มจธ. พัฒนาอะลูมิเนียมใหม่ทนร้อนสูงผสมScธาตุหายากเพื่ออุตสาหกรรม EV

ทีมวิจัย มจธ. พัฒนาอะลูมิเนียมผสมชนิดใหม่ นิกเกิลและธาตุหายากสแกนเดียม (Sc)  ทนความร้อนสูง แข็งแรงกว่าอะลูมิเนียม-ซิลิคอนแบบเดิม เพิ่มอายุใช้งาน ทางเลือกใหม่สำหรับอุตสาหกรรม พร้อมต่อยอดใช้งานจริงในอุตสาหกรรมรถยนต์ไฟฟ้าและเทคโนโลยี Giga Casting

รายงานข่าวจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรีแจ้งว่า ทีมนักวิจัยจากภาควิชาวิศวกรรมอุตสาหการ คณะวิศวกรรมศาสตร์ ประกอบด้วย รศ. ดร.เชาวลิต ลิ้มมณีวิจิตร, รศ. ดร.พร้อมพงษ์ ปานดี และ ดร.ชนันฐ์ สุวรรณปรีชา บัณฑิตทุนเพชรพระจอมเกล้าดุษฎีบัณฑิต นักวิจัยจากศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (MTEC) ได้เปิดเผยผลงานวิจัยพัฒนาอะลูมิเนียมผสมชนิดใหม่ โลหะเจืออะลูมิเนียม-นิกเกิลที่เติมธาตุผสมหล่อสำหรับใช้งานที่อุณหภูมิสูง โดยการออกแบบโครงสร้างเส้นใยของเฟสที่แข็งแรง ประสานกับเนื้อโลหะที่เสริมความแข็งแรงของอนุภาคระดับนาโน โดยไม่สูญเสียสมรรถนะ คงความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงได้  ซึ่งใช้เวลาพัฒนานานกว่า 10ปี

รศ. ดร.เชาวลิต กล่าวว่า ทีมวิจัยได้พัฒนาการใช้ นิเกิล(Ni) แทนที่ซิลิคอนในอะลูมิเนียมผสมแบบเดิม พบว่าเกิดเส้นใยสารประกอบอะลูมิเนียม-นิกเกิล (Al₃Ni) ในโครงสร้าง ทำหน้าที่แกนเสริมความแข็งแรง ทนทานต่อความร้อนสูง แต่ไม่ได้ผลลัพธ์ดีที่สุดตามที่คาดหวัง จึงต้องหาเทคนิคเติมธาตุอื่นๆ เสมือนเคล็ดลับ คือ โลหะหายาก (Rare Earth elements) อย่าง สแกนเดียม (Scandium: Sc)

สแกนเดียมเป็นสูตรลับที่ไม่เคยมีใครเจือเข้าไปในอะลูมิเนียมเกรดนี้มาก่อน ด้วยสมบัติสำคัญคือ มีสัมประสิทธิการแพร่ในเนื้ออะลูมิเนียมต่ำมาก มีความสามารถละลายในสภาวะของแข็งต่ำ การมีธาตุสแกนเดียมทำให้ได้เป็นอนุภาคระดับนาโนเมตร (เล็กกว่าไมโครเมตร 1,000 เท่า) กระจายตัวอยู่ภายในเนื้ออะลูมิเนียม เกิดเป็นอนุภาคระดับนาโนของสารประกอบอะลูมิเนียม-สแกนเดียม (Al₃Sc) ช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับทั้งเส้นใย Al₃Ni และเนื้ออะลูมิเนียม ทำให้วัสดุโดยรวมแข็งแรง ทนต่ออุณหภูมิสูง) ได้ดีขึ้น

