นศ.ป.โท ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มจธ. สร้างชื่อ พัฒนา“ทฤษฎีเกณฑ์ความเสียหายสากลของวัสดุ” ที่มีระดับความแม่นยำสูงมากกว่า 90% ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารฯระดับนานาชาติ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.)

 ในการออกแบบทางวิศวกรรม เช่นเครื่องจักร ยานพาหนะ สิ่งก่อสร้าง หรือผลิตภัณฑ์ต่างๆ วิศวกรจำเป็นต้องมั่นใจว่าวัสดุที่ใช้ในการออกแบบสามารถทนต่อภาระหรือแรงต่างๆ ที่มากระทำตามที่เกิดขึ้นจริงในการใช้งาน ดังนั้นเพื่อเป็นการตรวจสอบในขั้นตอนการออกแบบว่าวัสดุที่พิจารณาอยู่มีคุณสมบัติตามที่ต้องการและมีความแข็งแรงเพียงพอหรือไม่ วิศวกรจะใช้หลักทางวิศวกรรมที่เรียกว่า “เกณฑ์ความเสียหายของวัสดุ (failure criterion)” ในการคำนวณ

รศ. ดร. สนติพีร์ เอมมณี อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.) กล่าวว่า เกณฑ์ความเสียหายของวัสดุ คือ สมการทางคณิตศาสตร์ที่ใช้ตรวจสอบความสามารถในการรับภาระทางกล (Mechanical Load) ของวัสดุประเภทต่างๆ ได้แก่ความสามารถในการรับแรงกด แรงดึง แรงเฉือน แรงดัด แรงบิด หรือแรงเหล่านี้ผสมกัน ว่าชิ้นงานที่ทำจากวัสดุนั้นๆ จะเกิดความเสียหายจากการเสียรูปถาวรหรือการแตกหักเมื่อใด ซึ่งในอีกนัยหนึ่ง เกณฑ์ความเสียหายของวัสดุคือเครื่องมือที่เราใช้ประเมินศักยภาพในการรับแรงของอุปกรณ์ชิ้นส่วนต่างๆ เช่น ถ้าเราต้องการสร้างรถ 1 คัน ก็จำเป็นต้องรู้ว่าวัสดุที่ใช้ทำรถคันนั้นจะรับน้ำหนักบรรทุกได้มากน้อยเพียงใด หรือรถต้องมีขนาดเท่าไหร่จึงจะสามารถบรรทุกสิ่งของที่ต้องการได้ อย่างไรก็ตามความซับซ้อนเกิดจากแรงที่กระทำกับรถมีได้หลากหลายรูปแบบในขณะใช้งาน การทดลองสร้างรถขึ้นมาหนึ่งคันโดยไม่คำนึงถึงเกณฑ์ความเสียหายของวัสดุย่อมนำมาซึ่งค่าใช้จ่ายที่สิ้นเปลืองถ้าไม่สามารถใช้งานรถตามที่ตั้งใจไว้ หรือความผิดพลาดที่เกิดอาจรุนแรงถึงขั้นสูญเสียชีวิต นอกจากนี้การคำนวณเกณฑ์ความเสียหายของวัสดุอย่างถูกต้องยังสามารถลดปริมาณวัสดุที่เกินความจำเป็น ช่วยประเมินต้นทุนทางเศรษฐศาสตร์ และใช้วัสดุได้อย่างเต็มสมรรถนะ

“ด้วยความสำคัญดังกล่าว ทำให้มีงานวิจัยเพื่อสร้างเกณฑ์ความเสียหายของวัสดุเกิดขึ้นเป็นจำนวนมากในช่วงเวลากว่า 500 ปีที่ผ่านมาในต่างประเทศ แต่ปัญหา คือ เกณฑ์ส่วนใหญ่ไม่ได้เป็นเกณฑ์ความเสียหายสากลจึงใช้กับวัสดุได้แค่ชนิดใดชนิดหนึ่ง เช่น เกณฑ์ความเสียหายของโลหะประเภทต่างๆ เกณฑ์ความเสียหายของคอนกรีต เกณฑ์ความเสียหายของโพลิเมอร์ ฯลฯ นอกจากนี้เกณฑ์เหล่านี้อาจไม่ได้สร้างขึ้นจากแนวคิดพื้นฐานวิทยาศาสตร์ เช่นพลังงานสะสมในวัสดุที่ทำให้วัสดุเกิดความเสียหายซึ่งทำให้เป็นข้อจำกัดของการนำเกณฑ์มาใช้งานกับวัสดุที่ได้รับการสังเคราะห์ขึ้นมาใหม่ ขณะที่เกณฑ์ความเสียหายที่ได้รับการพัฒนามาก่อนหน้านี้ยังมีความคลาดเคลื่อนค่อนข้างมาก รวมถึงบางครั้งให้คำตอบไม่สมเหตุสมผล” รศ.ดร.สนติพีร์ กล่าว

