วิธีสร้างแท่นอัดขึ้นรูป 50,000 ตัน
(construction-physics.com)- ในทศวรรษ 1950 เมื่อเครื่องบินไอพ่นก้าวเข้าสู่ช่วงความเร็วสองเท่าของเสียง สหรัฐฯ ได้เริ่ม Heavy Press Program เพื่อสร้างชิ้นส่วนอากาศยานที่เบากว่าและแข็งแรงกว่า
- กระทรวงกลาโหมปรับแผนและสร้าง แท่นอัดขึ้นรูป 6 เครื่องและแท่นอัดรีด 4 เครื่อง โดยมุ่งลดจำนวนชิ้นส่วน เวลาในการขึ้นรูป/กลึง และน้ำหนักด้วยชิ้นส่วนขนาดใหญ่
- แท่นอัดขึ้นรูป 50,000 ตันเป็น โครงสร้างพื้นฐานการผลิตขนาดมหึมา เท่าตึก 10 ชั้น ต้องมีโครงสร้างใต้ดินลึก 100 ฟุต ผนังคอนกรีตหนา 13 ฟุต และระบบไฮดรอลิก 7,000psi
- หลังสร้างเสร็จ พบว่าเป็นการ ลดต้นทุนการผลิต เช่น ชิ้นส่วนตีขึ้นรูป 4 ชิ้นแทนที่ชิ้นส่วน 272 ชิ้นและหมุดย้ำ 2,700 ตัว และชิ้นส่วนอัดรีดขนาดใหญ่ 9 ชิ้นตัดชิ้นส่วน 81 ชิ้นกับ fastener มากกว่า 9,000 ตัวออกไปได้
- การลงทุนในขีดความสามารถการผลิตทางทหารแพร่ขยายไปสู่อากาศยาน ขีปนาวุธ เรือดำน้ำ ยานอวกาศ และเครื่องบินพาณิชย์ และยังสอดคล้องกับกระแสการผลิตชิ้นส่วนเดี่ยวขนาดใหญ่ในยุคปัจจุบันอย่าง Giga-casting
ยุคเครื่องบินไอพ่นต้องการชิ้นส่วนที่ใหญ่ขึ้น
- ในช่วงปลายทศวรรษ 1940 ถึงต้นทศวรรษ 1950 การออกแบบเครื่องบินทหารของสหรัฐฯ เปลี่ยนไปอย่างมากจากการมาของ เครื่องยนต์ไอพ่น
- เครื่องบินใบพัดที่เร็วที่สุดในสงครามโลกครั้งที่สองทำความเร็วในการบินระดับได้ต่ำกว่า 500 ไมล์ต่อชั่วโมงเล็กน้อย
- กลางทศวรรษ 1950 เครื่องบินไอพ่นบินได้เร็วกว่า 1,300 ไมล์ต่อชั่วโมง หรือสองเท่าของความเร็วเสียง
- สมรรถนะเช่นนี้ต้องอาศัยไม่เพียงเครื่องยนต์ไอพ่นที่ทรงพลัง แต่ยังต้องมีวัสดุอย่าง Inconel, titanium และวิธีการผลิตชิ้นส่วนอากาศยานที่แข็งแรงกว่าและเบากว่า
- แนวทางที่มีศักยภาพคือการใช้ชิ้นส่วนตีขึ้นรูปและชิ้นส่วนอัดรีดขนาดใหญ่
- การตีขึ้นรูป (forging) คือวิธีสร้างรูปร่างโดยกดแรงลงบนโลหะ โดยทั่วไปใช้การทุบหรือกดด้วยแท่นอัดขนาดใหญ่
- การอัดรีด (extrusion) คือวิธีสร้างรูปร่างโดยดันโลหะผ่านช่องที่มีรูปทรงเฉพาะ
- ในเวลานั้น เครื่องบินก็ใช้การตีขึ้นรูปและการอัดรีดอยู่แล้ว แต่ขนาดชิ้นส่วนที่ผลิตได้ยังเล็ก จึงต้องนำชิ้นส่วนเล็กๆ มาประกอบต่อกันด้วย fastener หลายร้อยถึงหลายพันตัว
- ชิ้นส่วนตีขึ้นรูปและอัดรีดขนาดใหญ่สามารถแทนที่ชิ้นส่วนเล็กหลายชิ้น ทำให้ได้โครงสร้างที่บางกว่า เบากว่า และแข็งแรงกว่า รวมถึงปรับปรุงพื้นผิวทางอากาศพลศาสตร์และคุณภาพการซีลได้ด้วย
- วิธีตัดเฉือนออกจากแผ่นโลหะหรือ billet ต้องใช้เครื่องจักรขนาดมหึมาและเวลา machining ยาวนาน อีกทั้งคุณสมบัติเชิงกลบริเวณแกนกลางของแผ่นหนาหรือ billet ก็ยังไม่แน่นอน
- ชิ้นส่วนตีขึ้นรูปมีข้อดีคือสามารถควบคุม ทิศทางเกรนผลึก ให้สอดคล้องกับรูปแบบความเค้นได้
- วัสดุหล่อมีคุณสมบัติไม่สูงพอ และเทคโนโลยีการหล่อในเวลานั้นก็ยังไม่ถึงระดับที่จะกระจายโลหะได้อย่างมีประสิทธิภาพและสร้างหน้าตัดบางได้
แท่นอัดขนาดใหญ่ของเยอรมนีและการไล่ตามของสหรัฐฯ
- จุดกำเนิดของ Heavy Press Program ย้อนกลับไปถึงเยอรมนีในทศวรรษ 1920
- จากสนธิสัญญาแวร์ซาย เยอรมนีสูญเสียพื้นที่ผลิตเหล็กทางตะวันตกไปมาก ทำให้ขาดแคลนเหล็กและเหล็กกล้าเรื้อรัง
- ด้วยเหตุนี้ เยอรมนีจึงหันไปใช้โลหะอื่นอย่างแมกนีเซียมและอะลูมิเนียมมากขึ้น
- อะลูมิเนียมและแมกนีเซียมแตกหักง่ายเมื่อขึ้นรูปด้วยการทุบ โดยเฉพาะแมกนีเซียมที่เป็นปัญหามาก
- ในทางกลับกัน หากขึ้นรูปด้วยการกดด้วย แท่นอัดไฮดรอลิก จะได้ผลลัพธ์ที่ดี
- หลังสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง เยอรมนียังคงเพิ่มขนาดแท่นอัดขนาดใหญ่ต่อไป
