AMeF - Advanced Metallurgy & Forming Laboratory, KMUTT

ขอแสดงความยินดีกับอีกหนึ่งก้าวสำคัญ ในการสอบจบผ่านอย่างเป็นทางการ ของ นายชลชาติ เชิดชูนวน ในหัวข้อเรื่อง "การจำลองกระบวนการตัดเฉือนขั้นสูง ของวัสดุ High Manganese steel โดยคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างจุลภาค"
และ Mr. Giang Ngo Vo Truong ในหัวข้อเรื่อง "อิทธิพลของ crystal orientation ต่อการเสียรูปและความเสียหายในระดับจุลภาคของวัสดุ Dual Phase Steel"

ขอให้เส้นทางหลังจากนี้เต็มไปด้วยโอกาส งานวิจัยดี ๆ และความสำเร็จที่ใหญ่กว่าเดิม

Finally made it !
#เครื่องกลบางมด

Multiscale modelling คือการวิเคราะห์และจำลองพฤติกรรมของวัสดุ โดยเชื่อมโยงข้อมูลจากหลายขนาดและเวลาเข้าด้วยกัน แทนที่จะพิจารณาวัสดุจาก scale ใด scale หนึ่งเพียงลำพัง แนวคิดนี้ครอบคลุมตั้งแต่ระดับ [1]

• Atomistic scale: การจำลองพฤติกรรมวัสดุในระดับอะตอม เช่น การเคลื่อนที่ของอะตอมหรือ dislocation ในวัสดุโลหะ
• Micro-scale: การจำลองพฤติกรรมของวัสดุในระดับ grain, inclusion, void, fiber–matrix
• Meso-scale: การจำลองพฤติกรรมของวัสดุในระดับ phase, บ่อหลอมของโลหะจากกระบวนการพิมพ์สามมิติด้วยเลเซอร์ (LPBF) หรือการจำลองอิทธิพลของความหยาบผิวที่ส่งผลต่อ fatigue life
• Macro-scale: การจำลองวัสดุในระดับที่ตามองเห็น เช่นชิ้นส่วนโครงสร้างรถต่างๆ, คานหรือเสา
• Structural scale: ใช้วิเคราะห์การรับแรงทางกลของ ชิ้นส่วนมากกว่าหนึ่งชิ้นที่ประกอบกันขึ้นเป็นโครงสร้างและมีการรับแรงที่ซับซ้อนมากขึ้น

เนื่องจากสมบัติระดับมหภาคของวัสดุ อาทิ stiffness, strength, ductility, fracture behavior, fatigue life และ formability เป็นผลลัพธ์จากกลไกภายในหลายระดับ ไม่ว่าจะเป็นการเคลื่อนที่ของ dislocation การจัดเรียงของ grain การกระจายตัวของ phase หรือการสะสมของ stress และ strain ภายในวัสดุในแต่ละ scale [2], [3].

กล่าวอีกแบบคือ Multiscale modelling เป็นเทคนิคที่พยายามเชื่อมโยง “โลกเล็ก” เข้ากับ “โลกใหญ่” โดยที่พฤติกรรมที่ scale ใหญ่นั้นเกิดจากกลไกใน scale ระดับที่เล็กกว่า เช่น ความแข็งแรงของโลหะสัมพันธ์กับขนาดเกรนและปริมาณ dislocation ส่วนความสามารถในการขึ้นรูปของเหล็กกล้า dual phase สัมพันธ์กับการกระจายตัวของเฟส ferrite และ martensite ใน microstructure ดังนั้น Multiscale modelling เป็นการสร้างความสัมพันธ์ระหว่างกลไกทางกลในหลายระดับ เพื่ออธิบายว่าวัสดุแต่ละประเภทแสดงพฤติกรรมทางกลแบบต่างๆได้อย่างไร [4].

หัวใจสำคัญของ Multiscale modelling คือการเลือกวิธีเชื่อมข้อมูลระหว่าง scale ที่สนใจให้เหมาะสม โดยทั่วไปอาจแบ่งได้เป็นสองแนวทางหลัก ได้แก่ hierarchical หรือ information-passing approach ซึ่งใช้ผลจากแบบจำลองระดับเล็กส่งต่อไปยังแบบจำลองระดับใหญ่ และ concurrent multiscale modelling ซึ่งเชื่อมแบบจำลองหลายระดับให้ทำงานพร้อมกันในปัญหาเดียวกัน [5] วิธีแรกเหมาะกับกรณีที่ต้องการส่งต่ออิทธิพลจากระดับ atomistic หรือ microstructure ไปยังค่าสมบัติของวัสดุในระดับ continuum ส่วนวิธีหลังเหมาะกับปัญหาสำหรับพฤติกรรมเฉพาะที่ เช่น crack tip, defect หรือ interface failure ซึ่งบริเวณเหล่านี้ส่งผลต่อพฤติกรรมรวมของระบบโดยตรง

ในงานวัสดุศาสตร์และกลศาสตร์เชิงคำนวณ แนวทางหนึ่งที่นิยมใช้กันมากคือ computational homogenization ซึ่งใช้แบบจำลองย่อย เช่น Representative Volume Element (RVE) เพื่อเฉลี่ยพฤติกรรมของ microstructure ให้ได้ค่าออกมาเป็น effective properties ของวัสดุ เช่น effective stiffness, effective elastic modulus หรือ effective thermal conductivity สำหรับใช้ในแบบจำลองระดับ continuum หรือระดับโครงสร้าง แนวคิดนี้ช่วยให้สามารถส่งต่อผลของความไม่เป็นเนื้อเดียวกันในระดับจุลภาคไปยังพฤติกรรมระดับมหภาคได้ [6]

