของโลหะที่หล่อเอง ซึ่งจะทำให้ผลลัพธ์ที่ได้มีความเที่ยงตรงมากที่สุด

Boundary Condition

กำหนดจุด Fix โดยใช้จุดที่ต่ำที่สุดของตัว Valve ซึ่งมีเหตุผล 2 ประการ คือ ในลักษณะการ Test จริงนั้นตัว Value จะถูกวางกับพื้นและจากการ Test ในอดีต จะพบว่าจุดต่ำสุดของ Valve ที่ใช้ BC แบบ Fix นั้นเป็นจุดที่มี Displacement น้อยที่สุด หรือแทบจะไม่มี Displacement เลย จึงตัดสินใจใช้จุดนี้

Load ถูกกำหนดโดย Pressure เป็นลักษณะ Uniform ทั่วภายใจ Valve ทั้งหมด Pressure 10 Bar (1.0 MPa) ได้นำมาใช้ในกรณีศึกษานี้

Optimization

ในโจทย์นี้ สิ่งที่ต้องการคือ ความหนาของผนัง Valve ที่เหมาะสม ซึ่งจะต้องใช้ Software ในการปรับขนาด โดยควบคุมให้อยู่ภายใต้ขอบเขตบนและขอบเขตล่าง ซึ่งในกรณีนี้กำหนดด้วย 2 ตัวแปร นั้นก็คือ ความหนาของผนังของเสีย Valve ทั้งตัวและอีกตัวแปรก็คือ Rib ด้านนอก ซึ่งเป็นจุดสำคัญที่ใช้เสริมความแข็งแรงของ Valve สำหรับเป้าหมายในการ Optimization ก็คือ Min of Volume หลังจากกำหนดองค์ประกอบทุกอย่างครบก็สามารถ Run Analysis ได้ทันที

Result

หลังจากการวิเคราะห์ผ่านไป 2-3 ชม. โดยมีการคำนวณทั้งหมด 6 Iterations การบรรลุเข้าสู่วัตถุประสงค์ที่ต้องการก็เสร็จสมบูรณ์ โดยบทสรุปของการวิเคราะห์ก็คือ น้ำหนักที่ลดลง 25% จาก Design เดิม หลังจากเปลี่ยนวัสดุ

Actual Test

ผลการทดสอบการยืดตัวเทียบกับผลการวิเคราะห์

Gate Valve

Pressure (bar)

Analysis Max (mm)

Actual Max (mm )

Error.
%

Size 600

PN10

0.72

1.08

0.76

1.23

12%

หลังจากที่ได้ผลการทดลองซึ่งเป็นที่น่าพอใจ ก็ได้มีการนำ Model ไปผลิตจริงเป็นต้นแบบ และนำไปทำการทดสอบตามที่ได้มีการกำหนด Condition เมื่อตอนที่ทำการวิเคราะห์โดย Computer จากผลลัพธ์ของการทดสอบที่ได้ ถูกนำมาเทียบกับผลวิเคราะห์ (ดังตาราง) จะเห็นว่ามี Error เกิดขึ้น ซึ่งคุณพีระพงษ์ (Design Engineer) ผู้ที่ทำการวิเคราะห์ Model ใน Cast นี้กล่าวว่า Error ที่เกิดขึ้นอาจจะเกิดจากหลายสาเหตุ เช่น Non Homogeneous Material ที่เกิดขึ้นจริง การตัดทอน Feature ของตัว Model เพื่อลดความซับซ้อนในการทำ Mesh เป็นต้น แต่ Error ที่เกิดขึ้นก็นับว่าเป็น Error ที่น้อยและสามารถยอมรับได้ใน Assumption ที่กำหนดไว้เบื้องต้น

สรุป

จากความพยายามในการพัฒนาระบบการออกแบบ และ FEA ถูกนำมาใช้งานที่ SCI อย่างจริงจัง คำถามต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในขั้นตอนการออกแบบ ที่ไม่เคยได้รับคำตอบหรืออาจจะต้องใช้วิธีการที่ยุ่งยากสิ้นเปลือง ในการทำต้นแบบเพื่อใช้ทดสอบหาผลลัพธ์ ก็สามารถรู้ได้ในเวลาอันจำกัด

นี่เป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น ยังมีปัญหาอีกมากที่รออยู่ข้างหน้า การแก้ปัญหาด้วย FEAแต่ที่สำคัญ นี้แสดงให้เห็นว่า Siam Cast Iron Works มุ่งมั่นในการพัฒนามาตราฐานในการออกแบบจนถึงคุณภาพของผลิตภัณฑ์อย่างจริงจัง

ขอขอบคุณ คุณพีระพงษ์ เวฬุนารักษ์ บริษัท Siam Cast Iron Works ที่ให้ข้อมูล สนใจอ่านข้อมูลเพิ่มเติมที่ www.scivalve.com