บทความ ความเป็นมาของแผ่นรังผึ้ง (honey comb) ที่ใช้ในงานไฟเบอร์กลาส
เรียบเรียงโดย จุติ เพียรล้ำเลิศ |
อะไรคือแผ่นรังผึ้ง
ในที่นี้เราหมายถึงแผ่นรังผึ้งที่เรามาใช้ในการขึ้นรูปชิ้นงานไฟเบอร์กลาส เป็นแผ่นขึ้นรูปจากวัสดุแผ่นบางมาติดเข้าด้วยกันในแนวตั้งให้เหมือนกับ
เซลหกเหลี่ยมในรังผึ้งตามธรรมชาติแต่ลักษณะอาจเปลี่ยนไปได้เป็นเซลทรงกลม,ทรงสี่เหลียมหรือรูปทรงอื่นๆ ก็ได้ จะใช้ในงานที่ต้องการลดน้ำหนัก
แต่คงความหนาที่ต้องการไว้เป็นหลัก เช่นผนังเรือ หลังคารถ ปีกเครื่องบิน ท่อ ถัง ใบบัดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โดมเรดาร์อันที่จริงก็มีวั่สดุหลายอย่าง
ที่เราใช้เสริมเข้าไปในการขึ้นรูปชิ้นงานไฟเบอร์ได้ นอกเหนือจากการใช้เรซิ่น และ ใยแก้ว ล้วนๆ ไม่ว่าจะเป็นไม้อัด ไม้บัลซ่า แผ่นโพลีเอสเตอร์
อัดเสริมความหนา แผ่นรังผึ้งเองก็ใช้ในลักษณะเดียวกัน แต่สิ่งที่จะได้จากแผ่นรังผึ้งคือทั้งความเบาและความแข้งแรงในขณะเดียวกันเมื่อเทียบ
กับวัสดุอย่างอื่นที่ใช้กันอยู่ แผ่นรังผึ้งในปัจจุบันมีมากมาย ทำขึ้นจากวัสดุที่แตกต่างกันไป เช่นกระดาษ อลูมิเนียม โพลีเอทลีน โพลีโพรไพลีน ฯลฯ |
 |
|
ก่อนที่จะมาเป็นแผ่นรังผึ้งรับแรงในปัจจุบันนั้นแรกเริ่มเดิมทีนับย้อนไปประมาณเมื่อ
2000 ปีก่อน ชนชาติจีนได้นำกระดาษมาทำเป็นรังผึ้งขึ้นรูปเป็นเครื่องประดับ
ตกแต่งบ้าน แม้ในทุกวันนี้เราก็ยังเห็นรังผึ้งกระดาษที่ประดับตกแต่งตามเพดานหรือ
ตามต้นคริสตมาสอยู่ งานรังผึ้งที่ใช้ในงานโครงสร้างแรกๆ นั้นเห็นจะเป็นงานสร้าง
สะพานรถไฟข้ามในแคว้นเวลส์เมื่อปี 1845 โดยใช้ไม้ประเภทที่ใช้ทำลังไข่ทำเป็น
ตะแกรงเซลสี่เหลี่ยมแล้วปิดด้วยฝาและท้องสกีของเครื่องบินน้ำที่ใช้ในสมัยนั้น
โครงสร้างแซนวิชแบบนี้เป็นที่แพร่หลายมากขึ้นระหว่างสงครามโลกครั้งที่ 1 และ2
เครื่องบินน้ำของอิตาลีทั้งฝูงบินก็ใช้ไม้อัดประกบกับไม้บัลซ่าบินไปได้ถึงบราซิลในช่วง
ทศวรรษ 1920 และบินไปร่วมงานการบินโลกที่ชิคาโก้ในปี1930นั่นเป็นการแสดง
ให้โลกในขณะนั้นได้เห็นถึงพิสัยการบินที่ระยะไกลมากๆได้โดยใช้โครงสร้างแซนวิช |
|
การผลิตในเชิงอุตสหกรรมของแผ่นรังผึ้งเริ่มต้นในทศวรรษที่ 30 เมื่อ นาย J.D. Lincoln นำกระดาษมาทำเป็นรูปรังผึ้งแล้วปิดด้านบนและด้านล่าง
