นวัตกรรมวัสดุ Bimetallic ปฏิวัติวงการ Screw Barrel

ในอุตสาหกรรมพลาสติกยุคใหม่ ที่ต้องการประสิทธิภาพการผลิตสูง ทนทานต่อการใช้งานหนัก และลดต้นทุนในระยะยาว สกรูแบเรล (Screw Barrel) ถือเป็นหัวใจสำคัญของเครื่องจักรอัดรีดและฉีดพลาสติก ซึ่ง นวัตกรรมวัสดุ Bimetallic ได้เข้ามาปฏิวัติวงการสกรูแบเรลอย่างสิ้นเชิง ด้วยการผสานข้อดีของวัสดุ 2 ชนิดเข้าด้วยกันอย่างลงตัว ทำให้สกรูแบเรล Bimetallic มีสมรรถนะเหนือชั้นกว่าแบบเดิมๆ

โครงสร้างของสกรูแบเรล Bimetallic

สกรูแบเรล Bimetallic มีโครงสร้างที่แตกต่างจากสกรูแบเรลทั่วไป โดยประกอบด้วย 2 ชั้นวัสดุหลักๆ ได้แก่:

1. ชั้นวัสดุภายนอก (Outer layer) ทำจากโลหะผสมแข็งแรงพิเศษ เช่น Inconel, Hastelloy หรือเหล็กกล้าอัลลอยด์ เพื่อรองรับแรงบิดและแรงกดสูงที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการแปรรูปพลาสติก
2. ชั้นวัสดุภายใน (Inner layer) ทำจากวัสดุทนการสึกหรอและกัดกร่อนสูง เช่น ทังสเตนคาร์ไบด์ โครเมียมคาร์ไบด์ หรือเซรามิก เพื่อยืดอายุการใช้งานให้ยาวนานขึ้น

ทั้งสองชั้นวัสดุจะถูกเชื่อมประสานเข้าด้วยกันด้วยเทคโนโลยีขั้นสูง เช่น Centrifugal casting, HIP (Hot Isostatic Pressing) หรือ Laser cladding เพื่อให้ชั้นวัสดุยึดเกาะแน่นหนา ไม่แยกชั้นระหว่างใช้งาน

ชั้นวัสดุภายนอก (Outer layer)

ชั้นวัสดุภายนอกของสกรูแบเรล Bimetallic มีหน้าที่หลักในการรองรับแรงบิดและแรงกดสูงที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการแปรรูปพลาสติก จึงต้องใช้โลหะผสมที่มีความแข็งแรงทนทานเป็นพิเศษ วัสดุยอดนิยมที่ใช้ทำชั้นนอก ได้แก่:

• โลหะผสมนิกเกิลเป็นหลัก เช่น Inconel, Hastelloy ซึ่งเป็นโลหะผสมของนิกเกิล โครเมียม โมลิบดีนัม และธาตุอื่นๆ มีคุณสมบัติทนความร้อน ต้านทานการกัดกร่อน และรองรับแรงดันได้สูง จึงเหมาะสำหรับสภาวะการทำงานที่รุนแรง
• โลหะผสมโคบอลต์เป็นหลัก เช่น Stellite ซึ่งเป็นโลหะผสมของโคบอลต์ โครเมียม ทังสเตน มีความแข็งแรงสูง ทนทานต่อการสึกหรอและการกัดกร่อน จึงช่วยยืดอายุการใช้งานของสกรูแบเรลได้ดี
• เหล็กกล้าอัลลอยด์ เช่น AISI 4140, AISI 4340 ซึ่งเป็นเหล็กกล้าผสมโครเมียม-โมลิบดีนัม หรือ โครเมียม-นิกเกิล-โมลิบดีนัม มีความแข็งแรงสูง เหนียว ทนต่อการกระแทกได้ดี จึงนิยมนำมาใช้ทำชิ้นส่วนเครื่องจักรกลที่ต้องรับแรงสูง
• สแตนเลส เช่น 17-4 PH ซึ่งเป็นสแตนเลสตกตะกอนแข็ง (precipitation hardening stainless steel) ในกลุ่มมาร์เทนซิติก มีส่วนผสมของโครเมียม นิกเกิล ทองแดง ไนโอเบียม มีความแข็งแรงสูง ทนทานต่อการกัดกร่อน เหมาะสำหรับใช้ในสภาวะแวดล้อมที่เป็นกรด