- สำหรับการตีขึ้นรูป ได้สร้างแท่นอัด 7,000 ตัน แท่นอัด 16,500 ตัน 3 เครื่อง และแท่นอัด 33,000 ตัน พร้อมวางแผนแท่นอัด 55,000 ตันด้วย
- สำหรับการอัดรีด จนถึงปลายสงครามโลกครั้งที่สอง แท่นอัดรีด 12,000 ตัน 4 เครื่องกำลังสร้างเสร็จเป็นระยะๆ และแท่นอัด 25,000 ตันก็อยู่ในขั้นแบบร่าง
- “ตัน” ในที่นี้ไม่ได้หมายถึงน้ำหนักของแท่นอัดเอง แต่หมายถึง กำลังกด ที่สามารถใช้ได้
- สหรัฐฯ ตรวจสอบซากเครื่องบินเยอรมันในปี 1942 และพบชิ้นส่วนตีขึ้นรูปที่ใหญ่กว่าที่ประเทศตนผลิตได้มาก
- เพื่อตอบโต้ สหรัฐฯ เริ่มสร้างแท่นอัดขึ้นรูป 18,000 ตันที่โรงงาน Wyman-Gordon ในรัฐแมสซาชูเซตส์ แต่แล้วเสร็จในปี 1946
- หลังเยอรมนียอมแพ้ สหรัฐฯ และสหภาพโซเวียตแบ่งขีดความสามารถด้านแท่นอัดขนาดใหญ่ของเยอรมนีไปด้วย
- สหรัฐฯ ถอดแท่นอัดเยอรมัน 4 เครื่องและนำกลับประเทศ
- สหภาพโซเวียตได้แท่นอัด 33,000 ตัน แบบของแท่นอัด 55,000 ตัน และผู้เชี่ยวชาญด้านโลหวิทยาชาวเยอรมัน
การออกแบบและก่อสร้าง Heavy Press Program
- ช่วงปลายทศวรรษ 1940 ปัจจัยหลายอย่างผลักดันให้สหรัฐฯ เดินหน้าสร้างแท่นอัดขนาดใหญ่ของตนเอง
- สมรรถนะเครื่องบินที่สูงขึ้นทำให้ความต้องการชิ้นส่วนที่เบาและแข็งแรงกว่าเพิ่มขึ้น
- เยอรมนีแสดงให้เห็นความเป็นไปได้ของชิ้นส่วนตีขึ้นรูปและอัดรีดขนาดใหญ่สำหรับอากาศยาน
- สหรัฐฯ สะสมประสบการณ์ในการใช้งานแท่นอัด 18,000 ตันของตนเอง
- การที่สหภาพโซเวียตได้แท่นอัดขนาดใหญ่ที่สุดและแบบจากเยอรมนีไป ทำให้สหรัฐฯ เสี่ยงตามหลังด้านขีดความสามารถการผลิตอากาศยาน
- กองทัพอากาศศึกษากำลังการผลิตเครื่องบิน 17 รุ่นที่อยู่ระหว่างผลิตและสำรวจผู้ผลิตเครื่องบินหลายราย ก่อนประเมินว่าแท่นอัดขึ้นรูปและแท่นอัดรีดขนาดใหญ่มีประโยชน์ที่เป็นไปได้อย่างมาก
- ในปี 1950 กระทรวงกลาโหมเริ่มโครงการสร้างแท่นอัดขนาดใหญ่ 17 เครื่อง
- แผนเริ่มต้นคือแท่นอัดขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ 9 เครื่องและแท่นอัดรีด 8 เครื่อง
- ค่าใช้จ่ายโดยประมาณรวมแท่นอัดและสิ่งอำนวยความสะดวกที่จำเป็นอยู่ที่ 389 ล้านดอลลาร์
- ต่อมาลดลงเหลือทั้งหมด 10 เครื่อง คือแท่นอัดรีด 4 เครื่องและแท่นอัดขึ้นรูป 6 เครื่อง โดยไม่นับแท่นอัด 18,000 ตันของ Wyman-Gordon และแท่นอัด 4 เครื่องที่นำมาจากเยอรมนี
- ค่าใช้จ่ายสุดท้ายอยู่ที่ 239 ล้านดอลลาร์ หรือ 2.8 พันล้านดอลลาร์ตามมูลค่าปี 2024
- โครงการได้รับเงินทุนจากกระทรวงกลาโหมและบริหารโดยกองทัพอากาศ แต่แท่นอัดถูกให้เอกชนเช่าไปดำเนินงาน
- บริษัทได้รับค่าเช่าในเงื่อนไขที่ได้เปรียบ แลกกับการรับผิดชอบค่าบำรุงรักษาและดำเนินงาน
- รัฐบาลได้รับ 4~5% ของรายได้จากการดำเนินงาน
- วิธีนี้เป็นประเด็นถกเถียงในเวลานั้น
- การก่อสร้างที่เริ่มในปี 1952 เป็น งานวิศวกรรมขนาดมหึมา
- แท่นอัดขึ้นรูป 50,000 ตันมีขนาดเท่าตึก 10 ชั้น และสร้างแรงได้มากพอจะยกเรือประจัญบานหนึ่งลำ
- แท่นอัดขึ้นรูป 35,000 ตันก็ไม่ได้เล็กกว่ากันมากนัก
- แท่นอัดรีด 12,000 ตันยาว 120 ฟุต และมีกำลังมากกว่าแท่นอัดรีดที่ใหญ่ที่สุดในสหรัฐฯ เดิมเกินสองเท่า
- แท่นอัดขึ้นรูปส่วนใหญ่อยู่ใต้ดิน ต้องใช้หลุมลึก 100 ฟุตและผนังคอนกรีตหนา 13 ฟุต
- แท่นอัดประกอบด้วยชิ้นส่วนเหล็กและเหล็กกล้าขนาดใหญ่ที่สุดในยุคนั้น เช่น crossbeam 200 ตัน ฐานรองกระบอกสูบ 90 ตัน และ tie rod 145 ตัน
- การผลิต tie rod ยาว 108 ฟุตต้องใช้เตาหลอมพิเศษ และการเคลื่อนย้ายต้องใช้เครนหลายตัว
- บางชิ้นส่วนมีน้ำหนักเกินขีดจำกัดของตู้รถไฟหนึ่งตู้ จึงต้องขนส่งโดยพาดข้ามตู้รถไฟหลายตู้
