มจธ. พัฒนา"อะลูมิเนียมทนร้อน"ชนิดใหม่ เสริมแกร่งด้วยนิกเกิลและธาตุหายาก ตอบโจทย์อุตสาหกรรม EV

ทีมวิจัย มจธ. พัฒนาอะลูมิเนียมผสมชนิดใหม่ที่มีคุณสมบัติทนความร้อนสูงและแข็งแรงกว่าอะลูมิเนียม-ซิลิคอนแบบเดิม เพิ่มอายุการใช้งานของวัสดุ ที่มีส่วนผสมของอะลูมิเนียม-นิกเกิลและธาตุหายาก อย่างสแกนเดียม (Sc) สร้างทางเลือกใหม่สำหรับอุตสาหกรรมที่ต้องการวัสดุที่แข็งแรงและเสถียรในสภาพแวดล้อมรุนแรง พร้อมต่อยอดสู่การใช้งานจริงในอุตสาหกรรมยานยนต์สมัยใหม่ โดยเฉพาะรถยนต์ไฟฟ้าและเทคโนโลยี Giga Casting
กว่า 10 ปีที่ รศ. ดร.เชาวลิต ลิ้มมณีวิจิตร, รศ. ดร.พร้อมพงษ์ ปานดี นักวิจัยจากภาควิชาวิศวกรรมอุตสาหการ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี และ ดร.ชนันฐ์ สุวรรณปรีชา บัณฑิตทุนเพชรพระจอมเกล้าดุษฎีบัณฑิต และปัจจุบันเป็นนักวิจัยจากศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (MTEC) ร่วมกันวิจัยพัฒนาอะลูมิเนียมผสมชนิดใหม่ ผ่านงานวิจัยโลหะเจืออะลูมิเนียม-นิกเกิลที่มีการเติมธาตุผสมหล่อสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง โดยเน้นการออกแบบโครงสร้างเส้นใยของเฟสที่แข็งแรง ประสานกับเนื้อโลหะที่เสริมความแข็งแรงของอนุภาคระดับนาโน ที่ไม่สูญเสียสมรรถนะ คงความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงได้
รศ. ดร.เชาวลิต กล่าวว่า "สิ่งที่กำลังได้รับความสนใจในแวดวงวัสดุศาสตร์ คือ การคิดค้นโลหะผสม ซึ่งมีสมบัติ คือ ทนความร้อนได้สูง โดยยังคงรักษาน้ำหนักเบาและความแข็งแกร่งเหมือนโลหะเอาไว้ได้ ซึ่งอะลูมิเนียม (Al) เป็นโลหะที่มีความแข็งแรงสูง และมีน้ำหนักเบาเมื่อเทียบกับโลหะอื่น เช่น เหล็ก และ ทองแดง แต่ข้อจำกัดของการใช้อะลูมิเนียมคือ ไม่ทนความร้อน จึงไม่สามารถนำไปใช้งานในบริเวณที่ต้องเผชิญกับความร้อนสูงได้ ซึ่งหากอะลูมิเนียมเกรดดั้งเดิมจะสูญเสียประสิทธิภาพลดลงเร็วมาก จึงไม่สามารถใช้อะลูมิเนียมแบบดั้งเดิมได้" รศ. ดร.เชาวลิต อธิบายถึงปัญหาที่เป็นต้นทางของโจทย์วิจัย