(แซนวิช) ด้วยแผ่นไม้บาง ใช้ในการทำชุดเฟอร์นิเจอร์ ต่อมาได้มีการนำแผ่นรังผึ้งกระดาษมาพัฒนาทำเป็นโดมเรดาร์ในเครื่องบินสื่อสาร
หรือเครี่องบินสอดแนมของทางทหาร แต่ข้อเสียของแผ่นรังผึ้งกระดาษก็คือการดูดความชื้น พอในช่วงปลายทศวรรษ จึงได้มีการพัฒนาจากการใช้
กระดาษมาเป็นวัสดุชนิดอื่นๆ มาขึ้นรูปเป็นแผ่นรังผึ้งแทน เช่นวัสดุจำพวกผ้าฝ้าย , ผ้าใยแก้ว รวมไปถึงแผ่นอลูมิเนียม
ในช่วงเดียวกันนั้นเองบริษัท Havilland Airplane ก็ได้ทำการออกแบบและพัฒนาเครื่องบินทิ้งระเบิดที่ใช้โครงสร้างแซนวิชมาทำเป็นโครงของ
เครื่องบิน ผลที่ได้จากการพัฒนาได้นำไปสู่การยอมรับและนำโครงสร้างแบบแซนวิชไปใช้ในวงการอากาศยานอย่างกว้างขวาง โดยเฉพาะ
ในเกาะอังกฤษที่นักออกแบบอากาศยานได้ทำการค้นคว้าจนนำไปสู่การพัฒนาโครงสร้างแบบแซนวิชที่ดียิ่งขึ้นและมีวัสดุที่ใช้ทำแผ่นรัง
ผึ้งและแผ่นปิดทีแข็งแรงและเบายิ่งขึ้นมาจนถึงปี 1945 ที่ได้มีการผลิตแผ่นรังผึ้งเป็นอลูมิเนียม 100% ขึ้นมา และยังได้มีการพัฒนาตัวประสาน(กาว)
ระหว่างแกนกลางคือแผ่นรังผึ้งและแผ่นปิดโดยได้แก้ไขปัญหาในเรื่องกาวที่มักจะไหลเยิ้มเข้าไปสู่เซลรังผึ้งแทนที่จะอยู่แต่บนขอบเซลที่เป็นจุดรอย
ต่อกับแผ่นปิด อย่างไรก็ตามในช่วงนั้นก็ยังมีปัญหาสารระเหยจากกาวอยู่ค่อนข้างมาก ผนังเซลรังผึ้งจะต้องทำเป็นรูพรุนเล็กๆ เพื่อให้สารระเหย
นี้ระบายออกไปทางด้านข้างตามความหนาของแผ่น ไม่อย่างนั้นสารระเหยเหล่านื้จะดันออกทางข้างบนและด้านล่างทำให้แผ่นปิดติดกับแผ่นรังผึ้ง
ได้ไม่ดี แม้ในปัจจุบันแผ่นรังผึ้งแบบพิเศษก็ยังทำให้ผนังเซลมีรูพรุนอยู่เพื่อใช้ในงานทางอวกาศที่ไม่ต้องการให้มีการกักของอากาศอยู่ในเซลรังผึ้ง
นอกจากงานรับแรงแล้วแผ่นรังผึ้งยังถูกใช้ในวงการอื่นๆได้ด้วย เช่น เป็นตัวซึมซับแรงกระแทก(หลักการเดียวกับ crumple zone ในรถยนต์)
เป็นตัวปรับทิศทางการไหลของอากาศ เป็นตัวควบคุมการถ่ายเทอุณหภูมิ เป็นตัวกั้นเสียงและลดเสียงสะท้อน เป็นตัวกระจายแสง รวมถึงการใช้เป็น
ตัวกั้นความถี่วิทยุ ซึ่งเราจะยังไม่กล่าวถึงในที่นี้ |
|
ทำไมถึงควรใช้แผ่นรังผึ้ง