ตัวอย่างเช่น งานวิจัยล่าสุดงานหนึ่งของแลป ได้ใช้ Multiscale modelling เพื่อศึกษาพฤติกรรม anisotropic plasticity และ damage ของวัสดุ stainless steel ที่ผลิตด้วยกระบวนการพิมพ์สามมิติ โดยการเชื่อมโยง 3 scale เข้าด้วยกัน ได้แก่
• Micro-scale ที่พิจารณา grain morphology และ crystallographic texture ด้วย Crytal Plasticity finite element method (CPFEM),
• Meso-scale ที่พิจารณา melt pool structure และ melt pool boundary และ
• Macro-scale ที่ทำนาย stress–strain response และ failure behavior ของชิ้นงานจริง
ผลการจำลองในแต่ละระดับถูกทำ homogenization เพื่อแปลงเป็น effective properties แล้วส่งต่อเป็นข้อมูลให้กับแบบจำลองในระดับถัดไป ตั้งแต่ micro-scale → meso-scale → macro-scale

นอกจากประโยชน์เรื่องการทำนาย effective properties แล้ว ในงานวิจัยนี้ multi-scale modelling ยังถูกนำมาวิเคราะห์ strain localization และ damage ที่เกิดขึ้นเพื่ออธิบายพฤติกรรมระดับมหภาคของชิ้นงาน เช่น Elongation ที่ต่างกันได้อย่างถูกต้องมากยิ่งขึ้น เมื่อวัสดุมีลักษณะบ่อหลอมที่แตกต่างกันได้อีกด้วย วิธีนี้จึงเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนของการเชื่อมโยง microstructure → mesostructure → macroscopic mechanical behavior ในวัสดุที่ผลิตด้วย additive manufacturing ได้อย่างลงตัว [7].

References
[1] Lu, G., & Kaxiras, E. (2005). An overview of multiscale simulations of materials. In M. Rieth & W. Schommers (Eds.), Handbook of Theoretical and Computational Nanotechnology (Vol. X, pp. 1–33). American Scientific Publishers.
[2] E, W. (2011). Principles of Multiscale Modeling. Cambridge University Press.
[3] Raabe, D. (n.d.). Multiscale Modeling of Materials. Max-Planck-Institut für Eisenforschung / Dierk Raabe.
[4] Max Planck Society. (n.d.). Multi-scale Modeling in Materials Science.
[5] Fish, J. (2006). Bridging the scales in nano engineering and science. Journal of Nanoparticle Research, DOI: 10.1007/s11051-006-9090-9.
[6] Geers, M. G. D., Kouznetsova, V. G., & Brekelmans, W. A. M. (2010). Multi-scale computational homogenization: Trends and challenges. Journal of Computational and Applied Mathematics, DOI: 10.1016/j.cam.2009.08.077.
[7] Siriraksophon, K., Vajragupta, N., & Uthaisangsuk, V. (2026). Anisotropic plasticity and damage of additively manufactured 316L stainless steel by multiscale approach. Mechanics of Materials, DOI: 10.1016/j.mechmat.2025.105509.

Micromechanical modelling คือเทคนิคการวิเคราะห์และการจำลองพฤติกรรมของวัสดุ โดยพิจารณาจากโครงสร้างภายในระดับจุลภาค หรือ microstructure ที่มีความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน แทนที่จะมองว่าวัสดุเป็นเนื้อเดียวกันทั้งหมดดังที่เห็นในระดับ macroscopic แนวคิดนี้มีความสำคัญอย่างมากสำหรับการศึกษาวัสดุ เช่น composite, porous material, ceramics, polymers, alloys ต่างๆ รวมถึงวัสดุที่มีสิ่งเจือปน (inclusion) หรือ ข้อบกพร่อง (defect) ภายใน เนื่องจากสมบัติทางกลระดับมหภาค เช่น stiffness, strength, elasticity, fracture behavior หรือแม้กระทั่งสมบัติทางความร้อนเช่น heat conductivity เกิดจากโครงสร้างจุลภาคต่างๆภายในวัสดุ ไม่ใช่จากเนื้อวัสดุโดยรวมเพียงอย่างเดียว

Micromechanics เป็นศาสตร์ที่เชื่อมโยงสมบัติทางวิศวกรรมของวัสดุกับโครงสร้างจุลภาคของมัน กล่าวอีกแบบคือ micromechanical modelling มองลึกลงไปว่า “ความแข็งแรงนั้นเกิดจาก fiber, matrix, phase ต่างๆ, void, crack, inclusion, interface หรือ grain structure อย่างไร” [1] ซึ่งสะท้อนว่า micromechanics คือการศึกษาวัสดุที่พิจารณาถึงองค์ประกอบหรือความเสียหายระดับจุลภาค ซึ่งส่งผลต่อพฤติกรรมรวมของวัสดุ [2]

หัวใจสำคัญของ micromechanical modelling คือการเลือกขอบเขตของแบบจำลองที่เรียกว่า Representative Volume Element (RVE) ซึ่งเป็นปริมาตรย่อยของวัสดุที่ใช้เป็นตัวแทนของ microstructure ทั้งหมด โดย RVE ต้องมีขนาดที่เล็กเพียงพอที่จะใช้เป็นตัวแทนของวัสดุและให้ผลการจำลองสมบัติทางกลของวัสดุโดยรวมที่ศึกษาอยู่ หรือเป็นตัวแทนของ material point ในการวิเคราะห์ระดับมหภาคได้ และยังจะต้องมีขนาดที่ใหญ่เพียงพอที่จะรวมโครงสร้างระดับจุลภาคต่างๆที่สำคัญไว้ในแบบจำลองด้วยเช่นกัน ดังนั้น RVE จึงเป็นสะพานเชื่อมระหว่างโลกของ microstructure กับโลกของ continuum mechanics [3]

