“เอาตัวอย่างชิ้นส่วนมาให้เราสิ เราจะก๊อปปี้ให้เหมือนเปี๊ยบ ให้เหมือนกับมีเครื่องถ่ายสำเนา 3 มิติ ที่ใช้งานได้ตามสะดวก”
สมมุติว่า นี้คือตัวอย่างข้อความโฆษณาจากเว็บไซต์ของบริษัทที่มีความเชี่ยวชาญเฉพาะทางในการทำวิศวกรรมย้อนรอย (Reverse engineering)
คำกล่าวเหล่านี้ทำให้ดูเหมือนกับว่าวิศวกรรมย้อนรอยนั้นช่างง่ายดายเหลือเกิน แต่มันง่ายอย่างนั้นจริงๆ หรือ ? การวิเคราะห์รูปร่างและขนาดของชิ้นส่วนเป็นขบวนการที่ค่อนข้างง่าย แต่ สำหรับ “โครงสร้าง” และ “สมบัติ” ของชิ้นส่วนนั้นละ ?
ถ้าหากวิศวกรรมย้อนรอย เป็นเพียงแค่การนำเอาชิ้นส่วนที่มีอยู่เดิมมาทำการลอกเลียนแบบลักษณะพื้นผิวทางเรขาคณิตในระดับมหาภาค แล้วนำไปเก็บเป็นข้อมูล 3 มิติในไฟล์แล้วละก็ ขบวนการนี้ก็เป็นเรื่องที่ค่อนข้างตรงไปตรงมาในปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม ถ้าต้องการให้ชิ้นส่วนต่างๆ ทำหน้าที่ได้อย่างปลอดภัยและตรงตามวัตถุประสงค์เดิม ตามเงื่อนไขและข้อบังคับต่างๆ ในการใช้งานแล้วละก็จำเป็นอย่างยิ่งที่ชิ้นส่วนนั้นจะต้องมีโครงสร้างจุลภาคและสมบัติถูกต้อง ในบทความต่อไปนี้จะกล่าวถึงแง่มุมทางโลหะวิทยากับการพิจารณาทำวิศวกรรมย้อนรอยของชิ้นส่วนโลหะ
และแน่นอนบทความเพียงบทความเดียวนี้ย่อมไม่สามารถครอบคลุมวัสดุวิศวกรรมทั้งหมดที่สามารถใช้ในการผลิตชิ้นส่วนต่างๆ ได้ บทความนี้จึงมุ่งเน้นไปที่เฉพาะลักษณะทางโลหะวิทยาที่จะเป็นต้องพิจารณาในการผลิตชิ้นส่วนโลหะ นอกจากนี้จะกล่าวถึงอุปสรรคบางประการในการระบุกรรมวิธีการผลิตที่เหมาะสม และประเด็นปัญหาในการผลิตเพื่อให้ได้โครงสร้างที่ยอมรับได้ รวมทั้งปัญหาที่จะเกิดขึ้นถ้าหากชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยวิธีวิศวกรรมย้อนรอยไม่ได้รับการผลิตในทางโลหะวิทยาอย่างถูกต้อง
แง่มุมทางด้านโลหะวิทยาสำหรับวิศวกรรมย้อนรอยมีอะไรบ้าง ?