หลักการเบื้องต้นของการใช้แผ่นรังผึ้งคือต้องการลดน้ำหนักของชิ้นงานโดยคำนึงถึงความแข็งแรงด้วย นอกจากสองข้อหลักนี้ข้อที่สามก็คือหลักการ
กระจายการรับแรงไปทั่วๆพื้นผิวเพื่อให้พื้นผิวคงความเรียบเสมอกันไว้โดยไม่เสียรูปทรงเช่นการยุบตัวเป็นช่วงๆของแผ่นพื้นผิวที่วางอยู่บนคาน
เพียงอย่างเดียว ยกตัวอย่างในการออกแบบปีกเครื่องบินที่ต้องคงความเรียบสม่ำเสมอของพื้นที่ปีกเพื่อให้อากาศไหลผ่านได้อย่างราบลื่น โดยปรกติ
แผ่นวัสดุที่ทำปีกเครื่องบินจะเป็นแผ่นอลูมิเนียมที่จะไปยึดอยู่กับโครงปีก (rib) เพื่อขึ้นรูปเป็นปีก ซึ่งมีโอกาสที่จะเกิดรอยยุบตัวตรงช่วงกลางระหว่าง rib
ที่ไม่มีอะไรมารองรับ โดยเฉพาะเมื่อมีแรงกดหรือแรงดันของอากาศขณะทำการบิน ความไม่เรียบของพื้นที่ปีกนี้เองที่จะทำให้เกิดแรงฉุดขึ้นเมื่อ
เครื่องบินเริ่มมีความเร็ว ซึ่งปัญหานี้สามารถแก้ไขโดยใช้แผ่นรังผึ้งที่วางเต็มพื้นที่ปีกและวางตั้งแต่ส่วนโค้งด้านบนของปีกจรดด้านล่างจะรอง
รับแรงที่เข้ามากระทำต่อปีกในทุกๆ ตารางนิ้วโดยกระจายแรงกระทำนั้นไปทั่วๆไม่ให้ตกไปอยู่ในจุดใดจุดหนึ่งมากเกินไปและคงความเรียบสม่ำเสมอ
ของพื้นที่ปีกไว้ได้ข้อดีของการใช้โครงสร้างแซนวิชแบบรังผึ้งอีกอย่างคือการทนต่อการล้าของโครงสร้าง ดูที่แผนภูมิที่ 1 ข้อมูลจากการทดลอง
การทนความล้าของโครงสร้างแซนวิชแบบรังผึ้งที่เสียงระดับต่างๆกัน เปรียบเทียบกับโครงสร้างแบบใช้ rib โดยทั่วไป แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างแบบ
แซนวิชรังผึ้งสามารถทนระดับเสียง 167 เดซิเบลได้ 460 ชั่วโมงในขณะที่โครงสร้างทั่วไปทนได้เพียง 3 นาที นั่นก็เป็นผลมาจากการที่โครงสร้าง
ทั่วไปใช้รีเว๊ท (ตะปูอลูมิเนียม) ยิงยึดแผ่นพื้นผิวเข้าไวกับ rib ซึ่งก่อให้เกิดแรงเค้นรวมจุดไปที่รีเว๊ท ในขณะที่โครงสร้างแบบแซนวิชรังผึ้งจะ
ใช้ตัวประสานระหว่างแผ่นผิวกับรังผึ้งทำให้ไม่มีแรงเค้นรวมไปที่จุดใดจุดหนึ่ง |
|
ทั้งนี้ทั้งนั้นการออก แบบใช้งานแผ่นรังผึ้งหลักๆก็ยังเป็นเรื่องของการลดน้ำหนักอยู่ดี ให้ดูในภาพข้างล่างแสดงให้เห็นการนำเอาแผ่นอลูมิเนียม
ความหนา .8มม มาประกบกัน แบบที่ 1 ทางซ้ายมือเอาแผ่นอลูมิเนียมมาประกบกันเฉยๆ แบบที่ 2 เอามาประกบกันโดยมีแผ่นรังผึ้งหนา 1.6มม