อะลูมิเนียมผสมใหม่ จึงมีสมบัติทนความร้อนสูง มีเป้าหมายที่จะนำไปใช้ในงานที่ต้องเผชิญอุณหภูมิสูง  เช่น ฝาสูบเครื่องยนต์ดีเซลที่มีกำลังอัดสูง อุณหภูมิในห้องเผาไหม้จะสูงขึ้น ชิ้นส่วนที่ใกล้กับเครื่องยนต์เจ็ท ที่อะลูมิเนียมเกรดทั่วไปอาจแตกร้าว หรือเสียรูป การใช้อะลูมิเนียมทนความร้อนสูง จะช่วยพัฒนาเครื่องยนต์ให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นได้ กระบวนการเชื่อมประกอบในสภาวะของแข็งของชิ้นส่วนอะลูมิเนียมเกรดต่างกันเข้าด้วยกัน หรือเชื่อมอะลูมิเนียมเข้ากับวัสดุอื่น เช่น เหล็ก ทั้งในรถยนต์ทั่วไปและรถยนต์ไฟฟ้า  จำเป็นต้องผ่านอุณหภูมิสูง หากใช้อะลูมิเนียมที่ไม่ทนความร้อน จะส่งผลให้ความแข็งแรงบริเวณแนวเชื่อมและพื้นที่ใกล้เคียงลดลง ล้วนเป็นความท้าทายในการพัฒนาวัสดุสมัยใหม่ในอุตสาหกรรมยานยนต์ โดยเฉพาะรถยนต์ไฟฟ้าที่ต้องการลดน้ำหนักของตัวโครงสร้างลงเพื่อชดเชยกับน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นจากแบตเตอรี่ ช่วยเพิ่มระยะทางวิ่งโดยใช้แหล่งพลังงานเท่าเดิม

“วัสดุใหม่นี้ยังรองรับการผลิตแบบใหม่อย่าง Gigacasting  เทคโนโลยีหล่อโครงสร้างของ EV ซึ่งเป็นแนวโน้มใหม่ในอุตสาหกรรมรถยนต์ไฟฟ้าแทบทุกรุ่น เทคโนโลยีนี้ใช้เครื่องฉีดอะลูมิเนียมขนาดใหญ่มาก หล่อชิ้นส่วนใหญ่เพียงไม่กี่ชิ้น แทนการผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็กจำนวนมากมาเชื่อมประกอบกัน (เช่น จาก 171 ชิ้น เหลือ 2 ชิ้น) การลดจำนวนชิ้นส่วน จะลดเวลาและต้นทุนการผลิต เพิ่มความแข็งแรงของโครงสร้างเพราะมีรอยต่อน้อย วัสดุที่ใช้ใน Gigacasting จำเป็นต้องมีความแข็งแรงสูเชื่อมประกอบกับวัสดุอื่นได้ ซึ่งอะลูมิเนียมทนความร้อนนี้ตอบโจทย์ได้” รศ. ดร.เชาวลิต กล่าว

แม้จะประสบความสำเร็จในระดับห้องปฏิบัติการและเผยแพร่ผลงานในวารสารวิจัยชั้นนำของโลก ได้จดสิทธิบัตรเรียบร้อยแล้ว แต่ทีมวิจัยยอมรับว่ามีความท้าทายในการนำไปใช้งานจริง ไม่ว่าจะเป็นการทดสอบในระยะยาว การขยายกระบวนการผลิต (scale-up) และการจับมือกับภาคอุตสาหกรรมในการนำวัสดุไปใช้จริง

รศ. ดร.เชาวลิต  กล่าวอีกว่า เราต้องการทำงานร่วมกับภาคอุตสาหกรรม ในการนำวัสดุไปทดสอบในสเกลที่ใหญ่ขึ้น เพื่อให้มั่นใจในประสิทธิภาพและปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้น  งานวิจัยนี้ ดูเป็นเรื่องของโลหะและวิศวกรรมที่ดูไกลตัวในสายตาคนทั่วไป แต่ คือภาพสะท้อนของความพยายามในการสร้างเทคโนโลยีวัสดุด้วยตัวเอง ของคนไทยที่สามารถแข่งขันได้ในระดับโลก หากได้รับการต่อยอดจากทุกภาคส่วนอย่างจริงจัง วัสดุชิ้นนี้อาจเป็นจุดเริ่มต้นของการขยับสถานะของประเทศไทย จากผู้ผลิตตามคำสั่ง ไปสู่การเป็นผู้สร้างเทคโนโลยีด้วยตัวเอง ในอนาคต