การทดสอบวัสดุพอลิเมอร์ในห้องแล็บ: Tensile, DSC, TGA, FTIR, SEM คืออะไร ใช้ทำอะไร

เวลาเลือกวัสดุสำหรับ 3D Printing หรือพัฒนาสูตรเส้นพลาสติกและเรซินใหม่ ตัวเลขในเอกสารสเปก (TDS) อย่าง Tg, HDT, MFI หรือค่าแรงดึง ล้วนมาจากการทดสอบในห้องแล็บ บทความนี้สรุปเครื่องทดสอบวัสดุที่เจอบ่อยที่สุด ว่าแต่ละเครื่อง ตอบคำถามอะไร โดยใช้ศัพท์เทคนิคให้น้อยที่สุด เหมาะกับนักศึกษา วิศวกร และคนที่ต้องอ่านผลทดสอบจากผู้ผลิต

สรุปเร็ว: อยากรู้อะไร ใช้การทดสอบไหน

1. การทดสอบสมบัติเชิงกล (Mechanical Testing)

1.1 Tensile Test (การทดสอบแรงดึง)

การทดสอบแรงดึงด้วยเครื่อง Universal Testing Machine (ภาพ: Kerina yin / Wikimedia Commons, CC0)

ดึงชิ้นงานรูปกระดูกสุนัข (Dog bone) จนขาด แล้วอ่านค่า Tensile Strength (แรงดึงสูงสุด), Young's Modulus (ความแข็งตึง) และ Elongation at Break (ยืดได้กี่เปอร์เซ็นต์ก่อนขาด) เป็นค่าที่เจอในเอกสารสเปกบ่อยที่สุด

ข้อควรรู้สำหรับงาน 3D Printing: ค่าที่ได้ขึ้นกับทิศการพิมพ์มาก ชิ้นงาน FDM ที่พิมพ์นอน (แรงตามเส้น) แข็งแรงกว่าพิมพ์ตั้ง (แรงดึงให้ชั้นแยก) หลายเท่า เวลาเทียบค่าจากผู้ผลิตต่างยี่ห้อ จึงต้องดูด้วยว่าเขาพิมพ์ชิ้นทดสอบแบบไหน

1.2 Flexural, Impact และ Hardness

• Flexural Test: วางชิ้นงานบนจุดรองรับ 2 จุดแล้วกดตรงกลาง ใช้ดูความแข็งตึงตอนรับแรงดัด
• Impact Test (Izod/Charpy): ใช้ลูกตุ้มเหวี่ยงกระแทก วัดพลังงานที่ชิ้นงานดูดซับได้ก่อนแตก บอกว่าวัสดุเหนียวหรือเปราะ
• Hardness: ความแข็งผิว พลาสติกและยางนิยมวัดแบบ Shore อ่านต่อที่ Shore A vs Shore D คืออะไร

1.3 Fatigue (การทดสอบความล้า)

ให้แรงซ้ำ ๆ หลายพันถึงหลายล้านรอบ เช่น ดึง-ปล่อย หรือกด-ปล่อย เพื่อดูอายุการใช้งานก่อนวัสดุเสียหาย มีทั้งแบบใช้ชิ้นทดสอบมาตรฐาน และแบบสร้างชุดทดสอบจากผลิตภัณฑ์จริง ใช้เวลานานจึงมักทำเฉพาะชิ้นส่วนสำคัญ ถ้าอยากประเมินเบื้องต้นก่อนทดสอบจริง ใช้การจำลองด้วย Finite Element Analysis (FEA) ช่วยได้

2. การทดสอบทางความร้อน (Thermal Analysis)

2.1 DSC (Differential Scanning Calorimetry)

ซ้าย: เครื่อง DSC (ภาพ: Wikimedia Commons, Public domain) / ขวา: ตัวอย่างกราฟผล DSC

DSC วัดว่าตัวอย่าง "ดูดหรือคายความร้อน" ต่างจากถาดอ้างอิง (มักเป็นถาดเปล่า) แค่ไหนขณะเพิ่มหรือลดอุณหภูมิ ผลที่ได้บอก

• อุณหภูมิกลาสทรานซิชัน (Tg) จุดที่พลาสติกเริ่มนิ่มลง
• อุณหภูมิหลอมเหลว (Tm)
• การเกิดผลึกและปริมาณผลึก (Crystallinity)
• การบ่มตัว (Curing) ของเรซินเทอร์โมเซต