แทรกกลาง และแบบที่ 3 เอามาประกบกันโคยใช้แผ่นรังผึ้งความหนา 3.2มม แทรกกลาง ตารางที่ 1 แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างแบบที่ 3
มีความแข็งสูงกว่าแบบที่ 1 ถึง 37 เท่า และทนแรงบิดงอสูงกว่า 7 เท่า แต่ในขณะที่มีน้ำหนักมากว่าเพียง 9% เท่านั้นเอง |
| |
 |
| |
|
|
| ตารางที่1 |
|
|
|
แบบที่ 1 |
แบบที่ 2 |
แบบที่3 |
Relative Stiffness (เท่า) |
1 |
7 |
37 |
ระยะบิดตัว (นิ้ว) |
1.0 |
.14 |
.027 |
Relative Bending Strength (เท่า) |
1 |
3 |
7 |
น้ำหนัก ปอนด์/ตร ฟุต |
.910 |
.978 |
.994 |
|
|
ในท้องตลาดนั้นการใช้ PU โฟมเป็นวัสดุเสริมความหนาในโครงสร้างแบบแซนวิชเป็นอีกทางเลือกหนึ่ง อย่างไรก็ดีถ้าชิ้นงานต้องการความแข็งแรง
ไม่ว่าในเรื่องของแรงกด แรงเฉือน หรือทนการบิดงอแล้วแผ่นรังผึ้งก็ยังเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดในขณะนี้ ดูตารางที่ 2 นอกจากว่าจะใช้สำหรับงานฉนวน
กันความร้อน หรือเก็บความเย็นก็ไปอีกเรื่อง แต่ก็อีกนั่นแหละว่าเราสามารถใช้แผ่นรังผึ้งแล้วฉีดโฟมเข้าไปให้ทั่วๆเซลก็ให้ผลทางด้านการเป็นฉนวน
ความร้อน/ ความเย็นได้เหมือนกันโดยที่ให้ความแข็งแรงไปในตัว |
| |
| ตารางที่ 2 |
|
|
แรงกค |
แรงเฉือน |
|
Density |
Strength |
Modulus |
Strength |
Modulus |
|
(pcf) |
(psi) |
(ksi) |
(psi) |
(ksi) |
รังผึ้งอลูมิเนียม |
3.1 |
300 |
75 |
210 |
45 |
รังผึ้งกระดาษเคลือบ |
3 |
325 |
20 |
175 |
6 |
รังผึ้งไฟเบอร์ |
3 |
410 |
23 |
195 |
19 |
PU โฟม |
3 |
80 |
2.5 |
70 |
2.5 |
|
กล่าวโดยสรุปได้ว่าถ้าต้องการออกแบบชิ้นงาน FRP ที่ต้องรับน้ำหนักและต้องการการคงความเรียบสม่ำเสมอของพื้นผิว หรือการออกแบบชิ้น
งานให้มีความหนาในขณะที่ต้องการให้มีน้ำหนักเบาและคงความแข็งแรงไว้คงไม่มีทางเลือกที่ดีไปกว่าการใช้แผ่นรังผึ้ง ตารางที่ 3 แสดงถึงการใช้
วัสดุชนิดต่างๆ และโครงสร้างแบบต่างๆ มาทำแผ่นสำหรับงานโครงสร้างที่ขนาดกว้าง 1 ฟุต ยาว 8 ฟุต โดยกำหนดให้มีน้ำหนักที่เท่าๆ กันจากการ
ทดสอบหาความแข็งแรงในเชิงเปรียบเทียบเป็นร้อยละเมื่อเทียบกับโครงสร้างแซนวิชรังผึ้ง ผลที่ได้ชัดเจนมาก |
| |
 |
| |
