ข่าวใหญ่! ความสำเร็จร่วมกันของ Enigma, มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีหนานจิง และมหาวิทยาลัยลิสบอน: โครงสร้างหยักเลียนแบบธรรมชาติช่วยเพิ่มความแข็งแรงร่วมกันและความเหนียวของ Inconel 625 ที่ผลิตด้วยกระบวนการ CMT-WAAM

โดยทั่วไปแล้ว อินโคเนล 625 ที่ผลิตด้วยกระบวนการ CMT-WAAM มักประสบปัญหาต่าง ๆ เช่น โครงสร้างจุลภาคไม่สม่ำเสมอ การสะสมความเครียดแบบเฉพาะที่ และความยากลำบากในการบรรลุทั้งความแข็งแรงสูงและภาวะเหนียวดีพร้อมกัน เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีหนานจิงได้เสนอแนวทางการออกแบบโครงสร้างหยักเลียนแบบธรรมชาติ (biomimetic serrated structure) โดยควบคุมร่วมกันทั้งรูปทรงเรขาคณิตและลักษณะโครงสร้างจุลภาค ซึ่งวิธีนี้ช่วยยกระดับสมรรถนะของวัสดุให้สามารถปรับการเปลี่ยนรูปอย่างสม่ำเสมอ

จากภูมิหลังการวิจัยข้างต้น ทีมวิจัยร่วมจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีหนานจิง ร่วมกับพันธมิตร ได้แก่ มหาวิทยาลัยลิสบอน (ประเทศโปรตุเกส) และบริษัทเอนิกมา ได้ตีพิมพ์บทความวิจัยล่าสุดในวารสารนานาชาติ Materials Science & Engineering A ภายใต้ชื่อบทความว่า “Enhancing strength-ductility synergy in CMT-WAAM Inconel 625 via a bio-inspired zigzag heterostructure” https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464ในการวิจัยนี้ ดร. เซิน เจียเจีย และนายฮั่น หยานจุน นักศึกษาระดับปริญญาโทจากคณะวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีหนานจิง เป็นผู้เขียนร่วมลำดับแรก ส่วนศาสตราจารย์หวัง เคหง ศาสตราจารย์จาง หย่ง (ทั้งสองท่านสังกัดคณะเดียวกัน) และศาสตราจารย์โจเอา เปโดร โอลิเวเลีย จากมหาวิทยาลัยลิสบอน เป็นผู้รับผิดชอบการติดต่อร่วมกัน การศึกษานี้ได้อธิบายกลไกอย่างเป็นระบบว่าโครงสร้างแบบซิกแซกที่ได้แรงบันดาลใจจากธรรมชาติช่วยเสริมสร้างสมดุลระหว่างความแข็งแรงและความเหนียวของวัสดุ Inconel 625 ที่ผลิตด้วยกระบวนการ CMT-WAAM อย่างไร

1. ภูมิหลังและสาระสำคัญของการวิจัย

CMT-WAAM ผสานข้อได้เปรียบของกระบวนการถ่ายโอนโลหะเย็น (Cold Metal Transfer) ที่มีการป้อนความร้อนต่ำเข้ากับประสิทธิภาพการสะสมวัสดุสูงของกระบวนการ WAAM ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตชิ้นส่วนโลหะขนาดใหญ่โดยเร็ว สำหรับโลหะผสมฐานนิกเกิล เช่น Inconel 625 เทคโนโลยีนี้มอบข้อได้เปรียบที่สำคัญในการยกระดับประสิทธิภาพการผลิตและลดต้นทุนการผลิต

อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการผลิตจริง วัฏจักรความร้อนหลายรอบที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการสะสมวัสดุ การหลอมซ้ำของชั้นวัสดุระหว่างชั้น และการวางแผนเส้นทางการพิมพ์ มีอิทธิพลร่วมกันต่อรูปร่างของเม็ดผลึก แนวการจัดเรียงของผลึก และการกระจายตัวของแรงดัน/ความเครียดในระดับท้องถิ่น การพึ่งพาเพียงการปรับแต่งพารามิเตอร์กระบวนการแบบดั้งเดิมมักทำให้ยากต่อการบรรลุทั้งความแข็งแรงสูงและความเหนียวสูงพร้อมกัน ดังนั้น การควบคุมและกำกับพฤติกรรมการเปลี่ยนรูปของวัสดุอย่างกระตือรือร้นผ่านการออกแบบโครงสร้างจุลภาคจึงกลายเป็นแนวทางสำคัญในการยกระดับสมรรถนะโดยรวมของโลหะผสมที่ผลิตด้วยกระบวนการ WAAM