สมบัติของวัสดุใดๆ ก็ตาม จะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างของวัสดุนั้น ทั้งส่วนผสมหลักและสารมลทิน และลักษณะเชิงโครงสร้าง จะได้รับอิทธิพลอย่างมากจากเงื่อนไขทางความร้อนและทางกล ในขบวนการผลิตชิ้นส่วนตั้งแต่ขั้นแรกจนถึงขั้นสุดท้าย ในเบื้องต้นสามารถแจกแจงลักษณะเชิงโครงสร้างที่สำคัญสำหรับวัสดุประเภทต่างๆ ได้แก่ โลหะ, เซรามิกส์, พอลิเมอร์, และคอมพอสิต ดังต่อไปนี้
สำหรับ “โลหะ” ลักษณะที่สำคัญได้แก่
- ขนาดและรูปร่างของเกรน
- ชนิด การกระจายตัว และปริมาณข้อบกพร่องแบบต่างๆ ของผลึก ได้แก่ ช่องว่าง (vacancy) ดิสโลเคชัน (dislocation) และการจัดเรียงระนาบผิดพลาด (stacking fault) เป็นต้น
- ลักษณะการเรียงตัวของเกรนในระนาบหรือทิศทางใดทิศทางหนึ่ง (preferred orientation) หรือที่เรียกว่า เทกซ์เจอร์ (texture)
- ชนิด ปริมาณ และสัณฐาน (เช่น ขนาด รูปร่าง การกระจาย และลักษณะของผิวสัมผัสกับเนื้อหลัก) ของเฟสที่สอง
- อินคลูชัน (inclusion) ที่ไม่ใช่โลหะที่มีอยู่ในโครงสร้างจุลภาค
- โครงสร้างจุลภาคของพื้นผิว กรรมวิธีปฏิบัติต่อพื้นผิว และ การเคลือบผิว เป็นตัน
สำหรับ “เซรามิกส์” ลักษณะที่สำคัญได้แก่
- ขนาดของเกรน
- ขนาดและรูปร่างของรูพรุนและข้อบกพร่องในโครงสร้างจุลภาค
- ปริมาณและการกระจายของข้อบกพร่อง
- พันธะที่เกิดจากขบวนการซินเทอร์ และเนื้อแก้วที่มีอยู่ เป็นต้น
- การเกิดโครงสร้างจุลภาคที่มีหลายแห่ง
สำหรับ “พอลิเมอร์” ลักษณะที่สำคัญได้แก่
- กลไกการเกิดพอลิเมอร์ และดีกรีของการเกิดพอลิเมอร์
- โครงสร้างแบบเชิงเส้นหรือโครงข่าย และการจัดเรียงตัวของสายโซ่
- การครอสลิงค์ การเกิดความแข็งตึงของสาบโซ่ และความเป็นผลึก
- การเกิดโคพอลิเมอร์
- สารช่วยการไหล (plasticizer) สารเสริม (filler) หรือตัวเติมอื่นๆ ที่มีอยู่
สำหรับ “คอมพอสิต” ลักษณะที่สำคัญได้แก่
- ลักษณะของเมทริกซ์
- ลักษณะการกระจายของอุนภาคหรือเส้นใยในเมทริกซ์
- ปริมาณสัมพัทธ์ของตัวเสริมแรงและเมทริกซ์
- การจัดเรียงตัวของเส้นใย
- ขนาดและรูปร่างของตัวเสริมแรง
สำหรับวัสดุที่กล่าวถึงมาทั้งหมดนี้ การออกแบบจะมีผลต่อโครงสร้างและสมบัติขั้นสุดท้ายของชิ้นส่วนวิศวกรรม ตัวอย่างของปัจจัยที่มีผลต่อสมบัติของชิ้นส่วน เช่น
- ขนาด รูปร่าง ความซับซ้อน และการเปลี่ยนแปลงความหนาของชิ้นส่วน
- รอยบากที่มีอยู่บนผิวชิ้นส่วน
- ผิวสำเร็จ
สมบัติของชิ้นส่วนวิศวกรรมใดๆ จะกำหนดโดยอันตรกิริยาระหว่างสมบัติของวัสดุ การออกแบบชิ้นส่วน และกรรมวิธีการผลิตชิ้นส่วนนั้น
สำหรับแง่มุมที่สำคัญของโลหะวิศวกรรมที่ใช้ในอุตสาหกรรมลักษณะเชิงโครงสร้าง สามารถแสดงตัวอย่างให้เห็นได้จากภาพจำลองตัวอย่างหมุดยึดที่ทำจากเหล็ก รวมทั้งพันธะโลหะที่ยึดอะตอมของเหล็กล้วนแล้วแต่มีส่วนกำหนดสมบัติทางกายภาพ สมบัติเชิงกล และสมบัติเชิงเคมี ดังภาพ
สมบัติต่างๆ ทั้งหมดนี้ จะเป็นปัจจัยที่กำหนดความสามารถของหมุดยึด คือ
- ทนต่อความเค้นในระหว่างการใช้งาน
- ทนต่อสภาพแวดล้อมในระหว่างการใช้งาน
โครงสร้างจุลภาคและการควบคุมโครงสร้างจุลภาค
ลักษณะทางโครงสร้างจุลภาคของโลหะจะถูกกำหนดโดย
- ส่วนผสมทางเคมี
- ลักษณะของวัตถุดิบที่ใช้ในการผลิต
- ขบวนการผลิตขั้นต้น เช่น การหล่อ หรือการรีด
