บุญรักษ์  กาญจนวรวณิชย์
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

ภาพจาก http://www.alibaba.com/product-free/11309845/Magna_Pneumatic_Forklift_Tires.html 

       เมื่อพูดถึงพืชเศรษฐกิจสำคัญของประเทศไทย คนส่วนใหญ่มักนึกถึงข้าวเป็นอันดับแรก แต่หลายคนอาจนึกถึงยางพาราแทน ซึ่งยางพาราก็เป็นพืชเศรษฐกิจที่สำคัญอีกชนิดนอกเหนือจากข้าว โดยข้อมูลจากสารวิจัยธุรกิจ ประจำเดือนกันยายน พ.ศ. 2553 ระบุว่า ประเทศไทยมีผลผลิตรวมจากยางพาราประมาณ 3 ล้านตัน/ปี สามารถผลิตและส่งออกยางธรรมชาติมากเป็นอันดับ 1 ของโลก และครองส่วนแบ่งในตลาดโลกประมาณร้อยละ 35
       ปัจจุบันผลผลิตในรูปน้ำยางดิบถูกนำไปแปรรูปเป็นสินค้ายางชั้นต้นต่างๆ ได้แก่ ยางแท่งประมาณร้อยละ 35 – 40 ยางแผ่นรมควันร้อยละ 25 – 30 น้ำยางข้นร้อยละ 20 – 25 ส่วนที่เหลือร้อยละ 5 – 20 ถูกแปรรูปเป็นยางผสมและยางขั้นต้นอื่นๆ ซึ่งผลิตภัณฑ์เหล่านี้ร้อยละ 85 – 90 ถูกส่งออกไปจำหน่ายยังตลาดต่างประเทศ เช่น จีน มาเลเซีย ญี่ปุ่น และสหรัฐอเมริกา ขณะที่อุตสาหกรรมยางในประเทศมีความต้องการใช้ยางประมาณร้อยละ 10 – 15 เท่านั้น

ล้อยางตัน
       ล้อยางตันเป็นล้อยางที่เหมาะสำหรับการใช้งานในยานพาหนะขับเคลื่อนด้วยความเร็วต่ำ ต้องรับน้ำหนักบรรทุกมาก และใช้งานบนพื้นผิวขรุขระ จึงนิยมใช้ในกิจการบางอย่าง เช่น การทหาร การก่อสร้าง ในสนามบิน และในโรงงานอุตสาหกรรม ล้อยางตันเป็นผลิตภัณฑ์ชนิดหนึ่งที่ใช้ยางเป็นวัตถุดิบหลักในการผลิต และมีสัดส่วนปริมาณการใช้ยางสูงกว่าล้อยางแบบเติมลมด้วย

ล้อยางตันมีจุดเด่น คือ
       1.ไม่มีปัญหายางระเบิด ทำให้ต้นทุนในการเปลี่ยนยางใหม่ลดลง
       2.ทนทานกว่ายางสูบลม จึงช่วยลดปริมาณของเสียจากล้อยางใช้แล้ว
สำหรับจุดด้อยของล้อยางตันคือ ให้การขับขี่ไม่นุ่มนวล เมื่อเปรียบเทียบกับการใช้ยางสูบลม

       การใช้งานล้อยางโดยทั่วไป บริเวณที่เกิดการสึกหรอคือ ส่วนของหน้ายางหรือดอกยาง ซึ่งอัตราการสึกหรอจะแปรผันตรงกับความดัน (หรือน้ำหนัก) ที่ล้อยางได้รับ เมื่อความดันสูงขึ้นหรือล้อยางรับน้ำหนักมากขึ้น อัตราการสึกหรอของดอกยางจะเพิ่มขึ้นตาม ส่งผลให้อายุการใช้งานของล้อยางสั้นลง นอกจากนี้การกระจายตัวของความดันหรือน้ำหนักก็มีผลเช่นกัน หากความดันกระจายตัวไม่สม่ำเสมอ ดอกยางจะเกิดการสึกหรอไม่สม่ำเสมอ ทำให้เกิดเสียงดังขณะใช้งาน ลดอายุการใช้งานล้อยาง ลดสมรรถนะในการขับเคลื่อน ตลอดจนควบคุมยานพาหนะยากขึ้น สำหรับปัจจัยอื่นๆ ที่มีผลต่อการสึกหรอของล้อยาง เช่น การเลี้ยวโค้ง ความเร่ง การเบรก และสภาพแวดล้อมในการขับขี่ เป็นต้น
       เนื่องจากดอกยางหรือหน้ายางมีผลต่ออายุล้อยางโดยตรง ในการออกแบบจึงต้องศึกษาสมบัติหรือลักษณะต่างๆ ที่มีผลกระทบ เช่น รูปร่าง ขนาดหน้าสัมผัส และลักษณะการกระจายตัวของความดันที่เกิดขึ้น ซึ่งสมบัติเหล่านี้สามารถวัดได้ด้วยเครื่อง Footprint Analysis Machine โดยเครื่องจะกดล้อยางด้วยน้ำหนัก (ดังรูปข้างล่าง)