โครงสร้างแบบลำดับชั้นในธรรมชาติ เช่น เปลือกหอย กระดูก และพื้นผิวที่มีลักษณะเป็นฟันเลื่อย มักมีความสามารถในการทนต่อความเสียหายได้อย่างยอดเยี่ยมผ่านกลไกต่าง ๆ เช่น "การล็อกเชิงเรขาคณิต การกระจายความเครียด และการเบี่ยงเบนรอยร้าว" โดยอาศัยแรงบันดาลใจจากปรัชญาการออกแบบเลียนแบบธรรมชาติ (biomimetic design) งานวิจัยนี้จึงสร้างโครงสร้างรูปซิกแซกในโลหะผสม Inconel 625 ที่ผลิตด้วยกระบวนการ CMT-WAAM ซึ่งเป็นแนวทางใหม่ในการออกแบบไมโครสตรัคเจอร์เพื่อเพิ่มทั้งความแข็งแรงและความเหนียวของโลหะผสมที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีการเพิ่มเนื้อสาร (additive manufacturing) พร้อมกัน

รูปที่ 1: แผนผังแนวคิดการออกแบบโครงสร้างรูปซิกแซกที่ได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติ

2. รายละเอียดการทดลอง

ในการศึกษานี้ ตัวอย่างโลหะผสม Inconel 625 ถูกสะสมขึ้นโดยใช้กระบวนการ CMT-WAAM และสร้างโครงสร้างรูปฟันเลื่อยที่มีการเปลี่ยนแปลงระดับความสูงตามแนวพื้นที่ (spatial undulations) ผ่านการวางแผนเส้นทางการเคลื่อนที่ของหัวฉีด (toolpath planning) กลยุทธ์นี้ช่วยกำจัดพื้นผิวการประสานที่เรียบและเป็นแนวเดียวระหว่างชั้นวัสดุ แต่กลับสร้างหน่วยโครงสร้างที่ควบคุมได้ทั้งในระดับเรขาคณิตเชิงมหภาค (macroscopic geometric) และระดับโครงสร้างเชิงจุลภาค (microscopic structural)

เพื่อเปิดเผยอย่างครอบคลุมถึงอิทธิพลของการออกแบบโครงสร้างต่อไมโครสตรัคเจอร์และคุณสมบัติของโลหะผสมอินโคเนล 625 การศึกษานี้ใช้วิธีการวิเคราะห์แบบหลายระดับ: การวิวัฒนาการของไมโครสตรัคเจอร์ได้รับการวิเคราะห์ด้วยเทคนิคต่างๆ เช่น กล้องจุลทรรศน์แสง กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน และการกระเจิงย้อนกลับของอิเล็กตรอน (EBSD); คุณสมบัติเชิงกลได้รับการประเมินผ่านการทดสอบแรงดึงและการวิเคราะห์ภาพรอยแตกบนพื้นผิวของชิ้นตัวอย่างหลังการแตกหัก; และด้วยการผสานรวมความต่างของทิศทางผลึกในระดับท้องถิ่น โครงสร้างของขอบเขตการเลื่อน (dislocation) และลักษณะการเปลี่ยนรูป กลไกที่ทำให้เกิดการเสริมประสิทธิภาพร่วมกันของความแข็งแรงและความเหนียวในวัสดุนี้จึงได้รับการอธิบายอย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น

รูปที่ 2: กลยุทธ์การสะสมวัสดุ

3. ผลลัพธ์และบทสนทนา

3.1 การสร้างโครงสร้างแบบหยักเลียนแบบธรรมชาติ

เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างแบบเส้นตรงทั่วไปหรือโครงสร้างชั้นสม่ำเสมอ โครงสร้างแบบซิกแซกจะมีการเปลี่ยนทิศทางอย่างเป็นคาบและมีความไม่เรียบของผิวสัมผัสในเชิงเรขาคณิต ซึ่งก่อให้เกิดบริเวณต่าง ๆ ที่มีการตอบสนองต่อการเปลี่ยนรูปเฉพาะที่แตกต่างกันภายในวัสดุ ภายใต้แรงดึง บริเวณต่าง ๆ เหล่านี้จะมีการจำกัดการเคลื่อนที่ซึ่งกันและกัน และเกิดการเปลี่ยนรูปร่วมกัน ส่งผลให้สามารถกระจายความเข้มข้นของความเครียดเฉพาะที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

