ปฏิวัติวงการวัสดุ: วัสดุชนิดใหม่จะส่งผลต่ออุตสาหกรรมการผลิตอย่างไร

นบจากประวตศาสตรตงแตยคหน ยคสมฤทธ และยคเหลกเปนตนมา การพฒนาดานวสดมสวนสำคญมาโดยตลอดในกาวขามขดจำกดความพยายามและความสำเรจของมนษย ปจจบนในศตวรรษท 21 ความตองการของอตสาหกรรม เชน อากาศยานและยานยนต เปนแรงขบเคลอนไปสการพลกโฉมหนาใหมของคณสมบตวสดทเหนอขนไปอกระดบ

ธรรมชาตของมนษยมกจะมองไปขางหนาไปยงสงทเราตองการใหกลายเปนความจรง อตสาหกรรมยานยนตถอเปนตวอยางทดสำหรบคำกลาวน เมอคายรถยนตฟอรด (Ford) จดทำรายการวสดทจะนำมาใชกบรถยนตในอนาคต เราไดเหนวามวสดหลายชนดทนาจะชวยชวตของมนษยไดรวมอยในรายการดงกลาว ศาสตราจารย พม แวนเดอรยาคท (Pim van der Jagt) ผอำนวยการบรหารดานเทคนคจากศนยวจยและวศวกรรมขนสงของฟอรด ไดระบรายการวสด เชน เหลกกลาชนดใหมทแขงแรงกวาเหลกกลาในปจจบนสามเทา โฟมพลาสตกทสามารถเสรมความแขงแรงทางโครงสรางไดเมอเกดอบตเหต และวสดคอมโพสตนาโนทนำหนกเบาเหลอเชอแตมความแขงแรงเพมขน (ทมา: http://articles.sae.org/12297/)

ในยคสมยใหม อตสาหกรรมอากาศยานยงคงมองไปขางหนาเชนเดยวกนในการคนหาวสดทแขงแรงขน นำหนกเบาลง และทนทานตอความรอนไดดยงขน โดยมจดประสงคเพอลดปรมาณการปลอยมลพษ ลดตนทนดานเชอเพลง และชวยใหเครองบนใชความเรวไดสงขน สำหรบอตสาหกรรมการบนจนถงในปจจบน วสดคอมโพสตยงคงเปนตวเลอกแรกมาโดยตลอด ดร. เอเลนอร เมอรสน (Eleanor Merson) นกวจยผเชยวชาญดานวสดคอมโพสต กลาววา “เมอสามสบปทแลว เครองบนหนงลำจะมการใชวสดคอมโพสตเพยงหาถงหกเปอรเซนตเทานน แตในปจจบน เครองบนพาณชยอยาง "ดรมไลเนอร" (Dreamliner) มการผลตโดยใชวสดคอมโพสตในสดสวนถงประมาณ 50%”

ถงแมจะมนำหนกเพยงแคหนงในหาของเหลกกลา แตวสดคอมโพสตคารบอนไฟเบอรกลบใหความแขงแรงมากกวา เครองบนสมยใหม เชน ดรมไลเนอร มการนำวสดคอมโพสตคารบอนไฟเบอรมาใชเพอผลตเปนปก หาง ประต ลำตวเครอง รวมถงสวนประกอบภายในตางๆ ซงทำใหเครองบนมนำหนกเบาลง และสำหรบเครองบน นำหนกทกกโลกรมมความสำคญมาก ผเชยวชาญคาดการณวา การลดนำหนกของเครองบนพาณชยลงทกหนงกโลกรม (2.2 ปอนด) จะสามารถลดตนทนการบนลงไดประมาณ 2,000 ถง 3,000 ยโรตอป

