ความเป็นมาของแผ่นรังผึ้ง (honey comb) ที่ใช้ในงานไฟเบอร์กลาส

อะไรคือแผ่นรังผึ้ง
          ในที่นี้เราหมายถึงแผ่นรังผึ้งที่เรามาใช้ในการขึ้นรูปชิ้นงานไฟเบอร์กลาส   เป็นแผ่นขึ้นรูปจากวัสดุแผ่นบางมาติดเข้าด้วยกันในแนวตั้งให้เหมือนกับ
เซลหกเหลี่ยมในรังผึ้งตามธรรมชาติ  แต่ลักษณะอาจเปลี่ยนไปได้เป็นเซลทรงกลม,ทรงสี่เหลียมหรือรูปทรงอื่นๆ ก็ได้    จะใช้ในงานที่ต้องการลดน้ำหนักแต่คงความหนาที่ต้องการไว้เป็นหลัก เช่นผนังเรือ  หลังคารถ  ปีกเครื่องบิน  ท่อ ถัง  ใบพัดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า  โดมเรดาร์
อันที่จริงก็มีวัสดุหลายอย่างที่เราใช้เสริมเข้าไปในการขึ้นรูปชิ้นงานไฟเบอร์ได้   นอกเหนือจากการใช้เรซิ่น และ ใยแก้ว ล้วนๆ   ไม่ว่าจะเป็นไม้อัด  ไม้บัลซ่า 
แผ่นโพลีเอสเตอร์อัดเสริมความหนา   แผ่นรังผึ้งเองก็ใช้ในลักษณะเดียวกัน   แต่สิ่งที่จะได้จากแผ่นรังผึ้งคือทั้งความเบาและความแข็งแรงในขณะเดียวกันเมื่อเทียบกับวัสดุอย่างอื่นที่ใช้กันอยู่    แผ่นรังผึ้งในปัจจุบันมีมากมาย  ทำขึ้นจากวัสดุที่แตกต่างกันไป เช่นกระดาษ อลูมิเนียม โพลีเอทลีน  โพลีโพรไพลีน ฯลฯ   

          ก่อนที่จะมาเป็นแผ่นรังผึ้งรับแรงในปัจจุบันนั้นแรกเริ่มเดิมทีนับย้อนไปประมาณเมื่อ 2000 ปีก่อน   ชนชาติจีนได้นำกระดาษมาทำเป็นรังผึ้งขึ้นรูปเป็นเครื่องประดับตกแต่งบ้าน   แม้ในทุกวันนี้เราก็ยังเห็นรังผึ้งกระดาษที่ประดับตกแต่งตามเพดานหรือตามต้นคริสตมาสอยู่      งานรังผึ้งที่ใช้ในงานโครงสร้างแรกๆ นั้นเห็นจะเป็นงานสร้างสะพานรถไฟข้ามแม่น้ำในแคว้นเวลส์เมื่อปี 1845 โดยใช้ไม้ประเภทลังไข่ทำเป็นตะแกรงเซลสี่เหลี่ยมแล้วปิดด้วยฝากระดานข้างบนและข้างล่าง    (การใช้วัสดุแกนน้ำหนักเบาประกบกับวัสดุทับหน้า-หลังที่เป็นแผ่นทึบตันนี้มีศัพท์เรียกในวงการว่าโครงสร้างแบบแซนวิช)    ถัดมาในปี 1919ได้มีการนำผิวมะฮอกกานีมาประกบกับไม้บัลซ่า(แทนรังผึ้งได้) ถือเป็นโครงสร้างแบบแซนวิชเช่นกันในการทำขาสกีและท้องสกีของเครื่องบินน้ำที่ใช้ในสมัยนั้น   โครงสร้างแซนวิชแบบนี้เป็นที่แพร่หลายมากขึ้นระหว่างสงครามโลกครั้งที่ 1 และ2  เครื่องบินน้ำของอิตาลีทั้งฝูงบินก็ใช้ไม้อัดประกบกับไม้บัลซ่าบินไปได้ถึงบราซิลในช่วงทศวรรษ 1920 และบินไปร่วมงานการบินโลกที่ชิคาโก้ในปี 1930 นั่นเป็นการแสดงให้โลกในขณะนั้นได้เห็นถึงพิสัยการบินที่ระยะไกลมากๆได้โดยใช้โครงสร้างแซนวิช

