การพัฒนาและการประเมินส่วนประกอบโครงสร้างที่ทำจากไม้ไผ่สำหรับการใช้งาน CubeSat

บทคัดย่อ

โครงการนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาและพัฒนาส่วนประกอบโครงสร้างดาวเทียมขนาดเล็ก (CubeSat) ขนาด 1U จากวัสดุไม้ไผ่ซางหม่น เพื่อเป็นวัสดุทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมทดแทน การใช้อะลูมิเนียมอัลลอยด์เกรดอากาศ ซึ่งมักก่อให้เกิดอนุภาคอะลูมินาที่ทาลายชั้นโอโซนขณะเผา ไหม้ เ มื่ อ กลั บ เข้า สู่ ชั้ น บรรยากาศโลก มี ก ระบวนการเพิ่ ม ความหนาแน่ น ของเนื้ อ ไม้ (Wood Densification) มีการทดสอบแรงดึง การทดสอบการดัด การทดสอบในสภาวะแวดล้อมอวกาศจาลอง และการประเมินพฤติกรรมโครงสร้างด้วยโปรแกรมทางวิศวกรรม (ANSYS) เพื่อประเมินคุณสมบัติ วัสดุไม้ไผ่ให้สอดคล้องกับมาตรฐานที่กาหนดไว้ และออกแบบโครงสร้างต้นแบบที่ประกอบคานไม้ไผ่ ด้วยรอยต่อแบบคิกุมิร่วมกับรางอะลูมิเนียมอัลลอยด์ ผลการศึกษาพบว่า กระบวนการเพิ่มความ หนาแน่นสามารถเพิ่มคุณสมบัติทางกลของเนื้อไม้ได้ ทั้งการเพิ่มความหนาแน่น เพิ่มความต้านทาน แรงดึงสูงสุด และยังเพิ่มมอดูลัสยืดหยุ่นอีกด้วย จากนั้นทาการประกอบชิ้นงานและจาลองโครงสร้าง ต้นแบบ เพื่อประเมินว่าโครงสร้างนั้นมีความเป็นไปได้สาหรับการใช้งานในดาวเทียม CubeSat คาสาคัญ: ไม้ไผ่, CubeSat, สมบัติทางกล, สมบัติทางความร้อน, สมบัติทางไตรโบโลยี, การทดสอบใน สภาพแวดล้อมอวกาศ, กระบวนการเพิ่มความหนาแน่นของเนื้อไม้ ก Name Thesis Title Mr. Nattamate Thanatummasit Mr. Kittiphum Ngamthong Mr. Ratchapon Rueansung Mr. Rachan Saengthong Development and Evaluation of Bamboo-Based Structural Components for CubeSat Applications Department Mechanical and Aerospace Engineering Advisor Asst.Prof. Numpon Mahayotsanun, Ph.D Academic year 2025 Abstract This project aims to study and develop a 1U CubeSat structural component from Sang Mon bamboo as an environmentally friendly alternative material to aerospacegrade aluminum alloy, which often generates alumina particles that deplete the ozone layer during combustion and re-enter the Earth's atmosphere. The study employed a wood densification process, tensile testing, bending testing, simulated space environment testing, and structural behavior evaluation using the ANSYS engineering software to assess the bamboo material's properties against specified standards. A prototype structure was designed incorporating bamboo beams with Kikumi joints and aluminum alloy rails. The results showed that the densification process can improve the mechanical properties of the wood, increasing density, maximum tensile strength, and elastic modulus. The prototype was then assembled and simulated to evaluate its feasibility for use in CubeSat Keywords: Bamboo, CubeSat, Mechanical properties, Thermal properties, Tribological properties, Space environment testing, Wood densification process ข กิตติกรรมประกาศ ปริญญานิพนธ์นี้สาเร็จลุล่วงไปได้ด้วยดี โดยความอนุเคราะห์ และการสนับสนุนจากหลายฝ่าย คณะผู้จัดทาขอแสดงความขอบพระคุณเป็นอย่างสูงต่อ ผศ.ดร.นาพล มหายศนันท์ ซึ่งเป็นอาจารย์ที่ ปรึกษาหลักของปริญญานิพนธ์ และ ดร.พงศธร สายสุจริต อาจารย์ที่ปรึกษาร่วม สาหรับการสนับสนุน และความช่วยเหลือตลอดโครงการนี้ทไี่ ด้ให้คาแนะนาและให้ความรู้ทางวิชาการที่เป็นประโยชน์ในการ ดาเนินปริญญานิพนธ์ ขอขอบคุณ คณะกรรมการสอบปริญญานิพนธ์ที่กรุณาให้คาแนะนา และแนวทางในการ ปรับปรุง จนกระทั่งปริญญานิพนธ์มีความถูกต้องมากยิ่งขึ้น ขอขอบคุณ ดร.เสฏฐวรรธ สุจริตภวัตสกุล วิศวกรอาวุโส ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (MTEC) ที่ให้คาแนะนาและการสนับสนุนด้านอุปกรณ์ วัสดุ ที่เกี่ยวข้องกับการทาปริญญานิพนธ์ ขอขอบคุณ คุณนวพล กลางทัพ ที่ให้คาปรึกษา อุปกรณ์ แนวทางการแก้ไขปัญหา และให้ความ ช่วยเหลือในการทดสอบวัสดุ ขอขอบคุณ บริษัท อาร์ วี คอนเน็กซ์ จากัด (สานักงานใหญ่) ที่ให้ความอนุเคราะห์ในการจัดทา ชิ้นงานเฉพาะทางที่มีความสาคัญต่อปริญญานิพนธ์นี้ จนปริญญานิพนธ์นี้สาเร็จลุล่วงไปได้ด้วยดี ขอขอบคุณ อาจารย์จามร วสุรัตน์มณี หัวหน้าภาควิชาเทคโนโลยีวิศวกรรมอุตสาหการ ที่ให้ คาแนะนาและการสนับสนุนเครื่องมือในการทาปริญญานิพนธ์นี้ ขอขอบคุณเจ้าหน้าที่ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน -อวกาศ และภาควิชาวิศวกรรม วัสดุและเทคโนโลยีการผลิต มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือที่คอยช่วยสนับสนุน ด้านสถานที่และเครื่องมือในการทาปริญญานิพนธ์นี้ สุดท้ายนี้ คณะผู้จัดทาหวังว่า ปริญญานิพนธ์นี้จะเป็นประโยชน์ต่อสังคม ผู้ที่มีความสนใจ และ สามารถนาไปต่อยอดหรือประยุกต์ใช้ในงานที่เกี่ยวข้องได้ในอนาคต นายณัฐเมศร์ ธนธรรมศิษฐ์ นายกิตติภูมิ งามทอง นายรัชพล เรือนสูง นายราชันย์ แสงทอง ค สารบัญ บทที่ 1 บทนา ....................................................................................................................................1 1.1 ที่มาและความสาคัญของปัญหา .............................................................................................. 1 1.2. วัตถุประสงค์ .......................................................................................................................... 2 1.3 ขอบเขตโครงงาน .................................................................................................................... 2 1.4 ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับ ..................................................................................................... 2 1.5 งบประมาณ ............................................................................................................................ 2 1.6 แผนการดาเนินงาน................................................................................................................. 3 1.7 Project Framework............................................................................................................. 4 บทที่ 2 งานวิจัยและทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง ...............................................................................................5 2.1 ชั้นโอโซน ................................................................................................................................ 5 2.2 อนุภาคอะลูมินา ..................................................................................................................... 6 2.3 ไผ่ซางหม่น ............................................................................................................................ 8 2.3.1 โครงสร้างจุลภาคและองค์ประกอบของไม้ไผ่ .................................................................. 9 2.3.2 การเลือกตาแหน่งตัด ..................................................................................................... 10 2.3.3 การประเมินแรงดึง/แรงกด ............................................................................................ 10 2.4 วัสดุ Orthotropic ................................................................................................................ 10 2.5 ทฤษฎีวัสดุผสม .................................................................................................................... 11 2.6 Wood Densification (การเพิ่มความหนาแน่นของไม้) ....................................................... 12 2.6.1 การกาจัดลิกนิน (Delignification) ................................................................................ 13 2.6.2 การเพิ่มความหนาแน่นของไม้ (Wood Densification)................................................. 13 2.6.3 การเสริมแรงด้วยเส้นใย (Fiber Reinforcement Theory) .......................................... 14 2.6.4 พันธะไฮโดรเจน (Hydrogen Bonding Theory).......................................................... 14 2.6.5 อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้าหนัก (Specific Strength) .............................................. 15 2.7 การทดสอบ .......................................................................................................................... 16 2.7.1 การทดสอบทางกล (Mechanical Testing) ................................................................ 16 ง 2.7.1.1 การทดสอบแรงดึง ................................................................................................. 16 2.7.1.2 การทดสอบการดัด ................................................................................................. 17 2.7.2 การทดสอบทางความร้อน (Thermal Testing) ............................................................ 18 2.7.2.1 การทดสอบผลการเปลี่ยนแปลงของอุณภูมิ ............................................................ 18 2.7.2.2 การทดสอบการคายก๊าซในสภาวะสุญญากาศและความร้อน ................................... 18 2.9 งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง ............................................................................................................... 19 2.9.1 Wood Handbook: Wood as an Engineering Material ......................................... 19 2.9.2 โครงการ LignoSat ของ JAXA/Kyoto University ...................................................... 20 2.9.3 โครงการ WISA Woodsat ของ ESA/Arctic Astronautics ......................................... 20 2.9.4 Processing bulk natural wood into a high-performance structural material ..... 21 2.9.5 Horizontal mechanical performance of the upper beam frame with beambeam connection of traditional wooden building ...................................................... 22 บทที่ 3 วัสดุและวิธีการ ................................................................................................................... 23 3.1 ความต้องการของโครงงาน ................................................................................................... 23 3.2 ข้อกาหนด/มาตรฐานการออกแบบ ....................................................................................... 23 3.2.1 มาตรฐานการออกแบบโครงสร้าง .................................................................................. 24 3.3 ข้อจากัด/มาตรฐานการทดลอง ............................................................................................. 