จึงเป็นที่มาของการจัดทำวิทยานิพนธ์เรื่อง “เกณฑ์ความเสียหายสากลสำหรับวัสดุที่มีสมบัติเท่ากันทุกทิศทาง ซึ่งสามารถใช้กับวัสดุได้ครอบคลุมกลุ่มวัสดุเนื้อเดียว (isotropic) (Energy-based universal failure criterion and strengths-Poisson's ratio relationship for isotropic materials)” ผลงานของนาย            พิจักษณ์ ถิรวิริยาภรณ์ หรือ มิน นักศึกษาปริญญาโท ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ นักศึกษาโครงการทุนเพชรพระจอมเกล้า โดยมี รศ. ดร. สนติพีร์ เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา 

“เราตั้งโจทย์หรือสมมติฐานว่า ไม่ว่าจะเป็นความเสียหายของวัสดุชนิดใด ก็ควรสามารถใช้เกณฑ์ในการคำนวณร่วมกันได้ โดยภายใต้โครงการวิจัยนี้เริ่มจากการศึกษาเกณฑ์ความเสียหายที่มีอยู่เดิม และสร้างเกณฑ์ความเสียหายใหม่ที่สามารถวิเคราะห์วัสดุเนื้อเดียวทุกชนิดได้ โดยจุดเด่นของเกณฑ์ที่สร้างขึ้นนี้ คือ ต้องการข้อมูลการรับแรงของวัสดุ จาก“แรงกด” และ“แรงดึง”เพียง 2 แรง  ขณะที่เกณฑ์ตัวอื่นๆ อาจต้องใช้ข้อมูลจากการทดลองมากกว่าซึ่งเป็นการเพิ่มความยุ่งยากในการทดสอบวัสดุและการออกแบบ ยิ่งไปกว่านั้นตัวเลขที่ได้จากการคำนวณของเกณฑ์ฯ ที่พัฒนาขึ้นที่ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มจธ. ให้ค่าความแม่นยำสูงมากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์สำหรับกลุ่มวัสดุที่ครอบคลุมกลุ่มวัสดุเนื้อเดียวทั้งหมดตั้งแต่เหนียวมากจนถึงเปราะมาก

“องค์ความรู้จากการพัฒนาเกณฑ์ความเสียหายนี้ ยังสามารถนำมาวิเคราะห์เศษของวัสดุหรือชิ้นส่วนจากการเกิดอุบัติเหตุต่างๆ เพื่อย้อนหาว่าวัสดุชิ้นนั้นถูกแรงชนิดไหนมากระทำในปริมาณเท่าไหร่  หรือในลักษณะใด เนื่องจากจะเป็นข้อมูลสำคัญที่ช่วยระบุสาเหตุของอุบัติเหตุนั้นได้” นายพิจักษณ์ ให้ข้อมูลเพิ่มเติมถึงวิทยานิพนธ์ฉบับนี้ที่ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร International Journal of Mechanical Sciences ซึ่งเป็นหนึ่งในวารสารวิชาการด้านวิศวกรรมศาสตร์ที่ดีที่สุด (กลุ่ม Q1 ใน Scopus Index) และได้รับการยอมรับในระดับสากล ฉบับเดือน กันยายน 2022

รศ. ดร. สนติพีร์ กล่าวถึงการต่อยอดของผลงานวิจัยชิ้นนี้ว่า สามารถทำได้ทั้งการพัฒนาเกณฑ์ตัวนี้ จากที่ใช้ได้กับวัสดุกลุ่ม Isotropic ไปสู่เกณฑ์การคำนวณการรับแรงของวัสดุกลุ่ม Composite (วัสดุที่มีวัตถุดิบมากกว่า 2 ชนิดมาผสมกัน) หรือการนำสมการในเกณฑ์มาใช้งานกับเป็นโปรแกรมคอมพิวเตอร์ด้านวิศวกรรมออกแบบที่จะทำให้ใช้งานได้สะดวกมากยิ่งขึ้น

“ผลงานวิจัยชิ้นนี้เปรียบได้กับ “โซ่ข้อต่อ” ที่เป็นการเชื่อมโยงระหว่างงานวิจัยเชิงทฤษฎี กับงานวิจัยและพัฒนา (R&D) ที่แม้จะไม่เห็นผลในเชิงพาณิชย์ทันทีทันใด แต่หากมีการสานต่อการศึกษาทฤษฎีเกณฑ์ความเสียหายที่แม่นยำขึ้น จะเป็นส่วนสำคัญที่ช่วยการผลักดันการค้นคว้าวิจัยการประยุกต์ใช้วัสดุชนิดใหม่ ๆ ที่ดีกว่าเดิม เช่นวัสดุที่มีน้ำหนักที่เบาขึ้น แข็งแรงขึ้น ซึ่งนำไปสู่การใช้งานจริงได้อย่างมีประสิทธิภาพและรวดเร็วยิ่งขึ้น อันจะนำไปสู่การยกระดับมาตรฐานการทดสอบวัสดุรวมถึงผลิตภัณฑ์และสิ่งก่อสร้างได้ในท้ายที่สุด”

Link บทความวิชาการ  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0020740322004313