เรียบเรียงโดย   บุญรักษ์  กาญจนวรวณิชย์
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

 
ภาพจาก http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT/2003/5000/5120noebe.html

      โลหะจำรูปเป็นวัสดุชนิดหนึ่งที่มีสมบัติเฉพาะตัวน่าสนใจ และสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในงานหลายอย่าง เช่น ลวดจัดฟัน กล้ามเนื้อเทียมสำหรับหุ่นยนต์ กรอบแว่นตา ข้อต่อท่อ (pipe coupling) เป็นต้น
      ความสามารถในการจำรูปของโลหะผสมนี้เป็นผลเนื่องมาจากโครงสร้างระดับจุลภาค (microstructure) และระดับที่เล็กลงไปกว่านั้นคือ โครงสร้างผลึก (crystal structure) และสามารถอธิบายได้ด้วยแบบจำลอง 2 มิติอย่างง่าย ดังนี้

แผนผังการเปลี่ยนโครงสร้างผลึก
ภาพจาก http://webdocs.cs.ualberta.ca/~database/MEMS/sma_mems/sma.html

      ก่อนการเปลี่ยนแปลงรูปร่างโลหะจำรูปมีโครงสร้างแบบทวินด์มาร์เทนไซต์ (twinned martensite) เมื่อให้แรงกระทำ (load) ดัดแปลงชิ้นงานโลหะจำรูป นอกจากรูปร่างของชิ้นงานจะเปลี่ยนไปแล้ว โครงสร้างภายในจะเปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซต์ที่ถูกเปลี่ยนรูปร่าง (deformed martensite) จากนั้นเมื่อให้ความร้อนแก่ชิ้นโลหะ กระทั่งอุณหภูมิสูงถึงค่าหนึ่งเรียกว่า อุณหภูมิเปลี่ยนรูป (transformation temperature) โครงสร้างของโลหะจะเปลี่ยนไปเป็นออสเทนไนต์ (austenite) โดยรูปร่างของชิ้นโลหะที่ปรากฏต่อสายตาจะมีลักษณะเหมือนกับรูปร่างของชิ้นโลหะก่อนการแปรรูป แม้ว่าออสเทนไนต์และทวินด์มาร์เทนไซต์จะมีโครงสร้างแตกต่างกันก็ตาม เมื่อปล่อยให้ชิ้นงานเย็นลงมา โครงสร้างของชิ้นงานจะกลับไปเป็นแบบทวินด์มาร์เทนไซต์อีกครั้ง ดังนั้นจะเห็นได้ว่าการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึกที่เกิดขึ้นตลอดทั้งกระบวนการทำให้โลหะจำรูปสามารถกลับสู่สภาพเดิมก่อนถูกเปลี่ยนรูปร่าง
      ด้วยเหตุที่โลหะจำรูปสามารถเปลี่ยนกลับคืนรูปเดิมได้ เมื่ออุณหภูมิของโลหะเพิ่มสูงขึ้นถึงระดับอุณหภูมิเปลี่ยนรูป ดังนั้นหากสามารถควบคุมปริมาณแรงจากภายนอกที่กระทำกับโลหะจำรูปให้เปลี่ยนรูปร่าง และทำให้โลหะร้อนจนเปลี่ยนกลับคืนสู่รูปเดิมได้ จะสามารถนำโลหะจำรูปไปประยุกต์ใช้งานได้อีกหลากหลายแบบ

การประยุกต์ใช้เป็นแอคชูเอเตอร์
      แอคชูเอเตอร์ (actuator) จากโลหะจำรูปเป็นอีกหนึ่งการประยุกต์ใช้งานที่น่าสนใจ โดยทั่วไปอุปกรณ์นี้มีสมบัติตอบสนองต่อสิ่งเร้าแล้วให้กำเนิดแรงได้ โดยเปลี่ยนรูปพลังงานอื่นให้เป็นพลังงานกล เช่น เปลี่ยนพลังงานทางไฟฟ้าหรือความร้อนให้เป็นการเคลื่อนที่เชิงกลของวัตถุ

      แอคชูเอเตอร์ในวาล์วควบคุมการไหลของเหลวแบ่งเป็น 3 ประเภทหลักคือ แอคชูเอเตอร์ลม แอคชูเอเตอร์ไฟฟ้า และแอคชูเอเตอร์ไฮโดรลิก โดยแอคชูเอเตอร์ลมเป็นอุปกรณ์ที่นิยมใช้มากที่สุด สำหรับงานวิจัยนี้แอคชูเอเตอร์คือ ลวดโลหะจำรูปซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานกล

     
วาล์วควบคุมต้นแบบ

      ดร.เดี่ยว กุลพิรักษ์ อาจารย์ภาควิชาวิศวกรรมระบบควบคุมและเครื่องมือวัด คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี และทีมวิจัยเห็นว่า ชุดควบคุมการจ่ายลม (หรืออุปกรณ์ควบคุมตำแหน่งวาล์ว) ของแอคชูเอเตอร์ลมเป็นอุปกรณ์ราคาแพง และมีต้นทุนการบำรุงรักษาสูง หากสามารถเปลี่ยนเป็นการควบคุมด้วยระบบไฟฟ้าจะช่วยลดต้นทุนการติดตั้งวาล์วได้ ทีมวิจัยจึงออกแบบและพัฒนาโดยนำลวดโลหะจำรูปชนิดนิกเกิล-ไทเทเนียมมาใช้เป็นแอคชูเอเตอร์ โดยอาศัยสมบัติการเปลี่ยนรูปของลวดโลหะจำรูปเป็นตัวควบคุมการทำงานของวาล์ว
 ทีมวิจัยเลือกวาล์วแบบโกล์บ (globe) มาดัดแปลง เนื่องจากแอคชูเอเตอร์ที่ควบคุมการไหลของของเหลวมีลักษณะการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง (ขึ้น-ลง) และมีช่วงชักไม่ยาวมาก เหมาะต่อการใช้ลวดโลหะจำรูป โดยในจังหวะเปิดวาล์ว ระบบควบคุมจะปล่อยกระแสไฟฟ้าให้ไหลผ่านเส้นลวด เพื่อให้เส้นลวดร้อนและหดตัว เกิดแรงดึงแท่งสเต็ม (stem) ให้เคลื่อนที่ขึ้น สำหรับจังหวะปิดวาล์วเป็นการลดอุณหภูมิหรือระบายความร้อนออกจากเส้นลวด เพื่อให้เส้นลวดยืดหรือคืนตัวกลับ ทำให้แท่งสเต็มลดตัวลง
 นอกจากนี้ทีมวิจัยยังออกแบบระบบจ่ายกระแสไฟแก่โลหะจำรูป อุปกรณ์เซนเซอร์ที่ใช้ทดลอง โครงสร้างแบบทดสอบการทำงานของวาล์ว ซึ่งทั้งหมดควบคุมด้วยระบบพีไอดี (PID controller)

ประสิทธิภาพ
 สิ่งสำคัญในการประเมินประสิทธิภาพการทำงานของแอคชูเอเตอร์คือ ความถูกต้องของการควบคุมตำแหน่งการเคลื่อนที่ของแอคชูเตอร์ เพราะเกี่ยวข้องกับปริมาณหรืออัตราการไหลผ่านของของเหลว ซึ่งแอคชูเอเตอร์โลหะจำรูปที่ทีมวิจัยพัฒนาออกมามีค่าความผิดพลาดการควบคุมตำแหน่งที่ระดับ ± 1 เปอร์เซ็นต์ โดยอุณหภูมิสิ่งแวดล้อมเป็นตัวแปรสำคัญที่ส่งผลกระทบต่อการทำงานของอุปกรณ์
จุดเด่น
แอคชูเอเตอร์ที่ใช้เส้นลวดโลหะจำรูปทำงานด้วยกระแสไฟฟ้าโดยตรง จึงตัดปัญหาเรื่องการเดินท่อลม และการเสื่อมสภาพของอุปกรณ์ควบคุมตำแหน่งวาล์วซึ่งมีราคาค่อนข้างแพงได้
จุดด้อย
แอคชูเอเตอร์ที่พัฒนาออกมาเหมาะสำหรับใช้กับวาล์วที่มีความดันตกคร่อม (pressure drop) ไม่สูงมาก หากวาล์วมีความดันตกคร่อมสูงจำเป็นต้องใช้เส้นลวดโลหะจำรูปขนาดใหญ่ หรือใช้แอคชูเอเตอร์ลม หรือมอเตอร์จะเหมาะสมมากกว่า

บทสรุป
แม้แอคชูเอเตอร์ที่พัฒนาออกมาจะเป็นงานวิจัยระดับต้นแบบซึ่งสามารถพัฒนาต่อได้อีก แต่ผลงานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่า โลหะจำรูปสามารถประยุกต์ใช้เป็นอุปกรณ์สำหรับวาล์วควบคุมของไหลได้ ซึ่งอุปกรณ์มีศักยภาพเหมาะสมต่อการผลิตในเชิงพาณิชย์ เพราะมีตลาดรองรับผลิตภัณฑ์แน่นอน เนื่องจากอุปกรณ์ควบคุมการไหลเป็นอุปกรณ์พื้นฐานสำหรับทุกโรงงาน

 
แอคชูเอเตอร์และระบบจ่ายไฟ

แหล่งข้อมูลอ้างอิง
เดี่ยว กุลพิรักษ์ และคนอื่นๆ (2552) รายงานการวิจัย พัฒนา และวิศวกรรมฉบับสมบูรณ์ “การพัฒนาโลหะจำรูปมาประยุกต์งานวาล์วควบคุม” ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ
Metals and Conductive materials [On-line]. Available: http://www.tibtech.com/conductivity.php
Shape memory alloy [On-line]. Available: http://en.wikipedia.org/wiki/Shape_memory_alloy

 ความรู้ประกอบ 

โดยทั่วไปวาล์วควบคุมการไหลของของเหลว มีส่วนประกอบหลัก 3 ส่วนคือ 1.แอคชูเอเตอร์ (actuator) 2.ตัววาล์ว (valve body) และ 3.อุปกรณ์ควบคุมตำแหน่งวาล์ว (positioner)
สนใจรายละเอียดเพิ่มเติมติดต่อ คุณจันทร์เพ็ญ ถนอมบุญ/ คุณขจรศักดิ์ สงวนสัตย์ เบอร์โทรศัพท์ (02) 564 - 6500 ต่อ 4667, 4673