สำหรับเหล็กกล้าหลายเฟส เช่น Dual-phase steel การใช้ RVE ใน micromechanical modelling คือการสร้างปริมาตรย่อยที่แทนโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก ซึ่งประกอบด้วยเฟส ferrite และ martensite แทนที่จะมองเหล็กเป็นเนื้อเดียวกันทั้งหมด ในงานวิจัยหนึ่งของแลป [4] ได้สร้างแบบจำลอง RVE สองมิติจากภาพถ่ายโครงสร้างจุลภาคจริงของ DP steels ที่มีปริมาณของเฟส martensite ต่างๆกัน เพื่อทำนาย flow curve และอธิบายการพัฒนาของค่าความเค้นและความเครียดในแต่ละเฟส ซึ่งแนวคิดเดียวกันนี้ยังถูกใช้และพัฒนาอย่างกว้างขวางในการศึกษาวัสดุอื่นๆอีกมากมายเช่นกัน

Source:
[1] M. Kachanov and I. Sevostianov, Micromechanics of Materials, with Applications, Springer Nature Link, 2018
[2] S. Nemat-Nasser, M. Hori, Micromechanics: Overall Properties of Heterogeneous Materials, 1998
[3] B. Peng, W. Yu, A micromechanics theory for homogenization and dehomogenization of aperiodic heterogeneous materials, Composite Structures, 2018
[4] S. Sodjit, V. Uthaisangsuk, A micromechanical flow curve model for dual phase steels, Journal of Metals, Materials and Minerals, 2012

#เครื่องกลบางมด #วัสดุศาสตร์ #วิศวกรรมวัสดุ #โครงสร้างจุลภาค #เหล็กกล้าDualPhase

เหตุใด “underframe (โครงใต้ท้องตู้)” ของรถโบกี้บรรทุกตู้สินค้า (บทต.) จึงเป็นชิ้นส่วนที่สำคัญต่อความปลอดภัยของระบบราง?

เมื่อกล่าวถึงรถโบกี้บรรทุกตู้สินค้า คนส่วนใหญ่มักนึกถึงตู้คอนเทนเนอร์หรือรถไฟขบวนยาวเป็นหลัก อย่างไรก็ตาม โครงสร้างที่ทำหน้าที่รองรับน้ำหนักและถ่ายแรงทั้งหมดจริงๆ คือ Underframe (โครงใต้ท้องตู้) ซึ่งถือเป็นชิ้นส่วนสำคัญของรถโบกี้บรรทุกตู้สินค้า หากโครงสร้างส่วนนี้มีความแข็งแรงไม่เพียงพอ ย่อมส่งผลโดยตรงต่อความมั่นคงและความปลอดภัยของการเดินรถ โดยรวมถึงค่าซ่อมบำรุงที่สูงขึ้นอีกด้วย

ในโพสต์นี้เราจะพูดถึงงานวิจัยหนึ่งของแลปที่ทำร่วมกับ บริษัท เวสโคส เอ็นจิเนียริ่ง จำกัด และ บริษัท สหวิริยาสตีลอินดัสตรี จำกัด ในงานวิจัยนี้ได้ทำการวิเคราะห์โครงสร้างของ Flat wagon (รถบรรทุกสินค้าแบบพื้นเรียบ) สำหรับการขนส่งทางราง ว่าสามารถรับแรงในสภาวะการใช้งานจริงได้มากน้อยเพียงใด โดยผู้วิจัยได้พิจารณากรณีการรับแรงหลายรูปแบบ อันได้แก่ น้ำหนักกดแบบ vertical load (แรงกดในแนวดิ่ง), jacking load (แรงจากการยกด้วยแม่แรง) และ one-end lifting (การยกปลายเพียงด้านเดียว) ซึ่งเป็นการจำลองสภาพการใช้งานจริงทั้งในระหว่างการเดินรถปกติ งานซ่อมบำรุง และสถานการณ์ฉุกเฉิน

จุดเด่นของงานวิจัยนี้คือ การประยุกต์ใช้ทั้งการทดลองจริงร่วมกับ Finite Element Analysis หรือ FEA เพื่อให้ผลการประเมินมีความน่าเชื่อถือสูงขึ้น ผู้วิจัยได้ทำการติดตั้ง strain gauge ณ ตำแหน่งสำคัญที่มีแนวโน้มเกิดความเค้นสูง และใช้ laser displacement tracker เพื่อตรวจวัดการโก่งตัวของโครงสร้างโดยรวม จากผลการศึกษาพบว่า แบบจำลอง FEA สามารถทำนายทั้งค่าความเค้นและการโก่งตัวของโครงสร้างได้สอดคล้องกับผลการทดลองในระดับที่น่าพอใจ สะท้อนให้เห็นว่าแบบจำลองดังกล่าวสามารถนำไปใช้ต่อยอดทั้งในด้านการออกแบบ การประเมินความปลอดภัย และการปรับปรุงโครงสร้างรถโบกี้บรรทุกตู้สินค้าในอนาคตได้อย่างมีประสิทธิภาพ

สำหรับตำแหน่งวิกฤตของโครงสร้าง งานวิจัยระบุไว้ว่า middle sill (คานกลางหลัก) และ side sill (คานด้านข้าง) เป็นชิ้นส่วนสำคัญที่รับภาระมากกว่าชิ้นส่วน cantilever (โครงยื่นรับแรง) โดยเฉพาะบริเวณช่วงกลางของโครงสร้างและตำแหน่งที่มีลักษณะเป็นรอยเว้าหรือช่องเปิด ซึ่งทำให้เกิด stress concentration (การกระจุกตัวของความเค้น) ได้ง่าย การวิเคราะห์นี้แสดงให้เห็นว่า การออกแบบโครงสร้างรถโบกี้บรรทุกตู้สินค้าจำเป็นต้องให้ความสำคัญกับรายละเอียดเฉพาะจุดด้วย ไม่ใช่เพียงการพิจารณาความแข็งแรงโดยรวมเท่านั้น