- ชิ้นส่วนจัดหาจากบริษัทสหรัฐฯ อย่าง Bethlehem Steel รวมถึงจากอังกฤษ สกอตแลนด์ ฝรั่งเศส และญี่ปุ่นด้วย
- โครงสร้างพื้นฐานสนับสนุนก็ใหญ่พอๆ กับตัวแท่นอัด
- ต้องใช้ถังน้ำขนาดหลายพันแกลลอนและระบบปั๊มซับซ้อนเพื่อเพิ่มแรงดันน้ำถึง 7,000psi
- มีการสร้างเตาหลอมขนาดใหญ่ เครื่องเลื่อย และอุปกรณ์ยืดใหม่
- บริษัทโรงถลุงและโลหะต้องหาวิธีผลิต ingot อะลูมิเนียมขนาดใหญ่ขึ้นสำหรับป้อนเข้าแท่นอัดขนาดใหญ่
- Alcoa สร้างโรงงานใหม่ขนาด 500,000 ตารางฟุตใน Cleveland เพื่อรองรับแท่นอัดขึ้นรูป 50,000 ตันและ 35,000 ตัน
การลดต้นทุนและการขยายขอบเขตการใช้งาน
- Heavy Press เครื่องแรกเริ่มเดินเครื่องในปี 1954 และทั้งหมดสร้างเสร็จภายในปี 1956
- แท่นอัดลดจำนวนชิ้นส่วนเครื่องบินและต้นทุนการผลิตได้อย่างมาก
- ในกรณีหนึ่ง ชิ้นส่วนตีขึ้นรูป 4 ชิ้นแทนที่ชุดประกอบที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนแยก 272 ชิ้นและหมุดย้ำ 2,700 ตัว
- อีกกรณีหนึ่ง ชิ้นส่วนอัดรีดขนาดใหญ่ 9 ชิ้นแทนที่ชิ้นส่วนเล็ก 81 ชิ้นและตัด fastener มากกว่า 9,000 ตัวออกไป พร้อมลดต้นทุนชิ้นส่วน 30% และน้ำหนัก 6%
- แท่นอัดขนาดใหญ่ยังลดเวลาในการ machining ด้วย
- โดยทั่วไป ชิ้นส่วนตีขึ้นรูปหรืออัดรีดไม่ได้ออกจากแท่นอัดด้วยขนาดสุดท้ายที่สมบูรณ์ จึงต้องมีการทำงานขั้นหลัง
- แต่สามารถสร้างชิ้นส่วนบางและซับซ้อนที่ใกล้เคียงรูปร่างสุดท้ายได้ จึงลดวัสดุและเวลาที่ต้องตัดเฉือนออกได้มาก
- ชิ้นส่วนหนึ่งเปลี่ยนจากวิธีที่ต้องตัดวัสดุออกมากกว่า 1,200 ปอนด์จากวัสดุตั้งต้น 1,600 ปอนด์ และมีค่ากลึง 18,000 ดอลลาร์ มาเป็นวิธีที่ใช้วัสดุตั้งต้น 321 ปอนด์และค่ากลึง 500 ดอลลาร์
- อีกชิ้นส่วนหนึ่งลดวัสดุที่ต้องเอาออกจาก 23 ปอนด์เหลือ 2 ปอนด์
- ส่งผลต่อค่าใช้จ่ายรวมของเครื่องบินด้วย
- Convair F-102A ประหยัดได้ 20,000 ดอลลาร์ คาดว่าเท่ากับราว 1.6% ของราคาเครื่องบิน
- สำหรับเครื่องบินทิ้งระเบิดขนาดใหญ่ คาดว่าประหยัดได้ 5~10% ของต้นทุนรวม
- คาดว่าเฉพาะยอดประหยัดจาก B-52 ก็สูงกว่าต้นทุนทั้งหมดของ Heavy Press Program แล้ว
- จนถึงทศวรรษ 1960 คาดว่า Heavy Press ลดต้นทุนการผลิตของรัฐบาลได้ประมาณ 500 ล้านดอลลาร์
- ขอบเขตการใช้งานขยายออกไปนอกเหนือจากเครื่องบิน
- ใช้กับชิ้นส่วนขีปนาวุธนำวิถี เรือดำน้ำนิวเคลียร์ และยานเกราะของกองทัพบก
- แผ่นกันความร้อนเบริลเลียมของแคปซูลอวกาศ Mercury และ “สมอ” อะลูมิเนียมขนาดมหึมาที่ยึดจรวด Saturn V ไว้กับฐานปล่อยก็ถูกตีขึ้นรูปเช่นกัน
- เริ่มใช้ผลิตชิ้นส่วนเครื่องบินพาณิชย์ครั้งแรกในปี 1956 และกลายเป็นเรื่องทั่วไปในทศวรรษ 1960
- คานไทเทเนียม 4,000 ปอนด์สำหรับรองรับชุดล้อขึ้นลงของ Boeing 747 เป็นชิ้นส่วนตีขึ้นรูปไทเทเนียมที่ใหญ่ที่สุดที่ผลิตได้ในเวลานั้น
- แม้เดิมออกแบบมาเพื่อผลิตชิ้นส่วนอะลูมิเนียมและแมกนีเซียม แต่ในทศวรรษ 1960 โลหะหลากหลายชนิดก็ถูกใช้กับแท่นอัดเช่นกัน ทั้งเหล็กกล้า ไทเทเนียม นิกเกิล ทองแดง โคลัมเบียม และเบริลเลียม
ผลระยะยาวของการลงทุนในขีดความสามารถการผลิตและเส้นขนานยุคปัจจุบัน
- Heavy Press ถูกประเมินว่าเป็น “ความก้าวหน้าในงานแปรรูปโลหะที่รวดเร็วและกว้างขวางที่สุดในประวัติศาสตร์อุตสาหกรรม” และเป็นก้าวกระโดดครั้งใหญ่ของการผลิตอากาศยาน
- ช่วงต้นทศวรรษ 2000 ชิ้นส่วนจาก Heavy Press ถูกใช้ในเครื่องบินทหารสหรัฐฯ ทุกแบบที่ยังประจำการ และในเครื่องบินทุกลำที่ Airbus และ Boeing ผลิต
- แท่นอัดขึ้นรูปแบบแม่พิมพ์ปิด 50,000 ตันสองเครื่องเป็นแท่นอัดชนิดนี้ที่ใหญ่ที่สุดในสหรัฐฯ จนกระทั่งถูกแทนที่ด้วยแท่นอัด 60,000 ตันในปี 2018