จากโจทย์ดังกล่าว ทีมวิจัยจึงได้พัฒนาการใช้ นิเกิล(Ni) แทนที่ซิลิคอนในอะลูมิเนียมผสมแบบเดิม ซึ่งพบว่าเกิดเส้นใยสารประกอบอะลูมิเนียม-นิกเกิล (Al?Ni) อยู่ในโครงสร้าง ทำหน้าที่เป็นแกนเสริมความแข็งแรง ที่ทนทานต่อความร้อนสูง แต่การใช้อะลูมิเนียมผสมนิเกิลเพียงอย่างเดียวไม่ได้ให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดตามที่คาดหวัง จึงมีความจำเป็นต้องหาเทคนิค ผ่านการเติมธาตุอื่นๆ เข้าไป ซึ่งเปรียบเสมือน "เคล็ดลับ" หรือ "ผงชูรส" ในการทำอาหาร สิ่งนั้นคือ โลหะหายาก (Rare Earth elements) อย่าง สแกนเดียม (Scandium: Sc)
"สแกนเดียมเป็นหนึ่งใน "secret recipe" ที่ยังไม่เคยมีใครเจือเข้าไปในอะลูมิเนียมเกรดนี้มาก่อน สแกนเดียมที่เจือลงไปนี้ มีสมบัติที่สำคัญคือ มีสัมประสิทธิการแพร่ในเนื้ออะลูมิเนียมต่ำมาก และมีความสามารถในการละลายในสภาวะของแข็งที่ต่ำ และการมีธาตุสแกนเดียมทำให้ได้เป็นอนุภาคในระดับนาโนเมตร (เล็กกว่าไมโครเมตรประมาณ 1,000 เท่า) กระจายตัวอยู่ภายในเนื้ออะลูมิเนียม เกิดเป็นอนุภาคระดับนาโนของสารประกอบอะลูมิเนียม-สแกนเดียม (Al?Sc) ซึ่งจะช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับทั้งเส้นใย Al?Ni และเนื้ออะลูมิเนียม ทำให้วัสดุโดยรวมมีความแข็งแรงและทนต่ออุณหภูมิสูง (High Strength and Heat Resistance) ได้ดีขึ้น" รศ.ดร.เชาวลิต กล่าวเพิ่มเติม
อะลูมิเนียมผสมใหม่ที่มีสมบัติทนความร้อนสูงขึ้นนี้ มีเป้าหมายที่จะนำไปใช้ในงานที่ต้องเผชิญกับอุณหภูมิสูง อย่าง ชิ้นส่วนทางวิศวกรรมที่ต้องทนความร้อน เช่น ฝาสูบเครื่องยนต์ดีเซลที่มีกำลังอัดสูง ซึ่งอุณหภูมิในห้องเผาไหม้จะสูงขึ้น ชิ้นส่วนที่ใกล้กับเครื่องยนต์เจ็ท ที่อะลูมิเนียมเกรดทั่วไปอาจแตกร้าว หรือเสียรูปได้ การใช้อะลูมิเนียมทนความร้อนสูงขึ้นจะช่วยให้สามารถพัฒนาเครื่องยนต์ให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นได้ นอกจากนั้นกระบวนการเชื่อมประกอบในสภาวะของแข็งของชิ้นส่วนอะลูมิเนียมเกรดต่างกันเข้าด้วยกัน หรือเชื่อมอะลูมิเนียมเข้ากับวัสดุอื่น เช่น เหล็ก ทั้งในรถยนต์ทั่วไปและรถยนต์ไฟฟ้า จำเป็นต้องผ่านอุณหภูมิสูง หากใช้อะลูมิเนียมที่ไม่ทนความร้อน ย่อมส่งผลให้ความแข็งแรงบริเวณแนวเชื่อมและพื้นที่ใกล้เคียงลดลง ซึ่งล้วนเป็นความท้าทายในการพัฒนาวัสดุสมัยใหม่ในอุตสาหกรรมยานยนต์ โดยเฉพาะรถยนต์ไฟฟ้าที่ต้องการลดน้ำหนักของตัวโครงสร้างลงเพื่อชดเชยกับน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นจากแบตเตอรี่ ทำให้เพิ่มระยะทางวิ่งโดยใช้แหล่งพลังงานเท่าเดิม