นอกจากนี้ ในกรณี one-end lifting (การยกปลายเพียงด้านเดียว) เป็นการรับแรงที่มีความวิกฤตสูง เนื่องจากการยกโครงสร้างเพียงด้านเดียวทำให้เกิดการถ่ายแรงแบบไม่สมมาตร ส่งผลให้เกิดการดัดตัวและการกระจายความเค้นที่รุนแรงกว่ากรณีรับน้ำหนักแนวดิ่งทั่วไป ประเด็นนี้สะท้อนอย่างชัดเจนว่า การออกแบบทางวิศวกรรมที่ดีจำเป็นต้องครอบคลุมการใช้งานในสถานการณ์ต่างๆเช่นในกรณีฉุกเฉินด้วย

อีกประเด็นที่น่าสนใจคือ การศึกษาพฤติกรรมของรอยเชื่อม โดยผู้วิจัยใช้ sub-model (แบบจำลองย่อยเฉพาะจุด) เพื่อวิเคราะห์ผลของ Fillet weld (การเชื่อมแบบฟิลเล็ต) ที่มีต่อ Fatigue life ของโครงสร้าง ผลการศึกษาชี้ว่า การกำหนดขนาดแนวเชื่อมอย่างเหมาะสมสามารถช่วยลดความเค้นสะสมบริเวณรอยต่อ และเพิ่มอายุการใช้งานของโครงสร้างได้อย่างชัดเจน ซึ่งเป็นข้อมูลสำคัญต่อการออกแบบและการผลิตชิ้นส่วนที่ต้องการความมั่นคงในระยะยาว

กล่าวโดยสรุป งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่า Finite Element Analysis (การวิเคราะห์ด้วยระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์) เป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์อย่างยิ่งต่อการออกแบบโครงสร้างรถไฟบรรทุก เนื่องจากช่วยให้สามารถประเมินการกระจายความเค้น การเสียรูป และระบุตำแหน่งวิกฤตของโครงสร้างภายใต้สภาวะการรับแรงที่หลากหลายได้อย่างเป็นระบบ ทั้งนี้ เมื่อมีการตรวจสอบผลร่วมกับผลการทดลองจริงแล้ว ก็จะช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของแบบจำลอง และทำให้สามารถนำข้อมูลที่ได้ไปใช้สนับสนุนการออกแบบ การปรับปรุงรายละเอียดของโครงสร้าง และการวางแผนการบำรุงรักษาได้อย่างเหมาะสมมากขึ้น

Source: K. Sookchanchai, S. Joonjitdumrong & V. Uthaisangsuk (2026), "Structural assessment of flat waggon underframe for freight rail by experiments and FE analyses", Australian Journal of Mechanical Engineering, 24:1, 127-156,
DOI:10.1080/14484846.2025.2506913

#เครื่องกลบางมด #ระบบรางไทย #รถไฟไทย #วัสดุศาสตร์ #วิศวกรรมเครื่องกล

การพัฒนาการขนส่งระบบรางของไทยในปัจจุบัน ไม่ได้มุ่งเน้นเพียงแค่การเพิ่มเส้นทางหรือจำนวนขบวนรถเท่านั้น แต่ยังให้ความสำคัญกับการกำหนดมาตรฐานต่างๆของ Rolling stock อย่างเป็นระบบ ซึ่งครอบคลุมองค์ประกอบสำคัญของตัวรถไฟ เช่น โครงสร้างตัวรถ ชุดโบกี้ ระบบเบรก ล้อ และข้อกำหนดด้านความปลอดภัยในการชน

ในมุมของวัสดุศาสตร์ มาตรฐานเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะโครงสร้างรถไฟต้องอาศัยการเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมกับสภาวะการใช้งานจริง ทั้งในด้านความแข็งแรง ความเหนียว ความต้านทานความล้า การสึกหรอ และการกัดกร่อน เพื่อให้ชิ้นส่วนต่างๆ สามารถรองรับแรงกระทำซ้ำ แรงสั่นสะเทือน และสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงได้อย่างมั่นคงและปลอดภัย

ขณะเดียวกัน มาตรฐานด้านระบบรางของไทยยังคงอยู่ในระหว่างการพัฒนาเพิ่มเติมอย่างต่อเนื่อง โดยมุ่งให้สอดคล้องกับสภาพการใช้งานจริงภายในประเทศ ทั้งในด้านอุณหภูมิแวดล้อมที่สูง ความชื้นและการกัดกร่อน ระยะทางการวิ่งที่ยาวต่อเนื่อง ความถี่ในการให้บริการที่เพิ่มขึ้น ตลอดจนการสนับสนุนศักยภาพในการผลิตและการซ่อมบำรุงชิ้นส่วนภายในประเทศ โดยยังคงยึดโยงให้สอดคล้องกับมาตรฐานสากล เพื่อให้การขนส่งทางรางของไทยพัฒนาขึ้นอย่างมีคุณภาพและเป็นที่ยอมรับในระดับนานาชาติ

จึงอาจกล่าวได้ว่า การยกระดับมาตรฐานรถไฟไทยไม่ได้เป็นเพียงการพัฒนาด้านคมนาคมเท่านั้น แต่ยังสะท้อนถึงการประยุกต์ใช้ความรู้ด้านวิศวกรรมและวัสดุศาสตร์ในการออกแบบ การผลิต และการบำรุงรักษาชิ้นส่วนต่างๆในระบบรางให้มีความน่าเชื่อถือและยั่งยืนในระยะยาว

Source: กรมการขนส่งทางราง
https://www.drt.go.th/media/infographic/มาตรฐานการขนส่งทางราง-ม

#เครื่องกลบางมด #ระบบรางไทย #รถไฟไทย #วัสดุศาสตร์ #วิศวกรรมเครื่องกล

ทำไมสายเคเบิลใยแก้วนำแสงใต้มหาสมุทร ถึงมีหลายชั้นและอาจมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ถึง 50 มิลลิเมตร?