การเลือกใช้วัสดุสำหรับชั้นภายนอกของสกรูแบเรล ต้องพิจารณาจากสมบัติเชิงกลที่ต้องการ เช่น ความแข็งแรง ความเหนียว การทนต่อการสึกหรอ รวมถึงความเข้ากันได้กับพลาสติกที่จะนำมาแปรรูป เช่น หากเป็นพลาสติกที่มีสารเติมแต่งที่มีฤทธิ์กัดกร่อน อาจต้องเลือกใช้วัสดุที่ทนการกัดกร่อนได้ดีเป็นพิเศษ

นอกจากการเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมแล้ว กระบวนการผลิตและการเคลือบผิวก็มีส่วนสำคัญในการเพิ่มสมรรถนะให้กับชั้นวัสดุภายนอกของสกรูแบเรล เช่น การชุบแข็งผิว (case hardening), การเคลือบผิวด้วยโครเมียม (chrome plating), การเคลือบผิวด้วยไนไตรด์ (nitriding) เป็นต้น ซึ่งจะช่วยเพิ่มความแข็งผิว ความต้านทานการสึกหรอ และป้องกันการเกิดสนิมได้ดีขึ้น

ชั้นวัสดุภายใน (Inner layer)

ชั้นวัสดุภายในของสกรูแบเรล Bimetallic เป็นส่วนที่สัมผัสกับพลาสติกหลอมเหลวโดยตรง จึงต้องทนต่อการสึกหรอและการกัดกร่อนได้เป็นอย่างดี เพื่อให้สกรูแบเรลมีอายุการใช้งานที่ยาวนาน วัสดุที่นิยมนำมาใช้ ได้แก่:

• ทังสเตนคาร์ไบด์ (Tungsten carbide) เป็นวัสดุเซรามิกที่มีความแข็งสูงมาก (มากกว่า 70 HRC) จึงทนทานต่อการขัดสีและการสึกหรอได้ดีเยี่ยม อีกทั้งยังทนต่อการกัดกร่อนได้ดี จึงเป็นตัวเลือกอันดับต้นๆสำหรับใช้ทำชั้นวัสดุภายในของสกรูแบเรล
• โครเมียมคาร์ไบด์ (Chromium carbide) เป็นสารประกอบเซรามิกของโครเมียมและคาร์บอน มีความแข็งสูง (ประมาณ 66-68 HRC) ทนทานต่อการสึกหรอและการกัดกร่อนได้ดี ราคาถูกกว่าทังสเตนคาร์ไบด์ จึงเป็นอีกทางเลือกที่น่าสนใจ
• โลหะผสมโคบอลต์-โครเมียม เช่น Stellite เป็นโลหะผสมของโคบอลต์และโครเมียมเป็นหลัก มีส่วนผสมของทังสเตน โมลิบดีนัม หรือธาตุอื่นๆ มีความแข็งแรงสูง ทนทานต่อการสึกหรอ การกัดกร่อน และความร้อนได้ดี จึงเหมาะสำหรับใช้ในสภาวะที่ทำงานหนัก
• เซรามิก เช่น อะลูมินา (Al2O3), ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นวัสดุที่มีความแข็งสูงมาก ทนทานต่อการสึกหรอและสารเคมีได้ดี แต่มีข้อจำกัดในเรื่องความเปราะและการขึ้นรูป จึงมักนำมาใช้เคลือบผิวเป็นชั้นบางๆ หรือทำเป็นชิ้นส่วนขนาดเล็ก