26 3.3.1 ด้านกลศาสตร์ (Mechanical) ....................................................................................... 26 3.3.2 ด้านอุณหภูมิ (Thermal)............................................................................................... 26 3.3.3 ด้านสภาพแวดล้อมในอวกาศ (Space Environment) ................................................. 26 3.3.4 ด้านการเผาไหม้ขณะตกกลับสู่โลก (Re-entry Survivability) ...................................... 27 3.4 วิธีการสร้างชิ้นงานทดสอบด้านกลศาสตร์ ............................................................................. 27 3.4.1 กาหนดแกนอ้างอิงของชิ้นงาน ....................................................................................... 27 3.4.2 การทดสอบแรงดึง ......................................................................................................... 28 3.4.2.1 กาหนดขนาดชิ้นงานทดสอบ .................................................................................. 28 3.4.2.2 สร้างชิ้นงานทดสอบแนว 11 แนว 22 .................................................................... 28 3.4.3 การทดสอบการดัด ........................................................................................................ 30 3.4.3.1 กาหนดขนาดชิ้นงานทดสอบ .................................................................................. 30 3.4.3.2 สร้างชิ้นงานทดสอบ ............................................................................................... 30 จ 3.5 วิธีการปรับปรุงคุณสมบัติของไม้ด้วยวิธี Wood densification ............................................ 31 3.5.1 ขั้นตอนการปรับปรุงคุณสมบัติ ...................................................................................... 31 3.6 วิธีการสร้างชิ้นงานทดสอบทางความร้อน (Thermal Testing) ............................................ 32 3.6.1 การทดสอบการคายก๊าซในสภาวะสุญญากาศและความร้อน........................................... 32 3.6.2 การทดสอบผลการเปลี่ยนแปลงของอุณภูมิ ................................................................... 33 3.7 Concept Design ................................................................................................................ 34 3.7.1 Design Alternatives ................................................................................................... 34 3.7.2 Decision Metrix .......................................................................................................... 34 3.7.3 ประเมินการให้น้าหนัก .................................................................................................. 34 3.8 โครงสร้าง CubeSat ............................................................................................................. 35 3.9 การวิเคราะห์โดยใช้โปรแกรม ANSYS................................................................................... 35 3.10 ขั้นตอนการขึ้นรูปและการประกอบโครงสร้าง .................................................................... 38 3.10.1 ขั้นตอนการขึ้นรูปคานไม้ไผ่แบบ Kigumi .................................................................... 38 3.10.2 การประกอบชิ้นงาน .................................................................................................... 39 บทที่ 4 ผลการทดลอง ..................................................................................................................... 41 4.1 ผลการทดสอบแรงดึง............................................................................................................ 41 4.2 ผลการทดสอบแรงดัด ........................................................................................................... 44 4.3 ผลการทากระบวนการเพิ่มความหนาแน่นของเนื้อไม้............................................................ 45 4.3.1 การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างระดับจุลภาคของไม้ไผ่ ......................................................... 47 4.3.1.1 โครงสร้างระดับจุลภาคของไม้ไผ่ก่อนการ densification ...................................... 47 4.3.1.2 โครงสร้างระดับจุลภาคของไม้ไผ่หลังการ densification ....................................... 47 4.3.2 ผลการทดสอบแรงดึงไม้ไผ่ที่ผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นของเนื้อไม้ ................. 48 4.4 การทดสอบการคายก๊าซในสภาวะสุญญากาศและความร้อนของไม้ไผ่ที่ผ่านกระบวนการเพิ่ม ความหนาแน่นเนื้อไม้ .................................................................................................................. 50 บทที่ 5 สรุปผลและข้อเสนอแนะ ..................................................................................................... 62 5.1 สรุปผล ................................................................................................................................. 62 5.2 ข้อเสนอแนะ ......................................................................................................................... 63 ฉ เอกสารอ้างอิง ................................................................................................................................. 65 ภาคผนวก........................................................................................................................................ 69 ช สารบัญตาราง ตารางที่ 3.1 ตารางระบุรายละเอียดของดาวเทียมขนาดต่าง ๆ ....................................................... 25 ตารางที่ 3.2 เกณฑ์การให้คะแนน ................................................................................................... 34 ตารางที่ 3.3 เงื่อนไขขอบเขตการจาลอง ......................................................................................... 36 ตารางที่ 4.1 คุณสมบัติของไม้ไผ่แต่ละทิศทาง ................................................................................. 43 ตารางที่ 4.2 คุณสมบัติการดัดงอเฉลี่ยของไม้ไผ่ .............................................................................. 44 ตารางที่ 4.3 น้าหนักและความหนาแน่นของชิ้นงานก่อนผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นเนื้อไม้ 45 ตารางที่ 4.4 น้าหนักและความหนาแน่นของชิ้นงานหลังผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นเนื้อไม้ 46 ตารางที่ 4.5 เปรียบเทียบความหนาแน่นของเนื้อไม้ที่ผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่น ............. 46 ตารางที่ 4.6 คุณสมบัติไม้ไผ่ที่ผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นเนื้อไม้ ....................................... 49 ตารางที่ 4.7 เปรียบเทียบคุณสมบัติของไม้ไผ่หลังผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นเนื้อไม้ ......... 49 ตารางที่ 4.8 ผลการทดสอบการคายก๊าซ (OUTGASSING TEST)......................................................... 50 ตารางที่ 4.9 การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของชิ้นงาน ................................................................ 51 ตารางที่ 4.10 การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของชิ้นงานที่เคลือบผิว ............................................ 52 ตารางที่ 4.11 การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของชิ้นงานที่ไม่เคลือบผิว ........................................ 52 ตารางที่ 4.12 NORMAL STRESS แนว 11 STATIC STRUCTURAL ......................................................... 54 ตารางที่ 4.13 NORMAL STRESS แนว 22 STATIC STRUCTURAL .......................................................... 54 ตารางที่ 4.14 NORMAL STRESS แนว 33 STATIC STRUCTURAL .......................................................... 55 ตารางที่ 4.15 ความถี่ธรรมชาติ ...................................................................................................... 56 ตารางที่ 4.16 NORMAL STRESS แนว 11 RANDOM VIBRATION .......................................................... 58 ตารางที่ 4.17 NORMAL STRESS แนว 22 RANDOM VIBRATION .......................................................... 59 ตารางที่ 4.18 NORMAL STRESS แนว 11 RANDOM VIBRATION .......................................................... 60 ซ สารบัญรูปภาพ รูปที่ 1.1 แผนการดาเนินงาน .............................................................................................................3 รูปที่ 1.2 PROJECT FRAMEWORK..........................................................................................................4 รูปที่ 2.1 ความหนาของชั้นโอโซน ณ วันที่ 26 สิงหาคม พ.ศ.2568 ....................................................6 รูปที่ 2.2 ดาวเทียมที่ปฏิบัติการในวงโคจรต่าของโลกและการกลับเข้าสู่บรรยากาศของโลก ..............7 รูปที่ 2.3 ไม้ไผ่ซางหม่น ......................................................................................................................8 รูปที่ 2.4 การเพาะเลี้ยงไม้ไผ่ซางหม่น ................................................................................................8 รูปที่ 2.5 ระบบเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อด้วยไบโอรีแอกเตอร์แบบกึ่งจม .......................................................9 รูปที่ 2.6 ผลการเพิ่มความหนาแน่นของไม้ ...................................................................................... 12 รูปที่ 2.7 การเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างภายในหลังจากผ่านกระบวนการทางเคมี.......................... 13 รูปที่ 2.8 การเปลี่ยนแปลงของเนื้อไม้หลังจากผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นไม้ ..................... 13 รูปที่ 2.9 เครื่องอัดร้อน ................................................................................................................... 14 รูปที่ 2.10 การเกิดพันธะไฮโดรเจนในโครงสร้างเนื้อไม้ ................................................................... 15 รูปที่ 2.11 UNIVERSAL TESTING MACHINE......................................................................................... 