Submarine cable หรือสายเคเบิลใยแก้วนำแสงใต้มหาสมุทร คือโครงสร้างพื้นฐานสำคัญที่ใช้ส่งข้อมูลระหว่างประเทศผ่านสัญญาณแสงภายในเส้นใยแก้วขนาดเล็กเท่าเส้นผม สายเคเบิลดังกล่าวทำหน้าที่เป็นเส้นทางหลักของอินเทอร์เน็ต การสื่อสารโทรศัพท์ วิดีโอคอล ธุรกรรมทางการเงิน และการรับส่งข้อมูลของระบบดิจิทัลทั่วโลก โดยคิดเป็นราว 95% ของการส่งข้อมูลดิจิทัลทั้งหมดของโลก เนื่องจากสามารถส่งข้อมูลได้เร็ว และรองรับปริมาณข้อมูลได้มากกว่า โดยเส้นใยแก้วด้านในนั้นมีขนาดที่เล็กมาก เมื่อเทียบกับขนาดของสายทั้งเส้นที่มีขนาดใหญ่และมีหลายชั้น เพื่อให้สามารถทนต่อสภาพแวดล้อมใต้มหาสมุทรที่อันตรายและเปลี่ยนแปลงตลอดเวลานั่นเอง [1]

ความเสียหายของสายเคเบิลใต้ทะเลเกิดขึ้นได้จากหลายสาเหตุ หนึ่งในนั้นคือการถูกฉลามกัด ซึ่งมีบันทึกความเสียหายมาตั้งแต่ช่วงปี 1901 ในยุคที่มีการใช้งานสายโทรเลขใต้น้ำ และยังมีการพบอย่างต่อเนื่องในยุคสายเคเบิลแบบแกนร่วม (coaxial) ก่อนที่ระบบใยแก้วนำแสงจะเริ่มใช้งานในปี 1988 นอกจากนี้ สายเคเบิลยังเผชิญความเสียหายจากสมอเรือ อวนลาก และเครื่องมือประมง ซึ่งนับเป็นอีกสาเหตุสำคัญของการชำรุด ด้วยเหตุนี้ มนุษย์จึงพัฒนาสายเคเบิลรุ่นใหม่ให้มีความแข็งแรงและทนทานต่อสภาพแวดล้อมใต้ทะเลมากขึ้น เพื่อให้การรับส่งข้อมูลของโลกดำเนินไปได้อย่างราบรื่นและต่อเนื่อง [2]

โครงสร้างของสายเคเบิลใยแก้วนำแสงใต้มหาสมุทรในปัจจุบันประกอบด้วยวัสดุหลายชั้นที่เรียงซ้อนกันจากแกนในออกสู่ภายนอก เพื่อให้สายสามารถทั้งส่งข้อมูลและทนต่อสภาพแวดล้อมใต้มหาสมุทรได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยจะประกอบไปด้วย [3]
1. ชั้นในสุดคือ Optical fibers ซึ่งเป็นเส้นใยแก้วที่ทำหน้าที่ส่งข้อมูลในรูปของแสง
2. รอบแกนนี้มี Silicon gel ช่วยพยุงและปกป้องเส้นใยไม่ให้เสียหายจากแรงสั่นสะเทือนหรือความชื้น
3. Buffering material เป็นท่อสำหรับโครงสร้างแกนสาย
4. Ultra-high strength steel wires ช่วยเพิ่มความสามารถในการรับแรงดึง
5. Copper sheath ที่หุ้มรอบส่วนแกนทำหน้าที่ส่งกำลังไฟฟ้าสำหรับระบบทวนสัญญาณ
6. ถัดออกมาอีกคือ Polyethylene insulation ซึ่งทำหน้าที่เป็นฉนวนและช่วยป้องกันความชื้น
7. ชั้นนอกกว่านั้นประกอบด้วย ไนลอนถัก (Nylon yarn bedding) ที่มีความเหนียว และความทนทางสูง ป้องกันการเสียดสี และกันน้ำ
8. Galvanized armor wires หรือลวดเหล็กกล้าชุบสังกะสี ซึ่งเป็นเกราะชั้นนอกที่ทำหน้าที่ป้องกันแรงกระแทก การเสียดสี และความเสียหายจากสมอเรือหรือเครื่องมือประมง รวมถึงแรงกัดของฉลาม ทำให้สายทั้งเส้นสามารถใช้งานอยู่ใต้น้ำได้ในระยะยาว
9. ชั้นนอกสุดคือไนลอนถักชุบยางมะตอย (Tar-soaked nylon yarn) เป็นวัสดุที่มีความทนทานสูงและทนต่อการกัดกร่อน ทำหน้าที่เป็นฐานรองชั้นเกราะ ป้องกันการเสียดสี การกัดกร่อน การซึมของน้ำทะเล ไม่ให้เข้าไปทำลายชั้นเกราะหรือส่วนประกอบอื่น ๆ ในสายได้

โดยทั่วไปแล้วสายเคเบิลใยแก้วนำแสงใต้มหาสมุทร ไม่นิยมใช้เหล็กกล้าไร้สนิม Stainless steel ซึ่งมีความสามารถในการทนต่อการกัดกร่อนที่สูงกว่าเหล็กกล้าชุบสังกะสีมาเป็นวัสดุหลักของชั้นเกราะ เนื่องจาก Stainless steel นั้นมีราคาสูงกว่าลวดเหล็กกล้าชุบสังกะสี 2-3 เท่า โดยราคาอ้างอิงในตลาดของลวดเหล็กกล้าชุบสังกะสีอยู่ราว 0.40–0.81 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัม ขณะที่ลวดสเตนเลส 304/316 มักอยู่ราว 1.42–2.50 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัม หรือสูงกว่านั้นในบางกรณี จึงทำให้การใช้เหล็กกล้าชุบสังกะสีมีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจมากกว่าเมื่อออกแบบสายเคเบิลที่ต้องใช้วัสดุปริมาณมาก [4]

จะเห็นได้ว่าการเชื่อมต่อที่ในเสี้ยววินาทีนั้น มีเบื้องหลังเป็นวิศวกรรมวัสดุที่ซับซ้อนด้วยเช่นกัน