- ขบวนการทางความร้อนและทางกลที่ใช้ในการผลิต จนกระทั่งถึงขบวนการขั้นสุดท้าย
การตรวจสอบและวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาค สามารถใช้ในการสืบหาข้อมูลเกี่ยวกับกรรมวิธีการผลิต และตรวจสอบคุณภาพของชิ้นส่วนและผลิตภัณฑ์ โดยการตรวจสอบและวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคนับเป็นขึ้นตอนที่ขาดไม่ได้ในการควบคุมขบวนการทางโลหะวิทยา การวิเคราะห์ความเสียหาย และในการวิจัยเพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้าง-กรรมวิธีการผลิต-สมบัติของวัสดุ ดังนั้นการตรวจสอบและวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคจึงเป็นขึ้นตอนสำคัญที่ขาดไม่ได้ในการทำวิศวกรรมย้อนรอย และสามารถตรวจสอบ, วิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคได้โดยใช้เทคนิค “replica test” ซึ่งหน่วยงานผมเองก็ทำมานับเป็นเวลา 6 ปีแล้วครับ
ปัญหาด้านโลหะวิทยาที่ต้องทำความเข้าใจสำหรับการทำวิศวกรรมย้อนรอย
ถ้าหากสามารถระบุเงื่อนไขทางโลหะวิทยาได้ ก็จะสามารถสรุปกรรมวิธีการผลิตที่จะใช้ในการผลิตชิ้นส่วนหนึ่งๆ ได้เช่นกัน เพราะฉะนั้น คำถามต่อไปนี้จะเป็นคำถามที่มักพบบ่อย ซึ่งจำเป็นต้องทำความเข้าใจและสามารถตอบได้ (โดยการหาลักษณะเฉพาะทางของโลหะวิทยาและโครงสร้างจุลภาค) เนื่องจากเป็นส่วนหนึ่งของขบวนการทำวิศวกรรมย้อนรอย ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้
- โลหะผสมชนิดใดที่ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนนั้น ? และหน้าสนใจมากแค่ไหน ? มีความพิเศษอย่างไร ?
- ส่วนผสมทางเคมีคืออะไร ? ส่วนผสมนี้ตรงกับข้อกำหนดมาตรฐานหรือไม่ ?
- เปอร์เซ็นต์ธาตุตกค้างที่มีอยู่เป็นเท่าไร ? จะส่งผลอย่างไร ? และจำเป็นต้องควบคุมธาตุตกค้างเหล่านั้นให้อยู่ในเกณฑ์ระดับใดถึงจะเหมาะสม ? หรือแม้กระทั้งการพิจารณาเลือกใช้ ?
- โลหะผสมต้องสะอาดแค่ไหน (หมายถึงปริมาณอินคูลชัน หรือสารฝังใน) และจำเป็นต้องควบคุมระดับความสะอาดเพียงใด ?
- เงื่อนไขทางโลหะวิทยาของชิ้นส่วนเป็นอย่างไร ?
- ชิ้นส่วนได้ผ่านการหล่อ, การขึ้นรูปแบบร้อน/เย็น หรือผ่านการอบชุบมาหรือไม่ ?
- เราสามารถสรุปหาขั้นตอนต่างๆ ที่ใช้ในการผลิต เพื่อให้ทราบถึงโครงสร้างจุลภาคที่เห็นได้หรือไม่ ? เช่น ขนาดรูปร่างของเกรน, เทกเจอร์, อินคูลชัน, เฟสที่สอง, รูพรุน, การแยกตัวขององค์ประกอบทางเคมี, และข้อบกพร่องอื่นๆ อีก อาทิเช่น ข้อบกพร่องที่ผิว ล้วนแล้วแต่เป็นหลักฐานที่จำเป็นสำหรับการไขปัญหาทางโลหะวิทยา
- ชิ้นส่วนผ่านกรรมวิธีทางวิศวกรรมพื้นผิวหรือการชุบเคลือบผิวมาหรือไม่ ? ถ้าใช่เราสามารถระบุได้หรือไม่ว่าขบวนการที่ใช้คืออะไร ? คำถามข้อนี้มีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากการชุบเคลือบผิวจะช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายในการผลิต ชิ้นส่วนหลายอย่างจะใช้เนื้อหลักเป็นโลหะผสมที่มีราคาค่อนข้างถูก แต่ใช้การปรับสภาพพื้นผิวให้ทนทานต่อความล้า, การสึกกร่อน และการกัดกร่อน เป็นต้น
หลังจากที่ได้รับระบุชนิดของโลหะผสม เงื่อนไขของเนื้อและผิวของชิ้นส่วน และกรรมวิธีการผลิตที่สามารถใช้ได้แล้ว คำถามต่อไปที่ต้องพิจารณาคือ
- วัตถุดิบที่เหมาะสมสามารถหาได้ง่ายหรือไม่ ?