16 รูปที่ 2.12 COMPACT ULTRA LOW TEMPERATURE CHAMBER ............................................................ 18 รูปที่ 2.13 THERMAL VACUUM CHAMBER (TVAC) ............................................................................. 19 รูปที่ 3.1 ขนาดดาวเทียมแต่ละขนาด [30] ...................................................................................... 24 รูปที่ 3.2 DETAIL DRAWING ของ ดาวเทียมขนาดเล็ก CUBESAT ขนาด 1U ......................................... 26 รูปที่ 3.3 แกนอ้างอิงของไม้ไผ่ ......................................................................................................... 27 รูปที่ 3.4 ขนาดของชิ้นงานทดสอบแนว 11 ..................................................................................... 28 รูปที่ 3.5 ขั้นตอนการเตรียมชิ้นงานทดสอบแนว 11 ........................................................................ 28 รูปที่ 3.6 ขนาดของชิ้นงานทดสอบแนว 22 ..................................................................................... 29 รูปที่ 3.7 ขั้นตอนการเตรียมชิ้นงานทดสอบแนว 22 ........................................................................ 29 รูปที่ 3.8 ขนาดชิ้นงานทดสอบการดัด [33] ..................................................................................... 30 รูปที่ 3.9 ขั้นตอนการเตรียมชิ้นงานทดสอบ..................................................................................... 30 รูปที่ 3.10 ขั้นตอนการเตรียมชิ้นงาน .............................................................................................. 31 รูปที่ 3.11 กระบวนการทางเคมี ...................................................................................................... 31 รูปที่ 3.12 กระบวนการอัดร้อน ....................................................................................................... 32 ฌ รูปที่ 3.13 ชิ้นงานทดสอบการคายก๊าซในสภาวะสุญญากาศและความร้อน ...................................... 33 รูปที่ 3.14 ชิ้นงานทดสอบผลการเปลี่ยนแปลงของอุณภูมิ ............................................................... 33 รูปที่ 3.15 โครงสร้าง CUBESAT ....................................................................................................... 35 รูปที่ 3.17 การ IMPORT ไฟล์จากโปรแกรม SOLIDWORKS ................................................................. 35 รูปที่ 3.16 โครงสร้าง CUBESAT กับ PAYLOAD .................................................................................. 35 รูปที่ 3.18 คุณสมบัติไม้ไผ่ที่ผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่น .................................................... 36 รูปที่ 3.19 คุณสมบัติอลูมิเนียม 6061 ............................................................................................. 36 รูปที่ 3.20 แนวการวางที่ 1 ............................................................................................................. 37 รูปที่ 3.21 แนวการวางที่ 2.............................................................................................................. 37 รูปที่ 3.22 (ก) การตัดชิ้นงานด้วยเลื่อยฉลุ (ข) การใช้ตะไบปรับผิว .................................................. 38 รูปที่ 3.23 ใช้ใบเลื่อยตัดเหล็กเลื่อยเซาะร่อง .................................................................................. 38 รูปที่ 3.24 การเจาะชิ้นงาน ............................................................................................................. 39 รูปที่ 3.25 การประกอบไม้ไผ่ .......................................................................................................... 39 รูปที่ 3.27 โครงสร้าง CUBESAT........................................................................................................ 40 รูปที่ 3.26 ตรวจสอบความถูกต้องของการประกอบ ........................................................................ 40 รูปที่ 4.1 ตัวอย่างชิ้นงานแนว 11 ขณะทาการทดสอบ..................................................................... 41 รูปที่ 4.2 ตัวอย่างชิ้นงานแนว 22 ขณะทาการทดสอบ..................................................................... 42 รูปที่ 4.3 กราฟผลการทดสอบชิ้นงานแนว 11 ................................................................................. 42 รูปที่ 4.4 กราฟผลการทดสอบชิ้นงานแนว 22 ................................................................................. 43 รูปที่ 4.5 ชิ้นงานขณะทาการทดสอบแรงดัด .................................................................................... 44 รูปที่ 4.6 ความเค้นดัดและความเครียด ........................................................................................... 44 รูปที่ 4.6 ความเค้นดัดและความเครียดดัด ...................................................................................... 44 รูปที่ 4.7 ขนาดชิ้นงานก่อนผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่น ..................................................... 45 รูปที่ 4.8 ชิ้นที่ผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นเนื้อไม้ ............................................................... 46 รูปที่ 4.9 โครงสร้างระดับจุลภาคของไม้ไผ่ก่อนการ DENSIFICATION .................................................. 47 รูปที่ 4.10 โครงสร้างระดับจุลภาคของไม้ไผ่หลังการ DENSIFICATION ................................................ 47 รูปที่ 4.11 ชิ้นงานขณะทาการทดสอบ ............................................................................................ 48 รูปที่ 4.12 กราฟผลการทดสอบไม้ไผ่ที่ผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นเนื้อไม้ .......................... 48 ญ รูปที่ 4.13 ผลการทดสอบการคายก๊าซ ............................................................................................ 50 รูปที่ 4.15 หน้าจอเครื่องทดสอบ..................................................................................................... 52 รูปที่ 4.14 ภาพชิ้นงานขณะทาการทดสอบ ..................................................................................... 52 รูปที่ 4.16 ภาพตัวอย่างการจาลองแนวการวางที่ 1 ......................................................................... 53 รูปที่ 4.17 ภาพตัวอย่างการจาลองแนวการวางที่ 2 ......................................................................... 53 รูปที่ 4.18 ภาพผลการจาลอง MODAL TEST..................................................................................... 56 รูปที่ 4.19 ภาพผลการจาลองแนวการวางที่ 1 ................................................................................. 57 รูปที่ 4.20 ภาพผลการจาลองแนวการวางที่ 2 ................................................................................. 57 รูปที่ 4.21 การปริแตกของไม้ไผ่ ...................................................................................................... 61 รูปที่ 4.22 แสดงชิ้นงานที่ประกอบไม่สมมาตร ................................................................................ 61 ฎ บทที่ 1 บทนา 1.1 ที่มาและความสาคัญของปัญหา ในปัจจุบัน ดาวเทียมขนาดเล็กประเภท CubeSat ได้รับความนิยมอย่างกว้างขวางในภารกิจ ด้านการสื่อสาร การสารวจ และงานวิจัย เนื่องจากมีต้นทุนต่า น้าหนักเบา และสามารถส่งขึ้นสู่วง โคจรระดับต่า (Low Earth Orbit: LEO) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม วัสดุโครงสร้างที่นิยม ใช้ในการผลิต CubeSat มักเป็นโลหะผสมอะลูมิเนียม (Aluminum Alloys) ซึ่งแม้จะมีสมบัติเชิงกลที่ ดี แต่เมื่อกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลก จะเกิดการเผาไหม้เป็นอนุภาคอะลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3) ที่มี ศักยภาพในการทาลายชั้นโอโซนในบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ อีกทั้งยังเป็นส่วนหนึ่งของปัญหา ขยะ อวกาศ (Orbital Debris) ที่คงอยู่ในวงโคจรเป็นเวลานาน ซึง่ อาจส่งผลกระทบต่อภารกิจอวกาศอื่นใน อนาคต จากงานวิจัยของ Neely และคณะ (2024) [1] พบว่า ในปี 2022 เพียงปีเดียว ดาวเทียมที่ตกสู่ โลกได้ปล่อยอนุภาคอะลูมิเนียมออกไซด์ ออกมามากถึง 17 เมตริกตัน และหากมีการส่งดาวเทียม เพิ่มขึ้น ตามแผนของหลายบริ ษั ท ทั่ว โลก ตัว เลขนี้อาจเพิ่ มสู งถึง 360 เมตริกตันต่ อปี อนุภาค อะลูมิเนียมออกไซด์ นี้ยังทาหน้าที่เป็น "ตัวเร่ง" ทางเคมี ซึ่งช่วยเร่งการสลายตัวของโมเลกุลโอโซน (O3) ได้อย่างต่อเนื่อง แม้จะมีอยู่เพียงเล็กน้อย แต่ก็สามารถก่อผลกระทบได้ในระยะยาว โอโซนเป็น ชั้นป้องกันสาคัญของโลกที่ช่วยกรองรังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ หากโอโซนลดลง อาจส่งผล กระทบต่อสิ่งมีชีวิตทั้งระบบนิเวศ รวมถึงสุขภาพของมนุษย์อย่างรุนแรง จากข้อมูลดังกล่าว งานวิจัยนี้จึงมีจุดมุ่งหมายเพื่อ พัฒนาโครงสร้าง CubeSat จากวัสดุไม้ไผ่ ซึ่งเป็นวัสดุทางเลือกที่มีความยั่งยืนทางสิ่งแวดล้อมและสามารถหาได้ง่าย โดยไม้ไผ่สามารถเผาไหม้ได้ อย่างรวดเร็วเมื่อเทียบกับ โลหะผสมอะลูมิเนียมและก่อให้เกิดไอเสียที่มีผลกระทบต่อชั้นโอโซนน้อย กว่าวัสดุโลหะ งานวิจัยนี้จึงมีความแตกต่างจากงานวิจัยอื่นโดย 1. มุ่งเน้นการใช้วัสดุไม้ไผ่ที่หาได้ง่ายในประเทศไทย 2. ทดสอบทั้งคุณสมบัติเชิงกลและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากการ Re-entry 3. อ้างอิงมาตรฐานสากลของ NASA และ ESA ในการประเมินความสอดคล้อง 4. เน้นกระบวนการพัฒนาให้เป็นไปตามระบบวิศวกรรม (Systems Engineering) 1 ซึ่งผลลัพธ์ที่ได้จะไม่เพียงช่วยพัฒนาวัสดุเชิงพาณิชย์สาหรับอุตสาหกรรมอวกาศเท่านั้น แต่ยังเป็น ต้นแบบของ เทคโนโลยีอวกาศที่ยั่งยืน (Clean Space) ที่สามารถประยุกต์ใช้ในประเทศกาลังพัฒนา และสอดคล้องกับแนวโน้มการลดคาร์บอนและลดขยะอวกาศในอนาคต 1.2. วัตถุประสงค์ 1. ทาการทดสอบเพื่ อ เปรี ยบเที ยบสมรรถนะทางกลและทางความร้ อนระหว่างวั สดุ ไ ม้ ไผ่ กับอะลูมิเนียมอัลลอยด์เกรดอากาศยาน 2. เพื่อออกแบบและพัฒนาส่วนประกอบโครงสร้างหลักของดาวเทียม CubeSat จากวัสดุไม้ไผ่ แทนวัสดุอะลูมิเนียมอัลลอยด์ 3. เพื่อจาลองการสลายตัวของวัสดุระหว่างกลับสู่โลก วิเคราะห์ก๊าซที่ส่งผลต่อชั้นโอโซน และ ประเมินความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมตามมาตรฐาน ISO 24113 และ NASA-STD-8719.144 1.3 ขอบเขตโครงงาน 1. วัสดุที่นามาพิจารณา คือ อะลูมิเนียมอัลลอยด์และวัสดุไม้ไผ่ ซึ่งมีจาหน่ายในประเทศไทย 2. การทดสอบและพัฒนาวัสดุดาเนินการบนโลก 1.4 ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับ ผลลัพธ์ที่หวังจากการทาโครงการนี้คือ การได้ต้นแบบยานดาวเทียมขนาดเล็ก (CubeSat) ที่มี โครงสร้างมาจากวัสดุไม้ไผ่ ซึ่งจะสามารถลดมลพิษที่เกิดขึ้น และสร้างความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และยังสามารถประยุกต์ใช้กับอุตสาหกรรมในอนาคต 1.5 งบประมาณ งบประมาณเบื้องต้นในการดาเนินโครงการจานวน 10,000 บาท รายละเอียดค่าใช้จ่ายทั้งหมด แสดงไว้ในภาคผนวก 2 1.6 แผนการดาเนินงาน รูปที่ 1.1 แผนการดาเนินงาน 3 1.7 Project Framework รูปที่ 1.2 Project Framework 4 บทที่ 2 งานวิจัยและทฤษฎีที่เกีย่ วข้อง โครงงานนี้เป็นการพัฒนาวัสดุคอมโพสิตที่ทามาจากไม้ไผ่ จึงต้องมีการศึกษาความรู้ที่เกี่ยวข้อง ในโครงงานเพื่อให้มั่นใจว่าวัสดุ คอมโพสิตมี ประสิทธิภาพตามที่ต้องการและตรงตามมาตรฐานที่ กาหนดไว้ การศึกษาคุณสมบัติของวัสดุและการทดสอบวัสดุ จึงมีความสาคัญ เช่น โครงสร้างจุลภาค ของไม้ไผ่ การทดสอบวัสดุสาหรับการใช้งานในดาวเทียม CubeSat มาตรฐานในการทดสอบ งานวิจัย ที่เกี่ยวข้อง สาหรับการทดสอบวัสดุ จะแบ่งเป็น การทดสอบทางกล การทดสอบทางอุณหภูมิ และการ ทดสอบในสภาพแวดล้อมอวกาศ 2.1 ชั้นโอโซน[2] ชั้นโอโซน (Ozone Layer) หมายถึง บริเวณในชั้นบรรยากาศของโลกที่มีความเข้มข้นของก๊าซ โอโซน (O₃) สูงกว่าบริเวณอื่น ก๊าซโอโซนเป็นโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมออกซิเจนจานวนสาม อะตอม ซึ่งแตกต่างจากก๊าซออกซิเจนทั่ว ไป (O₂) ที่มีเพียงสองอะตอมต่อหนึ่งโมเลกุล โอโซนมี คุณสมบัติสาคัญคือสามารถดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet Radiation: UV) จากดวงอาทิตย์ โดยเฉพาะรังสี UV-C เกือบทั้งหมดและรังสี UV-B ส่วนใหญ่ ซึ่งเป็นรังสีที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต การดารงอยู่ของชั้นโอโซนจึงมีบทบาทสาคัญในการปกป้องสิ่งมีชีวิตบนโลกจากผลกระทบที่เป็น อันตรายของรังสีดังกล่าว ตาแหน่งของชั้นโอโซนพบมากที่สุดในชั้น สตราโตสเฟียร์ (Stratosphere) ซึ่งอยู่เหนือพื้น โลกที่ระดับความสูงประมาณ 15–35 กิโลเมตร โดยมีความเข้มข้นสูงสุดที่ระดับความสูงราว 20–25 กิโลเมตร อย่างไรก็ตาม ปริมาณโอโซนมิได้กระจายตัวอย่างสม่าเสมอทั่วโลก แต่ขึ้นอยู่กับปัจจัยทาง ภูมิศาสตร์ ฤดูกาล และสภาพบรรยากาศ เช่น บริเวณเขตร้อนมักมีความหนาแน่นของชั้นโอโซนน้อย กว่าในเขตอบอุ่นและบริเวณขั้วโลก แม้ว่าโอโซนจะมีสัดส่วนคิดเป็นไม่ถึง 0.01% ขององค์ประกอบบรรยากาศทั้งหมด แต่ก็มี ความสาคั ญ ยิ่ ง ต่ อ การดารงชี วิ ต บนโลก หากนาโอโซนทั้ ง หมดในชั้ น บรรยากาศมากดรวมที่ ระดับน้าทะเล จะมีความหนาเพียงประมาณ 3 มิลลิเมตร เท่านั้น เพื่อความสะดวกในการศึกษาทาง วิทยาศาสตร์ มีการใช้หน่วยวัดที่เรียกว่า Dobson Unit (DU) โดย 1 DU หมายถึงชั้นโอโซนที่มีความ หนา 0.01 มิลลิเมตร ภายใต้สภาวะความดันและอุณหภูมิที่ระดับน้าทะเล ความหนาเฉลี่ยของชั้น 5 โอโซนทั่วโลกอยู่ที่ประมาณ 300 DU ทั้งนี้ หากบริเวณใดมีค่าความหนาต่ากว่า 220 DU จะถือว่าเกิด “รูโอโซน” (Ozone Hole) ซึ่งพบได้ชัดเจนที่สุดในพื้นที่แถบขั้วโลกใต้ รูปที่ 2.1 ความหนาของชั้นโอโซน ณ วันที่ 26 สิงหาคม พ.ศ.2568 [3] 2.2 อนุภาคอะลูมินา [4][5] อะลูมินา (Al₂O₃) หรืออะลูมิเนียมออกไซด์ เป็นสารประกอบอนินทรีย์ ที่เกิดจากการรวมตัว ของอะลูมิเนียมและออกซิเจน มักอยู่ในรูปของผงสีขาวหรืออนุภาคขนาดนาโนถึงไมโครเมตร โดยใน อุตสาหกรรมอวกาศ อลูมินาเกิดจากการเผาไหม้ของการเสียดสีของโครงสร้างดาวเทียมขณะกลับสู่ชั้น บรรยากาศ เชื้อเพลิงแข็งที่มีส่วนผสมของสารประกอบอะลูมิเนียม เช่น อะลูมิเนียมผง (Al) ใน เชื้อเพลิง Solid Rocket Motor (SRM) ซึ่งเมื่อทางานจะเกิดปฏิกิริยาการเผาไหม้ที่อุณหภูมิสูง ทาให้ อลูมิเนียมทาปฏิกิริยากับออกซิเจน เกิดเป็นอนุภาคAl₂O₃ ขนาดเล็กและถูกปล่อยออกสู่ชั้น บรรยากาศสตราโทสเฟียร์ (Stratosphere)อนุภาคอลูมินามีคุณสมบัติเด่นคือมีความเสถียรทางเคมีสูง ทนต่อการสลายตัว และมีพื้นผิวจาเพาะสูง เมื่อแพร่กระจายในชั้นบรรยากาศที่สูง อนุภาคเหล่านี้ สามารถเป็นตัวกลางในการเกิดปฏิกิริยาเคมีแบบ (heterogeneous reactions) ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่ เกิดบนผิวของอนุภาค โดยเฉพาะการกระตุ้นให้สารประกอบคลอรีนที่ไม่ทาลายโอโซน เช่น HCl หรือ ClONO₂ ถูกเปลี่ยนสภาพเป็นคลอรีนอะตอม (Cl•) ที่มีความว่องไวในการทาลายโมเลกุลโอโซน (O₃) ผ่านกลไกที่อนุภาคอลูมินาส่งผลต่อชั้นโอโซนมีได้หลายทาง ได้แก่ 6 เร่งปฏิกิริยาเคมีบนพื้นผิว (Heterogeneous Catalysis) อนุภาคอลูมินาสามารถทาหน้าที่เป็นพื้นผิวที่ช่วยให้ปฏิกิริยาเคมีที่ทาลายโอโซนเกิดขึ้นได้ง่าย ขึ้น โดยเฉพาะปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับสารประกอบคลอรีนและไนโตรเจน จากสมการที่ 2.1 สมการ เคมีแสดง ปฏิกิริยาเฮเทอโรจีเนียส (Heterogeneous Reaction) ที่เกิดบนพื้นผิวอนุภาคในชั้น บรรยากาศ ClONO₂ + HCl → Cl₂ + HNO₃ (2.1) เมื่อ Cl₂ สลายตัวด้วยรังสี UV จะเกิดอะตอมคลอรีน (Cl•) ที่สามารถทาลายโอโซนได้อย่างต่อเนื่อง การดูดซับและกระจายตัวของความร้อนในชั้นบรรยากาศ อนุภาคอลูมินาสามารถดูดซับรังสีดวงอาทิตย์และปล่อยพลังงานความร้อน ทาให้เกิดการ เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในบริเวณสตราโตสเฟียร์ ซึ่งส่งผลกระทบต่อสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ที่ควบคุม สมดุลโอโซน การคงอยู่ของอนุภาคในชั้นบรรยากาศ อนุภาค Al₂O₃ ที่เกิดจากการเผาไหม้ในชั้นบรรยากาศสูงอาจตกค้างเป็นเวลาหลายเดือนถึง หลายปี โดยเฉพาะเมื่อเกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงแข็งของจรวด หรือการเผาไหม้ชิ้นส่วนดาวเทียม ขณะ Re-entry ซึ่งเพิ่มโอกาสให้อนุภาคเหล่านี้เข้ามามีบทบาทในวงจรเคมีที่ทาลายโอโซน งานศึกษาหลายฉบับ ได้แสดงให้เห็นว่า การปล่อยอนุภาคโลหะออกไซด์จากกิจกรรมอวกาศมี ส่วนร่วมต่อการเปลี่ยนแปลงสมดุลของโอโซน และคาดว่าปริมาณการปล่อยนี้จะเพิ่มขึ้นตามการ ขยายตัวของภารกิจดาวเทียมและการปล่อยจรวดในอนาคต ดังนั้น การเลือกวัสดุทดแทนที่เป็นมิตร ต่อสิ่งแวดล้อม หรือการพัฒนาแนวทางเพื่อลดการปลดปล่ อยอนุภาคอลูมินา จึงเป็นหัวข้อวิจัยที่ จาเป็นต่อความยั่งยืนของอุตสาหกรรมอวกาศ รูปที่ 2.2 ดาวเทียมที่ปฏิบัติการในวงโคจรต่าของโลกและการกลับเข้าสู่บรรยากาศของโลก [6] 7 2.3 ไผ่ซางหม่น [7][8][9] รูปที่ 2.3 ไม้ไผ่ซางหม่น ไม้ไผ่ซางหม่น หรือที่รู้จักอีกชื่อหนึ่งว่า ไผ่นวลราชินี เป็นไม้ไผ่พื้นเมืองของไทย โดยเฉพาะใน เขต ภาคเหนือ ซึ่งพบการปลูกมากที่สุด ลักษณะของพันธุ์นี้โดดเด่นตรงที่ ลาต้นใหญ่สม่าเสมอ สูง เฉลี่ยประมาณ 25–30 เมตร และมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าไม้ไผ่ชนิดอื่น อีกทั้งยังมี เนื้อไม้หนา แข็งแรง และแตกกิ่งแขนงน้อย จึงสามารถนาไปใช้ประโยชน์ได้ตลอดทั้งลาต้น ไม่ว่าจะเป็นงาน ก่อสร้าง งานอุตสาหกรรม หรือการพัฒนาเป็นวัสดุใหม่ในเชิงวิศวกรรม รูปที่ 2.4 การเพาะเลี้ยงไม้ไผ่ซางหม่น โดยทั่วไปแล้ว ไม้ไผ่หลายสายพันธุ์ที่ถูกเพาะเลี้ยงในงานวิจัย มักใช้วิธีการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ แบบ Somatic Embryogenesis (SE) หรือการชักนาให้เซลล์ร่างกายพัฒนาเป็นต้นอ่อนผ่านระยะ ของแคลลัส (callus) วิธีนี้สามารถสร้างต้นอ่อนได้จานวนมากและใช้กันอย่างกว้างขวางในงานทดลอง แต่ก็มีข้อจากัด คือกระบวนการค่อนข้างซับซ้อน ต้องใช้เวลานาน และอัตราความสาเร็จไม่สม่าเสมอ เมื่อนาไปใช้จริงในระดับอุตสาหกรรมจึงไม่ค่อยตอบโจทย์ในเรื่องความรวดเร็วและประสิทธิภาพ 8 รูปที่ 2.5 ระบบเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อด้วยไบโอรีแอกเตอร์แบบกึ่งจม สาหรับ ไม้ไผ่ซางหม่น หรือที่เรียกว่าไผ่นวลราชินี ใช้การเพาะเลี้ยงในระบบ Temporary Immersion Bioreactor (TIB) ซึ่งเป็นเทคนิคที่ให้ต้นอ่อนสัมผัสกับอาหารเลี้ยงเพียงเป็นช่วงเวลา แล้วเว้นช่วงเพื่อให้มีการแลกเปลี่ยนแก๊สที่เพียงพอ วิธีนี้ช่วยลดปัญหาการเจริญที่ผิดปกติและทาให้ต้น อ่อนแข็งแรงกว่าวิธีดั้งเดิม ผลการวิจัยจาก สวทช. ยังยืนยันว่า การเพาะเลี้ยงซางหม่นด้วย TIB สามารถเร่งการเติบโตได้เร็วกว่าวิธี SE ทั่วไปถึง 3–5 เท่า อีกทั้งยังได้ต้นกล้าที่สม่าเสมอ เหมาะกับ การผลิตเชิงพาณิชย์และการนาไปใช้ต่อยอดในงานอุตสาหกรรม จึงถือเป็นข้อได้เปรียบสาคัญ ไม่ เพียงแต่โตเร็วและได้ต้นแข็งแรง แต่ยังสามารถนาไปใช้ในโครงการที่ต้องการวัสดุคุณภาพสูง เช่น การ พัฒนาโครงสร้างคอมโพสิตสาหรับดาวเทียม CubeSat ซึ่งต้องอาศัยทั้งความแข็งแรง ความสม่าเสมอ และความยั่งยืนทางสิ่งแวดล้อมควบคู่กันไป 2.3.1 โครงสร้างจุลภาคและองค์ประกอบของไม้ไผ่ [10][11] ไม้ไผ่เป็นวัสดุธรรมชาติที่มีโครงสร้างภายในเฉพาะตัว โดยในโครงการนี้เลือกใช้ไม้ไผ่พันธุ์ซาง หม่น ซึ่งจัดเป็นวัสดุแบบออร์โธทรอปิก (orthotropic material) กล่าวคือ สมบัติเชิงกลในแต่ละ ทิศทางมีค่าแตกต่างกัน เนื่องจากโครงสร้างจุลภาคมีความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน (non-homogeneous) และไม่สมมาตรตามทิศทางของลาต้น ในระดับจุลภาค โครงสร้างภายในของไม้ไผ่ประกอบด้วยมัดท่อลาเลียง (vascular bundles) ที่กระจายอยู่ภายในเนื้อเยื่อพื้น (ground tissue) โดยมัดท่อลาเลียงเหล่านี้มีเส้นใยเซลลูโลส (cellulose fibers) เป็นองค์ประกอบหลัก ซึ่งมีการจัดเรียงตัวในแนวตามยาวของลาต้น ส่งผลให้ไม้ไผ่ 9 มีความแข็งแรงต่อแรงดึงและความแข็งแกร่งสูงในทิศทางตามแนวเส้นใย นอกจากนี้ ผนังเซลล์ของไม้ ไผ่ยังมีโครงสร้างหลายชั้น ซึ่งช่วยเพิ่มทั้งความแข็งแรงและความยืดหยุ่นของวัสดุ ในด้านองค์ประกอบทางเคมี ไม้ไผ่เช่นเดียวกับไม้ธรรมชาติทั่วไป เป็นวัสดุชีวภาพที่มีโครงสร้าง เชิงลาดับชั้น (hierarchical structure) ประกอบด้วยองค์ประกอบหลัก 3 ส่วน ได้แก่ เซลลูโลส (cellulose) เฮมิ เ ซลลู โ ลส (hemicellulose) และลิ ก นิ น (lignin) โดยเซลลู โ ลสทาหน้า ที่ เ ป็ น โครงสร้างหลักของผนังเซลล์ ให้ความแข็งแรงและความสามารถในการรับแรงเชิงกล ขณะที่ลิกนินทา หน้าที่เป็น สารยึดประสานระหว่างเส้นใย ช่ว ยเพิ่มความแข็ง ความคงรูป และความเสถียรของ โครงสร้าง ส่วนเฮมิเซลลูโลสทาหน้าที่เชื่อมโยงระหว่างเซลลูโลสและลิกนิ น อย่างไรก็ตาม ลิกนินและ เฮมิเซลลูโลสมีแนวโน้มในการดูดซับความชื้นและมีความเปราะมากกว่าเซลลูโลส การจัดเรียงตัวของโครงสร้างจุลภาคและองค์ประกอบทางเคมีดังกล่าวส่งผลต่อสมบัติเชิงกล ของไม้ไผ่โดยตรง เช่น ความแข็งแรงแรงดึง (tensile strength) ความแข็งแกร่ง (stiffness) และ ความสามารถในการรับแรงสั่นสะเทือน ซึ่งเป็นพื้นฐานสาคัญสาหรับการวิเคราะห์และการประยุกต์ใช้ ไม้ไผ่ในงานวิศวกรรมในขั้นตอนต่อไปของโครงการ 2.3.2 การเลือกตาแหน่งตัด ไม้ไผ่มีความหนาแน่นของมัดท่อลาเลียงที่แตกต่างกันตามความสูงของลาต้น โดยส่วนโคนมักมี มัดท่อลาเลียงหนาแน่นกว่าส่วนปลาย อีกทั้งในตาแหน่งต่าง ๆ ของเนื้อวัสดุก็มีความแข็งแรงไม่เท่ากัน บริเวณขอบนอกของลาไม้จะมีความแข็งแรงสูงกว่า และจะค่อย ๆ ลดลงเมื่ออยู่ลึกเข้าด้านใน ดังนั้น การเลือกตาแหน่งตัดจึงมีผลโดยตรงต่อสมบัติเชิงกลของชิ้นงานที่นาไปใช้งาน 2.3.3 การประเมินแรงดึง/แรงกด เนื่องจากไม้ไผ่มีลักษณะเป็น ออร์โธทรอปิก (orthotropic) ความแข็งแรงจึงแตกต่างในแต่ละ ทิศ โดยเฉพาะแรงดึงและแรงกด ซึ่งในแนวตามยาวจะสูงกว่าทิศรัศมีและสัมผัสหลายเท่า