- Heavy Press Program เป็นตัวอย่างของการลงทุนในขีดความสามารถการผลิตเพื่อจุดประสงค์ทางทหารที่แพร่ขยายไปยังสาขาอื่น
- แม้สร้างขึ้นเพื่อผลิตชิ้นส่วนที่เบาและแข็งแรงขึ้นสำหรับเครื่องบินความเร็วเหนือเสียง แต่ต่อมาก็ใช้กับยานอวกาศ ระบบพลังงาน และเครื่องบินพาณิชย์ด้วย
- สหรัฐฯ ได้รับประโยชน์จากแท่นอัดเหล่านี้มานานกว่า 70 ปี และส่วนหนึ่งของความสำเร็จในการผลิตเครื่องบินพาณิชย์ของสหรัฐฯ ก็เชื่อมโยงกับการมีแท่นอัดเหล่านี้
- การปรับปรุงด้านการผลิตส่งผลโดยตรงต่อว่าเทคโนโลยีใดจะเป็นไปได้เชิงพาณิชย์
- แท่นอัดขนาดใหญ่ทำให้สามารถปรับให้เหมาะสมด้วย การออกแบบเพื่อการผลิต โดยแทนที่ชิ้นส่วนและ fastener จำนวนมากด้วยชิ้นส่วนขนาดใหญ่จำนวนน้อยลง และลดเวลา machining
- คำกล่าวอย่างเป็นทางการของกองทัพอากาศในปี 1964 ระบุว่าการแจกแจงความสำเร็จของ Heavy Press Program นั้น “แทบจะเหมือนกับการเล่าประวัติศาสตร์ของเครื่องบินขั้นสูงยุคใหม่” และมองว่ามีส่วนทำให้ปีกเครื่องบินแบบ wet wing ที่เก็บเชื้อเพลิงได้มีต้นทุนต่ำพอ
- การหล่ออะลูมิเนียมขนาดใหญ่ของ Tesla ก็เป็นตัวอย่างร่วมสมัยที่คล้ายกัน
- Tesla ใช้การหล่ออะลูมิเนียมขนาดใหญ่เพื่อแทนที่ชิ้นส่วนเล็กหลายชิ้นหรือหลายร้อยชิ้น
- เพื่อทำเช่นนี้ ต้องใช้อุปกรณ์ Giga-casting ที่มีขนาดอย่างไม่เคยมีมาก่อน
- Tesla เป็นผู้ผลิตรถยนต์รายแรกที่นำการหล่อขนาดใหญ่มาใช้ และคาดว่าวิธีนี้ลดต้นทุนบางส่วนของตัวถังรถได้ 20~40%
- หลังจากนั้นผู้ผลิตรถยนต์หลายราย โดยเฉพาะบริษัทจีน ได้นำวิธีนี้ไปใช้
- ความเป็นไปได้ของแท่นอัดที่ใหญ่กว่านี้เคยมีการถกเถียงกันในอดีต แต่ไม่ได้สร้างขึ้นจริง
- ปัจจุบันแท่นอัดขึ้นรูปแบบแม่พิมพ์ปิดที่ใหญ่ที่สุดมีขนาดถึงระดับ 80,000 ตันในจีน
- ผู้เชี่ยวชาญในทศวรรษ 1950 มองว่าแท่นอัดระดับ 200,000 ตันอาจมีประโยชน์ต่อการผลิตอากาศยาน
- หลังประสบการณ์พัฒนา SR-71 Kelly Johnson มองว่าสหรัฐฯ ต้องมีแท่นอัดระดับ 250,000 ตัน
- ในทศวรรษ 1980 กองทัพบกก็ศึกษาประโยชน์ของแท่นอัดระดับ 200,000 ตัน แต่ไม่มีการสร้างแท่นอัดเช่นนี้ในสหรัฐฯ หรือที่อื่น
- สหรัฐฯ ได้สูญเสียประสบการณ์บางส่วนในการสร้างเครื่องจักรขนาดนี้ หรือประสบการณ์ดังกล่าวย้ายไปอยู่ที่อื่นแล้ว
- เดิมที Heavy Press ผลิตโดยบริษัทสหรัฐฯ อย่าง Loewy Hydropress และ Mesta
- เมื่อต้นทศวรรษ 2000 ตอนปรับปรุงแท่นอัด 50,000 ตันของ Alcoa ชิ้นส่วนมาจาก SMS ของเยอรมนี และบริษัทนี้ก็เป็นผู้สร้างแท่นอัดขึ้นรูป 60,000 ตันด้วย
- อุปกรณ์ Giga-casting ขนาดใหญ่ที่ผู้ผลิตรถยนต์สหรัฐฯ ใช้ ส่วนใหญ่ผลิตโดยบริษัทจีนหรือบริษัทที่จีนเป็นเจ้าของอย่าง IDRA อย่างท่วมท้น
- ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีคือการสร้างสิ่งที่ไม่เคยมีมาก่อน และหากไม่สามารถผลักขอบเขตของเทคโนโลยีการผลิตได้ ก็เสี่ยงจะถูกคู่แข่งที่ทำได้แซงหน้า
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นบน Hacker News
ข้อดีของชิ้นงานตีขึ้นรูปคือสามารถ ปรับทิศทางเกรนผลึกให้สอดคล้องกับรูปแบบความเค้นตามการออกแบบ ได้ ซึ่งจุดนี้ถูกประเมินค่าต่ำไปจริง ๆ
มักพูดซ้ำ ๆ กันว่าการตีขึ้นรูปก็แค่ทำให้แข็งแรงขึ้น แต่เหล็กไม่ได้แข็งแรงขึ้นเพียงเพราะถูกกดให้แบน การตีขึ้นรูปซับซ้อนกว่าการทุบให้ได้รูปทรงมาก
สายเคเบิลเหล็กทำจากเหล็กที่ค่อนข้างธรรมดา โดยดึงยืดให้ยาวกว่าความยาวเดิมหลายร้อยเท่า และเพียงกระบวนการนั้นก็ทำให้ความแข็งแรงในทิศทางนั้นเพิ่มขึ้น 2–4 เท่า ก้านลูกสูบต้องแข็งแรงตามแนวยาว ดังนั้นจึงเหมาะที่จะเริ่มจากอินกอตที่สั้นและหนาแล้วดึงให้ยาว มากกว่าจะเริ่มจากวัสดุที่ใกล้เคียงขนาดสุดท้าย