ลมโบรกนทอดแนนดวยวสดคอมโพสต

วสดคอมโพสตถกนำมาใชมากขนเรอยๆ กบรถยนต ใบพดกงหนลมผลตไฟฟา และผลตภณฑอนๆ ยกตวอยางเชน รถยนตไฟฟารน i3 ของ BMW ซงผลตดวยวสดคอมโพสตเปนหลก BMW กลาววา นำหนกทเบาลงชวยใหรถยนตคนนสามารถเดนทางไดไกลถง 160 กโลเมตรโดยการชารจเพยงครงเดยว รถยนตหนาตาดดนอยาง Veneno Roadster ของ Lamborghini เองนนมการใชชนสวนจากวสดคอมโพสตเพอลดนำหนกดวยเชนกน ทำใหรถคนนสามารถเรงความเรวจาก 0 ถง 100 กม./ชม. ไดในเวลาเพยง 2.9 วนาทเทานน ในปจจบน การผลตวสดคอมโพสตสามารถทำไดในราคาถกและมบรษทจำนวนมากททำธรกจผลตวสดชนดน แตการผลตวสดคอมโพสตเกรดสงยงคงจำเปนตองใชกระบวนการทมอณหภมสง สภาพแวดลอมการผลตทสะอาดเปนพเศษ รวมทงใชแรงงานจำนวนมาก นอกจากน การตดเฉอนวสดคอมโพสตเกรดสงยงเปนความทาทายทสำคญดวยเชนกน

“การตดเฉอน โดยเฉพาะอยางยงการเจาะวสดคอมโพสตเปนงานทมความทาทายมาก” เมอรสน นกวจยวสดคอมโพสตของแซนดวคโคโรมอนท กลาว “เครองบนหนงลำตองมการเจาะรจำนวนนบหมนร และวสดคอมโพสตยงเปนวสดทมคณสมบตการเสยดสสง วสดคารบอนไฟเบอรสามารถทำใหดอกสวานสกหรอไดอยางรวดเรว”

ในอนาคต อาจเปนไปไดทจะมการเสรมใหวสดคอมโพสตมความแขงแรงมากขนโดยใชไฟเบอรทมการพฒนาในระดบนาโน นอกจากนยงมการคาดการณวานกวทยาศาสตรจะสามารถสรางวสดทสมบรณแบบไดโดยใชกระบวนการในระดบอะตอม ผเชยวชาญจาก อลทานา เอจ (Altana AG) บรษทเคมจากเยอรมน กลาววา ในอนาคต เราจะสามารถผลตคารบอนนาโนทวบขนาดเลกใหมความแขงแรงมากกวาเหลกกลาหรออะลมเนยมไดถง 400 เทาและแขงแรงกวาคารบอนไฟเบอรในปจจบนถง 20 เทา

วสดกราฟนในสมารทโฟน

วสด เชน กราฟนและควอไซครสตล ซงทำใหผคดคนไดรบรางวลโนเบลมาแลว เปนวสดแหงอนาคตทเปนคำตอบสำหรบงานทตองใชวสดทแขงแรงเปนพเศษและอาจเปนวสดทจะพลกโฉมวงการออกแบบอตสาหกรรม อยางไรกตาม การนำวสดดงกลาวมาใชงานในวงกวางนาจะยงไมเกดขนภายในอนาคตอนใกล

ในปทผานมา บรษทจากประเทศจนไดนำเกรนของวสดกราฟนมาใชในการผลตโทรศพทมอถอเพอเพมคณสมบตการนำไฟฟา เกลดของควอไซครสตลไดถกนำมาผสมเพอผลตเปนกระทะทอดอาหารและเครองมอผาตดทางการแพทยเพอเพมความทนทาน ถงแมจะยงไมมการเปลยนแปลงโฉมหนาวงการอตสาหกรรมในเวลาอนใกล แตในปจจบนไดมการลงทนจำนวนเงนมหาศาลไปกบการวจยวสดกราฟน กราฟนแขงแรงกวาเหลกกลาถง 200 เทาและเปนวสดทบางทสดในโลก (บางกวาเสนผมมนษยถง 1 ลานเทา) และในขณะเดยวกน นกวจยทงของบรษทและมหาวทยาลยตางๆ กกำลงมงเนนไปทการปรบปรงวสดและเทคนคการผลตทมอยเดม