การเลือกใช้วัสดุสำหรับชั้นภายในของสกรูแบเรล ต้องพิจารณาจากคุณสมบัติของพลาสติกที่จะนำมาแปรรูปเป็นหลัก เช่น ความเป็นกรด การกัดกร่อน ความเป็นกากมัดกัม (abrasiveness) เป็นต้น รวมถึงสภาวะการทำงาน เช่น อุณหภูมิ ความดัน ความเร็วรอบ เป็นต้น

หากเป็นพลาสติกที่มีความกัดกร่อนสูง เช่น PVC ซึ่งสามารถปล่อยกรดไฮโดรคลอริกออกมาได้ในสภาวะที่มีความชื้นและความร้อนสูง ก็ควรเลือกใช้วัสดุที่ทนการกัดกร่อนได้ดี เช่น ทังสเตนคาร์ไบด์ หรือโลหะผสมนิกเกิล เป็นต้น

หากเป็นพลาสติกที่มีสารตัวเติมที่มีความกากมัดกัมสูง เช่น ใยแก้ว ผงแคลเซียมคาร์บอเนต ผงโลหะ ก็ควรเลือกใช้วัสดุที่ทนการสึกหรอได้ดี เช่น ทังสเตนคาร์ไบด์ โครเมียมคาร์ไบด์ หรือเซรามิก เป็นต้น เพื่อป้องกันการสึกหรอของผิวสกรูแบเรลอย่างรวดเร็ว

นอกจากนี้ กระบวนการเคลือบผิวด้วยสารเคลือบแข็ง เช่น การชุบโครเมียม (chrome plating), การเคลือบไนไตรด์ (nitriding), การเคลือบผิวแข็ง (hard coating) ด้วยไทเทเนียมไนไตรด์ (TiN) หรือ DLC ก็สามารถช่วยเพิ่มความต้านทานการสึกหรอให้กับชั้นวัสดุภายในได้มากขึ้นอีกด้วย

**กระบวนการเชื่อมประสานในสภาวะที่มีความชื้นและความร้อนสูง ก็ควรเลือกใช้วัสดุที่ทนการกัดกร่อนได้ดี เช่น ทังสเตนคาร์ไบด์ หรือโลหะผสมนิกเกิล เป็นต้น

หากเป็นพลาสติกที่มีสารตัวเติมที่มีความกากมัดกัมสูง เช่น ใยแก้ว ผงแคลเซียมคาร์บอเนต ผงโลหะ ก็ควรเลือกใช้วัสดุที่ทนการสึกหรอได้ดี เช่น ทังสเตนคาร์ไบด์ โครเมียมคาร์ไบด์ หรือเซรามิก เป็นต้น เพื่อป้องกันการสึกหรอของผิวสกรูแบเรลอย่างรวดเร็ว

นอกจากนี้ กระบวนการเคลือบผิวด้วยสารเคลือบแข็ง เช่น การชุบโครเมียม (chrome plating), การเคลือบไนไตรด์ (nitriding), การเคลือบผิวแข็ง (hard coating) ด้วยไทเทเนียมไนไตรด์ (TiN) หรือ DLC ก็สามารถช่วยเพิ่มความต้านทานการสึกหรอให้กับชั้นวัสดุภายในได้มากขึ้นอีกด้วย

กระบวนการเชื่อมประสานชั้นวัสดุ

การเชื่อมประสานระหว่างชั้นวัสดุภายนอกและภายในของสกรูแบเรล Bimetallic เป็นขั้นตอนที่สำคัญมาก เพราะต้องทำให้ชั้นวัสดุทั้งสองยึดเกาะกันแน่นหนา ไม่แยกชั้นระหว่างใช้งาน มิฉะนั้นอาจเกิดการแตกร้าวหรือหลุดล่อนของผิวสกรูได้ในภายหลัง ซึ่งจะส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพการทำงานและอายุการใช้งานเทคโนโลยีที่ใช้ในการเชื่อมประสานชั้นวัสดุที่นิยมใช้กัน ได้แก่:

• Centrifugal casting – เป็นการหล่อเชื่อมชั้นวัสดุด้วยแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง โดยให้ความร้อนกับสกรูแบเรลจนวัสดุภายในหลอมละลาย แล้วนำไปหมุนด้วยความเร็วสูงเพื่อให้วัสดุเคลือบผนังภายในอย่างสม่ำเสมอ ก่อนปล่อยให้เย็นตัวลง วิธีนี้ทำให้ได้ชั้นวัสดุที่หนาและแข็งแรง แต่ต้องควบคุมอุณหภูมิและความเร็วรอบให้เหมาะสม
• HIP (Hot Isostatic Pressing) – เป็นการอัดชั้นวัสดุด้วยแรงดันสูงที่อุณหภูมิสูง โดยนำสกรูแบเรลไปใส่ในหม้อที่ปิดสนิท แล้วให้ความร้อนและแรงดันแก๊สรอบด้านอย่างสม่ำเสมอ ทำให้ชั้นวัสดุหลอมละลายและยึดเกาะกันแน่น วิธีนี้ให้คุณภาพการเชื่อมประสานที่ดีมาก แต่มีต้นทุนสูงและใช้เวลานาน
• Laser cladding – เป็นการเชื่อมชั้นวัสดุด้วยลำแสงเลเซอร์กำลังสูง โดยฉายลำแสงไปที่ผิวสกรูแบเรลพร้อมกับป้อนผงวัสดุเคลือบ ความร้อนจากเลเซอร์จะหลอมผงวัสดุให้ยึดเกาะกับผิวสกรูได้อย่างแน่นหนา วิธีนี้สามารถควบคุมความหนาของชั้นวัสดุได้ดี ให้พื้นผิวที่เรียบ ละเอียด แต่อัตราการเคลือบค่อนข้างช้า

การเลือกใช้เทคโนโลยีเชื่อมประสานขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุ ขนาดและรูปร่างของสกรูแบเรล ตลอดจนข้อกำหนดด้านสมรรถนะและต้นทุน ผู้ผลิตสกรูแบเรลจะต้องพิจารณาอย่างรอบคอบเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพสูงและคุ้มค่าที่สุด

สรุป

สกรูแบเรล Bimetallic เป็นนวัตกรรมที่น่าสนใจสำหรับอุตสาหกรรมพลาสติก เพราะช่วยแก้ปัญหาการสึกหรอและกัดกร่อนของสกรูแบเรลแบบเดิมๆได้เป็นอย่างดี ด้วยการนำเอาข้อดีของวัสดุ 2 ชนิดมาผสมผสานกัน ทำให้ได้สกรูแบเรลที่มีสมรรถนะการใช้งานที่ยอดเยี่ยม อายุการใช้งานยาวนาน ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและลดต้นทุนในระยะยาว

อย่างไรก็ตาม การออกแบบและผลิตสกรูแบเรล Bimetallic ให้มีคุณภาพสูงนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย ต้องอาศัยความรู้ ประสบการณ์ และเทคโนโลยีขั้นสูง ในการเลือกวัสดุ กำหนดโครงสร้าง และเชื่อมประสานชั้นวัสดุให้เหมาะสมกับการใช้งานจริง รวมถึงต้องมีการควบคุมคุณภาพอย่างเข้มงวดในทุกขั้นตอนการผลิต เพื่อให้มั่นใจว่าสกรูแบเรลจะสามารถทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพและทนทานตลอดอายุการใช้งานที่กำหนด

ดังนั้น การเลือกใช้สกรูแบเรล Bimetallic จึงควรพิจารณาจากชื่อเสียงและประสบการณ์ของผู้ผลิต คุณภาพของวัสดุและกระบวนการผลิต รวมถึงการรับประกันและบริการหลังการขาย เพื่อให้ได้สกรูแบเรลที่เหมาะสมกับความต้องการและคุ้มค่ากับการลงทุนมากที่สุด ซึ่งจะช่วยเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันให้กับธุรกิจในระยะยาว

แหล่งอ้างอิง :

ข้อมูลทางเทคนิค