ลองนึกถึงการทำคาน I-beam เราอาจทุบตรงกลางให้บางลงก็ได้ แต่แบบนั้นจะทำให้แข็งแรงขึ้นเล็กน้อยเฉพาะตรงกลาง ส่วนขอบแทบไม่ได้ประโยชน์ ในทางกลับกัน หากจับขอบแล้วยืดออก จะเกิดการไหลของเส้นใยที่ยาวและต่อเนื่อง ซึ่งทนต่อการดัดงอได้ดี จะยืดตรงไหน อย่างไร และตามลำดับใด เป็นสิ่งที่กำหนดทุกอย่าง
แม้แต่ชิ้นส่วนที่มีความซับซ้อนเพียงเล็กน้อย การปรับกระบวนการนี้ให้เหมาะสมก็ยากพอ ๆ กับปัญหาวิศวกรรมสมัยใหม่ และช่างตีเหล็กในอดีตก็เป็นคนที่ทำ งานใช้ปัญญา จริง ๆ
ถ้าดึงถุงโพลิเอทิลีน (LDPE) ไปในทิศทางเดียว จะเห็นว่าวัสดุบางลงแต่กลับแข็งแรงขึ้น เพราะสายโซ่พอลิเมอร์ถูกจัดเรียงตัว ในที่สุดมันจะกลายเป็น “เส้นใยยืดดึง” ที่สายโมเลกุลเรียงตัวตามทิศทางเส้นใย ทำให้ได้ความต้านแรงดึงที่เหมาะสมที่สุด
เมื่อเกรนผลึกเล็กลง ความแข็งแรงก็เพิ่มขึ้นได้แม้ไม่มีการปรับทิศทางเกรน นอกจากนี้ peening แม้จะไม่เหมือนการตีขึ้นรูปเสียทีเดียว แต่ก็เป็นกระบวนการกดเหล็กเช่นกัน และบริเวณที่มีความเค้นอัดตกค้างจะเริ่มเกิดรอยร้าวได้ยากจนกว่าจะเกินความเค้นนั้น จึงช่วยเพิ่มความแข็งแรง โดยเฉพาะเพิ่ม ความต้านทานต่อความล้า ได้มากขึ้น
ตัวอย่างเช่น คำอธิบายทำนองว่าเมื่อนำแท่งเหล็กไปทำเป็นลวดสำหรับเชือกเหล็ก โดยดึงยืด 100 เท่าแล้วความแข็งแรงเพิ่มขึ้นนั้น น่าจะไม่ถูกต้อง เหล็ก A36 ซึ่งเป็นเหล็กโครงสร้างพื้นฐาน มีค่าการยืดตัวเมื่อขาดที่ระยะพิกัด 2 นิ้วอยู่ที่ 23% [1] ในโรงรีดก็มีขีดจำกัดว่าลดขนาดได้มากแค่ไหนในการผ่านแต่ละครั้ง และหลังจากนั้นต้องอบอ่อนด้วยความร้อนเพื่อลบผลของการขึ้นรูปเย็น การอบอ่อนจะรีเซ็ตค่าการยืดตัวและผลเสริมความแข็งแรงจากการแข็งตัวจากการแปรรูป หากลดขนาดมากเกินไปในครั้งเดียวหรืออุณหภูมิต่ำเกินไป วัสดุจะแตกและกลับอ่อนแอลง
ในงานโลหะแผ่นก็มีคำเล่าต่อกันมาว่าทิศทางการรีดคือทิศทางการไหลของเกรน จึงแข็งแรงกว่า แต่ผมยังหาแหล่งข้อมูลที่แสดงความแตกต่างมาก ๆ ไม่พบ ในบทความนี้ [2] ระบุว่าสมบัติแรงดึงต่างกันตามทิศทางของชิ้นทดสอบ แต่เมื่อดูกราฟแรงดึงแล้ว ความต่างมีน้อย ไม่ได้รายงานค่ากำลังคราก แต่ดูเหมือนทั้งสามทิศทางจะครากที่จุดเดียวกัน ในการทดสอบนี้ ทิศทาง 90 องศาที่ตัดข้ามเกรนให้ค่าความต้านแรงดึงสูงสุด ซึ่งตรงข้ามกับความคาดหวังของผู้สนับสนุน “การไหลของเกรน” ในงานตีขึ้นรูป ขนาดของความแตกต่างก็ไม่ได้มาก และเล็กเมื่อเทียบกับค่าเผื่อความปลอดภัยตามปกติในการออกแบบที่สมเหตุสมผล
ในการออกแบบชิ้นส่วนยานยนต์ ผมเห็นว่ากระบวนการตีขึ้นรูปถูกเลือกเป็นหลักเพราะ ประสิทธิภาพการผลิต หากชิ้นส่วนแทบจะเต็มรูปทรงภายนอกของแท่งหรือแผ่นวัสดุ ก็จะกัดขึ้นรูปจากแท่งหรือแผ่นเสมอ หากมีพื้นที่ว่างมาก ก็จะคำนวณว่าค่าแม่พิมพ์ตีขึ้นรูปและต้นทุนพัฒนาจะคุ้มกับการประหยัดค่าวัสดุและค่ากระบวนการหรือไม่ หากชิ้นส่วนที่ไม่ได้ตีขึ้นรูปอ่อนแอกว่าอย่างมีนัยสำคัญ ขนาดชิ้นส่วนก็ควรต้องเปลี่ยนตามวิธีผลิต แต่ผมยังไม่เคยเห็นกรณีแบบนั้น
สุดท้าย ชิ้นส่วนตีขึ้นรูปจำนวนมากจะถูกอบชุบความร้อนภายหลัง การอบชุบความร้อนเหล็กทำงานโดยทำลายและตกผลึกใหม่ของเกรนภายในเหล็ก ขึ้นอยู่กับกระบวนการและรูปทรงที่แน่นอน การไหลของเกรนในชิ้นงานสำเร็จอาจถูกกำจัดหรือลดลง
ถึงอย่างนั้น คำกล่าวอ้างว่าการตีขึ้นรูปเหนือกว่าก็ยังคงอยู่ ดังนั้นหากมีใครเคยทดสอบผลนี้จริง ๆ ผมอยากให้เสนอข้อมูลทางเทคนิคที่แสดงขนาดของการเปลี่ยนแปลง
[1] https://matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=d1844977c5c...