หัวใจสำคัญของการออกแบบโครงสร้างนี้ไม่ได้อยู่เพียงแค่การเปลี่ยนแปลงเส้นทางการสะสมวัสดุ แต่อยู่ที่การควบคุมโหมดการเปลี่ยนรูปโดยรวมผ่านความแปรผันของโครงสร้างจุลภาคที่เกิดจากเส้นทางการสะสมร่วมกับความไม่เรียบเชิงเรขาคณิต ด้วยวิธีนี้ วัสดุสามารถบรรลุพฤติกรรมการแข็งตัวจากการทำงาน (work-hardening) ที่มีความเสถียรมากขึ้น ขณะเดียวกันก็ยังคงความสามารถในการรับน้ำหนักโดยรวมไว้ได้

3.2 ลักษณะโครงสร้างจุลภาค

การวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคแสดงให้เห็นว่า ปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้า กระบวนการหลอมซ้ำระหว่างชั้น และความแปรผันของเส้นทางการเชื่อมในกระบวนการ CMT-WAAM มีอิทธิพลร่วมกันต่อรูปร่างของเม็ดผลึกและการกระจายตัวของโครงสร้างจุลภาคในแต่ละบริเวณ ความแตกต่างของโครงสร้างจุลภาคในบริเวณที่มีรูปแบบซิกแซกเป็นพื้นฐานที่ส่งผลต่อการเกิดการเปลี่ยนรูป ทำให้เกิดการแบ่งแยกความเครียดได้หลากหลายขึ้น และพฤติกรรมการสะสมของรอยเลื่อน (dislocation) เพิ่มมากขึ้นระหว่างกระบวนการเปลี่ยนรูป

ควรสังเกตว่า โครงสร้างแบบซิกแซกไม่ได้หมายความว่าจะมีการสร้างขอบเขตที่อ่อนแอขึ้นแต่อย่างใด ขอบเขตแบบซิกแซกที่ออกแบบอย่างเหมาะสมสามารถเพิ่มความสามารถในการถ่ายโอนแรงโหลดได้ผ่านการล็อกเชิงเรขาคณิตและการเชื่อมต่ออย่างต่อเนื่องของโครงสร้างจุลภาค จึงช่วยลดความเสี่ยงของการล้มเหลวก่อนกำหนดที่ขอบเขตดังกล่าว

รูปที่ 3: แผนผังแสดงลักษณะโครงสร้างจุลภาคในโครงสร้างแบบซิกแซกที่ได้แรงบันดาลใจจากธรรมชาติ

3.3 สมบัติเชิงกลที่อุณหภูมิห้อง

การทดสอบคุณสมบัติเชิงกลแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างแบบซิกแซกที่ได้แรงบันดาลใจจากธรรมชาติสามารถปรับปรุงสมดุลระหว่างความแข็งแรงและความเหนียวของ Inconel 625 ที่ผลิตด้วยกระบวนการ CMT-WAAM ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างแบบสม่ำเสมอทั่วไป โครงสร้างแบบซิกแซกสามารถชะลอการเกิดความไม่เสถียรเชิงพลาสติกได้ผ่านการประสานความเครียดในระดับท้องถิ่นที่ดีขึ้นและศักยภาพในการแข็งตัวจากการทำงานที่เพิ่มขึ้น จึงทำให้ได้คุณสมบัติเชิงกลโดยรวมที่เหนือกว่า

การเสริมสร้างสมดุลระหว่างความแข็งแรงและความเหนียวอย่างสอดคล้องกันเป็นประเด็นสำคัญหลักของการศึกษานี้ ระหว่างการเปลี่ยนรูปภายใต้แรงดึง โครงสร้างแบบซิกแซกสามารถเปลี่ยนเส้นทางการพัฒนาของความเครียด ทำให้แต่ละบริเวณภายในวัสดุร่วมกันเข้าร่วมในการเปลี่ยนรูปเชิงพลาสติก จึงหลีกเลี่ยงการเกิดความเสียหายที่กระจุกตัวล่วงหน้าในบริเวณท้องถิ่น

รูปที่ 4: การเสริมสร้างสมดุลระหว่างความแข็งแรงและความเหนียวอย่างสอดคล้องกันใน Inconel 625 ที่ผลิตด้วยกระบวนการ CMT-WAAM