ตัวอย่างการใช้งาน: เลือกอุณหภูมิอบชิ้นงาน PLA เพื่อเพิ่มผลึกและความทนร้อน (Heat Annealing)

2.2 HDT (Heat Deflection Temperature)

วางชิ้นงานรับแรงกดค่าหนึ่งแล้วเพิ่มอุณหภูมิ จนชิ้นงานโก่งตัวถึงระยะที่กำหนด อุณหภูมินั้นคือ HDT เป็นค่าที่ใช้ตอบคำถาม "ชิ้นงานทนร้อนได้กี่องศา" ได้ตรงกว่า Tg ตัวอย่างเช่น เส้น ASA-CF ที่ผู้ผลิตระบุ HDT สูงสุดราว 108°C

2.3 UL 94 (การทดสอบการลามไฟ)

ทดสอบว่าเมื่อจุดไฟแล้ววัสดุดับเองได้เร็วแค่ไหน และหยดไฟลงด้านล่างหรือไม่ ระดับที่เจอบ่อยคือ HB, V-2, V-1 และ V-0 (V-0 ดีที่สุดในกลุ่ม V) อ่านเพิ่มเติมที่ พลาสติกไม่ลุกติดไฟ (Flame Retardant) คืออะไร

3. การทดสอบการไหล (Rheology)

3.1 MFI (Melt Flow Index)

หลักการเครื่องวัด MFI (ที่มา: Wikimedia Commons)

ให้ความร้อนกับเม็ดพลาสติกในกระบอก แล้วใช้ตุ้มน้ำหนักดันให้ไหลผ่านรูเล็ก ๆ ชั่งน้ำหนักที่ไหลออกมา รายงานเป็น กรัมต่อ 10 นาที (g/10 min) ที่อุณหภูมิและน้ำหนักที่กำหนด เช่น 210°C / 2.16 kg ค่ายิ่งสูงยิ่งไหลง่าย เป็นการทดสอบที่ทำเร็วและนิยมในโรงงาน ใช้เทียบวัสดุ A กับ B เบื้องต้นหรือเช็กว่าแต่ละล็อตสม่ำเสมอไหม

3.2 Rheometer

เครื่อง Rheometer (ที่มา: Wikimedia Commons)

วัดการไหลได้ละเอียดกว่า MFI มาก เช่น ความหนืดที่อัตราเฉือนต่าง ๆ ซึ่งสำคัญกับงาน 3D Printing เพราะพลาสติกถูกดันผ่านหัวฉีดเล็ก ๆ ด้วยความเร็วสูง มี 3 กลุ่มหลักคือ วัดจากแรงเฉือน (Rotational), วัดผ่านท่อ (Capillary) และวัดจากการยืดดึง (Extensional) ผลที่ได้ต้องให้ผู้เชี่ยวชาญแปลผลต่อ

4. การวิเคราะห์องค์ประกอบ (Composition)

4.1 TGA (Thermogravimetric Analysis)

ตัวอย่างกราฟ TGA น้ำหนักลดลงตามอุณหภูมิ (ที่มา: Statistical approach to optimize the production of Polyhydroxyalkanoates…)

ให้ความร้อนตัวอย่างเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ แล้วชั่งน้ำหนักตลอดเวลา สารแต่ละชนิดสลายตัวที่ช่วงอุณหภูมิต่างกัน จึงอ่านได้ว่ามีสารตัวเติม เช่น เส้นใยคาร์บอน ใยแก้ว หรือผงแร่ อยู่กี่เปอร์เซ็นต์ และเผาแล้วเหลือเถ้า (Ash) เท่าไร ในงานจิวเวลรีใช้ดูว่าเรซินหล่อ (Castable) เผาหมดที่อุณหภูมิไหน ช่วยกำหนดโปรไฟล์การเผาในงาน Investment Casting

4.2 FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)

ซ้าย: เครื่อง FTIR + ATR (ภาพ: Keshavana / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0) / ขวา: ตัวอย่างสเปกตรัม FTIR (ที่มา: Effects of Graphene Nanoplatelets on PLA/PEG Nanocomposites)

ฉายแสงอินฟราเรดผ่านหรือสะท้อนจากตัวอย่าง แล้วดูว่าความยาวคลื่นไหนถูกดูดกลืน ซึ่งเป็น "ลายนิ้วมือ" ของหมู่ฟังก์ชันในโมเลกุล ใช้บ่อยมากในการระบุว่าพลาสติกที่ไม่รู้ที่มาเป็นชนิดไหน หรือตรวจว่าการผสมสารทำให้โครงสร้างเคมีเปลี่ยนไปหรือไม่ เครื่องรุ่นใหม่ใช้หัว ATR วางตัวอย่างแล้ววัดได้ทันที ไม่ต้องเตรียมตัวอย่างยุ่งยาก