[2] https://www.researchgate.net/publication/283447700_The_effec...
หากอ่านบทความนี้ ก็ควรรู้จัก การขึ้นรูปด้วยแรงระเบิด ไว้ด้วย ในฐานะสิ่งที่เป็นคู่เทียบอย่างหนึ่งของการตีขึ้นรูปด้วยเครื่องอัดขนาดใหญ่ [1] เป็นวิธีที่ใช้วัตถุระเบิดแรงสูงทางเคมีดันวัสดุแม่พิมพ์ให้แนบกับต้นแบบ
แรงดันเกินที่เกิดจากการระเบิดอาจใกล้เคียงหรือมากกว่าการตีขึ้นรูปด้วยเครื่องอัดขนาดใหญ่ได้ เครื่องอัด 50,000 short ton ของสหรัฐฯ ให้แรงประมาณ 500MN และแรงดันเกินสูงสุดใกล้ศูนย์กลางการระเบิดของ TNT หรือ PETN อาจสูงกว่าระดับ MPa [2] จึงพอเทียบกันได้ ขึ้นอยู่กับรูปทรงของชิ้นส่วน แถมยังมีคุณลักษณะน่าสนใจคือสามารถสร้างรูปทรงทรงกระบอกและทรงกลมที่ซับซ้อนได้ง่ายและแม่นยำมาก
เท่าที่ทราบ คนที่เคยใช้วิธีนี้ได้นำไทเทเนียมหรือสเตนเลสไม่เป็นแม่เหล็กเกรดสูง (A4, µr ≈ 1) มาขึ้นรูปด้วยแรงระเบิดเมื่อทำแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิด มาร์เทนไซต์ ระหว่างการแปรรูป ผู้ผลิตเครื่องสแกน MRI รายใหญ่ระดับนานาชาติรายหนึ่งก็เคยใช้วิธีนี้กับผลิตภัณฑ์ที่ค่อนข้างเฉพาะทางด้วย เหมือนเป็น “เวอร์ชันสุดขั้ว” ของ metal spinning [3] ที่ดันก้อนโลหะที่กำลังหมุนเข้ากับ mandrel แบบสมมาตรตามแกนหมุน
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Explosive_forming
[2] https://www.researchgate.net/figure/Variation-of-peak-over-p...
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Metal_spinning
[1] https://www.youtube.com/watch?v=CbS6rS0seuk
ตัวอย่างเช่น ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ shell and tube ภายในท่ออาจมีสารที่มีปฏิกิริยาสูงไหลอยู่ ดังนั้นฝั่งท่ออาจทำจากอินเดียม ไทเทเนียม นิกเกิล หรือสเตนเลสราคาแพงอย่าง S32205/S31803 ส่วนฝั่ง shell ถ้ามีแค่น้ำแม่น้ำสำหรับหล่อเย็นไหลผ่าน ก็แค่ทาสีและใส่ anode แบบเสียสละไว้ที่ไหนสักแห่งด้านในก็เพียงพอ
แผ่นกั้นที่ท่อทั้งหมดทะลุผ่าน หรือก็คือ tube sheet อาจมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6 ฟุต (180 ซม.) และหนา 4–8 นิ้ว (10–20 ซม.) ถ้าทำทั้งหมดจากวัสดุพิเศษก็จะแพงมหาศาล และอาจหาได้ไม่ถึงความหนาที่ต้องการด้วย ค่าใช้จ่ายแตะหลักหกดอลลาร์ได้ง่าย ๆ
บางครั้งช่างเชื่อมจะพอกผิวทั้งหมดด้วยโลหะเชื่อมที่ทนคุณสมบัติการกัดกร่อนของของไหลในกระบวนการได้ แต่สำหรับชิ้นส่วนใหญ่ ๆ อาจใช้เวลาหลายวัน และกับคู่โลหะบางชนิดอย่างทองเหลืองก็ทำไม่ได้เลย
ดังนั้นจึงใช้การเชื่อมติดด้วยแรงระเบิดกับชั้น “บาง” ของวัสดุราคาแพง ราว 1/4 นิ้ว (6 มม.) เข้ากับชิ้นงานตีขึ้นรูปคาร์บอนสตีลมาตรฐาน ท่อมักมีผนังบางมาก และถูกเชื่อมหรือ brazing เข้ากับชั้น cladding
สิ่งที่เจ๋งคือชั้นรอยต่อระหว่างโลหะทั้งสองดูเหมือนของเหลวสองชนิดที่มาพบกัน เกิดกระแสวนและพันเกี่ยวกัน แล้วแข็งตัวค้างไว้ในสภาพนั้น