การ ออกแบบต้องอ้างอิงค่าความแข็งแรงเฉพาะทิศเพื่อความปลอดภัย 2.4 วัสดุ Orthotropic [12] วัสดุ Orthotropic คือวัสดุที่มีสมบัติเชิงกลหรือสมบัติกายภาพแตกต่างกันในสามทิศทางหลัก ซึ่งตั้งฉากกัน ได้แก่ แกน longitudinal-L (11), radial-R (22) และ tangential-T (33) โดยสมบัติ ของวัสดุในแต่ละทิศทางจะไม่สามารถแทนกันได้ ซึ่งมีทั้งหมด 9 ตัวแปร จากสมการ 2.2 10 1 −𝑣𝐿𝑅 −𝑣𝐿𝑇 𝐸𝐿 −𝑣𝑅𝑇 𝐸𝑅 1 𝐸𝑇 −𝑣𝑅𝑇 𝐸𝑅 −𝑣𝑇𝑅 𝐸𝑅 1 𝐸𝑅 𝐸𝑇 0 0 0 0 0 0 0 0 𝜖𝐿𝐿 𝐸𝐿 𝜖𝑅𝑅 −𝑣𝑇𝐿 𝜖 𝑇𝑇 𝐸𝐿 𝛾𝐿𝑅 = 0 𝛾𝐿𝑇 [𝛾𝑅𝑇 ] 0 [ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 𝐺𝐿𝑅 0 1 𝐺𝐿𝑇 0 𝜎𝐿𝐿 𝜎𝑅𝑅 0 𝜎 𝑇𝑇 𝜏𝐿𝑅 0 𝜏𝐿𝑇 [ 𝜏 𝑅𝑇 ] 0 (2.1) 1 𝐺𝑅𝑇 ] โดยที่ 𝑣 คือค่า Poisson’s ratio 𝐸 คือค่า young’s modulus 𝐺 คือค่า shear modulus 𝜎, 𝜏 คือ normal stress และ shear stress 𝜖, 𝛾 คือ normal strain และ shear strain 2.5 ทฤษฎีวสั ดุผสม [13] วัสดุคอมโพสิต คือ วัสดุที่ประกอบด้วยวัสดุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไป โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนา คุณสมบัติและเพิ่มประสิทธิภาพมากขึ้น ตามลักษณะการใช้งาน วัสดุคอมโพสิตมีองค์ประกอบหลัก 2 ส่วน ได้แก่ 1. วัสดุเสริมแรง (Reinforcement) ซึ่งอาจอยู่ในรูปเส้นใย อนุภาค หรือแผ่นบาง เช่น เส้นใย แก้ว เส้นใยคาร์บอน รวมถึงเส้นใยธรรมชาติ เช่น ป่าน ไม้ไผ่ และปอ ทาหน้าที่เพิ่มความแข็งแรง ความแข็ง และความทนทานของวัสดุ 2. วัสดุเนื้อหลักหรือเมทริกซ์ (Matrix) ทาหน้าที่ประสานและยึดวัสดุเสริมแรงให้อยู่รวมกัน รวมถึงช่วยถ่ายโอนแรงและปกป้องวัสดุเสริมแรงจากความเสียหายที่เกิดจากโหลดที่มากระทา โดยวัสดุคอมโพสิตสามารถพิจารณาได้ 2 เกณฑ์หลัก ดังนี้ 1. การจาแนกตามโครงสร้างของวัสดุเสริมแรง 1.1 คอมโพสิตเสริมแรงด้วยเส้นใย (Fiber-Reinforced Composites)ใช้เส้นใยเป็นวัสดุเสริมแรง ซึ่งอาจเป็นเส้นใยต่อเนื่อง หรือไม่ต่อเนื่อง สามารถออกแบบให้ วัสดุรับแรงในทิศทางที่ ต้องการได้ 1.2 คอมโพสิตเสริมแรงด้วยอนุภาค (Particle-Reinforced Composites)ใช้อนุภาคแข็งหรือ อนุภาคขนาดเล็กกระจายอยู่ในเมทริกซ์ เพื่อเพิ่มความแข็ง ความทนทานต่อการสึกหรอ และรับแรงกดอัดได้ดี 11 1.3 คอมโพสิตเชิงโครงสร้าง (Structural Composites)ประกอบจากหลายชั้น หรือโครงสร้าง แบบแซนด์วิช ซึ่งให้ความแข็งแรงสูงแต่น้าหนักเบา 2. จาแนกตามวัสดุเนื้อหลักหรือเมทริกซ์ (Matrix) 2.1 โพลิเมอร์เมทริกซ์คอมโพสิต (Polymer Matrix Composites: PMC) ใช้พอลิเมอร์ เป็น เมทริกซ์ โดยมีการเสริมแรงด้วยเส้นใยแก้ว เส้นใยคาร์บอน หรือเส้นใยอะรามิด วัสดุ ประเภทนี้มีคุณสมบัติเด่นคือน้าหนักเบา ผลิตง่าย และทนการกัดกร่อน 2.2 เมทัลเมทริกซ์คอมโพสิต (Metal Matrix Composites: MMC) มีเมทริกซ์เป็นโลหะ โดย เสริมแรงด้วยซิลิคอนคาร์ไบด์ โบรอนคาร์ไบด์ หรือคาร์บอน วัสดุประเภทนี้มีความแข็งแรง สูง สามารถทนต่อความร้อนและการสึกหรอได้ดี 2.3 เซรามิกเมทริกซ์คอมโพสิต (Ceramic Matrix Composites: CMC) ใช้เซรามิกเสริมแรง ด้วยเส้นใยคาร์บอนหรือเส้นใยเซรามิก เพื่อเพิ่มความเหนียวลดความเปราะและ ทนความ ร้อนได้สูง 2.6 Wood Densification (การเพิ่มความหนาแน่นของไม้) [14] ไม้และไม้ไผ่เป็นวัสดุธรรมชาติที่มีศักยภาพสูงในงานวิศวกรรมเนื่องจากมีน้าหนักเบา แข็งแรง และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม การใช้งานไม้ในเชิงโครงสร้างมักถูกจากัดด้วยความ หนาแน่นต่า ความไม่สม่าเสมอของโครงสร้างภายใน และความไวต่อความชื้น ด้วยเหตุนี้จึงมีการ พัฒนากระบวนการปรับปรุงสมบัติของไม้ในระดับจุลภาคเพื่อเพื่ อประสิทธิภาพในการใช้งานโดยมี ขั้นตอนการทางานดังนี้ รูปที่ 2.6 ผลการเพิ่มความหนาแน่นของไม้ 12 2.6.1 การกาจัดลิกนิน (Delignification) การกาจัดลิกนินบางส่วนเป็นแนวคิดที่พัฒนามาจากกระบวนการในอุตสาหกรรมเยื่อกระดาษ โดยใช้สารเคมี เช่น โซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) และโซเดียมซัลไฟต์ (Na₂SO₃) ซึ่งสามารถทา ปฏิกิริยากับลิกนินและเฮมิเซลลูโลสได้ง่ายกว่าเซลลูโลส เมื่อมีการกาจัดลิกนินออกบางส่วน โครงสร้าง ผนังเซลล์ไม้จะเกิดการอ่อนตัวและมีความยืดหยุ่นมากขึ้น ส่งผลให้ไม้สามารถเปลี่ยนรูปได้ง่ายภายใต้ แรงอัดการปรับสภาพดังกล่าวเป็นขั้นตอนสาคัญที่ช่วยเตรียมโครงสร้างไม้ให้เหมาะสมต่อการเพิ่ม ความหนาแน่นในขั้นตอนถัดไป รูปที่ 2.7 การเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างภายในหลังจากผ่านกระบวนการทางเคมี 2.6.2 การเพิ่มความหนาแน่นของไม้ (Wood Densification) การเพิ่มความหนาแน่นของไม้เป็นกระบวนการที่มุ่งลดช่องว่างภายในเซลล์ไม้หรือโพรงเซลล์ (lumina) ทาให้ปริมาตรของไม้ลดลงและความหนาแน่นเพิ่มขึ้น ตามหลักทฤษฎี สมบัติเชิงกลของไม้ เช่น ความแข็งแรงและความแข็ง จะเพิ่มขึ้นตามความหนาแน่นที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตาม หากไม่มีการ ปรับสภาพโครงสร้างล่วงหน้า ไม้อาจเกิดการคืนรูป (spring-back) หรือสูญเสียเสถียรภาพเชิงมิติได้ จึงต้องการผสมผสานกระบวนการกาจัดลิกนินเข้ากับกระบวนการอัดร้อน รูปที่ 2.8 การเปลี่ยนแปลงของเนื้อไม้หลังจากผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นไม้ 13 การอัดร้อน (hot pressing) ช่วยให้โครงสร้างไม้ที่ถูกอัดแน่นมีความเสถียรและคงรูปได้ดียิ่งขึ้น โดยความร้อนและแรงอัดร่วมกันกระตุ้นให้ผนังเซลล์ไม้เกิดการเปลี่ยนรูปถาวร เส้นใยเซลลูโลส จัดเรียงตัวอย่างใกล้ชิด และเพิ่มประสิทธิภาพการยึดเหนี่ยวภายในโครงสร้าง ส่งผลให้ลดการคืนรูป (spring-back) และเพิ่มเสถียรภาพเชิงมิติของไม้หลังการอัดแน่น รูปที่ 2.9 เครื่องอัดร้อน 2.6.3 การเสริมแรงด้วยเส้นใย (Fiber Reinforcement Theory) ไม้สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นวัสดุคอมโพสิตตามธรรมชาติ โดยเส้นใยเซลลูโลสทาหน้าที่เป็นตัว เสริมแรง (reinforcement) และลิกนิน ทาหน้า ที่ เป็ นเมทริ กซ์ (matrix) การเรียงตัว ของเส้ น ใย เซลลูโลสในทิศทางเดียวกันช่วยเพิ่มความสามารถในการรับแรง โดยเฉพาะแรงดึงและแรงดัด เมื่อไม้ ผ่า นกระบวนการอั ด แน่ น เส้ น ใยจะอยู่ ใ กล้ กั น มากขึ้ น ทาให้ การถ่า ยโอนแรงระหว่า งเส้ น ใยมี ประสิทธิภาพสูงขึ้น ส่งผลให้ความแข็งแรงเชิงกลโดยรวมของไม้เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสาคัญ 2.6.4 พันธะไฮโดรเจน (Hydrogen Bonding Theory) เซลลูโลสประกอบด้วยหมู่ไฮดรอกซิล (–OH) จานวนมาก ซึ่งสามารถสร้างพันธะไฮโดรเจน ระหว่างสายโซ่โมเลกุลได้ เมื่อโครงสร้างไม้ถูกอัดให้เส้นใยเซลลูโลสอยู่ใกล้ชิดกันมากขึ้น จานวนพันธะ ไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้แรงยึดเหนี่ยวภายในวัสดุสูงขึ้น กลไกการยึดเหนี่ยวนี้มีบทบาท สาคัญในการเพิ่มทั้งความแข็งแรงและความเหนียวของไม้ที่ผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่น 14 Hydrogen bond รูปที่ 2.10 การเกิดพันธะไฮโดรเจนในโครงสร้างเนื้อไม้ 2.6.5 อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้าหนัก (Specific Strength) อั ต ราส่ ว นความแข็ ง แรงต่ อ น้า หนั ก (specific strength) เป็ น ตั ว ชี้ วั ด สาคั ญ สาหรั บ วัส ดุ โครงสร้างน้าหนักเบา แม้ไม้จะมีความหนาแน่นต่ากว่าโลหะหลายชนิด แต่เมื่อผ่านกระบวนการเพิ่ม ความหนาแน่นและการปรับโครงสร้างภายในแล้ว ไม้สามารถมีค่า specific strength สูงกว่าโลหะ บางประเภท คุณสมบัติดังกล่าวทาให้ไม้ที่ผ่านการ densification มีศักยภาพในการนาไปใช้งานใน งานวิศวกรรมและโครงสร้างที่ต้องการวัสดุแข็งแรงแต่น้าหนักเบา 15 2.7 การทดสอบ 2.7.1 การทดสอบทางกล (Mechanical Testing) [15] 2.7.1.1 การทดสอบแรงดึง การทดสอบแรงดึง (Tensile Testing) เป็นการทดสอบหาค่าความแข็งแรงของวัสดุ เป็นการ ทดสอบแบบทาลาย โดยนาชิ้นงานตัวอย่างมาจับยึดกับเครื่องทดสอบแรงดึง (Universal Testing Machine หรือ UTM) จากนั้นออกแรงดึงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง กระทั่งชิ้นงานขาดจากกัน ระหว่างทา การทดสอบเครื่องจะทาการบันทึกข้อมูลต่างๆ เช่น แรงที่ใช้ในการดึง ระยะยืดตัว และเวลาที่ใช้ รูปที่ 2.11 Universal Testing Machine ทาการบันทึกค่าของแรงดึงและระยะยืดตัว เพื่อนาไปคานวณค่าความเค้นและความเครียดดึง จากสมการที่ (2.2) และ (2.3) โดยที่ค่าระหว่างความเค้นและความเครียดดึง แสดงในรูปของกราฟ Stress-Strain สามารถใช้สาหรั บการคานวณค่า ความชัน (Slope) ซึ่งเป็นตัวแทนของยั งมอดู ลั ส (Young’s Modulus : 𝐸) ตามสมการที่ (2.4) σ= F (2.2) A โดยที่ σ คือความเค้นดึง (MPa), F คือแรงดึง (N), A คือพื้นที่หน้าตัดพิกัด (mm2) 𝜀= ∆L L0 (2.3) โดยที่ 𝜀 คือความเครียด (mm/mm), ∆L คือระยะการเสียรูป ดึ ง (mm), L0 คือความยาว เริ่มต้น (mm) 𝐸= ∆σ ∆𝜀 โดยที่ 𝐸 คือยังมอดูลัส (GPa), σ คือความเค้นดึง (MPa), 𝜀 คือความเครียด (mm/mm) 16 (2.4) 2.7.1.2 การทดสอบการดัด การทดสอบการดัด (Bending test) เป็นการทดสอบเพื่อหาค่าความแข็งแรงของวัสดุภายใต้ แรงดัด จัดเป็นการทดสอบแบบทำลาย โดยนำชิ้นงานทดสอบมาวางบนแท่นรองรับของเครื่องทดสอบ สากล (Universal Testing Machine: UTM) หรือเครื่องทดสอบการดัด จากนั้นทำการออกแรงกดลง บนชิ้นงานอย่างต่อเนื่องจนกระทั่งชิ้นงานเกิดการเสียรูปถาวรหรือแตกหัก ระหว่างการทดสอบ เครื่อง จะทำการบันทึกข้อมูลที่สำคัญ เช่น ค่าแรงที่กระทำต่อชิ้นงาน ระยะการโก่งตัวของชิ้นงาน และเวลาที่ ใช้ในการทดสอบ ข้อมูลที่ได้จากการทดสอบสามารถนำมาคำนวณเพื่อหาคุณสมบัติทางกลของวัสดุ เช่น ความแข็งแรงดัด (Flexural strength) ซึ่งใช้เป็นตัวชี้วัดความสามารถของวัสดุในการรับแรงดัด และความแข็งของวัสดุ การทดสอบการดัดนิยมใช้กับวัสดุที่มีลักษณะเป็นแท่งหรือแผ่น เช่น ไม้ โลหะ และวัสดุคอมโพสิต เนื่องจากสามารถสะท้อนพฤติ กรรมของวัสดุภายใต้แรงดัดได้ใกล้เคียงกับการใช้ งานจริงในงานโครงสร้าง ทาการบัน ทึกค่าของแรงดัดและระยะการเคลื่อนที่ เพื่อนาไปคานวณค่าความเค้น ดั ด และ ความเครียดดัดจากสมการที่ (2.5) และ (2.6) โดยที่ค่าระหว่างความเค้นดัดและความเครียดดึง แสดง ในรูปของกราฟ Stress-Strain สามารถใช้สาหรับการคานวณค่า ความชัน ซึ่งเป็นตัวแทนของยังมอดูลัส (Young’s Modulus : 𝐸) ตามสมการที่ (2.7) 𝜎𝑓 = 3FL 2bh2 (2.5) โดยที่ 𝜎𝑓 คือความเค้นดัด (MPa), F คือแรง (N), L คือความยาวระหว่างจุดรองรับ (mm), b คือ ความกว้างตามแนวสัมผัส (mm), h คือ ความหนาของชิ้นงาน (mm) 𝜀𝑓 = 6sh L2 (2.6) โดยที่ 𝜀𝑓 คือความเครียดดัด (mm/mm), 𝑠 คือระยะการเสียรูป (mm), h คือ ความหนาของ ชิ้นงาน (mm), L คือความยาวระหว่างจุดรองรับ (mm) 𝐸𝑓 = 𝜎𝑓 𝜀𝑓 (2.7) โดยที่ 𝐸 คือ ยังมอดูลัส การดัดงอ (GPa), σ คือความเค้น ดัด (MPa), 𝜀 คือความเครียดดัด (mm/mm) 17 2.7.2 การทดสอบทางความร้อน (Thermal Testing) [17] 2.7.2.1 การทดสอบผลการเปลี่ยนแปลงของอุณภูมิ การทดสอบผลการเปลี่ยนแปลงของอุณภูมิ (Thermal Cycling) เป็นการจาลองสภาวะที่วัสดุ ต้องเผชิญกับ ความแปรปรวนของอุณหภูมิซ้าๆ อย่างต่อเนื่อง โดยอุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงระหว่างค่า ต่าสุดและสูงสุดในช่วงเวลาที่กาหนด เพื่อประเมินว่าวัสดุหรือชิ้นงานสามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลง ของอุณหภูมิแบบรวดเร็วและซ้าซ้อนได้หรือไม่ ในสภาพแวดล้อมของอวกาศ วัสดุจะต้องรับมือกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่รุนแรง