Source:
[1] International Cable Protection Committee (ICPC) and UNEP World Conservation Monitoring Centre report 2010
[2] People, ‘ฉลาม’ ตัวจุดชนวนสงครามใต้น้ำ คุกคามสายเคเบิลมานานกว่า 120 ปี, 2025
[3] Kentik, Diving Deep into Submarine Cables: The Undersea Lifelines of Internet Connectivity, 2023
[4] Tianjin Tianyingtai Steel Group, เหล็กสแตนเลสต้นทุนสแตนเลส, ความแข็งแรงและน้ำหนักแตกต่างกัน, 2018

#เครื่องกลบางมด #สายเคเบิลใต้ทะเล #ใยแก้วนำแสง #วิศวกรรมวัสดุ #ฉลามชอบงับคุณ

“เข่าเทียมรุ่นใหม่! โครงสร้างสองชั้น อาจช่วยให้เรากลับมาใช้ชีวิตได้เหมือนปกติเร็วขึ้นหลังผ่าตัด”
ในโพสต์นี้เราจะมาเล่าถึงงานวิจัยหนึ่งของแลปที่ทำร่วมกับ อาจารย์แพทย์จาก มหาวิทยาลัยมหิดล และมหาวิทยาลัยนเรศวร ในการศึกษาเข่าเทียมที่ทำจากโลหะผสม CoCr28Mo6 ที่มีโครงสร้างโครงข่ายสองชั้น ซึ่งอาจช่วยเพิ่มประสิทธิภาพหลังผ่าตัดปลูกถ่ายกระดูกเทียม

• เมื่อเข่าเทียมทั่วไปอาจไม่ตอบโจทย์
ในปัจจุบันผู้ป่วยข้อเข่าเสื่อมมีจำนวนเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง การผ่าตัดข้อเข่าเทียมจึงเป็นทางเลือกสำคัญในการรักษาโรคข้อเข่าเสื่อม อย่างไรก็ตาม ชิ้นส่วนเข่าเทียมทั่วไปมักสร้างปัญหา Stress shielding หรือการกระจายแรงไม่สม่ำเสมอ ทำให้กระดูกรอบๆ ชิ้นส่วน Implant มีความหนาแน่นลดลงหรืออาจเกิดการเสียรูปได้ง่าย จากสาเหตุนี้ การออกแบบชิ้นส่วนเข่าเทียมด้วยวัสดุที่มีโครงสร้างแบบรูพรุนหรือโครงสร้างโครงข่ายจึงมีความสำคัญต่อความสำเร็จระยะยาวของการผ่าตัดได้

• ปัจจัยสำคัญในการออกแบบ: แข็งแรงและสามารถเข้ากับร่างกายได้
ในการออกแบบเข่าเทียม มีสิ่งสำคัญที่ต้องคำนึงถึงคือ
1. ความเข้ากันได้กับร่างกาย (Biocompatibility) ซึ่งในงานวิจัยนี้เลือกศึกษา CoCr28Mo6 ซึ่งเป็นโลหะผสมที่มีความเข้ากันได้กับร่างกายสูง
2. Stress shielding เป็นปัญหาหลักที่เกิดจากความแตกต่างของความแข็งแรงระหว่าง implant กับกระดูก หาก implant แข็งเกินไป จะทำให้กระดูกบริเวณรอบ ๆ ไม่ได้รับแรงตามธรรมชาติ ทำให้เกิดการบางลงและอาจส่งผลเสียในระยะยาว
3. การยึดเกาะของเซลล์กระดูก (Osteointegration) จะเพิ่มมากขึ้น เมื่อโครงสร้างมีรูพรุน (Porosity), Surface-area-to-volume ratio (SA/VR) และความแปรปรวนของโครงสร้างสูง ซึ่งปัจจัยเหล่านี้ส่งผลให้กระดูกสามารถเติบโตและเชื่อมกับ Implant ได้ดี
4. Life cycle ของ Implant ความทนทานต่อแรงกระทำแบบซ้ำๆแบบหลายทิศทาง (multi-axial loading) เป็นอีกสิ่งหนึ่งที่จำเป็นต้องคำนึงด้วย เพื่อลดความเสี่ยงต่อการเกิดความเสียหายของชิ้นส่วนก่อนเวลาอันควร

• โครงสร้างแบบสองชั้น: เคล็ดลับใหม่ของเข่าเทียม
งานวิจัยนี้นำเสนอแนวคิด โครงสร้างสองชั้น (Dual-Layer lattice) ที่ผสมผสานโครงสร้างแบบโครงข่ายสองชนิดเข้าด้วยกัน โดยมีชั้นบนเป็น Voronoi porous ช่วยให้กระดูกเติบโตได้ดี ส่วนชั้นล่างเป็นโครงสร้าง Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS) (เช่น Gyroid และ Split-P) เพื่อทำหน้าที่รองรับแรงกดและแรงบิดของชิ้นส่วน ซึ่งการจัดวางโครงสร้างสองชั้นแบบต่อเนื่องกันช่วยให้เกิดการกระจายแรงที่สม่ำเสมอ มีพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น และมีความแปรปรวนของโครงสร้างสูงขึ้น ซึ่งเหมาะสำหรับการเชื่อมติดของกระดูก โดยโครงสร้างดังกล่าวสามารถผลิตได้ด้วยเทคโนโลยี Laser Powder Bed Fusion (LPBF) 3D printing ทำให้ได้โครงสร้างซับซ้อนตามที่ออกแบบได้อย่างแม่นยำด้วย