ถ้าจำไม่ผิด ใช้ทำลอนบนแผ่นโลหะที่แยกของเหลวร้อนกับของเหลวเย็นในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และเหตุผลที่ใช้การตีขึ้นรูปด้วยแรงระเบิดก็เพราะสามารถขึ้นรูปแผ่นใหญ่ได้ในครั้งเดียว
เครื่องอัดขนาดใหญ่แบบนี้เคยเป็น อุปกรณ์ที่มีความสำคัญเชิงยุทธศาสตร์ และตอนนี้ก็อาจยังเป็นอยู่ นี่เป็นส่วนที่นักการเมืองสมัยนี้ ซึ่งส่วนใหญ่ดูเหมือนมาจากสายทนายความ ไม่เข้าใจอย่างเต็มที่
โดยทั่วไปผมไม่ได้ชอบเงินอุดหนุนจากรัฐบาลนัก แต่รู้สึกผิดหวังมากตอนที่รัฐบาลสหราชอาณาจักรปฏิเสธการสนับสนุนเงินทุนสำหรับเครื่องอัดขนาดใหญ่ใน Sheffield เครื่องอัดนั้นตั้งใจจะใช้ผลิตเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์รุ่นถัดไป และน่าจะเป็นช่วงราวเดือนมิถุนายน 2010 โชคดีที่ก๊าซธรรมชาติราคาถูก และไม่มีปัญหาห่วงโซ่อุปทานเชิงภูมิรัฐศาสตร์เลยสินะ
ปัญหาที่เงินทุนโครงการระยะยาวเปราะบางต่อความไม่แน่นอนทางการเมืองจนห่วงโซ่อุปทานในพื้นที่พังนั้น ฝั่งรถไฟยิ่งรุนแรงกว่ามาก และผลคือสูญเสียขีดความสามารถในการผลิตรถไฟไปเป็นส่วนใหญ่ ดูความล้มเหลวของ HS2 ก็ได้
ช่วงต้นทศวรรษ 2000 เป็นเรื่องน่าทึ่งที่ชิ้นส่วนจากเครื่องเพรสขนาดใหญ่ถูกใช้ในเครื่องบินทหารสหรัฐฯ ทุกลำที่ปฏิบัติการอยู่ และในเครื่องบินทุกลำที่ Airbus·Boeing ผลิต อีกทั้งมีตัวเลขว่าช่วยลดต้นทุนรวมของเครื่องบินทิ้งระเบิดหนักได้ 5~10%
ว่ากันว่าแค่เงินที่ประหยัดได้จาก B-52 เพียงลำเดียวก็ยังมากกว่าต้นทุนทั้งหมดของ Heavy Press Program
หนึ่งเดือนก่อนเพิ่งได้รู้จัก Heavy Press Program เป็นครั้งแรกจาก HN เลยรู้สึกสนใจ และดีใจที่มีบทความเพิ่มขึ้นมาอีก
ทั้งที่มีเครื่องเพรสสำหรับการตีขึ้นรูปและการอัดรีดอยู่แล้ว แต่เวอร์ชันที่ มหึมาและแรงดันสูง เปลี่ยนเกมไปโดยสิ้นเชิง ก็ทำให้คิดว่ายังมีกระบวนการอะไรอีกบ้างที่หากผลักดันให้ไกลขึ้นอีกขั้น อาจนิยามอุตสาหกรรมหรือวิธีคิดด้านการออกแบบใหม่ได้
“Plant-based epoxy enables recyclable carbon fiber” (2022) [แข็งแรงกว่าเหล็กและเบากว่าไฟเบอร์กลาส] https://news.ycombinator.com/item?id=30138954 ...
https://news.ycombinator.com/item?id=37560244
ซิลิกาแอโรเจลมีฤทธิ์ขัดถูต่อผิวหนัง แอโรเจลที่ไม่ใช่ซิลิกา เช่น แอโรเจลจากกัญชง สามารถใช้เป็นฉนวน วัสดุบรรจุภัณฑ์ และอาจใช้เป็นวัสดุบุในงานตกแต่งภายในได้ด้วย
ยังมีวิธีใหม่ในการกำจัดออกซิเจนออกจากไทเทเนียม: “Cheap yet ultrapure titanium metal might enable widespread use in industry” (2024) https://news.ycombinator.com/item?id=40768549
“Electric recycling of Portland cement at scale” (2024) https://www.nature.com/articles/s41586-024-07338-8 ... “Combined cement and steel recycling could cut CO2 emissions” https://news.ycombinator.com/item?id=40452946
“Researchers create green steel from toxic [ของเสียจากการผลิตอะลูมิเนียม] โคลนแดง ใน 10 นาที” (2024)
https://newatlas.com/materials/toxic-baulxite-residue-alumin...