การเปลี่ยนแปลงนี้สามารถทาให้เกิดความเค้นภายในวัสดุ (thermal stress) ซึ่งอาจนาไปสู่ การลอก การแตกร้าว การเสียรูปถาวร หรือแม้แต่ การหลุดร่อนของวัสดุเคลือบผิว โดยใช้มาตรฐานในการ ทดสอบ ECSS-Q-ST-70-02C : Thermal testing for the evaluation of space materials การทดสอบจะดาเนินการใน thermal chamber ที่สามารถควบคุมอุณหภูมิได้อย่างแม่นยา โดยมักใช้ช่วงอุณหภูมิที่ครอบคลุมสภาพจริงของการใช้งาน รูปที่ 2.12 Compact Ultra Low Temperature Chamber 2.7.2.2 การทดสอบการคายก๊าซในสภาวะสุญญากาศและความร้อน การทดสอบการคายก๊าซในสภาวะสุญญากาศและความร้อน (Thermal Vacuum Outgassing Test) เป็นรูปแบบที่พัฒนาเพิ่มเติมจาก การทดสอบผลการเปลี่ยนแปลงของอุณภูมิ โดยเพิ่มสภาวะ ของ สุญญากาศ (vacuum) เข้ามาร่วมกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างต่อเนื่อง ซึ่งช่วยจาลอง สภาพแวดล้อมของอวกาศได้อย่างแม่นยามากขึ้น ในอวกาศจริง ซึ่งไม่มีอากาศที่ทาหน้าที่ระบายความร้อนหรือถ่ายเทความร้อนแบบพาความ ร้อน (convection) ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจึงเกิดจากการแผ่รังสี (radiation) การอยู่ใน 18 สภาวะ สุญญากาศกับการเปลี่ยนแปลงของอุณภูมิ จึงทาให้วัสดุแสดงพฤติกรรมที่แตกต่างจากการ ทดสอบแบบมีอากาศ เช่น อัตราการขยายตัว ความล้าของโครงสร้าง หรือ การคายก๊าซ (outgassing) โดยผลจากการทดสอบผลการเปลี่ยนแปลงของอุณภูมิภายใต้สภาวะสุญญากาศสามารถนาไป หาค่า Total Mass Loss (TML) ได้จากสมการที่ 2.2 𝑇𝑀𝐿(%) = 𝑚0 −𝑚1 𝑚0 × 100% (2.2) โดยที่ 𝑚0 คือ มวลของตัวอย่างก่อนทดสอบ (กรัม) 𝑚1 คือ มวลของตัวอย่างหลังทดสอบ (กรัม) รูปที่ 2.13 Thermal vacuum chamber (TVAC) 2.9 งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง 2.9.1 Wood Handbook: Wood as an Engineering Material [19] เพื่อใช้ประมาณค่า Elasticity และ Ultimate Tensile Strength ในแนวอื่น ๆ ที่ไม่ได้ทาการ ทดสอบเนื่องจากไม้ไผ่มีพฤติกรรมเป็นวัสดุแบบออร์โธทรอปิก (orthotropic) ซึ่งมีคุณสมบัติเชิงกล แตกต่างกันใน 3 ทิศทางหลัก อ้างอิงจาก Wood Handbook: Wood as an Engineering Material พบว่า ประมาณค่าโมดูลัสยืดหยุ่น (Modulus of Elasticity: E) ในแนว 22 และ 33 สามารถใช้สัดส่วน จากตารางอัตราส่วน ซึ่งระบุว่า ค่า E22 มักมีค่าประมาณ 6% ของ E11 และ E33 มักมีค่าประมาณ 4% ของ E11 ในส่ว นของค่าความต้านแรงดึงสูงสุด (Ultimate Tensile Strength: UTS) พบว่า ความ แข็งแรงในแนวตั้งฉากกับเส้นใยมีค่าต่ากว่าทิศตามเส้นใยอย่างมีนัยสาคัญ โดยอัตราส่วนระหว่างความ แข็งแรงแนวตั้งฉากต่อแนวขนานเส้นใย สาหรับแรงดึงในแนว 22 มีค่าประมาณ 10% ของ UTS11 และ แรงดึงในแนว 33 มีค่าประมาณ 8% ของ UTS11 19 ข้อมูลทั้งหมดนี้ใช้เพื่อวิเคราะห์การจาลอง (simulation) เนื่องจากไม่มีข้อมูลการทดลองอย่าง ครบถ้วนจากข้อจากัดหลากหลายปัจจัย 2.9.2 โครงการ LignoSat ของ JAXA/Kyoto University [20][21][22] [23][24] โครงการ LignoSat พัฒนาโดย Kyoto University และ JAXA เป็นดาวเทียม CubeSat ขนาด 1U ที่สร้างขึ้นจากไม้แมกโนเลีย (Honoki) การเลือกไม้แมกโนเลียเกิดขึ้นหลังจากมีการส่งตัวอย่างไม้ หลายชนิด (เชอร์รี่ เบิร์ช และแมกโนเลีย) ไปทดสอบในอวกาศในปี 2021 ซึ่งยืนยันว่าไม้แมกโนเลียมี คุณสมบัติที่เหนือกว่าในด้านความแข็งแรงและการแปรรูป นวัตกรรมเชิงโครงสร้างที่สาคัญคือการใช้ เทคนิคช่างไม้ญี่ปุ่นแบบดั้งเดิมที่เรียกว่า "Blind Miter Dovetail Joint" เพื่อเชื่อมต่อแผงไม้โดยไม่ จาเป็นต้องใช้กาวหรือตะปูสาหรับการเชื่อมต่อโครงสร้างหลัก LignoSat ถูกส่งไปประจาการจาก สถานี อ วกาศนานาชาติ (ISS) ในเดื อ นธั น วาคม 2024 และโคจรอยู่ ใ นอวกาศได้ นาน 116 วั น ความสาเร็จที่สาคัญที่สุดคือการพิสูจน์ว่าโครงสร้างไม้และวิธีการต่อไม้แบบดั้งเดิมสามารถทนทานต่อ แรงสั่นสะเทือนจากการปล่อยจรวด และสภาพสุญญากาศของวงโคจร LEO ได้โดยไม่เกิด ความ ล้มเหลวทางโครงสร้าง ความล้มเหลวที่เกิดขึ้นของโครงการ LignoSat LignoSat ประสบกับ ภาวะความล้มเหลวเชิงฟังก์ชัน (Functional Failure Paradox) ทีม นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถสร้างการสื่อสารสองทางกับดาวเทียมได้ ทาให้ภารกิจทางวิทยาศาสตร์สี่ใน ห้าอย่างที่ตั้งใจไว้ (รวมถึงการวัดความเครียดบนโครงสร้างไม้ อุณหภูมิภายใน และผลกระทบของรังสี) ไม่สามารถดาเนินการได้ การวิเคราะห์เบื้องต้นระบุว่าการสูญเสียการสื่อสารอาจเกิดจากความ ล้มเหลวของสวิตช์ที่จาเป็นในการเปิดใช้งานระบบหรือความผิดพลาดของโปรแกรมคอมพิวเตอร์ แม้ว่าความล้มเหลวนี้จะไม่เกี่ยวกับความทนทานของวัสดุไม้โดยตรง แต่ได้เน้นย้าถึงช่องว่างด้านความ น่าเชื่อถือเชิงฟังก์ชัน : ความสามารถในการผสานรวมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มาตรฐาน ( COTS electronics) เข้ากับ โครงสร้างไม้ ที่ ไ ม่นาไฟฟ้าอย่า งน่า เชื่ อถื อ การสูญเสียข้อมูล เชิงประจั ก ษ์ หมายความว่าแบบจาลองโครงสร้างและความร้อนที่ละเอียดอ่อนซึ่งใช้ในการออกแบบยังคง ไม่ได้รับ การตรวจสอบความถูกต้อง ด้วยข้อมูลวงโคจรจริง ซึ่งเป็นสิ่งจาเป็นในการก้าวไปสู่ TRL 6 2.9.3 โครงการ WISA Woodsat ของ ESA/Arctic Astronautics [25][26][27] โครงการ WISA Woodsat เป็นการพัฒนา CubeSat ขนาด 1U ทีใ่ ช้แผงไม้อัดเบิร์ช (WISABirch plywood) เป็นส่วนประกอบโครงสร้างหลัก โดยไม้อัดทีม่ีการอัดซ้อนไขว้เสี้ยนนี้ช่วยเพิ่มความ 20 สม่าเสมอและลดความเป็นวัสดุที่ไม่เป็นเนื้อเดียว ทาให้คุณสมบัติของวัสดุสามารถคาดการณ์ได้ง่ายขึ้น วัตถุประสงค์เฉพาะของภารกิจคือการทดสอบความเหมาะสมของไม้อัดภายใต้สภาวะอวกาศสุดขั้ว เช่น ความร้อน ความเย็น สุญญากาศ และรังสี ความล้มเหลวที่เกิดขึ้นของโครงการ WISA Woodsat ผลการทดสอบจาก Kyoto University บ่งชี้ว่าไม้ที่ไม่ผ่านการบาบัดจะเกิดการเสื่อมสภาพของ ลิกนินเมื่อสัมผัสกับรังสีอัลตราไวโอเลต การใช้โครงสร้างไม้แบบพาสซีฟจึงไม่เพียงพอต่อความทนทาน ในวงโคจร LEO ระยะยาว ดังนั้น Woodsat จึงใช้กลยุทธ์การป้องกันเชิงรุก โดยการเคลือบไม้อัดด้วย ฟิล์มป้องกันที่ประยุกต์ใช้ผ่านกระบวนการสะสมชั้นอะตอม (ALD) เพื่อต้านทานรังสี UV ที่รุนแรง และภารกิจนี้ยังมีเป้าหมายในการตรวจสอบประสิทธิภาพของการเคลือบ ALD ด้วยเซ็นเซอร์พิเศษอีก ด้วย จากกรณีนี้ งานวิจัยในอนาคตจึงควรพิจารณาให้การป้องกันพื้นผิวทางวิศวกรรมเป็นสิ่งจาเป็น เพื่อให้ CubeSat ที่ใช้วัสดุไม้สามารถบรรลุอายุการใช้งานภารกิจตามปกติได้ 2.9.4 Processing bulk natural wood into a high-performance structural material [14] วิจัยนี้เกี่ยวกับวิธีการแปรรูปไม้ธรรมชาติให้เป็นวัสดุโครงสร้างสูง โดยใช้กระบวนการสอง ขั้นตอน ได้แก่ การกาจัดลิกนินและเฮมิเซลลูโลสบางส่วนด้วยสารเคมี 2 ชนิดได้แก่ 1. NaOH 2. Na2SO3 และทาการอัดร้อนเพื่อให้โครงสร้างเซลล์ไม้ยุบตัวเกิดการอัดแน่น ส่งผลให้เส้นใยเซลลูโลส เรียงตัวอย่างเป็นระเบียบและเกิดพันธะไฮโดรเจนจานวนมากภายในโครงสร้าง ไม้ที่ผ่านกระบวนการดังกล่าวมีความแข็งแรงและความเหนียวเพิ่มขึ้นมากกว่าไม้ธรรมชาติ หลายเท่า รวมถึงมีค่า specific strength สูงกว่าโลหะโครงสร้างบางชนิด สามารถประยุกต์ใช้ได้กับ ไม้หลากหลายชนิด งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าไม้สามารถพัฒนาให้เป็นวัสดุโครงสร้างที่มีสมรรถนะสูง และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งมีศักยภาพในการนาไปใช้งานด้านวิศวกรรมได้ 21 2.9.5 Horizontal mechanical performance of the upper beam frame with beambeam connection of traditional wooden building [28] งานวิจัยนี้ได้ศึกษาพฤติกรรมเชิงกลในแนวราบของโครงสร้างไม้ที่ประกอบด้วยรอยต่อคาน–คาน (Beam–Beam Connection: BBC) โดยพิจารณาโครงไม้ที่มีผังเป็นรูปหลายเหลี่ยมหลายรูปแบบ ซึ่งใน กรณีที่ 1 เป็นโครงไม้รูปสี่เหลี่ยม (Quadrangular frame) ที่มีมุมตัดของรอยต่อคาน–คานเท่ากับ 90 องศา ลักษณะโครงสร้างในกรณีนี้มีความสมมาตรทางเรขาคณิต ส่งผลให้พฤติกรรมการรับแรงที่จุดหมุน ของรอยต่อในทิศทางตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกามีลักษณะใกล้เคียงกัน โครงสร้างดังกล่าวถ่ายเทแรงผ่านการอัดตัวของเนื้อไม้บริเวณรอยต่อเป็นหลัก กลไกการส่งผ่าน แรงของจุดเชื่อมต่อแบบคาน-คาน อาศัยหน้าสัมผัส 4 ตาแหน่ง ภายในรอยบากโดยเมื่อโครงสร้าง ได้รับแรงกระทาในแนวระนาบ จะเกิดการกระจายความเค้นขึ้นที่บริเวณพื้นที่สัมผัสดังกล่าว ซึ่งความ เค้นนี้จะรวมตัวก่อให้เกิดโมเมนต์คืนตัวที่ทาหน้าที่ต้านทานการหมุนเชิงมุมและรักษาเสถียรภาพ จุดเชื่อมต่อ 22 บทที่ 3 วัสดุและวิธีการ จากหัวข้อโครงการจาเป็นต้องศึกษาข้อกาหนดหรือมาตรฐานทางวิศกรรม เพื่อนามาอ้างอิง และออกแบบการทดลองให้มีมาตรฐาน โดยใช้วัสดุทดสอบคือ ไม้ไผ่ เพื่อการศึกษาคุณสมบัติและ พฤติกรรมของวัสดุ เพื่อสร้างฐานข้อมูลสาหรับการปรับปรุง และเป็นประโยชน์ในการพัฒนาเชิง วิศวกรรมสาหรับวัสดุเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการออกแบบให้ตรงตามข้อกาหนดและมาตรฐานของ CubeSat เนื่องจากการออกแบบและพัฒนาโครงการในรูปแบบที่ต้องทดสอบจริงและนาข้อมูลที่ได้ไป ประยุกต์ใช้ในการออกแบบและพัฒนาโครงสร้างหลักที่สอดคล้องกับมาตรฐาน 3.1 ความต้องการของโครงงาน โครงงานนี้ มี ค วามต้ อ งการในการพั ฒ นาโครงสร้า ง CubeSat จากวั ส ดุ ไ ม้ ไ ผ่ ที่ เ ป็ น มิ ต รต่อ สิ่งแวดล้อม เพื่อใช้ทดแทนอะลูมิเนียมอัลลอยด์แบบเดิม โดยยังคงประสิทธิภาพด้านความแข็งแรง น้าหนัก และทนต่อสภาพแวดล้อมในอวกาศได้ อย่างเหมาะสม นอกจากนี้ยังต้องผ่านมาตรฐานด้าน ความปลอดภัยในการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ ลดการปล่อยสารที่ทาลายโอโซน และสามารถผลิตได้ จริงจากวัสดุในประเทศภายใต้ข้อจากัดเชิงวิศวกรรม 3.2 ข้อกาหนด/มาตรฐานการออกแบบ ในการออกแบบและพัฒนาชิ้นส่วนโครงสร้างของ CubeSat จากวัสดุไม้ไผ่นั้น ในขั้นตอนนี้จะเป็น การรวบรวมความต้องการ (Requirements) เพื่อตีกรอบสาหรับการออกแบบ โดยความต้องการ บางส่วนมาจากข้อจากัดทางวิศวกรรม สภาพแวดล้อมการใช้งานจริง และมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง ซึ่ง สามารถสรุปความต้องการของโครงงานได้เป็นข้อๆ ดังนี้ 1. ชิ้นส่วนโครงสร้างหลักของ CubeSat ต้องผลิตจากวัสดุไม้ไผ่ 2. ชิ้นส่วนต้องสามารถรับแรงดึงได้ไม่ต่ากว่า 150 MPa 3. ความหนาแน่นของวัสดุต้องอยู่ในช่วง 1100–1300 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร 4. ต้องสามารถใช้งานได้ในช่วงอุณหภูมิ –40°C ถึง +85°C 5. ค่าการปล่อยก๊าซจากวัสดุ Outgassing (TML): < 1.0% 6. น้าหนักรวมของโครงสร้างสาหรับ CubeSat ขนาด 1U ต้องไม่เกิน 1.33 กิโลกรัม 7. โครงสร้างต้องสามารถทนต่อแรงสั่นสะเทือน ได้ตามมาตรฐานการปล่อยดาวเทียม 23 8. วัสดุที่ใช้ต้องมีความเข้ากันได้กับมาตรฐานอวกาศ เช่น ISO 24113, NASA-STD-8719.14 และ ECSS-Q-ST-70-02C 9. ต้องสามารถผลิตต้นแบบและประกอบรวมเข้ากับระบบ CubeSat ได้จริง 3.2.1 มาตรฐานการออกแบบโครงสร้าง [29] การออกแบบโครงสร้างของ CubeSat ต้องเป็นไปตามข้อกาหนดด้านวิศวกรรม CubeSat Design Specification (CDS) ทั้งความแข็งแรง ความปลอดภัย และความเข้ากันได้กับระบบปล่อย เพื่อให้สามารถนาขึ้นสู่อวกาศได้โดยไม่กระทบต่อดาวเทียมอื่นหรือจรวดหลัก โดยทั่วไป CubeSat จะ ถูกปล่อยร่วมกับดาวเทียมหลักผ่านจรวดเชิงพาณิชย์ หรือ ปล่อยจากสถานีอวกาศนานาชาติ วงโคจร ที่ปล่อย คือ LEO (400–600 กม.) และ SSO โดยมีอายุการใช้งานเฉลี่ย 6 เดือนถึง 3 ปี CubeSat มี ข้อดีคือ ต้นทุนต่า ผลิตได้รวดเร็ว และปรับ Payload ได้ตามภารกิจ แต่มีข้อจากัดด้าน พื้นที่บรรทุก อายุการใช้งาน และความทนทานต่อสภาพแวดล้อมในอวกาศ ขนาดชุดมาตรฐาน (Envelope Dimensions) CubeSat ใช้หน่วย U (Unit) เป็นเกณฑ์ในการระบุขนาด โดยขนาดของ 1U คือ 10 × 10 × 10 ซม.