         การผลิตในเชิงอุตสหกรรมของแผ่นรังผึ้งเริ่มต้นในทศวรรษที่ 30 เมื่อ นาย J.D. Lincoln นำกระดาษมาทำเป็นรูปรังผึ้งแล้วปิดด้านบนและด้านล่าง
(แซนวิช) ด้วยแผ่นไม้บาง  ใช้ในการทำชุดเฟอร์นิเจอร์    ต่อมาได้มีการนำแผ่นรังผึ้งกระดาษมาพัฒนาทำเป็นโดมเรดาร์ในเครื่องบินสื่อสาร หรือ
เครี่องบินสอดแนมของทางทหาร   แต่ข้อเสียของแผ่นรังผึ้งกระดาษก็คือการดูดความชื้น  พอในช่วงปลายทศวรรษ จึงได้มีการพัฒนาจากการใช้กระดาษมาเป็นวัสดุชนิดอื่นๆ มาขึ้นรูปเป็นแผ่นรังผึ้งแทน เช่นวัสดุจำพวกผ้าฝ้าย , ผ้าใยแก้ว รวมไปถึงแผ่นอลูมิเนียม

          ในช่วงเดียวกันนั้นเองบริษัท Havilland Airplane ก็ได้ทำการออกแบบและพัฒนาเครื่องบินทิ้งระเบิดที่ใช้โครงสร้างแซนวิชมาทำเป็นโครงของเครื่องบิน   ผลที่ได้จากการพัฒนาได้นำไปสู่การยอมรับและนำโครงสร้างแบบแซนวิชไปใช้ในวงการอากาศยานอย่างกว้างขวาง   โดยเฉพาะในเกาะอังกฤษที่
นักออกแบบอากาศยานได้ทำการค้นคว้าจนนำไปสู่การพัฒนาโครงสร้างแบบแซนวิชที่ดียิ่งขึ้นและมีวัสดุที่ใช้ทำแผ่นรังผึ้งและแผ่นปิดที่แข็งแรงและเบายิ่งขึ้น

มาจนถึงปี 1945 ที่ได้มีการผลิตแผ่นรังผึ้งเป็นอลูมิเนียม 100% ขึ้นมา และยังได้มีการพัฒนาตัวประสาน (กาว) ระหว่างแกนกลางคือแผ่นรังผึ้งและแผ่นปิดโดยได้แก้ไขปัญหาในเรื่องกาวที่มักจะไหลเยิ้มเข้าไปสู่เซลรังผึ้งแทนที่จะอยู่แต่บนขอบเซลที่เป็นจุดรอยต่อกับแผ่นปิด    อย่างไรก็ตามในช่วงนั้นก็ยังมีปัญหาสารระเหยจากกาวอยู่ค่อนข้างมาก  ผนังเซลรังผึ้งจะต้องทำเป็นรูพรุนเล็กๆ เพื่อให้สารระเหยนี้ระบายออกไปทางด้านข้างตามความหนาของแผ่น   ไม่อย่างนั้นสารระเหยเหล่านื้จะดันออกทางข้างบนและด้านล่างทำให้แผ่นปิดติดกับแผ่นรังผึ้งได้ไม่ดี      แม้ในปัจจุบันแผ่นรังผึ้งแบบพิเศษก็ยังทำให้ผนังเซลมีรูพรุนอยู่เพื่อใช้ในงานทางอวกาศที่ไม่ต้องการให้มีการกักของอากาศอยู่ในเซลรังผึ้ง

          นอกจากงานรับแรงแล้วแผ่นรังผึ้งยังถูกใช้ในวงการอื่นๆได้ด้วย เช่น เป็นตัวซึมซับแรงกระแทก(หลักการเดียวกับ crumple zone ในรถยนต์)   เป็นตัวปรับทิศทางการไหลของอากาศ  เป็นตัวควบคุมการถ่ายเทอุณหภูมิ  เป็นตัวกั้นเสียงและลดเสียงสะท้อน  เป็นตัวกระจายแสง  รวมถึงการใช้เป็นตัวกั้นความถี่วิทยุ   ซึ่งเราจะยังไม่กล่าวถึงในที่นี้