• ผลวิเคราะห์พฤติกรรมทางกลของโครงสร้างแบบโครงข่าย (Lattice Structure)
การทดสอบทางกลของโครงสร้าง Lattice structure ในงานนี้ แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างสองชั้นสามารถทนต่อ แรงกด แรงบิด และ การรับแรงแบบผสมได้ดี โดยเมื่อเปรียบเทียบผลจาก Finite Element (FE) simulations กับการทดสอบการรับแรงจริง พบว่าโครงสร้างแบบ Voronoi/Split-P lattice มีค่า Stress concentration ต่ำลง (Stress variance ต่ำ) และมีค่า Elastic modulus ใกล้เคียงกับกระดูกมนุษย์มากขึ้น โดยในชั้น Voronoi มี SA/VR ratio และ ค่า Lacunarity สูง ซึ่งจะช่วยส่งเสริม Bone ingrowth ได้ดีเมื่อเทียบกับโครงสร้างอื่น ๆ อย่างไรก็ตามโครงสร้างดังกล่าวอาจมีอายุการใช้งานที่น้อยกว่าเนื่องจากเกิดความเค้นเฉลี่ยในโครงสร้างที่สูง (Mean stress สูง)

• การจำลองการใช้งานจริง
เมื่อนำสมบัติทางกลของ Dual-layer lattice structure มาใช้ในแบบจำลองของข้อเข่าจริง ภายใต้การจำลองภาระจากการเดิน (Compression-Torsion combination) พบว่าโครงสร้างสองชั้นช่วย กระจายแรงไปที่กระดูกขาได้ดีกว่าเข่าเทียมแบบดั้งเดิม หรือแม้กระทั่งเข่าเทียมแบบ Single-Layer Lattice structure ซึ่งอาจส่งผลให้การเกิด Stress shielding ของกระดูกลดลง รวมถึงทำให้การถ่ายเทแรงที่มีความใกล้เคียงธรรมชาติ สังเกตได้จากค่าเฉลี่ยของความเค้นและค่าความแปรปรวนของความเค้นบนกระดูกขา (Femoral bone)

จากงานวิจัยนี้สรุปได้ว่าโครงสร้างแบบ Dual-Layer Voronoi-TPMS lattice เป็นเทคนิคที่น่าสนใจสำหรับ Next-generation knee implants โดยผสมผสานความแข็งแรงและการเข้ากันได้ดีกับกระดูกจริง โดยในงานวิจัยนี้ยังได้นำเสนอการออกแบบ Lattice แบบสองชั้น ที่ช่วยลดการเกิด Stress shielding และ เพิ่ม Bone ingrowth ได้อย่างมีนัยยะสำคัญ

Source: Kasidis Payungpisit ,Panida Wongwitthayakoon ,Yuttana Thongrod ,Weerawut Huadheng , Chavarat Jarungvittayakon ,Artit Laoruengthana & Vitoon Uthaisangsuk, (2026), "Two-layered lattice structures of CoCr28Mo6 alloy for femoral component in total
knee replacement", Mechanics of Advanced Materials
DOI: 10.1080/15376494.2026.2621923

#เครื่องกลบางมด #วัสดุชีวการแพทย์ #วิศวกรรมชีวการแพทย์ #ข้อเข่าเทียม #การพิมพ์สามมิติ

ทำไมการพิมพ์ 3 มิติถึงมีความสำคัญอย่างมากต่อการปลูกถ่ายกระดูกในปัจจุบัน?

ในปัจจุบัน เทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ (3D printing) ได้เข้ามามีบทบาทสำคัญต่อการพัฒนาทางการแพทย์อย่างกว้างขวาง โดยเฉพาะในด้านการออกแบบและผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่มีความจำเพาะต่อผู้ป่วยแต่ละราย หนึ่งในตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือการผลิตกระดูกเทียมและข้อต่อเทียม เช่น ข้อเข่า ข้อสะบ้า หมอนรองกระดูกสันหลัง และข้อต่อสะโพก ซึ่งนิยมผลิตจากโลหะ

• ทำไมกระดูกและข้อต่อเทียมจึงผลิตจากโลหะ?
เนื่องจากโลหะผสมมีสมบัติทางกลที่เหมาะสมต่อการใช้งานภายในร่างกาย โดยสามารถรองรับแรงกด แรงกระแทก และแรงบิดที่เกิดขึ้นแบบซ้ำๆ จากการเคลื่อนไหวของร่างกายได้เป็นอย่างดี (Fatigue resistance) อีกทั้งยังมีความทนทานต่อการสึกหรอ (Wear resistance) จากการเสียดสีของกระดูกและอวัยวะอื่นๆภายในร่างกาย อีกทั้งโลหะผสมบางประเภทยังมีสมบัติทนการกัดกร่อน (Corrosion resistance) จากสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดด่างหรือเกลือภายในร่างกายได้เป็นอย่างดีด้วย [1]

• ความเข้ากันได้กับร่างกายของวัสดุปลูกถ่าย (Biocompatibility)
อย่างไรก็ตามโลหะที่เข้ากับร่างกายของมนุษย์ได้ จำเป็นจะต้องมีความเสถียรสูง กล่าวคือจะต้องไม่ปล่อยองค์ประกอบที่เป็นพิษในปริมาณที่ส่งผลเสียต่อเซลล์ ตัวอย่างเช่น วัสดุโลหะผสมประเภท Ti-alloy, Stainless steel และ Cobalt-Chromium-Molybdenum alloy มีความเข้ากันได้กับร่างกายสูง เนื่องจากเป็นวัสดุที่สามารถสร้างชั้นฟิล์มออกไซด์ (passive oxide layer) บนผิววัสดุได้เองเมื่อสัมผัสกับออกซิเจนในสภาพแวดล้อม ซึ่งชั้นฟิล์มนี้มีความบางมากแต่มีความเสถียรสูง ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันไม่ให้โลหะที่อยู่ด้านล่างสัมผัสกับของเหลวในร่างกายโดยตรง [2] ส่งผลให้ลดการเกิดปฏิกิริยาเคมีและการกัดกร่อนลงได้ และทำให้ร่างกายสามารถยอมรับวัสดุดังกล่าวได้โดยไม่ก่อให้เกิดปฏิกิริยาที่เป็นอันตราย

