ผ้าหลายแกนสามารถทำให้การผลิตชิ้นส่วนคอมโพซิตง่ายขึ้นและเร็วขึ้นได้หรือไม่?

ในสาขาการผลิตวัสดุคอมโพสิต นอกเหนือจาก "ประสิทธิภาพ" แล้ว ความมีประสิทธิผลและความสม่ำเสมอต่างก็กำลังกลายเป็นสิ่งที่สำคัญยิ่งขึ้นเรื่อยๆ ผ้าแบบเส้นใยเดียว (unidirectional fabrics) และผ้าทอแบบธรรมดา/แบบทวิล (plain/twill weaves) แบบดั้งเดิมได้บรรลุถึงระดับความสุกงอมของประสิทธิภาพสูงแล้ว อย่างไรก็ตาม ยังคงมีความท้าทายอยู่ในการขึ้นรูปจริง เช่น ขั้นตอนการจัดวางชั้นวัสดุ (layup) ที่ซับซ้อน ความพึ่งพาแรงงานสูง และรอบเวลาการผลิตที่ยาวนาน ด้วยเหตุนี้ ผ้าหลายทิศทาง (multi-axial fabrics) จึงถูกนำมาใช้เพิ่มมากขึ้นในอุตสาหกรรมพลังงานลม อวกาศ การขนส่งทางราง และชิ้นส่วนโครงสร้างอุตสาหกรรมระดับสูง ซึ่งนำไปสู่คำถามว่า: ผ้าหลายทิศทางสามารถทำให้กระบวนการผลิตชิ้นส่วนคอมโพสิตเรียบง่ายและรวดเร็วขึ้นได้จริงหรือไม่

ผ้าหลายทิศทางแก้ปัญหาอะไรโดยหลักการ?

ผ้าหลายทิศทาง (Multiaxial Fabric) ผสานเส้นใยที่จัดแนวไว้ที่มุมต่างๆ กัน—เช่น มุม 0°, ±45° และ 90°—เข้าด้วยกันเป็นชั้นโครงสร้างเดียวผ่านกระบวนการถักแบบเวิร์ปไนต์ (warp knitting) เพียงครั้งเดียว
ต่างจากผ้าแบบทิศทางเดียวแบบดั้งเดิมที่ต้องใช้ "หลายชั้น" ผ้าแบบหลายแกน (multiaxial fabrics) สามารถบรรลุการออกแบบการจัดเรียงทิศทางเชิงกลแบบผสมผสานได้ตั้งแต่ขั้นตอนวัสดุ
หมายความว่า:

(1) โครงสร้างที่รับแรงแบบหลายทิศทางไม่จำเป็นต้องพึ่งพาการซ้อนชั้นที่ซับซ้อนอีกต่อไป
(2) ปรัชญาการออกแบบเปลี่ยนแปลงจาก "การซ้อนชั้น" ไปสู่ "การรวมเข้าด้วยกันในเชิงโครงสร้าง"

จากมุมมองด้านการผลิต: มันทำให้กระบวนการง่ายขึ้นอย่างไร?

ในการผลิตจริง การเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากผ้าแบบหลายแกนมีความชัดเจนและสังเกตเห็นได้โดยตรง

→ ขั้นตอนการวางชั้น (layup) ลดลงอย่างมาก

สิ่งที่ก่อนหน้านี้ต้องใช้ผ้าแบบทิศทางเดียวหลายชั้นวางซ้อนกันซ้ำๆ ที่มุมที่แม่นยำ ปัจจุบันสามารถทำได้ด้วยผ้าแบบหลายแกนเพียงหนึ่งชั้นหรือไม่กี่ชั้นเท่านั้น ซึ่งไม่เพียงแต่ลดจำนวนขั้นตอนการปฏิบัติงาน แต่ยังลดข้อผิดพลาดของมุมที่เกิดจากการวางชั้นด้วยมืออีกด้วย