"นอกจากนั้น วัสดุใหม่นี้ยังถูกพัฒนาเพื่อรองรับการผลิตแบบใหม่อย่าง Gigacasting เทคโนโลยีหล่อโครงสร้างของ EV ซึ่งเป็นแนวโน้มใหม่ในอุตสาหกรรมรถยนต์ไฟฟ้าแทบทุกรุ่น โดยเทคโนโลยีนี้ใช้เครื่องฉีดอะลูมิเนียมขนาดใหญ่มาก เพื่อหล่อชิ้นส่วนขนาดใหญ่เพียงไม่กี่ชิ้น แทนการผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็กจำนวนมากแล้วนำมาเชื่อมประกอบกัน (เช่น จาก 171 ชิ้น เหลือ 2 ชิ้น) การลดจำนวนชิ้นส่วนนี้จะช่วยลดเวลาและต้นทุนการผลิต และเพิ่มความแข็งแรงของโครงสร้างโดยรวมเพราะมีรอยต่อน้อย วัสดุที่ใช้ใน Gigacasting จำเป็นต้องมีความแข็งแรงสูงและสามารถเชื่อมประกอบกับวัสดุอื่นได้ ซึ่งอะลูมิเนียมทนความร้อนนี้สามารถตอบโจทย์ได้" รศ. ดร.เชาวลิต กล่าวถึงการต่อยอดงานวิจัยเพื่อสนับสนุนเทคโนโลยีใหม่ของโลก
แม้จะประสบความสำเร็จในระดับห้องปฏิบัติการและได้เผยแพร่ผลงานในวารสารวิจัยชั้นนำของโลก รวมถึงการได้รับการจดสิทธิบัตรเป็นที่เรียบร้อยแล้ว แต่ทีมวิจัยยอมรับว่ายังมีความท้าทายอีกมากในการนำวัสดุนี้ไปสู่การใช้งานจริง ไม่ว่าจะเป็นการทดสอบสมบัติในระยะยาว การขยายกระบวนการผลิต (scale-up) และที่สำคัญที่สุดคือการจับมือกับภาคอุตสาหกรรมในการนำวัสดุไปใช้จริง
"เราต้องการทำงานร่วมกับภาคอุตสาหกรรมในการนำวัสดุนี้ไปทดสอบในสเกลที่ใหญ่ขึ้น เพื่อให้มั่นใจในประสิทธิภาพและปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้น การที่ประเทศไทยจะพัฒนาตนเองให้เป็นเจ้าของเทคโนโลยีและสร้างแบรนด์ของตัวเองได้แทนที่จะเป็นเพียงผู้รับจ้างผลิต จำเป็นอย่างยิ่งที่ภาครัฐ (ทั้งสถาบันวิจัย/มหาวิทยาลัย) และภาคเอกชน (อุตสาหกรรม) จะต้องทำงานร่วมกัน โดยมหาวิทยาลัยเป็นผู้สร้างองค์ความรู้ใหม่และจดสิทธิบัตร ในขณะที่ภาคเอกชนต้องกล้าลงทุนต่อยอด นำงานวิจัยไปพัฒนาและทดสอบเพื่อใช้ในแอปพลิเคชันที่ชัดเจน การทำงานร่วมกันตั้งแต่การตั้งโจทย์วิจัย จะช่วยให้งานวิจัยตอบโจทย์และพร้อมใช้งานได้รวดเร็วยิ่งขึ้น"
งานวิจัยนี้ อาจดูเป็นเรื่องของโลหะและวิศวกรรมที่อาจดูไกลตัวในสายตาคนทั่วไป แต่แท้จริงแล้ว คือภาพสะท้อนของความพยายามในการสร้าง "เทคโนโลยีวัสดุด้วยตัวเอง" ของคนไทยที่สามารถแข่งขันได้ในระดับโลก หากได้รับการต่อยอดจากทุกภาคส่วนอย่างจริงจัง วัสดุชิ้นนี้อาจเป็นจุดเริ่มต้นของการขยับสถานะของประเทศไทย จากผู้ผลิตตามคำสั่ง ไปสู่การเป็น "ผู้สร้างเทคโนโลยีด้วยตัวเอง" ได้ในอนาคต