• 3D Printing: เมื่อกระดูกเทียมสามารถถูกออกแบบให้มีความเหมาะสมกับร่างกายของผู้ป่วยแต่ละราย
โดยอาศัยเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ได้เปรียบเหนือกว่ากระบวนการผลิตแบบดั้งเดิมอย่างชัดเจน เนื่องจากสามารถสร้างชิ้นงานที่มีความสอดคล้องกับลักษณะทางกายวิภาคของผู้ป่วยแต่ละรายได้อย่างแม่นยำ โดยอาศัยข้อมูลจากการถ่ายภาพทางการแพทย์ เช่น CT scan หรือ MRI ส่งผลให้กระดูกเทียมที่ได้มีรูปทรงและขนาดที่เหมาะสมเฉพาะบุคคลมากกว่าการใช้ชิ้นส่วนมาตรฐานสำเร็จรูปที่ผลิตจากกระบวนการ Forging หรือ Casting อีกทั้งยังช่วยลดขั้นตอนการปรับแต่งชิ้นงานในระหว่างการผ่าตัด ทำให้สามารถลดระยะเวลาในการผ่าตัดและเพิ่มความแม่นยำในการรักษาได้อย่างมีนัยสำคัญ

• โครงสร้างรูพรุนและโครงสร้างแบบโครงข่าย (Lattice structure)
นอกจากนี้ การพิมพ์สามมิติยังสามารถสร้างโครงสร้างภายในที่มีความซับซ้อน เช่น โครงสร้างรูพรุน หรือแบบโครงข่าย (lattice structure) ซึ่งช่วยลดน้ำหนักของชิ้นส่วน รวมถึงปรับแต่งความแข็งหรือความยืดหยุ่น (Stiffness) ของอวัยวะเทียมให้มีค่าใกล้เคียงกับกระดูกจริงมากขึ้น เพื่อป้องกันปัญหาการเกิด Stress shielding ที่ขัดขวางการเติบโตและความสามารถในการยึดเกาะของเซลล์กระดูกบนอวัยวะเทียมได้อีกด้วย นอกจากนี้พื้นผิวของโครงสร้างจากการพิมพ์สามมิติดังกล่าว ยังส่งเสริมการยึดเกาะระหว่างเซลล์กระดูกกับวัสดุเทียมได้ดียิ่งขึ้นอีกด้วย [3]
(หมายเหตุ: Stress shielding คือปรากฏการณ์ที่กระดูกเทียมที่ใส่เข้าไปในร่างกาย มีความแข็ง (stiffness) สูงกว่ากระดูกจริง ทำให้โลหะรับภาระแรงกดแทนกระดูกแทบทั้งหมด ส่งผลให้กระดูกโดยรอบได้รับแรงกระตุ้นน้อยลง กระดูกจึงฝ่อ บางลง หรือสูญเสียความหนาแน่นจนอาจนำไปสู่ภาวะกระดูกหักซ้ำ) [4]
ด้วยเหตุนี้ การพิมพ์สามมิติจึงถือเป็นเทคโนโลยีสำคัญที่ช่วยยกระดับประสิทธิภาพและคุณภาพของการรักษาทางการแพทย์ในปัจจุบันได้อย่างชัดเจน

[1] W. Abd-Elaziem, et.al., Titanium-Based alloys and composites for orthopedic implants Applications: A comprehensive review, Materials & Design, 2024
[2] Eliaz, N, Corrosion of Metallic Biomaterials: A Review, Materials, 2019
[3] K. Payungpisit, et.al., Two-layered lattice structures of CoCr28Mo6 alloy for femoral component in total knee replacement, Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2026
[4] M.L. Raffa, et.al., Stress shielding at the bone-implant interface: Influence of surface roughness and of the bone-implant contact ratio, Journal of Orthopaedic research , 2020

เครื่องยนต์จรวดที่พิมพ์จากโลหะทั้งชิ้นกำลังกลายเป็นความก้าวหน้าสำคัญในอุตสาหกรรมอวกาศและการป้องกันประเทศ

โดยบริษัท Agnikul Cosmos จากอินเดีย และ LEAP 71 จากยุโรป ได้พัฒนาเครื่องยนต์ด้วยเทคโนโลยี 3D printing ที่ใช้โลหะผสมทนความร้อนสูง เช่น nickel-based superalloy เพื่อรองรับสภาวะการเผาไหม้รุนแรง

แตกต่างจากการผลิตแบบดั้งเดิมที่ต้องหล่อ Machine และประกอบชิ้นส่วนจำนวนมากเข้าด้วยกัน ทำให้เกิดรอยต่อจำนวนมากซึ่งเป็นจุดอ่อน เสี่ยงต่อการรั่ว การแตกร้าว และต้องใช้เวลาผลิตนาน รวมถึงข้อจำกัดด้านรูปทรงที่ทำให้การออกแบบระบบระบายความร้อนหรือช่องทางไหลซับซ้อนทำได้ยาก

ในขณะที่การพิมพ์แบบชิ้นเดียวช่วยลดจุดเชื่อมต่อ เพิ่มความแข็งแรง และเปิดทางให้สร้างโครงสร้างภายในที่ซับซ้อนขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ

สิ่งเหล่านี้อาจทำให้การพัฒนาและสร้างจรวดในอนาคตรวดเร็วและเข้าถึงได้มากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

Source: https://economictimes.indiatimes.com/news/science/agnikuls-agnite-test-marks-breakthrough-in-3d-printed-rocket-engines/articleshow/129794379.cms

#เครื่องกลบางมด

Agnikul’s 'Agnite' test marks breakthrough in 3D-printed rocket engines Agnikul Cosmos, an Indian space startup, has achieved a major milestone. They successfully test-fired Agnite, the world's largest single-piece 3D-printed booster engine. This innovation drastically cuts rocket manufacturing time from months to just seven days. This development promises faster launch...