4.3 XRD (X-Ray Diffraction)

ตัวอย่างกราฟ XRD ของ PLA ที่ผสมสารตัวเติม (ที่มา: Risperidone Controlled Release Microspheres Based on PLA–PPAd Blends)

ยิงรังสีเอกซ์ไปที่ตัวอย่าง แล้ววัดมุมที่รังสี "เลี้ยวเบน" ออกมา โครงสร้างผลึกแต่ละแบบให้ยอดกราฟ (Peak) ที่มุมเฉพาะตัว ใช้ดูว่าวัสดุมีผลึกมากน้อยแค่ไหน มีเฟสผลึกอะไร และการเติมสารตัวเติมเปลี่ยนโครงสร้างผลึกหรือไม่ ต่างจาก FTIR ที่ดูพันธะเคมี

5. การส่องดูโครงสร้างด้วย SEM

เครื่อง SEM (ภาพ: Hannes Grobe / Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.5)

SEM หรือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด ยิงลำอิเล็กตรอนกวาดไปบนผิวตัวอย่าง แล้วแปลงสัญญาณที่สะท้อนกลับเป็นภาพ ขยายได้ตั้งแต่หลักสิบเท่าไปจนถึงหลักแสน–ล้านเท่าในเครื่องระดับสูง ตัวอย่างพลาสติกมักต้องเคลือบทองหรือคาร์บอนบาง ๆ ก่อนส่อง เพราะพลาสติกไม่นำไฟฟ้า ถ้าเครื่องมีหัววัด EDS จะวิเคราะห์ธาตุบนผิวได้ด้วย

ภาพ SEM ของชิ้นงานพิมพ์ผสมเส้นใยต่อเนื่อง (ที่มา: Tailoring strength and modulus by 3D printing different continuous fibers and filled structures into composites)

งาน 3D Printing ใช้ SEM ดูการยึดเกาะระหว่างชั้น รูพรุน (Void) และการกระจายตัวของเส้นใยในเส้นคอมโพสิต รวมถึงวิเคราะห์รอยแตกเพื่อหาสาเหตุที่ชิ้นงานเสียหาย

สรุป

หลายการทดสอบให้ข้อมูลที่ซ้อนกันบางส่วน เช่น DSC และ TGA ต่างก็ใช้ความร้อน แต่ตอบคำถามคนละเรื่อง ก่อนส่งตัวอย่างไปแล็บ ให้เริ่มจากคำถามว่า "อยากรู้อะไร" แล้วเลือกการทดสอบจากตารางด้านบน จะประหยัดทั้งเวลาและค่าใช้จ่าย ถ้าต้องการปรึกษาเรื่องวัสดุสำหรับงาน 3D Printing ติดต่อทีม Sync Innovation โทร 090-998-8151 หรือ LINE @sync.innovation

คลิปวิดีโอที่เกี่ยวข้อง

หลักการทำงานของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (SEM)

การทดสอบความล้า (Fatigue) ของพอลิเมอร์ คอมโพสิต และยาง

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

DSC กับ TGA ต่างกันอย่างไร

DSC วัดพลังงานความร้อนที่วัสดุดูดหรือคาย ใช้หา Tg และจุดหลอม ส่วน TGA วัดน้ำหนักที่หายไปเมื่อร้อนขึ้น ใช้หาปริมาณสารตัวเติมและอุณหภูมิที่วัสดุสลายตัว

ค่า Tensile Strength ในสเปกเส้น Filament เชื่อได้แค่ไหน

ใช้เทียบเบื้องต้นได้ แต่ต้องดูวิธีพิมพ์ชิ้นทดสอบด้วย ทิศการพิมพ์ Infill และจำนวนผนังมีผลกับค่ามาก ค่าจากคนละผู้ผลิตจึงเทียบกันตรง ๆ ไม่ได้เสมอไป

HDT กับ Tg ต่างกันอย่างไร

Tg คือจุดที่โมเลกุลเริ่มขยับได้มากขึ้น วัดจาก DSC ส่วน HDT คืออุณหภูมิที่ชิ้นงานโก่งตัวภายใต้แรงกด ซึ่งใกล้กับการใช้งานจริงมากกว่า