ทำไมถึงควรใช้แผ่นรังผึ้ง
          หลักการเบื้องต้นของการใช้แผ่นรังผึ้งคือต้องการลดน้ำหนักของชิ้นงานโดยคำนึงถึงความแข็งแรงด้วย    นอกจากสองข้อหลักนี้ข้อที่สามก็คือหลักการกระจายการรับแรงไปทั่วๆพื้นผิวเพื่อให้พื้นผิวคงความเรียบเสมอกันไว้โดยไม่เสียรูปทรงเช่นการยุบตัวเป็นช่วงๆของแผ่นพื้นผิวที่วางอยู่บนคานเพียงอย่างเดียว    ยกตัวอย่างในการออกแบบปีกเครื่องบินที่ต้องคงความเรียบสม่ำเสมอของพื้นที่ปีกเพื่อให้อากาศไหลผ่านได้อย่างราบลื่น   โดยปรกติแผ่นวัสดุที่ทำปีกเครื่องบินจะเป็นแผ่นอลูมิเนียมที่จะไปยึดอยู่กับโครงปีก (rib) เพื่อขึ้นรูปเป็นปีก  ซึ่งมีโอกาสที่จะเกิดรอยยุบตัวตรงช่วงกลางระหว่าง rib ที่ไม่มีอะไรมารองรับ    โดยเฉพาะเมื่อมีแรงกดหรือแรงดันของอากาศขณะทำการบิน  ความไม่เรียบของพื้นที่ปีกนี้เองที่จะทำให้เกิดแรงฉุดขึ้นเมื่อเครื่องบินเริ่มมีความเร็ว    ซึ่งปัญหานี้สามารถแก้ไขโดยใช้แผ่นรังผึ้งที่วางเต็มพื้นที่ปีกและวางตั้งแต่ส่วนโค้งด้านบนของปีกจรดด้านล่างจะรองรับแรงที่เข้ามากระทำต่อปีกในทุกๆ ตารางนิ้วโดยกระจายแรงกระทำนั้นไปทั่วๆไม่ให้ตกไปอยู่ในจุดใดจุดหนึ่งมากเกินไปและคงความเรียบสม่ำเสมอของพื้นที่ปีกไว้ได้

         ข้อดีของการใช้โครงสร้างแซนวิชแบบรังผึ้งอีกอย่างคือการทนต่อการล้าของโครงสร้าง  ดูที่แผนภูมิที่ 1   ข้อมูลจากการทดลองการทนความล้าของโครงสร้างแซนวิชแบบรังผึ้งที่เสียงระดับต่างๆกัน เปรียบเทียบกับโครงสร้างแบบใช้ rib โดยทั่วไป แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างแบบแซนวิชรังผึ้งสามารถทนระดับเสียง 167 เดซิเบลได้ 460 ชั่วโมงในขณะที่โครงสร้างทั่วไปทนได้เพียง 3 นาที   นั่นก็เป็นผลมาจากการที่โครงสร้างทั่วไปใช้รีเว๊ท (ตะปูอลูมิเนียม) ยิงยึดแผ่นพื้นผิวเข้าไว้กับ rib ซึ่งก่อให้เกิดแรงเค้นรวมจุดไปที่รีเว๊ท  ในขณะที่โครงสร้างแบบแซนวิชรังผึ้งจะใช้ตัวประสานระหว่างแผ่นผิวกับรังผึ้งทำให้ไม่มีแรงเค้นรวมไปที่จุดใดจุดหนึ่ง                                                                           

          ทั้งนี้ทั้งนั้นการออก แบบใช้งานแผ่นรังผึ้งหลักๆก็ยังเป็นเรื่องของการลดน้ำหนักอยู่ดี   ให้ดูในภาพข้างล่างแสดงให้เห็นการนำเอาแผ่นอลูมิเนียมความหนา .8 มม มาประกบกัน   แบบที่ 1 ทางซ้ายมือเอาแผ่นอลูมิเนียมมาประกบกันเฉยๆ    แบบที่ 2  เอามาประกบกันโดยมีแผ่นรังผึ้งหนา 1.6 มม แทรกกลาง และแบบที่ 3 เอามาประกบกันโคยใช้แผ่นรังผึ้งความหนา 3.2 มม แทรกกลาง   ตารางที่ 1 แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างแบบที่ 3 มีความแข็งสูงกว่าแบบที่ 1 ถึง 37 เท่า และทนแรงบิดงอสูงกว่า 7 เท่า   แต่ในขณะที่มีน้ำหนักมากกว่าเพียง 9% เท่านั้นเอง

          กล่าวโดยสรุปได้ว่าถ้าต้องการออกแบบชิ้นงาน FRP ที่ต้องรับน้ำหนักและต้องการการคงความเรียบสม่ำเสมอของพื้นผิว   หรือการออกแบบชิ้นงานให้มีความหนาในขณะที่ต้องการให้มีน้ำหนักเบาและคงความแข็งแรงไว้คงไม่มีทางเลือกที่ดีไปกว่าการใช้แผ่นรังผึ้ง   ตารางที่ 3 แสดงถึงการใช้วัสดุชนิดต่างๆ และโครงสร้างแบบต่างๆ  มาทำแผ่นสำหรับงานโครงสร้างที่ขนาดกว้าง 1 ฟุต ยาว 8 ฟุต โดยกำหนดให้มีน้ำหนักที่เท่าๆ กันจากการทดสอบหาความแข็งแรงในเชิงเปรียบเทียบเป็นร้อยละเมื่อเทียบกับโครงสร้างแซนวิชรังผึ้ง  ผลที่ได้ชัดเจนมาก