ในปจจบนอะลมเนยมอลลอยนำหนกเบาไดถกนำมาใชแทนเหลกกลาความแขงแรงสงในสวนของกนชน ชนสวนดดซบแรงกระแทก และคานกนกระแทกดานขางของรถยนต ในสวนของเครองยนตอากาศยาน ไดมการนำอลลอยความแขงสงพเศษททนทานตออณหภมรอนและเยนจดมาใชเพอเพมประสทธภาพการแปลงพลงงานและลดตนทนเชอเพลง

สารเคลอบผวทแขงกวาเหลกกลา

การตกเคลอบดวยไอทางกายภาพ (PVD) และการตกเคลอบดวยไอเคม (CVD) เปนกระบวนการทใชในการเคลอบผววตถดวยฟลมทบางมากแตมความแขงและทนทานตอความรอนไดด ทงสองเทคนคเรมถกนำมาใชอยางแพรหลายในชวงทศวรรษท 1980 โดยในปจจบน ยงคงมการใชเทคนคดงกลาวอยสำหรบอปกรณทางกล อปกรณออปตกส และอปกรณอเลกทรอนกส

แซนดวคโคโรมอนทใชวธการทงสองแบบเพอเพมความแขงใหกบผวของเมดมด โดยวสดแกนกลางของเมดมดนนทำจากคารไบดทมสวนประกอบหลก ไดแก ทงสเตนคารไบดและโคบอลต

“การเพมชนเคลอบผวแบบ PVD ทมความหนาตงแตสองถงสบไมครอน ชวยใหเมดมดมอายการใชงานยาวนานขนถง 100 เทา” ดร. แมทส อลเกรน (Mats Ahlgren) ผเชยวชาญสาขาฟสกสวสดและหวหนาแผนก PVD ของแซนดวคโคโรมอนท กลาว “นอกจากลกคาจะสามารถใชเมดมดไดนานขนแลว การเคลอบผวยงชวยเพมประสทธภาพการผลตไดดวยเชนกน เนองจากสามารถใชความเรวและอตราปอนไดสงขนมาก”

งานวจยในปจจบนเนนไปทการทำใหสารเคลอบผวมความแขงแรงมากขนเพอตอบสนองความตองการในการใชงานกบวสดททนทาน

“ในชวงไมกปมาน เราไดพฒนาความสามารถในการควบคมกระบวนการผลตสารเคลอบผวชนดใหม” อลเกรนกลาว “เราสามารถตรวจสอบโครงสรางของสารไดในระดบอะตอมผานทางกลองจลทรรศน ซงชวยใหเราสามารถวเคราะหคณสมบตของสารเคลอบผวไดกอนทจะนำไปผลตจรง”

ในป 2013 แซนดวคโคโรมอนทไดจดสทธบตรกระบวนการเคลอบแบบ CVD ทเรยกวา Inveio™ เทคโนโลย Inveio เปนการจดเรยงผลกของสารเคลอบผวใหหนไปทางทศทางเดยวกน ซงถอเปนความกาวหนาครงสำคญในการพฒนาความทนทานและความแขง

วสดทมความแขงแรงมากขนในปจจบนทำใหการผลตชนงานขนาดใหญโครงสรางเดยวทมนำหนกมากกลายเปนสงทไมคอยมความจำเปนมากนก นกออกแบบสามารถเลอกวสดตางชนดกนไดเพอนำมาผลตเปนชนสวนตางๆ ของรถยนตหรอเครองบน ชนสวนบางชนไมจำเปนตองมความแขงแรงมากเกนกวาทจำเปน นคอปรชญาการออกแบบของ เอยน สโคลย (Ian Scoley) อดตหวหนาแผนกออกแบบอตสาหกรรมของแอรบส (Airbus) ซงมหนาทดแลดานการออกแบบเคบน สโคลย ซงมตำแหนงเปนหวหนาแผนกออกแบบอตสาหกรรมใหกบ C&D Zodiac ในปจจบน กลาววา เขาไดรบแรงบนดาลใจมาจากกระดกของนก “นกมกระดกทแขงแรงในสวนทจำเปนตองแขงแรง แตกระดกจะเบาและโปรงในจดทตองการความยดหยน”