น้าหนักประมาณ 1–1.33 กิโลกรัม และมี ขนาดอื่น ได้แก่ 1.5U, 2U, 3U, 6U, และ 12U ซึ่งจะเป็น ดังรูป รูปที่ 3.1 ขนาดดาวเทียมแต่ละขนาด [30] 24 ตารางที่ 3.1 ตารางระบุรายละเอียดของดาวเทียมขนาดต่าง ๆ ขนาด (U) 1U 1.5U 2U 3U 6U 12U ขนาด (กว้าง × ยาว × สูง) [มม.] 100 × 100 × 113.5 100 × 100 × 170 100 × 100 × 227 100 × 100 × 340.5 100 × 200 × 340.5 200 × 200 × 340.5 น้าหนักโดยประมาณ [กก.] 1.0 – 1.33 1.5–2.0 2.0 – 2.6 3.0 – 4.0 6.0 – 12.0 12.0 – 24.0 ค่าความคลาดเคลื่อน (±) [มม.] ±0.1 ±0.1 ±0.1 ±0.1 ±0.1 ±0.1 หมายเหตุ***ความยาวของ CubeSat จะมากกว่า 100 มม. ต่อ 1U เล็กน้อย เนื่องจากต้องมีพื้นที่เผื่อสาหรับแผ่น ปิดและรางเลื่อน (Rails)น้าหนักสูงสุดขึ้นอยู่กับข้อกาหนดของตัวปล่อย (Dispenser) และจรวดหลักทีใ่ ช้ ส่วนรางจับ (Rails) รางจับถือเป็นองค์ประกอบสาคัญของโครงสร้าง CubeSat เพราะจะเป็นจุดสัมผัสหลักระหว่าง ดาวเทียมกับ อุป กรณ์ป ล่อย ที่จะช่วยรองรับและควบคุม CubeSat ระหว่างการปล่อยสู่ว งโคจร ข้อกาหนดสาคัญตาม CubeSat Design Specification (CDS) มีดังนี้ 1. ความกว้างขั้นต่าของราง ต้องไม่น้อยกว่า 8.5 มิลลิเมตร (อ้างอิงจาก DETAIL B ของแบบ มาตรฐาน) เพื่อให้รางสามารถรับแรงและสอดคล้องกับรางนาภายในเครื่องปล่อย P-POD 2. พื้นที่ปลายราง (บริเวณแกน Z) ต้องมีขนาดอย่างน้อย 6.5 × 6.5 มิลลิเมตร เพื่อรองรับแรง กดจากสปริงและกลไกล็อกของ Dispenser ได้อย่างมั่นคงพื้นผิวของราง ต้องมีความเรียบ โดยมีค่าความหยาบผิวไม่เกิน 1.6 ไมโครเมตร (µm) เพื่อลดแรงเสียดทานและป้องกันการ ติดขัดระหว่างการปล่อยขอบของราง ต้องโค้งมน โดยมีรัศมีความโค้งไม่น้อยกว่า 1 มิลลิเมตร (อ้างอิงจาก DETAIL A ของแบบมาตรฐาน) เพื่อป้องกันการเกิดความเสียหายหรือการขีด ข่วนต่อผิวภายในของ P-POD 25 รูปที่ 3.2 Detail drawing ของ ดาวเทียมขนาดเล็ก CubeSat ขนาด 1U ความคลาดเคลื่อนของขนาดมี ต้องมีความเข้มงวดมาก (±0.1มิลลิเมตร) เนื่องจาก CubeSat จะถูกปล่อยผ่านอุปกรณ์มาตรฐานที่เรียกว่า Poly-Picosatellite Orbital Deployer (P-POD) หรือ NanoRacks Cubesat Deployer 3.3 ข้อจากัด/มาตรฐานการทดลอง 3.3.1 ด้านกลศาสตร์ (Mechanical) [31][32] - ISO 22157-1– มาตรฐานสาหรับการทดสอบแรงดึง (Tensile Test) สาหรับวัสดุเสริมแรง - ISO 178-2019 – มาตรฐานสาหรับการทดสอบการดัด 3.3.2 ด้านอุณหภูมิ (Thermal) - ECSS-Q-ST-70-04C – Thermal cycling: การทดสอบผลการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ - ECSS-Q-ST-70-02C (หากสามารถดาเนิ น การได้ ) – Thermal vacuum testing: การ ทดสอบผลการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมภิายใต้สภาวะสุญญากาศ เพื่อจาลองสภาพในวงโคจร 3.3.3 ด้านสภาพแวดล้อมในอวกาศ (Space Environment) - ASTM E595 – มาตรฐานสาหรับทดสอบการปล่อยก๊าซของวัสดุ (Outgassing) ซึ่งเป็นสิ่ง สาคัญในการใช้งานอวกาศ 26 - ISO 24113 – ข้อกาหนดสาหรับการลดปริมาณขยะอวกาศ (Space Debris Mitigation) - ASTM E1354 – การวิเคราะห์สมรรถนะของวัสดุเมื่อเผาไหม้ เพื่อประเมินพฤติกรรมขณะ สลาย 3.3.4 ด้านการเผาไหม้ขณะตกกลับสู่โลก (Re-entry Survivability) - NASA-STD-8719.14 – ข้อกาหนดเพื่อประเมินความอยู่รอดของวัสดุระหว่างการตกกลับโลก รวมถึงแนวคิด Design for Demise (D4D) 3.4 วิธีการสร้างชิ้นงานทดสอบด้านกลศาสตร์ 3.4.1 กาหนดแกนอ้างอิงของชิ้นงาน เพื่อให้การเตรียมชิ้นทดสอบแรงดึง (Tensile Specimen) มีความเป็นมาตรฐานและสามารถ ทาซ้าได้ จึงมีการกาหนดจุดอ้างอิงและทิศทางของแกนอ้างอิงบนลาไม้ไผ่ก่อนเริ่มกระบวนการตัดและ ขึ้นรูป โดยอ้างอิงตามทิศทางเชิงวัสดุศาสตร์ของไม้ไผ่ในรูปที่ 3.3 ดังนี้ • แกน 11 (Longitudinal Axis): กาหนดตามแนวความยาวของลาไม้ไผ่ ซึ่งเป็นทิศทางหลัก ของเส้นใย • แกน 22 (Transverse Axis): กาหนดในทิศทางที่ตั้งฉากกับแนวลาไม้ไผ่ในแนวระนาบ เพื่อ ใช้เป็นจุดอ้างอิงในการกาหนดความกว้างของชิ้นทดสอบ • แกน 33 (Transverse Axis): กาหนดในทิศทางที่ตั้งฉากกับทั้งแกน 11 และแกน 22 เพื่อ ระบุทิศทางตามแนวความหนาของผนังไม้ไผ่ รูปที่ 3.3 แกนอ้างอิงของไม้ไผ่ 27 3.4.2 การทดสอบแรงดึง 3.4.2.1 กาหนดขนาดชิ้นงานทดสอบ ขนาดของชิ้นงานทดสอบในแต่ละแนวให้ตรงตาม มาตรฐาน ISO 22157-1 3.4.2.2 สร้างชิ้นงานทดสอบแนว 11 แนว 22 แนว 11 มีขนาดระยะทดสอบ 100 มิลลิเมตร มีความกว้าง 20 มิลลิเมตร ความหนา 2 มิลลิเมตร แถบจับยาว 2 ฝั่ง ยาวด้านละ 20 มิลลิเมตร รูปที่ 3.4 ขนาดของชิ้นงานทดสอบแนว 11 ขั้นตอนการเตรียมชิ้นงานทดสอบแนว 11 33 22 11 33 11 22 รูปที่ 3.5 ขั้นตอนการเตรียมชิ้นงานทดสอบแนว 11 1. กาหนดขนาดของชิ้นทดสอบ 2. ร่างขนาดชิ้นทดสอบลงบนไม้ไผ่ 3. ใช้สิ่วลดขนาดบ้องไม้ไผ่ 28 4. เก็บรายละเอียดของชิ้นทดสอบให้มีขนาดที่ถูกต้องตามรายละเอียดที่กาหนด 5. ตัดแผ่นไฟเบอร์กลาสสาหรับใช้เป็นแถบจับติดกับชิ้นทดสอบ 6. ใช้กาวอีพ็อกซีติดแผ่นไฟเบอร์กลาสเข้ากับไม้ไผ่และใช้คลิปหนีบให้เข้าด้วยกัน แนว 22 มีขนาดระยะทดสอบ มิลลิเมตร มีความกว้าง 13 มิลลิเมตร ความหนา 2 มิลลิเมตร แถบจับยาว 2 ฝั่ง ยาวด้านละ 10 มิลลิเมตร รูปที่ 3.6 ขนาดของชิ้นงานทดสอบแนว 22 ขั้นตอนการเตรียมชิ้นงานทดสอบแนว 22 33 33 22 11 22 11 รูปที่ 3.7 ขั้นตอนการเตรียมชิ้นงานทดสอบแนว 22 1. กาหนดขนาดของชิ้นทดสอบ 2. ร่างขนาดชิ้นทดสอบลงบนไม้ไผ่ 3. ใช้สิ่วลดขนาดบ้องไม้ไผ่ 29 4. เก็บรายละเอียดของชิ้นทดสอบให้มีขนาดที่ถูกต้องตามรายละเอียดที่กาหนด 5. ตัดแผ่นไฟเบอร์กลาสสาหรับใช้เป็นแถบจับชิ้นทดสอบ 6 .ใช้กาวอีพ็อกซีติดแผ่นไฟเข้ากับไม้ไผ่และใช้คลิปหนีบให้เข้าด้วยกัน 3.4.3 การทดสอบการดัด 3.4.3.1 กาหนดขนาดชิ้นงานทดสอบ ขนาดของชิ้นงานทดสอบในแต่ละแนวให้ตรงตาม มาตรฐาน ISO 178-2019 ชิ้นงานมีขนาด 110 มิลลิเมตร มีความกว้าง 10 มิลลิเมตร ความหนา 3 มิลลิเมตร รูปที่ 3.8 ขนาดชิ้นงานทดสอบการดัด [33] 3.4.3.2 สร้างชิ้นงานทดสอบ รูปที่ 3.9 ขั้นตอนการเตรียมชิ้นงานทดสอบ 30 1. กาหนดขนาดของชิ้นทดสอบ 2. ร่างขนาดชิ้นทดสอบลงบนไม้ไผ่ 3. ใช้สิ่วลดขนาดบ้องไม้ไผ่ 4. เก็บรายละเอียดของชิ้นทดสอบให้มีขนาดที่ถูกต้องตามรายละเอียดที่กาหนด 3.5 วิธีการปรับปรุงคุณสมบัติของไม้ด้วยวิธี Wood densification 3.5.1 ขั้นตอนการปรับปรุงคุณสมบัติ ขั้นตอนที่ 1 เตรียมชิ้นงาน รูปที่ 3.10 ขั้นตอนการเตรียมชิ้นงาน 1. กาหนดขนาดของชิ้นทดสอบ 2. ร่างขนาดชิ้นทดสอบลงบนไม้ไผ่ 3. ใช้สิ่วลดขนาดบ้องไม้ไผ่ 4. เก็บรายละเอียดของชิ้นทดสอบให้มีขนาดที่ถูกต้องตามรายละเอียดที่กาหนด ขั้นตอนที่ 2 กระบวนการทางเคมี รูปที่ 3.11 กระบวนการทางเคมี 31 1. เตรียมโซเดียมไฮดรอกไซด์ 50 กรัม และโซเดียมซัลไฟต์ 25.2 กรัม 2. ละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์และโซเดียมซัลไฟต์ในน้าสะอาดจนได้สารละลายที่มีปริมาตรรวม 500 มิลลิลิตร 3. นาไม้ไผ่แช่ลงในสารละลายที่เตรียมไว้เป็นระยะเวลา 12 ชั่วโมง 4. หลังจากเสร็จสิ้นการแช่ นาไม้ไผ่ออกมาต้มในน้าสะอาด 6–7 ครั้ง เพื่อกาจัดสารเคมีที่ ตกค้าง ขั้นตอนที่ 3 กระบวนการอัดร้อน รูปที่ 3.12 กระบวนการอัดร้อน 1. นาไม้ไผ่ที่ผ่านกระบวนการทางเคมี ไปอัดด้วยเครื่อง Hot Pressing ที่อุณหภูมิ 100 องศา เซลเซียส โดยใช้แรงกด 2,000 psi เป็นระยะเวลา 7 ชั่วโมง 2. นาไม้ไผ่ที่ผ่านการอัดแล้วมาตัดแต่งชิ้นงานให้ได้ขนาดตามที่ต้องการ เพื่อใช้ในการทดสอบ และการทาชิ้นงาน 3.6 วิธีการสร้างชิ้นงานทดสอบทางความร้อน (Thermal Testing) 3.6.1 การทดสอบการคายก๊าซในสภาวะสุญญากาศและความร้อน เพื่อป้องกันการปนเปื้อนของสารระเหยที่จะไปเกาะติดบนพื้นผิวอุปกรณ์สาคัญ การทดสอบ จะดาเนินการเฉพาะกับไม้ไผ่ที่ผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นเนื้อไม้เท่านั้น 32 สาเหตุที่ไม่ทาการทดสอบไม้ไผ่ปกติเนื่องด้วยข้อจากัดด้านความชื้นตามธรรมชาติของเนื้อไม้ที่ อยู่ในระดับสูง ซึ่งหากนาเข้าสู่กระบวนการทดสอบในสภาวะสุญญากาศและความร้อน ความชื้น ดังกล่าวจะเกิดการระเหยออกมาในปริมาณที่สูงเกินมาตรฐานอย่างมาก และอาจส่งผลกระทบต่อขีด ความสามารถในการทาสุญญากาศของเครื่องมือทดสอบ กาหนดขนาดชิ้นงานทดสอบ ทดสอบตามมาตรฐาน ECSS-Q-ST-70-02C โดยใช้ไม้ไผ่ที่ผ่านกระบวนการ Wood densification และกาหนดมวลของชิ้นงานในช่วง 2-4 กรัม กว้าง 17 มิลลิเมตร ยาว 70 มิลลิเมตร หนา 2 มิลลิเมตร เพื่อให้สามารถนาชิ้นงานเข้าเครื่องทดสอบได้ รูปที่ 3.13 ชิ้นงานทดสอบการคายก๊าซในสภาวะสุญญากาศและความร้อน 3.6.2 การทดสอบผลการเปลี่ยนแปลงของอุณภูมิ กาหนดขนาดชิ้นงานทดสอบ การทดสอบจะดาเนินการเฉพาะกับไม้ไผ่ที่ผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นเนื้อไม้ โดยจะ กาหนดขนาดกว้าง 8-9 มิลลิเมตร ยาว 90 มิลลิเมตร หนา 5 มิลลิเมตร เพื่อให้มีความใกล้เคียงกับ ชิ้นส่วนโครงสร้าง CubeSat ตามมาตรฐานที่กาหนด รูปที่ 3.14 ชิ้นงานทดสอบผลการเปลี่ยนแปลงของอุณภูมิ 33 3.7 Concept Design 3.7.1 Design Alternatives a) โครงสร้างของดาวเทียม CubeSat เป็นไม้ไผ่ทั้งหมด ทั้งในส่วนของรางและคาน โดยจะ ประกอบด้วยวิธี Kigumi [34] ซึ่งเป็นวิธีการประกอบไม้โดยไม่ใช้ตัวยึดหรือโบลต์ใด ๆ b) โครงสร้างของดาวเทียม CubeSat จะเป็นไม้เฉพาะในส่วนของคาน โดยประกอบคานเข้า กันด้วยวิธี Kigumi แต่ในส่วนของรางจะเป็นอะลูมิเนียมอัลลอยด์และทาการยึดรางกับคาน ด้วยโบลต์ 3.7.2 Decision Metrix ตารางที่ 3.2 เกณฑ์การให้คะแนน รายการ เกณฑ์(คะแนนเต็ม 5 คะแนน) น้าหนัก a b 1 ความแข็งแรงและความแข็ง 15% 3 4 2 ความทนต่อแรงสั่นสะเทือนตอนปล่อย 16% 2 3 3 ความแข็งแรงของรอยต่อ 14% 3 4 4 การขยายตัวจากอุณหภูมิ 11% 1 3 5 ความสะดวกในการประกอบและขึ้นรูป 8% 2 4 6 ความเข้ากันได้กับมาตรฐานของราง 25% 2 5 7 มวลรวมของโครงสร้าง 6% 4 3 8 ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม รวม 5% 100% 5 39% 3 61% 3.7.3 ประเมินการให้น้าหนัก จากผลการประเมินด้วย Decision Matrix พบว่าแนวคิดแบบ b ได้คะแนนรวม 61% สูงกว่า แนวคิดแบบ a ที่ได้ 39% โดยปัจจัยหลักที่ทาให้แบบ b เหมาะสมกว่าคือความเข้ากันได้กับมาตรฐาน ราง CubeSat ซึ่งเป็นข้อกาหนดระดับระบบที่มีน้าหนักสูงสุด รวมถึงความน่าเชื่อถือของรอยต่อและ ความทนต่อแรงสั่นสะเทือนระหว่างการปล่อย แม้แนวคิดแบบ a จะได้เปรียบด้านมวลและผลกระทบ ต่อสิ่งแวดล้อม แต่ยังมีความเสี่ยงด้านความเข้ากันได้กับ deployer ดังนั้นโครงงานนี้จึงเลือกพัฒนา แนวคิดแบบ b เป็นโครงสร้างต้นแบบ 34 3.8 โครงสร้าง CubeSat a) โครงสร้างของดาวเทียม CubeSat โดยเป็นไม้เฉพาะในส่วนของคาน ประกอบคานเข้ากัน ด้วยวิธี Kigumi ในส่วนของรางจะเป็นอลูมิเนียมมอัลลอยด์และทาการยึดรางกับคานด้วย โบลต์ รูปที่ 3.15 โครงสร้าง CubeSat 3.9 การวิเคราะห์โดยใช้โปรแกรม ANSYS 1. การออกแบบ CubeSat โดยใช้โปรแกรม SolidWorks 2. Import