ยังมีวิธีการถ่ายภาพแบบใหม่ ๆ จำนวนมากสำหรับตรวจสอบคุณภาพของเหล็กและโลหะ·โลหะผสมอื่น ๆ รวมถึงไบโอคอมโพสิต
“Seeding steel frames brings destroyed coral reefs back to life” (2024)
https://news.ycombinator.com/item?id=39735205
น่าสนใจตรงที่เครื่องเพรสตีขึ้นรูปขนาด 50,000 ตันเป็นอุปกรณ์มหึมาขนาดเท่าตึก 10 ชั้น และสร้างแรงได้มากพอจะยกเรือประจัญบานทั้งลำ
หลังเยอรมนียอมแพ้ สหรัฐฯ กับสหภาพโซเวียตแบ่งขีดความสามารถด้านเครื่องเพรสขนาดใหญ่และนักวิทยาศาสตร์จรวดกันไป โดยสหรัฐฯ รื้อเครื่องเพรสของเยอรมนี 4 เครื่องแล้วขนส่งกลับประเทศ
สงสัยว่า โลจิสติกส์ ในการย้ายของแบบนี้ข้ามทะเลเป็นอย่างไรบ้าง รู้ว่าสหภาพโซเวียตก็เคยรื้อโรงงานระหว่างสงครามแล้วย้ายไปอยู่หลังแนวรบไกล ๆ แต่จินตนาการไม่ออกว่าหน้างานจริงเป็นอย่างไร
นี่ควรเป็นบทเรียนสำหรับผู้สนับสนุนตลาดเสรี โดยเฉพาะคนที่มองว่าความรุ่งเรืองทางเศรษฐกิจของสหรัฐฯ เป็นผลจากเศรษฐกิจแบบปล่อยให้เป็นไปเอง
ในความเป็นจริงมีโอกาสที่ตลาดเสรีไม่คว้าไว้ และ การแทรกแซงของรัฐ ที่ชาญฉลาดสามารถสร้างประโยชน์มหาศาลให้สาธารณะได้
ระหว่างอ่านบทความแสดงความคิดเห็นของ NYT นี้ https://www.nytimes.com/2024/08/19/opinion/chris-murphy-demo... รู้สึกว่าผู้คนพลาดประเด็นที่ว่าเคล็ดลับของงานที่มีความหมายไม่ได้อยู่แค่ค่าจ้าง แต่คือความรู้สึกว่างานนั้น “พิเศษ” ในทางใดทางหนึ่ง
งานผลิตชิ้นส่วนด้วยเครื่องเพรส 50,000 ตันเป็นงานใช้แรงงาน แต่เพราะความหายากของเครื่องจักรนั้น มันจึงน่าทึ่ง
การถกเถียงเรื่องการสร้างขีดความสามารถทางอุตสาหกรรมของสหรัฐฯ ขึ้นมาใหม่ โดยมากมุ่งไปที่ความไม่สนใจของทุนต่อการลงทุนในสาขาที่ค่าแรงสูงหรือมาร์จินต่ำ อยากรู้ว่ารัฐบาลรับประกันอุปสงค์ที่แน่นอนเป็นระยะเวลานานแค่ไหนเพื่อดึงให้บริษัทเข้าร่วม และมีกระบวนการอุตสาหกรรมอื่นใดบ้างที่รัฐบาลลงทุนแล้วแต่ไม่สามารถตั้งหลักได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อยากรู้ว่าทำไมแนวทางนี้จึงใช้ไม่ได้ผลกับ อุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์ เมื่อไม่กี่ปีก่อน
การพัฒนายังคงดำเนินต่อไป ปัจจุบันเครื่องเพรสที่ใหญ่ที่สุดในโลกสร้างขึ้นในปี 2018 มีกำลังพิกัด 60,000 ตัน และอยู่ที่ Los Angeles County รัฐ California [1][2]
[1] https://www.lightmetalage.com/news/industry-news/forging/web...
[2] https://www.youtube.com/watch?v=jNFIMy8BuHc
ในอเมริกาเหนือไม่มีเครื่องเพรสที่สามารถผลิตภาชนะบรรจุของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ได้โดยไม่ต้องแบ่งเป็นชิ้น ๆ แล้วนำมาเชื่อม
หากผลิตด้วยวิธีเชื่อม ก็น่าจะทำให้กำหนดการเพิ่มขึ้นอีก 1 ปี เว้นแต่จะใช้เทคโนโลยีการเชื่อมแบบใหม่ที่เพิ่งพัฒนาในสหราชอาณาจักร และยังจะมีความกังวลเรื่องรอยเชื่อมตามมาด้วย
บริษัทแห่งหนึ่งในแคนาดากำลังเตรียมผลิตภาชนะบรรจุของเตาปฏิกรณ์ขนาดเล็กอย่าง BWRX-300 แต่จนถึงตอนนี้ยังไม่เห็นสัญญาณที่พอจะบอกได้ว่าไม่ใช่ Nuscale 2.0
เคยเห็นลิงก์ที่ Don Morgan รัฐมนตรีของรัฐบาลแคนาดาคนหนึ่งพูดว่าต้นทุนของ BWRX-300 อยู่ที่ 5 พันล้านดอลลาร์แคนาดา หรือราว 3.6 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ 12 ดอลลาร์ต่อวัตต์ (ตามสกุลเงินสหรัฐ) ถือว่าไม่แย่ที่สุด แต่ก็ไม่ยอดเยี่ยมเช่นกัน และยังไม่ชัดเจนว่าเป็นต้นทุนรวมทั้งหมดหรือเป็นต้นทุนก่อสร้างแบบข้ามคืน
https://www.deassociation.ca/newsfeed/4-provinces-push-ahead...
เท่าที่ทราบ เครื่องเพรสนี้และไซต์ใน Cleveland ปัจจุบันเป็นของ Howmet Aerospace หลังแยกกิจการในปี 2020 Howmet เป็นบริษัทในลักษณะ “บริษัทลูก” ของ Alcoa และมี Arconic อยู่ด้วย
https://en.wikipedia.org/wiki/Howmet_Aerospace
เครื่องเพรสขนาดใหญ่ใน Cleveland ก็มีหน้าวิกิแยกต่างหากด้วย
https://en.wikipedia.org/wiki/Alcoa_50,000_ton_forging_press
งานของพ่อโดยเฉพาะคือ การฉีดขึ้นรูปไทเทเนียม โดยให้ความร้อนไทเทเนียมจนกลายเป็นของเหลว จากนั้นใช้แรงดันดันเข้าไปในแม่พิมพ์ละเอียดประณีตที่ทำขึ้นในไซต์งาน
ส่วนใหญ่ผลิตใบพัดกังหันสำหรับเครื่องยนต์ไอพ่น แต่ช่วงที่งานน้อยก็ทำหัวไม้กอล์ฟให้บริษัทอย่าง PING ด้วย ตลอดหลายปีที่พ่อทำงานที่นั่น ผลลัพธ์ที่ผมได้เห็นจริง ๆ มีเพียงหัวไม้กอล์ฟเท่านั้น เพราะอย่างอื่นทั้งหมดถูกควบคุมอย่างเข้มงวดภายในสถานที่