→ ประสิทธิภาพในการขึ้นรูปสูงขึ้น

ในกระบวนการต่าง ๆ เช่น RTM, VARTM และการฉีดเรซินแบบสุญญากาศ (vacuum infusion) ผ้าหลายทิศทาง (multi-axial fabrics) ให้ความมั่นคงเชิงโครงสร้างที่เหนือกว่า ช่วยป้องกันการเคลื่อนตัวและการย่นของผ้า ซึ่งส่งผลให้เรซินแทรกซึมเข้าไปได้อย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับชิ้นส่วนขนาดใหญ่

→ การควบคุมความสม่ำเสมอของกระบวนการทำได้ง่ายขึ้น

เมื่อมุมของเส้นใยถูกล็อกไว้แล้วในขั้นตอนการผลิตผ้า ประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์จึงมีความเสถียรมากขึ้น ส่งเสริมการผลิตในระดับที่สามารถขยายขนาดได้ (scalable production) และการจำลองคุณภาพอย่างสอดคล้องกัน

มันจะสามารถ "เร่ง" การผลิตได้จริงหรือไม่?

คำตอบคือ: ใช่ สำหรับการใช้งานในชิ้นส่วนโครงสร้าง

แม้ว่าต้นทุนวัสดุต่อตารางเมตรอาจสูงกว่าผ้าแบบดั้งเดิม แต่ต้นทุนการผลิตโดยรวมแสดงให้เห็นว่า:

(1) ลดเวลาการวางชั้นวัสดุด้วยมือ (manual layup time)

(2) ลดอัตราการปรับปรุงงาน (rework) และของเสีย (scrap)

(3) ลดระยะเวลาที่แม่พิมพ์ถูกใช้งาน (mold occupancy cycles)

หลังจากการคำนวณโดยรวมแล้ว ประสิทธิภาพในการส่งมอบต่อชิ้นส่วนโครงสร้างหนึ่งชิ้นนั้นสูงขึ้นจริง นี่คือเหตุผลสำคัญประการหนึ่งที่ทำให้ผ้าหลายทิศทางได้รับการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในใบพัดกังหันลมและชิ้นส่วนโครงสร้างแบบเปลือก (shell-type structural components)

การเลือกวัสดุกำลังเปลี่ยนรูปแบบวิธีการผลิต

สำหรับชิ้นส่วนขนาดเล็ก ผลิตภัณฑ์ ชิ้นส่วนที่มีเรขาคณิตซับซ้อนอย่างยิ่ง หรือชิ้นส่วนที่ต้องการพื้นผิวเฉพาะเจาะจง ผ้าแบบดั้งเดิมยังคงให้ข้อได้เปรียบในด้านความยืดหยุ่น

อย่างไรก็ตาม ผ้าหลายแกน (Multi-axial fabrics) แสดงถึงคุณค่าที่โดดเด่นในสถานการณ์ต่อไปนี้:

(1) ชิ้นส่วนโครงสร้างรับน้ำหนัก

(2) ชิ้นส่วนคอมโพสิตขนาดใหญ่และบางผนัง

(3) การผลิตจำนวนมากที่ต้องการความสม่ำเสมอและประสิทธิภาพ

ผ้าหลายแกนไม่ใช่เพียงการแทนที่วัสดุเท่านั้น แต่ยังเปลี่ยนแปลงหลักการออกแบบและการผลิตชิ้นส่วนคอมโพสิตโดยสิ้นเชิง ผ้าประเภทนี้ทำให้สามารถบรรลุความแข็งแรงของโครงสร้างได้ตั้งแต่ขั้นตอนวัสดุ ซึ่งช่วยให้กระบวนการผลิตกลับมาสู่ภาวะที่มีประสิทธิภาพและควบคุมได้

สำหรับผู้ผลิตคอมโพสิตที่ให้ความสำคัญกับประสิทธิภาพ ความเสถียร และความสามารถในการขยายขนาด ผ้าหลายแกนกำลังเปลี่ยนสถานะจาก "ตัวเลือกหนึ่ง" ไปสู่ "ทางเลือกที่ให้ความชอบเป็นพิเศษ"