เทคนิคการวิเคราะห์ความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์โดยใช้การวิเคราะห์ด้วยวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ (Finite Element Analysis)

Finite Element Analysis หรือ FEA คือเทคนิคอะไร

Finite Element Analysis หรือเรียกสั้นๆ ว่า FEA คือระเบียบวิธีทางตัวเลขสำหรับวิเคราะห์ข้อมูลที่มีความซับซ้อน โดยอาศัยองค์ความรู้หลายด้าน ทั้งกลศาสตร์วัสดุ การคำนวณเชิงตัวเลข พฤติกรรมหรือรูปแบบของผลิตภัณฑ์ รวมถึงแรงที่มากระทำกับผลิตภัณฑ์หรือชิ้นส่วนที่เราสนใจวิเคราะห์ ซึ่งศาสตร์หรือเทคนิคนี้จัดอยู่ในการคำนวณระดับสูง โดยส่วนใหญ่เรามักจะเห็นผลลัพธ์ที่ได้จากการคำนวณออกมาในรูปแบบของแถบสีที่แตกต่างกันและบทสรุปการวิเคราะห์สั้นๆ

ตัวอย่างการวิเคราะห์การตกกระแทกของบรรจุภัณฑ์ที่มีของเหลวอยู่ภายใน ซึ่งมีความซับซ้อนในการคำนวณสูง ยากที่คนทั่วไปจะวิเคราะห์ได้โดยไม่ใช้เทคนิค Finite Element เข้ามาช่วย

ประโยชน์ของ FEA คืออะไร

• FEA สามารถประเมินผลลัพธ์ในการออกแบบและเลือกใช้วัสดุได้ล่วงหน้า รวมถึงแก้ไขและปรับปรุงก่อนการทำต้นแบบ ซึ่งช่วยลดระยะเวลาและต้นทุนในการลองผิดลองถูก
• สามารถวิเคราะห์ชิ้นงานที่มีรูปร่างใดก็ได้
• วิเคราะห์หาอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์
• ช่วยลดต้นทุนการออกแบบและผลิตได้อย่างมหาศาลสำหรับธุรกิจ SME

ข้อจำกัดของ FEA

• ต้องใช้ข้อมูลมหาศาลที่ป้อนเข้าสู่โปรแกรม และข้อมูลนั้นต้องแม่นยำและถูกต้องตามความเป็นจริงเพื่อลดความคลาดเคลื่อนในการคำนวณ บางครั้งถึงขั้นต้องวิจัยและพัฒนาเครื่องมือเพื่อวัดค่าเพียงค่าเดียวที่จะป้อนเข้าโปรแกรม
• ต้องทราบพฤติกรรมของวัสดุที่เกี่ยวข้องในการวิเคราะห์ทุกตัว เพื่อกำหนดแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ถูกต้อง
• ใช้เวลาในการคำนวณนานและต้องการคอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูง ดังนั้นจึงต้องมีการลงทุนในส่วนนี้
• ผลการวิเคราะห์ที่ได้อาจแตกต่างจากการทดสอบจริงเนื่องจากสภาวะแวดล้อมและตัวแปรควบคุมที่ต่างกัน

ขั้นตอนของ Finite Element Analysis

บทความนี้ขอแบ่งขั้นตอนการ FEA ออกเป็น 3 ขั้นตอนหลัก คือ 1. Pre-Processing (75%) 2. Analysis (5%) และ 3. Post-Processing (20%)

1.1 สร้างแบบจำลอง 3 มิติของชิ้นงานที่ต้องการวิเคราะห์ ในขั้นตอนนี้ผู้วิเคราะห์ต้องสร้างแบบจำลอง 3 มิติของชิ้นงานโดยใช้โปรแกรมเขียนแบบ เช่น Solidworks, Unigraphic, Inventor, Fusion 360 เป็นต้น หากการวิเคราะห์มีชิ้นส่วนประกอบหลายชิ้น ก็ต้องสร้างแบบจำลองแยกกัน

1.2 ป้อนข้อมูลวัสดุของชิ้นงาน ข้อมูลวัสดุที่นำมาวิเคราะห์จะต้องมีสมบัติเหมือนกับผลิตภัณฑ์จริง หลายครั้งไม่สามารถใช้ฐานข้อมูลเดิมที่มีอยู่ในโปรแกรมได้เนื่องจากคุณสมบัติที่แตกต่างกัน เช่น พลาสติก ABS ก็มีหลายเกรดหลายสูตร หรือบางโรงงานมีสูตรเฉพาะตัว ดังนั้นนักวิจัยหรือนักวิเคราะห์ FE จึงจำเป็นต้องนำวัสดุไปทดสอบจริงเพื่อหาค่ามาป้อนในโปรแกรมให้ถูกต้อง