รไซเคลไดทกสวน

ถงแมวาเครองบนและรถยนตจะใชพลงงานนอยลงและปลอยไอเสยนอยลงเนองจากใชวสดชนดใหมและการออกแบบขนสง แตความสามารถในการนำกลบมารไซเคลนนยงคงมความสำคญเพมมากขนเรอยๆ ตวอยางเชน วสดคอมโพสตหลายชนดมการผลตโดยใชสารยดเกาะ ซงคดแยกและนำกลบมาใชใหมไดยาก แตอะลมเนยมอลลอยทใชในอตสาหกรรมยานยนตในปจจบนนนไดรบการออกแบบโดยคำนงถงการนำกลบมารไซเคลในอนาคตเปนสำคญ

ทจรงแลว ความสามารถในการนำกลบมารไซเคลไดกลายเปนแรงผลกดนใหกบอตสาหกรรมการผลตยานยนต รฐบาลตางๆ ของประเทศในทวปยโรปกำหนดใหรถยนตทกคนทผลตขนตองมวสดทสามารถนำกลบมารไซเคลไดไมตำกวา 85% “บรษทผผลตยานยนตจงตองมการประเมนทกชนสวนของรถยนตเพอปฏบตตามขอกำหนดดงกลาว” อารเยน บอนการด (Arjen Bongard) นกวเคราะหอตสาหกรรมยานยนตชาวเยอรมน กลาว

ความทาทายของการนำวสดกลบมารไซเคลกอใหเกดแนวคดทสรางสรรคขนมากมาย ฟอรดไดเรมนำฟางขาวสาลและผลตภณฑจากถวเหลองมาใชกบการออกแบบภายในของรถ รวมทงยงทำการวจยเกยวกบการนำกาบมะพราว แครอท และพลาสตกทผลตจากขาวโพดมาใชอกดวย วสยทศนของบรษทคอการผลตชนสวนภายในของรถทสามารถยอยสลายไดเอง 100%

“การคดคนวสดทางเลอกถอเปนเสนทางทมความสำคญ เชนเดยวกบความตองการในการสรางวสดทดแทนและกระบวนการรไซเคลทชวยประหยดตนทน” ดร. แอนนา ฮลทน สทเกนเบรก (Anna Hultin Stigenberg) หวหนาทมผเชยวชาญดานวจยและพฒนาของแซนดวคโคโรมอนท กลาว สทเกนเบรกเปนประธานคณะกรรมการเตรยมการประชมนานาชาตชมชนความรและนวตกรรม (Knowledge and Innovation Community) เกยวกบวตถดบ ซงเปนโครงการรเรมทประกอบดวยบรษทและสถาบนวจยมากกวา 100 แหงเขารวมสงเสรมการพฒนาวสดอยางยงยน

เลกระดบอะตอม

เราจะหยดแควสดทมอยในปจจบนนทำไม ในเมอมนษยกำลงพฒนาความสามารถในการสรางวสดชนดใหมขนมา วสดทมคณสมบตเฉพาะตรงตามทตองการ

“เรามความสามารถมากขนเรอยๆ ในการออกแบบวสดชนดใหมโดยทลงลกถงในระดบอะตอมดวยความสามารถของกลองจลทรรศนสมยใหมและประสทธภาพในการคำนวณดวยคอมพวเตอร” ฮลทน สทเกนเบรก กลาว

นบตงแตการสนสดยคเหลกในราว 550 ปกอนครสตกาล ยงไมมวสดชนดใดอกเลยทสามารถเปนสญลกษณของยคประวตศาสตรของมนษยชาตได นกวชาการหลายรายกลาววา เรากำลงอยในยคพลาสตก แตผคนในอนาคตอาจกลาวถงยคของเราวาเปน “ยคแหงวสดใหม” และวสดดงกลาวอาจมผลตอการพฒนาของมนษยมากเกนกวาทเราจะนกภาพออกในวนน