<%@ Language=VBScript %><% response.buffer=true %>News : MTEC2004
สาระน่ารู้
 
เพิ่มขีดความสามารถการออกแบบผลิตภัณฑ์พลาสติกด้วย FEM
โดย ทีมงานไฟไนต์เอลิเมนต์
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค)
       ปัจจุบัน ในภาคอุตสาหกรรมการผลิต มีการนำวัสดุพลาสติกมาทดแทน วัสดุโลหะ หรือวัสดุอื่น ๆ ในผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ มากขึ้น นับตั้งแต่แก้วน้ำ ที่ใช้ใน ชีวิตประจำวัน ของเล่น ไปจนถึงชิ้นส่วนโครงสร้างของเครื่องบิน อันเนื่องมาจาก ต้นทุนในการผลิตที่ถูกกว่ และน้ำหนักเบากว่า เป็นผลให้รูปแบบของ ผลิตภัณฑ์พลาสติก มีความหลากหลายมากขึ้นทุกวัน ดังนั้น การออกแบบ ผลิตภัณฑ์พลาสติก ภายในประเทศ จึงมีความจำเป็นต้องได้รับ การพัฒนา อย่างต่อเนื่อง ให้ทัดเทียมกับต่างประเทศ

กระบวนการออกแบบผลิตภัณฑ์ โดยทั่วไปจะเริ่มจาก ขั้นตอนการออกแบบ ผลิตภัณฑ์ ให้ได้ตามความต้องการของลูกค้า หรือผู้ใช้ผลิตภัณฑ์ เช่น มีรูปทรงที่สวยงามและเหมาะสม กับการใช้งาน มีความแข็งแรงเพียงพอ ต่อการรับภาระแรงขณะใช้งานได้ หรือ ใช้เนื้อวัสดุที่น้อย เป็นต้น ในขั้นตอนนี้ผู้ออกแบบ จะใช้ประสบการณ์ วิจารณญาณส่วนตัว และผลการ คำนวณเบื้องต้น เพื่อร่วมในการตัดสินใจ ออกแบบรูปร่างผลิตภัณฑ์ จากนั้นจึงสร้างแม่พิมพ์ ตามรูปร่างที่ได้ออกแบบไว้ และนำแม่พิมพ์ ไปผลิตต้นแบบ (prototype) เพื่อนำไปทดสอบการรับภาระแรง ให้เหมือนกับ การใช้งานจริงต่อไป ขั้นตอนดังกล่าวทั้งหมด ถือได้ว่าเป็น 1 รอบ (cycle) ของกระบวนการออกแบบ ดังแสดงในรูป (1ก) หากผลิตภัณฑ์ดังกล่าว เกิดการเสียหายภายหลัง จากทำการทดสอบ ผู้ออกแบบก็ต้องกลับมาทำการ แก้ไขรูปร่างของผลิตภัณฑ์ใหม่ เพื่อให้มีความแข็งแรงมากขึ้น แล้วจึงดัดแปลง แม่พิมพ์ ให้สอดคล้องกับรูปร่างใหม่ที่ได้ จากนั้นจึงผลิตต้นแบบใหม่ และทำการทดสอบอีกครั้ง ทำให้รอบการออกแบบเพิ่มขึ้นอีก 1 รอบ ซึ่งกว่าจะได้ ผลิตภัณฑ์ที่มีรูปร่าง ที่เหมาะสม สามารถรับแรงในขณะใช้งานจริงได้ ก็อาจจะ ต้องเพิ่มรอบการออกแบบ อีกหลายรอบ ทำให้เกิดการสูญเสียทั้งเวลาและต้นทุน ที่ต้องใช้ไปอย่างมาก ในปัจจุบัน ได้มีการเพิ่มขีดความสามารถ ด้านการ ออกแบบ เพื่อช่วยลดจำนวนรอบของการออกแบบผลิตภัณฑ์ ด้วยการใช้ เทคโนโลยีการคำนวณขั้นสูง ที่เรียกว่า ระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ (Finite Element Method, FEM) มาร่วมในกระบวนการออกแบบให้มีประสิทธิภาพ มากยิ่งขึ้น
 
 
รูปที่ 1 แสดงขั้นตอนการออกแบบผลิตภัณฑ์โดยทั่วไปเปรียบเทียบกับการประยุกต์ใช้ซอฟแวร์ FEM
 
 
       FEM เป็นเทคโนโลยีการคำนวณขั้นสูง ที่ทำการแก้สมการทดแทนความเป็นจริง ของปัญหาในแต่ละด้านที่เราสนใจ เช่น ผลิตภัณฑ์พลาสติก ขณะใช้งานจะคำนึงถึงความแข็งแรง ของผลิตภัณฑ์ว่าจะเกิดการเสียหาย ขณะรับแรงหรือไม่ ลักษณะปัญหาเช่นนี้ ถือว่าเป็นปัญหา ด้านกลศาสตร์ของแข็ง (solid mechanics) หรือหากคำนึงถึงผลการฉีดพลาสติกในแม่พิมพ์ โดยทั่วไป จะพิจารณาเส้นทางการไหล อุณหภูมิและการแข็งตัวของพลาสติก ว่าจะมีผลทำให้พลาสติกเหลวไหลไม่เต็มแม่พิมพ์หรือไม่ ลักษณะปัญหาเช่นนี้ ถือว่าเป็นปัญหาในด้านกลศาสตร์ของไหล (fluid mechanics) เป็นต้น การคำนวณที่ซับซ้อนเหล่านี้ ได้ถูกนำมาเขียนเป็นโปรแกรมการคำนวณ ฝังตัวอยู่ภายในซอฟแวร์ไฟไนต์เอลิเมนต์ที่มีจำหน่ายทั่วไป ซึ่งในปัจจุบัน ได้มีการพัฒนารูปแบบการใช้ ให้สามารถใช้งานได้สะดวกและรวดเร็วมากขึ้น