1.3 กำหนดพฤติกรรมการเสียรูปของวัสดุ เป็นข้อมูลเกี่ยวกับพฤติกรรมหรือรูปแบบของวัสดุเมื่อได้รับแรง เช่น พลาสติกกับยางจะมีลักษณะการตอบสนองที่ต่างกันเมื่อได้รับแรงดึง ส่วนนี้เป็นส่วนที่มีการวิจัยและศึกษาจำนวนมากเพื่อให้ได้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ใกล้เคียงกับวัสดุจริงที่สุด นอกจากนี้ โปรแกรมส่วนใหญ่จะแยกย่อยพฤติกรรมการเสียรูป/เปลี่ยนรูปของวัสดุตามความเชี่ยวชาญของโปรแกรมนั้นๆ เช่น โปรแกรมสำหรับวิเคราะห์ทั่วไป โปรแกรมสำหรับวิเคราะห์วัสดุยาง หรือโปรแกรมสำหรับวิเคราะห์วัสดุโฟม เป็นต้น

1.4 กำหนดความสัมพันธ์ระหว่างชิ้นงาน/ชิ้นส่วน ในกรณีที่มีหลายชิ้นส่วนในการวิเคราะห์ ต้องกำหนดความสัมพันธ์ของชิ้นส่วนที่สัมผัสกันว่าเป็นอย่างไร เช่น ล้อรถยนต์กับพื้นถนน เหล็กที่เชื่อมติดกัน หรือลูกปืนทรงกลมกับผนังเรียบ

1.5 สร้าง Mesh เพื่อเริ่มต้นการวิเคราะห์ ขั้นตอนนี้คือการแบ่งแบบจำลอง 3 มิติออกเป็นส่วนย่อยๆ ที่เรียกว่า Mesh ซึ่งรูปร่างของ Mesh มีหลายแบบ ทั้งแบบ 2.5D และ 3D หรือแบบสี่เหลี่ยม หรือแปดเหลี่ยม ยิ่ง Mesh มีความละเอียดหรือเล็กมากเท่าไหร่ ผลลัพธ์ที่ได้ก็จะยิ่งละเอียดมากขึ้นเท่านั้น รวมถึงต้องใช้เวลาและทรัพยากรมากขึ้นด้วย

2. ขั้นตอนการประเมินและคำนวณ ส่วนนี้เรียกว่าขั้นตอน Solver เพื่อแก้สมการทางคณิตศาสตร์ภายในโปรแกรม บ่อยครั้งที่มีการเรียกใช้โปรแกรม Solver ภายนอกเข้ามาช่วยคำนวณโดยเฉพาะ เช่น ใน Fusion 360 จะใช้โปรแกรม Nastran เข้ามาแก้ปัญหาจากข้อมูลที่สร้างขึ้น

ปัจจุบันด้วยความรวดเร็วของเทคโนโลยีการสื่อสาร หลายโปรแกรมจึงมีบริการ Cloud Computing คือการส่งข้อมูลไปยังระบบออนไลน์เพื่อให้คอมพิวเตอร์หลายเครื่องหรือระบบของผู้พัฒนาคำนวณให้ ทำให้ผู้ใช้ไม่จำเป็นต้องลงทุนกับเครื่องคอมพิวเตอร์ราคาสูง อย่างไรก็ตาม ค่าใช้จ่ายขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของแต่ละระบบ ในประเทศไทยบางครั้งมีการส่งงานไปยัง Supercomputer ตามมหาวิทยาลัยหรือหน่วยงานต่างๆ เพื่อช่วยคำนวณงานให้กับนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา เช่น ที่สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.)

3. การวิเคราะห์ผลลัพธ์ ผลลัพธ์ที่ได้มักแสดงในรูปแบบเฉดสีต่างๆ ซึ่งมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับสิ่งที่ผู้วิเคราะห์ต้องการดู เช่น แรงที่เกิดขึ้นภายในชิ้นงาน การยืด-หดตัว หรืออายุการใช้งาน เพื่อนำไปเป็นข้อมูลในการวินิจฉัยและแก้ไขแบบของผลิตภัณฑ์ต่อไป