  
เครื่องวัดรูปร่างหน้าสัมผัสของล้อยาง (ซ้าย) หน้าสัมผัสของล้อยางขณะรับน้ำหนัก (ขวา)

       ขณะที่การสึกหรอของล้อยางสามารถวัดด้วยเครื่อง Tire Drum Testing Machine โดยนำล้อยางมาชั่งน้ำหนักก่อนและหลังการทดสอบ

เครื่องวัดการสึกหรอของล้อยาง

       เนื่องจากการทดสอบสมบัติต่างๆ ด้วยเครื่องจักรต้องใช้ล้อยางจริง ดังนั้นในกระบวนการพัฒนาล้อยางจึงต้องเตรียมล้อยางตันต้นแบบจำนวนมากเพื่อทดสอบ ทำให้สิ้นเปลืองเวลา วัสดุ และพลังงานมาก

ตัวอย่างล้อยางตัน (ก) ตัวอย่างที่ 1 (ข) ตัวอย่างที่ 2

       ดร.ไพโรจน์ จิตรธรรม นักวิจัย และคณะวิจัยจากศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ เห็นถึงปัญหาการปรับปรุงล้อยางตันดังกล่าว จึงนำล้อยางตัน 2 รุ่นที่มีขนาดเท่ากัน ทำจากยางคอมพาวด์ชนิดเดียวกัน แต่มีลายดอกยางต่างกัน (ดังรูป) มาทดสอบด้วยเครื่องจักร จากนั้นนำตัวอย่างยางคอมพาวด์ไปทดสอบสมบัติเชิงกลต่างๆ และนำผลการทดสอบที่ได้ไปประมวลผลด้วยระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ (finite element method) ซึ่งสามารถจำลองลายดอกยางแบบต่างๆ ของล้อยางตันลงบนระบบคอมพิวเตอร์

โมเดล 3 มิติของล้อยางตันที่สร้างขึ้นมา

       คณะวิจัยพบว่า การวัดการสึกหรอ และลักษณะการกระจายตัวของความดันของล้อยางตันด้วยเครื่องจักร แสดงผลว่า ล้อยางที่มีพื้นที่หน้ายางมากจะสึกหรอน้อยกว่า และล้อยางที่มีความดันกระจายตัวอย่างสมมาตรซ้าย-ขวาขณะใช้งานจะสึกหรอสม่ำเสมอกว่าล้อยางที่ความดันกระจายตัวบนผิวสัมผัสแบบไม่สมมาตร ซึ่งข้อมูลทั้งหมดใกล้เคียง และสอดคล้องกับข้อมูลที่ได้จากการประมวลผลด้วยระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์

ภาพแสดงผลการประมวลหาลักษณะการกระจายตัวของความเค้นที่ผิวหน้าล้อยาง

       เมื่อผลทดสอบ 2 ชุดมีความสอดคล้องในทิศทางเดียวกัน คณะวิจัยจึงสามารถสรุปได้ว่า ระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์สามารถนำมาใช้วิเคราะห์ และเปรียบเทียบเชิงคุณภาพ (qualitative analysis) ด้านต่างๆ ของล้อยาง เช่น รูปแบบ ลักษณะการสึกหรอ รวมถึงการกระจายตัวของความดันบนหน้ายางได้โดยไม่ต้องผลิตล้อยางจริงออกมา

การพัฒนาในอนาคต
       แม้ระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์จะสามารถใช้วิเคราะห์ และทดสอบเชิงคุณภาพของล้อยางได้ แต่ด้วยเหตุที่ขาดข้อมูลจากการทดลองจริงบางด้าน เช่น ค่าแรงเสียดทาน ทำให้คณะวิจัยต้องคอยเปลี่ยนแปลงข้อมูลที่เป็นตัวแปรเหล่านี้เข้าสู่การประมวลผล ซึ่งส่งผลต่อการใช้เวลาวิจัยนานมากขึ้น ดังนั้นเพื่อให้ระบบประมวลผลถูกต้อง รวดเร็ว และมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น ในอนาคตคณะวิจัยจึงมีแผนจัดสร้างเครื่องทดสอบการสึกหรอของล้อยาง เพื่อเก็บข้อมูลแรงเสียดทานจริงที่เกิดขึ้นระหว่างหน้าสัมผัสของล้อยางกับพื้น เพื่อเป็นนำมาใช้งานกับระบบประมวลผลต่อไป

แหล่งข้อมูลอ้างอิง
ไพโรจน์ จิตรธรรม และคณะ (2552) รายงานการวิจัย พัฒนา และวิศวกรรมฉบับสมบูรณ์ “ระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์เพื่อการทำนายผลของลายดอกยางที่มีต่อการศึกหรอของล้อยางตัน” ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ
อุตสาหกรรมล้อยางรถยนต์ของจีนและผลกระทบต่อไทย [ออนไลน์].// ได้จาก: http://www.positioningmag.com/prnews/prnews.aspx?id=66468
ชัชดากร ธีรสุจิ (2553) อุตสาหกรรมยางพาราและผลิตภัณฑ์ สารวิจัยธุรกิจ [ออนไลน์].// ได้จาก:        http://www.ktb.co.th/upload/economy/top_stories_1/res2453.pdf