การประยุกต์ FEM เข้ากับการออกแบบผลิตภัณฑ์ จะช่วยให้ผู้ออกแบบไม่ต้องสร้างแม่พิมพ์ขึ้นมาก่อน กล่าวคือ ภายหลังจากที่ผู้ออกแบบ ได้ออกแบบรูปร่างของผลิตภัณฑ์ตามที่ต้องการแล้ว จะใช้ระเบียบวิธีนี้ช่วยวิเคราะห์หาความเค้นที่เกิดขึ้นของโครงสร้างขณะรับแรงจริง ดังแสดงในรูป (1ข) เปรียบเสมือนกับ เป็นการจำลองการทดสอบ หรือการใช้งานจริงของผลิตภัณฑ์ ตามรูปแบบที่ได้ออกแบบ ไว้บนเครื่องคอมพิวเตอร์ (PC) ดังเช่นในรูปที่ 2 แสดงการกระจายค่าความเค้น ของแกลลอนน้ำมันเครื่องที่เสียรูปไป ภายหลังจาก ที่รับน้ำหนักของแกลลอนน้ำมันเครื่องอื่น ๆ ที่วางซ้อนขึ้นไปอีก 9 ชั้น ผลการวิเคราะห์ ทำให้ทราบถึงพฤติกรรม การเสียรูปและ ความเค้นสูงสุดบริเวณรับ load ซึ่งจะมีค่าสูงเกินกว่าที่เนื้อพลาสติกจะทนได้ ทำให้เกิดการยุบตัวอย่างถาวรตามรูปที่ 2 ในกรณีนี้ ผู้ออกแบบจะเห็นผลที่เกิดขึ้นบนหน้าจอคอมพิวเตอร์ และสามารถหาวิธีแก้ปัญหาได้อย่างรวดเร็ว เช่น เพิ่มความหนาของ ถังน้ำมันเครื่องและทำการวิเคราะห์หาค่าความเค้นใหม่ด้วยการใช้โปรแกรมการคำนวณเดิม ทำเช่นนี้เรื่อยไป จนได้ความหนา ที่จะไม่เกิดการยุบตัวอย่างถาวร เป็นต้น เมื่อผู้ออกแบบมีความมั่นใจในรูปร่างของผลิตภัณฑ์ที่ได้แก้ไขไปแล้ว จึงสร้างแม่พิมพ์ และต้นแบบ ตามรูปร่างใหม่นี้ จากนั้นนำต้นแบบที่ได้มาทดสอบจริงต่อไป ในบางผลิตภัณฑ์อาจจะต้องมีการทดสอบอื่น ๆ เพิ่มเติม เช่น การทดสอบความเสียหายของผลิตภัณฑ์ภายหลังจากตกจากความสูงระดับหนึ่งลงมากระทบกับพื้น ดังเช่นในรูปที่ 3 แสดงการ กระจายความเค้น และการเสียรูปของขวดน้ำพลาสติก ภายหลังตกจากที่สูงลงมากระทบกับพื้น เป็นต้น

รูปที่ 2 แสดงความเค้นบนแกลลอนน้ำมันเครื่อง
รูปที่ 3 แสดงความเค้นและการเสียรูปของขวดน้ำพลาสติก
 
       จากรายละเอียดดังกล่าวข้างต้น จะเห็นได้ว่า FEM สามารถช่วยลดจำนวนรอบของการออกแบบ ส่งผลให้ลดเวลา และต้นทุน ในการออกแบบผลิตภัณฑ์ได้อย่างมาก ซึ่งการใช้ซอฟแวร์ FEM นั้นไม่มีความยุ่งยากมากนัก เพียงผู้ออกแบบจะต้องเข้าใจ ความรู้ ที่นำมาเขียนเป็นโปรแกรมและใช้อยู่ในตัวซอฟแวร์อย่างแท้จริง และทราบถึงวิธีการนำความรู้ดังกล่าวมาประยุกต์ใช้ได้อย่างถูกต้อง ซึ่งหากได้รับการแนะนำที่ถูกต้อง จะทำให้ผู้ออกแบบเกิดความเข้าใจในขณะใช้ซอฟแวร์ และมีความมั่นใจในคำตอบที่ได้ ซึ่งจะนำไปสู่การเพิ่มขีดความสามารถด้านการออกแบบผลิตภัณฑ์ของตัวผู้ออกแบบเองต่อไป


หากต้องการทราบรายละเอียดเกี่ยวกับ FEM เพิ่มเติม โปรดติดต่อ ทีมงานไฟไนต์เอลิเมนต์ ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค) หรือสมัครเข้าอบรมหลักสูตรระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ขั้นพื้นฐาน รุ่นที่ 6 ในเดือนสิงหาคม 2545 ได้ที่
โทร. 0-2564-6500 ต่อ 4356-7
 
 

Copyright © 1997-2005,MTEC,NSTDA. All rights reserved.