3.4 กลไกการเปลี่ยนรูป

การวิเคราะห์กลไกแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างแบบซิกแซกสามารถก่อให้เกิดการกระจายความเครียดในท้องถิ่นที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น และส่งเสริมการเปลี่ยนรูปร่วมกันระหว่างบริเวณที่นุ่มและบริเวณที่แข็งภายในโครงสร้างแบบซิกแซก ระหว่างการเปลี่ยนรูป จะเกิดข้อจำกัดซึ่งกันและกันระหว่างบริเวณที่มีลักษณะเรขาคณิตเป็นคลื่นและบริเวณโครงสร้างจุลภาคที่อยู่ติดกัน ซึ่งส่งผลให้เกิดการสะสมของรอยเลื่อน การเสริมแรงจากแรงย้อนกลับ (back-stress strengthening) และความสามารถในการแข็งตัวจากการทำงาน (work hardening capability) ที่เพิ่มขึ้น

กลไกนี้ทำให้วัสดุไม่จำเป็นต้องพึ่งพาการเปลี่ยนรูปพลาสติกอย่างสม่ำเสมอเพียงอย่างเดียวเมื่อถูกโหลดภายนอก แต่สามารถรองรับความเครียดได้ผ่านความร่วมมือเชิงสังเคราะห์ของหลายบริเวณแทน ส่งผลให้วัสดุรักษาความเหนียวที่ดีไว้ได้พร้อมกับการเพิ่มความแข็งแรง ซึ่งเป็นพื้นฐานสำคัญสำหรับการออกแบบแบบบูรณาการระหว่างโครงสร้างและสมบัติของโลหะผสมนิกเกิลที่ผลิตด้วยกระบวนการ CMT-WAAM

รูปที่ 5: แผนผังแสดงกลไกของโครงสร้างแบบซิกแซกที่ได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติ ในการควบคุมพฤติกรรมการเปลี่ยนรูป

4. บทสรุป

การศึกษานี้นำแนวคิดการออกแบบโครงสร้างแบบเลียนแบบธรรมชาติ (biomimetic structural design) มาประยุกต์ใช้ในการผลิตโลหะผสมอินโคเนล 625 ด้วยกระบวนการ CMT-WAAM และเสนอแนวทางใหม่ในการเพิ่มประสิทธิภาพของการทำงานร่วมกันระหว่างความแข็งแรงและความเหนียวผ่านโครงสร้างแบบหยัก (serrated structure) แนวทางนี้หลุดพ้นจากวิธีการแบบดั้งเดิมที่อาศัยเพียงการปรับแต่งพารามิเตอร์กระบวนการเท่านั้น โดยให้ความสำคัญกับการควบคุมพฤติกรรมการเปลี่ยนรูปของวัสดุอย่างกระตือรือร้นผ่านการออกแบบหน่วยโครงสร้าง

ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่า โครงสร้างแบบหยักสามารถปรับปรุงการกระจายความเครียดในบริเวณท้องถิ่น เพิ่มความสามารถในการเปลี่ยนรูปอย่างสอดคล้องกันระหว่างภูมิภาคต่าง ๆ และเสริมสมรรถนะการเกิดความแข็งจากการทำงาน (work-hardening capacity) ของวัสดุ กลไกนี้ช่วยบรรเทาปัญหาความเข้มข้นของความเครียดในท้องถิ่นซึ่งพบได้บ่อยในโลหะผสมที่ผลิตด้วยกระบวนการเพิ่มวัสดุ (additively manufactured alloys) จึงทำให้เกิดสมดุลที่ดีขึ้นระหว่างความแข็งแรงและความเหนียว

ความสำเร็จนี้ไม่เพียงแต่เสริมสร้างงานวิจัยเกี่ยวกับกลไกการเพิ่มความเหนียวของโลหะผสมนิกเกิลที่ผลิตด้วยกระบวนการ WAAM เท่านั้น แต่ยังให้แนวคิดการออกแบบใหม่และอ้างอิงเชิงเทคนิคสำหรับการผลิตแบบเพิ่มเนื้อ (additive manufacturing) ที่มีสมรรถนะสูงของชิ้นส่วนโลหะขนาดใหญ่และซับซ้อนสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ อุปกรณ์พลังงาน และสาขาอื่นๆ

5. ลิงก์บทความ

ชื่อบทความ: การยกระดับสมดุลระหว่างความแข็งแรงและความสามารถในการดัดตัวใน Inconel 625 ที่ผลิตด้วยกระบวนการ CMT-WAAM ผ่านโครงสร้างแบบฮีเทอโร (heterostructure) รูปแบบซิกแซกที่ได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติ

วารสาร: Materials Science & Engineering A

ผู้เขียน: Y.J. Han, J.J. Shen, B.H. Zhang, S.Y. Yuan, W. Dong, Y. Cheng, L.L. Wu, Y. Peng, J.P. Oliveira, Y. Zhang, K.H. Wang

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150464