- ถ้าใช่ กรรมวิธีการผลิตที่ต้องการสามารถหาได้หรือไม่ ?
กรรมวิธีการผลิตที่ต้องการจะหมายรวมถึง การอบชุบ การเชื่อม การกัดแต่ง และกรรมวิธีทางวิศวกรรมพื้นผิวที่จำเป็นต้องใช้ รวมทั้งคนที่มีความชำนาญในขบวนการดังกล่าวด้วย
ปัญหาเกี่ยวกับวัตถุดิบและกรรมวิธีการผลิต
ถ้าหากจำเป็นต้องผลิตชิ้นส่วนหล่อรูปพรรณ หรือ วัสดุหล่อที่เป็นแท่งอินก็อตหรือสแล็บ (ซึ่งจะนำไปผ่านขบวนการทางกล-ความร้อน ต่อไป) จะต้องมีวัสดุชาร์จและปฏิบัติต่อน้ำโลหะที่ถูกต้อง รวมทั้งมีการเลือกทรายและวัสดุทนไฟ (เช่น วัสดุบุผนังภายในและแบบพิมพ์) อย่างเหมาะสมวัสดุทั้งหมดที่กล่าวมานี้จะต้องหาได้ง่ายและมีราคาที่เหมาะสม
เช่นเดียวกับการผลิตโดยใช้เทคโนโลยีโลหะผง และจำเป็นต้องใช้ผงโลหะให้ถูกประเภท สำหรับชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปโดยแรง และ โดยการกัดแต่ง จำเป็นต้องใช้โลหะแผ่นหนา (plate) โลหะแผ่นบาง (sheet) และวัสดุกึ่งสำเร็จที่มีคุณภาพถูกต้อง สำหรับการเชื่อมจะต้องใช้ลวดเชื่อมให้ถูกต้อง สำหรับการอบชุบก็จำเป็นต้องเลือกบรรยากาศการอบชุบให้ถูกต้อง สำหรับการเคลือบผิวก็ต้องเลือกวัสดุเคลือบให้ถูกต้อง
ถ้าไม่สามารถหาวัตถุดิบในประเทศได้ และจะต้องสั่งซื้อจากประเทศอื่นที่มีค่าเงินแข็งกว่า จำเป็นต้องคำนึงถึงค่าใช่จ่ายอย่างระมัดระวัง เนื่องจากค่าวัตถุดิบมักจะสูงกว่าครึ่งหนึ่งของค่าใช้จ่ายในการผลิตทั้งหมด ในบางกรณีอาจจะเป็นไปได้ว่าการผลิตชิ้นส่วนในประเทศมีค่าใช้จ่ายสูงกว่าการนำเข้า
ในสถานการณ์การผลิตใดๆ จะมีการเลือกระหว่างสมรรนะของชิ้นส่วนผลิต ค่าใช้จ่ายของวัสดุและการผลิต และสภาพเศรษฐกิจที่จะสร้างหรือผลิต ผลที่ตามมาก็คือ ถ้าหากไม่สามารถหาวัตถุดิบในอุดมคติได้ การเลือกเช่นนี้อาจเป็นที่ยอมรับได้ แต่ถ้าไม่ลดมาตรฐานด้านความปลอดภัย และ ลูกค้าไม่ได้เข้าใจผิด และผู้ใช้ก็ตระหนักถึงข้อจำกัดต่างๆ เกี่ยวกับสมรรถนะและอายุการใช้งาน
เหตุผลเดียวกันนี้สามารถใช้ได้กับการที่จะเลือกขบวนการผลิตและโรงงานที่จะเป็นผู้ผลิตการเลือกใช้วัตถุดิบที่ดีที่สุด แต่ใช้ขบวนการผลิตที่มีคุณภาพด้อย จะทำให้ชิ้นส่วนที่ผลิตมีสมรรถนะต่ำ ซึ่งจะส่งผลให้อายุการใช้งานสั่นลง และอาจจะทำให้ชิ้นส่วนไม่เหมาะสมกับการใช้งาน ในกรณีนี้ความเสียหายที่เกิดขึ้นระหว่างการใช้งานจะทำให้สูญเสียค่าใช้จ่ายเป็นจำนวนมาก อันเนื่องมาจากอาจส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์ข้างเคียงและทรัพย์สินอื่นๆ รวมทั้งการเสียเวลาการทำงาน อีกด้วย
ยกตัวอย่าง เช่น เหล็กกล้าผสมต่ำซึ่งมีคุณภาพไม่ดีนัก ซื้อจากแหล่งจำหน่ายราคาถูก โดยจะนำวัสดุนี้ไปใช้ในการทำวิศวกรรมย้อนรอยสร้างเพลาขับยายพาหนะชนิดหนึ่ง
สิ่งที่ต้องคำนึงถึง คือ เพลาจะต้องทนต่อความล้า และต้องทราบว่าสมบัติด้านการต้านทานความล้าของเหล็กกล้าผสมต่ำเป็นอย่างไร เหล็กกล้านั้นจะสมารถตอบสนองต่อการชุบแข็งและการอบคืนไฟได้ดีเพียงไร ความสะอาดของเนื้อวัสดุ (จำนวน ขนาด และการกระจายตัวของอินคลูชันในเนื้อเหล็ก) และโครงสร้าง สภาพพื้นผิว
เหล็กกล้าคุณภาพต่ำและมีราคาถูก อาจจะมีส่วนผสมทางเคมีไม่ถูกต้องตามมารฐาน อาจมีธาตุตกค้างที่เป็นอันตรายต่อสมบัติของวัสดุใช้ทำเพลาในปริมาณมากเกินไป และอาจจะ “สกปก” (มีปริมาณอินคูลชันมาก) นอกจากนี้เหล็กกล้าคุณภาพต่ำยังอาจจะมีลักษณะที่ไม่พึงประสงค์อื่นๆ อีก เช่น การแยกตัวขององค์ประกอบทางเคมีในระดับจุลภาค (segregation) และมีรูพรุนเนื่องมาจากอินก็อตหลงเหลืออยู่ เป็นต้น
แม้ว่าวัสดุนี้จะผ่านขบวนการผลิตตามหลักในตำรา แต่สมบัติเกี่ยวกับความล้าและความต้านทานการแตกหักจะด้อยลงอย่างมาก และอาจนำไปสู่ความเสียหายของเพลาในระหว่างการใช้งานได้
และที่สำคัญอีกประการคือ ถ้าหากวัสดุนี้ผ่านขบวนการผลิตที่ไม่ถูกต้อง เช่น ทุบขึ้นรูปที่อุณหภูมิสูงเกินไป และอบชุบในบรรยากาศที่ทำให้เกิดการสูญเสียคาร์บอนที่ผิว การกัดแต่งผิวไม่เรียบร้อยมีความขรุขระ หรือไม่ได้ผ่านการชุบผิวแข็งด้วยการเหนียวนำทางความร้อน เป็นต้น ก็จะทำให้เกิดความเสียหายอย่างร้ายแรงในระหว่างการใช้งานอย่างแน่นอน อีกทั้งยังอาจนำไปสู่อุบัติเหตุที่ทำให้เกิดความไม่ปลอดภัยต่อชีวิตอีกด้วย ฉะนั้น ชิ้นส่วนที่สร้างหรือผลิตด้วยวิธีวิศวกรรมย้อนรอยในอัตราราคาที่ถูก เพียงแค่ปรับลดขั้นตอนบางอย่างลง กลับต้องทำให้เกิดการสูญเสียอันมหาศาลจากการเกิดความเสียหายเนื่องจากการใช้งานได้ในภายหลัง
ส่วนสุดท้าย ตัวอย่างของเพลาขับและกรณีศึกษาที่ได้กล่าวถึง ล้วนตอกย้ำและเตือนว่า จำเป็นต้องเข้าใจเรื่องต่อไปนี้อย่างถ่องแท้
- แง่มุมทางโลหะวิทยาของโลหะผสมที่ใช้เป็นวัตถุดิบ
- การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและสมบัติของโลหะผสมที่ใช้ระหว่างกระบวนการผลิต ภายใต้เงื่อนไขการผลิตต่างๆ จนกระทั้งถึงขั้นตอนสุดท้าย
ไม่ว่าจะเป็นการทำวิศวกรรมแบบตรง (Forward engineering) หรือวิศวกรรมย้อนรอย (Reverse engineering) ที่เป็นชิ้นส่วนโลหะ จำเป็นต้องเข้าใจในแง่มุมทางโลหะวิทยาด้วย รวมถึงการควบคุมโลหะที่ใช้ให้ได้โครงสร้างและสมบัติที่ถูกต้อง เพื่อให้ชิ้นส่วนที่สร้างและผลิตนั้นมีสมรรถนะการใช้งานตามต้องการ
ข้อมูลอ้างอิง : วิศวกรรมย้อนรอย (ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ)
วิสัยทัศน์ : Dr.John T.H. Pearce