ไฟล์จาก SolidWorks เข้าโปรแกรม ANSYS เป็นขั้นตอนการนาเข้าไฟล์ ผ่าน Space Claim และเพิ่มชิ้นส่วนที่เป็นอุปกรณ์ Payload ซึ่งหนัก 1 กิโลกรัมเข้าไป โดยรายละเอียด แสดงตามสี สีเขียวคือไม่ไผ่ สีชมพูคือรางอลูมิเนียม และสีน้าเงินคือ Payload รูปที่ 3.17 โครงสร้าง Cubesat กับ Payload รูปที่ 3.16 การ Import ไฟล์จากโปรแกรม SolidWorks 35 3. การใส่ข้อมูลวัสดุของชิ้นงาน: ในกรณีการศึกษานี้ใช้วัสดุเป็นวัสดุไม้ไผ่ที่ผ่านกระบวนการ เพิ่มความหนาแน่นและอลูมิเนียม 6061 โดยกาหนดข้อมูลคุณสมบัติวัสดุตามรูปที่ 3.18 และ 3.19 รูปที่ 3.18 คุณสมบัติไม้ไผ่ที่ผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่น รูปที่ 3.19 คุณสมบัติอลูมิเนียม 6061 4. กาหนดเงื่อนไขขอบเขต ตารางที่ 3.3 เงื่อนไขขอบเขตการจาลอง เงื่อนไข Fixed support Acceleration สาหรับ Static Structural PSD G Acceleration สาหรับ Random Vibration 36 ค่าที่ใช้ ด้านล่างของราง CubeSat ทั้ง 4 10g ในแนว Axial, 17g ในแนวLateral โดย g =9.81 m/s2 5. กาหนดทิศการวางแนวไม้ไผ่ ในการวิเคราะห์ไม้ไผ่ที่เป็นวัสดุแบบ Orthotopic จาเป็นต้องกาหนดทิศทางของวัสดุให้ถูกต้อง เนื่องจากวัสดุประเภทนี้มีคุณสมบัติเชิงกลแตกต่างกันในแต่ละแกน โดยแกน 11 ซึ่งเป็นแนวเส้นใยจะ มีความแข็งแรงและความแข็งสูงที่สุด ขณะที่แกน 22 และ 33 ซึ่งตั้งฉากกับเส้นใยจะมีค่าต่ากว่า ดังนั้นในการใช้ Ansys จึงต้องกาหนดแกนพิกัดเฉพาะของวัสดุให้สอดคล้องกับทิศทางจริงของชิ้นงาน หากกาหนดทิศทางไม่ถูกต้อง จะส่งผลให้ผลลัพธ์ที่ได้ไม่ถูกต้องตามพฤติกรรมจริงของไม้ไผ่ โดยแนว การวางที่ 1 ดังรูป 3.20 และแนวการวางที่ 2 ดังรูป 3.21 รูปที่ 3.20 แนวการวางที่ 1 รูปที่ 3.21 แนวการวางที่ 2 37 3.10 ขั้นตอนการขึ้นรูปและการประกอบโครงสร้าง 3.10.1 ขั้นตอนการขึ้นรูปคานไม้ไผ่แบบ Kigumi ทาการเตรียมและขัดไม้ไผ่จนได้ขนาดตามที่ออกแบบ และทาการบากชิ้นงานให้ได้รอยต่อแบบ Kigumi โดยมีขั้นตอนดังต่อไปนี้ 1. นาชิ้นงานไม้ไผ่ที่ร่างแบบไว้ มาเลื่อยตัดด้วยเลื่อยฉลุ ตามแบบที่กาหนดใช้ตะไบปรับแต่ง ผิวชิ้นงานให้ได้ระนาบและมุมฉาก เพื่อป้องกันไม่ให้เนื้อไม้ล้นเกินขอบเมื่อนาไปประกบกับคานชิ้นอื่น (ก) (ข) รูปที่ 3.22 (ก) การตัดชิ้นงานด้วยเลื่อยฉลุ (ข) การใช้ตะไบปรับผิว 2. ใช้ใบเลื่อยตัดเหล็กเลื่อยเซาะร่องบ่า เพื่อเตรียมพื้นที่สาหรับรอยต่อประกบเข้าไม้ จากนั้นใช้ ตะไบขัดแต่งชิ้น งานขั้น ตอนสุดท้ายให้ได้ขนาดและฉากที่ถูกต้อง เพื่อให้รอยต่อแนบสนิทและ ผิวชิ้นงานมีระนาบเดียวกันเมื่อประกอบสมบูรณ์ รูปที่ 3.23 ใช้ใบเลื่อยตัดเหล็กเลื่อยเซาะร่อง 38 5. ทาการเจาะรูสาหรับประกอบชิ้นงานด้วยเครื่องเจาะตั้งโต๊ะ ตามขนาดที่ออกแบบไว้ รูปที่ 3.24 การเจาะชิ้นงาน 3.10.2 การประกอบชิ้นงาน ขั้นตอนการประกอบโครงสร้างดาวเทียม CubeSat ต้นแบบ (Model A) ได้ทาการเตรีย ม ชิ้นส่วนและวัสดุหลักดังต่อไปนี้ 1. ราง: วัสดุอะลูมิเนียมอัลลอยเกรด 6061 จานวน 4 ชิ้น 2. คาน: วัสดุไม้ไผ่ซางหม่นที่ผ่านกระบวนการปรับปรุงความหนาแน่น จานวน 8 ชิ้น 3. โบลต์และนัต: วัสดุสเตนเลสเกรด 304 ขนาด M2 จานวนอย่างละ 32 ชิ้น ขั้นตอนการประกอบชิ้นงาน 1. นาคานไม้ไผ่มาประกอบเข้าด้วยกันให้ รูปที่ 3.25 การประกอบไม้ไผ่ 39 2. นาชุดคานไม้ไผ่ที่ประกอบเสร็จแล้ว มายึดเข้ากับรางอะลูมิเนียมทั้ง 4 ชิ้น โดยใช้โบลต์และนัต รูปที่ 3.26 โครงสร้าง Cubesat 3. ตรวจสอบความสมบูรณ์โดยรวมและการจัดเรียงแนวระนาบของชิ้นงาน เพื่อยืนยันความ ถูกต้องของขนาดและความสมมาตรตามที่กาหนด รูปที่ 3.27 ตรวจสอบความถูกต้องของการประกอบ 40 บทที่ 4 ผลการทดลอง 4.1 ผลการทดสอบแรงดึง การทดสอบแรงดึงมุ่งเน้นเพื่อหาค่า แรงดึงสูงสุด (Ultimate Tensile Strength) และ ค่าการ ยืดตัวขณะขาด (Elongation at Break) ของชิ้นงานที่เตรียมจากไม้ไผ่ในสามแนวหลัก ได้แก่ แนว 11 (ตามแนวเส้นใย), แนว 22 (ตั้งฉากกับเส้นใยในระนาบผิว) โดยที่อนุมานว่าแนว 22 มีสมบัติทางกล เทียบเท่ากับแนว 33 เนื่องจากทั้งสองทิศทางอยู่ในแนวตั้งฉากกับเส้นใยหลักของไม้ไผ่ จึงมีพฤติกรรม การเสียรูปและการแตกหักที่คล้ายคลึงกัน สามารถใช้ข้อมูล แนว 22 แทนแนว 33 ได้ในเชิงการ ประเมินคุณสมบัติเชิงกลโดยรวมของวัสดุ รูปที่ 4.1 ตัวอย่างชิ้นงานแนว 11 ขณะทาการทดสอบ 41 รูปที่ 4.2 ตัวอย่างชิ้นงานแนว 22 ขณะทาการทดสอบ จากการทดสอบแรงดึงทั้ง 2 แนว ทาให้สามารถคานวณ Engineering Stress และ Engineering Strain โดยแสดงในค่าของ Ultimate Tensile Strength (UTS) และ Strain (ความเครียด) ได้ดังรูปที่ 3.12 และ 3.13 122.00 120.00 118.00 116.00 114.00 112.00 110.00 108.00 106.00 104.00 Mean UTS: 114.85 ± 3.40 MPa (n=5) Mean Strain: 0.0091 ± 0.0007 mm (n=5) 0.0100 0.0080 0.0060 0.0040 0.0020 0.0000 1 2 3 4 Specimem Number UTS (MPa) Strain (mm/mm) รูปที่ 4.3 กราฟผลการทดสอบชิ้นงานแนว 11 42 5 Strain (mm/mm) UTS (MPa) Ultimate Tensile Strength (UTS) and Strain (mm/mm) of Specimen 11 ผลการทดสอบค่าความแข็งแรงแรงดึงสูงสุด (UTS) และความเครียด (%) ของตัวอย่างทั้ง 5 ตัวอย่าง ค่าเฉลี่ยของ UTS สาหรับตัวอย่างไม้ไผ่อยู่ที่ 114.85 ± 3.40 MPa และค่าเฉลี่ยความเครียด อยู่ที่ 0.0091 ± 0.0007 mm/mm ทั้งค่า UTS และความเครียดเป็นค่าทั่วไปสาหรับวัสดุไม้ไผ่ Ultimate Tensile Strength (UTS) and Strain (mm/mm) of Specimen 22 UTS (MPa) 8.00 6.00 4.00 2.00 6.990.79 ± 0.79 (n=5) Mean Mean UTS : UTS: 6.99 ± MPaMPa (n=5) 0.027 Mean Strain: 0.024 ± 0.001 mm (n=5) Mean Strain : 0.024 ± 0.001 mm/mm (n=5) 0.026 Mean UTS: 6.99 ± 0.79 MPa (n=5) Mean Strain: 0.024 ± 0.001 mm (n=5) Mean UTS: 6.99 ± 0.79 MPa (n=5) Mean Strain: 0.024 ± 0.001 mm (n=5) Mean UTS: 6.99 ± 0.79 MPa (n=5) Mean Strain: 0.024 ± 0.001 mm (n=5) 0.025 0.024 0.023 0.022 Strain (mm/mm) 10.00 0.021 0.00 0.020 1 2 3 4 5 Specimem Number UTS (Mpa) Strain (mm/mm) รูปที่ 4.4 กราฟผลการทดสอบชิ้นงานแนว 22 ผลการทดสอบค่าความแข็งแรงแรงดึงสูงสุด (UTS) และความเครียด ของตัวอย่างทั้งห้า ตัวอย่าง ค่าเฉลี่ยของ UTS สาหรับตัวอย่างไม้ไผ่อยู่ที่ 6.99 ± 0.79 MPa และค่าเฉลี่ยความเครียดอยู่ ที่ 0.024 ± 0.001 mm/mm ทั้งค่า UTS จากผลแสดงให้เห็นว่าการทดสอบแรงดึงจากแนว 22 นั้น เป็นทิศที่ไม่เหมาะสมกับการรับแรงดึง ตารางที่ 4.1 คุณสมบัติของไม้ไผ่แต่ละทิศทาง 43 4.2 ผลการทดสอบแรงดัด สาหรับการทดสอบเมื่อนาชิ้นทดสอบติดตั้งเข้ากับหัวจับแรงดัดแบบ 3 จุด โดยให้ปลายของชิ้น ทดสอบดัดทั้ง 2 ด้าน ห่างจากจุดรองรับด้านละ 32.5 มิลลิเมตร ทาการกดดัดชิ้นทดสอบจนชิ้น ทดสอบเกิดการเสียหายดังรูป รูปที่ 4.5 ชิ้นงานขณะทาการทดสอบแรงดัด จากการทดสอบแรงดัด จะถูกนามาหาค่าความเค้นดัดจากสมการที่ (2.5) และความเครียดดัด จากสมการที่ (2.6) ดังแสดงรูปที่ 4.6 Flexural stress (MPa) Flexural Strength 400 300 200 Mean Stress : 379.18 ± 22.29 MPa (n=5) Mean Strain : 0.0089 ± 0.0003 mm/mm (n=5) 100 0 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 No.01 N0.02 No.03 No.04 No.05 Avg 0.010 Flexural strain (mm/mm) รูปที่ 4.6 ความเค้นดัดและความเครียด ตารางที่ 4.2 คุณสมบัติการดัดงอเฉลี่ยของไม้ไผ่ 4.7 ความเค้ นดัดและความเครี Flexural stress (MPa) รูปที่ Flexural strain (mm/mm)ยดดัดYoung's modulus (GPa) 378.18±22.29 0.0089±0.0003 44 51.1±2.3 จากกราฟความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียดดัด (รูปที่ 4.2) ชิ้นทดสอบทั้ง 5 ชิ้น มีแนวโน้มไปในทิศทางเดียวกัน ผลการทดสอบชี้ให้เห็นว่าไม้ไผ่มีค่ามอดูลัสยืดหยุ่นสูงถึง 51.1 GPa ซึ่งสะท้อนถึงความแข็งเกร็ง (Stiffness) ของโครงสร้างของไม้ไผ่ 4.3 ผลการทากระบวนการเพิ่มความหนาแน่นของเนื้อไม้ หัวข้อนี้นาเสนอผลการปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลของไม้ไผ่ภายหลังผ่านกระบวนการเพิ่มความ หนาแน่นของเนื้อไม้ (Wood Densification) โดยเปรียบเทียบผลการทดสอบแรงดึงของตัวอย่างไม้ไผ่ ก่อนและหลังการปรับปรุง การวิเคราะห์มุ่งเน้นการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานแรงดึง ค่าความเค้น สูงสุด และพฤติกรรมการเสีย รูป ของวัสดุ เพื่อประเมินประสิทธิภาพของกระบวนการเพิ่ม ความ หนาแน่นของเนื้อไม้ว่าสามารถช่วยเพิ่มศักยภาพของไม้ไผ่ในการนาไปใช้งานเป็นวัสดุโครงสร้างได้มาก น้อยเพียงใด กาหนดขนาดชิ้นงานไม้ไผ่ก่อนผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นของเนื้อไม้ โดยกาหนดให้ ความยาวของชิ้นงาน 100 มิลลิเมตร ความกว้าง 20 มิลลิเมตร และความหนา 5 มิลลิเมตร รูปที่ 4.8 ขนาดชิ้นงานก่อนผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่น ตารางที่ 4.3 น้าหนักและความหนาแน่นของชิ้นงานก่อนผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นเนื้อไม้ ชิ้นงาน น้าหนัก (g) ความหนาแน่น (g/cm3) 1 2 3 4 5 เฉลี่ย 11.00 10.70 10.90 13.60 11.50 11.54 0.76 0.72 0.72 0.89 0.74 0.77 45 นาชิ้นงานทั้งหมดผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นของเนื้อไม้ โดยผ่านขั้นตอนการบาบัด ด้วยเคมีและการอัดร้อน รูปที่ 4.9 ชิ้นที่ผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นเนื้อไม้ ตารางที่ 4.4 น้าหนักและความหนาแน่นของชิ้นงานหลังผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นเนื้อไม้ ชิ้นงาน 1 2 3 4 5 เฉลี่ย น้าหนัก (g) 8.60 8.40 8.60 10.10 9.20 8.98 ความหนาแน่น (g/cm3) 1.43 1.45 1.46 1.62 1.56 1.50 ทาการเปรียบเทียบไม้ไผ่ที่ก่อนผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่น เนื้อไม้และหลังทา โดยใช้ ความหนาแน่นเป็นเกณฑ์ในการเปรียบเทียบ เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของขั้นตอนการทา ดังตาราง 4.5 ตารางที่ 4.5 เปรียบเทียบความหนาแน่นของเนื้อไม้ที่ผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่น ชิ้นงาน 1 2 3 4 5 เฉลี่ย ความหนาแน่น (g/cm3) หลังทา ก่อนทา Densification Densification 0.76 0.72 0.72 0.89 0.74 1.43 1.45 1.46 1.62 1.56 0.77 1.52 46 ความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้น 89% 100% 102% 81% 111% 96% 4.3.1 การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างระดับจุลภาคของไม้ไผ่ เพื่อศึกษาผลของกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นของเนื้อไม้ต่อโครงสร้างระดับจุลภาคของไม้ ไผ่ ได้ทาการตรวจสอบสัณฐานวิทยาของชิ้นงานก่อนและหลังการอัดแน่นด้วยกล้องจุลทรรศน์ โดย เปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงของผนังเซลล์ ช่องว่างภายใน และการกระจายตัวของมัดเส้นใย 4.3.1.1 โครงสร้างระดับจุลภาคของไม้ไผ่ก่อนการ densification จากการสังเกตชิ้นงานไม้ไผ่ก่อนกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นของเนื้อไม้ พบว่าโครงสร้าง ภายในประกอบด้วยมัดเส้นใย (fiber bundles) ที่กระจายตัวอยู่ในเนื้อเยื่อพาเรงไคมา โดยมีลักษณะ เด่นคือปรากฏช่องว่างภายในเซลล์ (voids) ขนาดใหญ่และจานวนมากในบริเวณเมทริกซ์และการ จัดเรียงตัวของเส้นใยมีลักษณะค่อนข้างกระจายตัวเมื่อพิจารณาในระดับจุลภาค รูปที่ 4.10 โครงสร้างระดับจุลภาคของไม้ไผ่ก่อนการ densification 4.3.1.2 โครงสร้างระดับจุลภาคของไม้ไผ่หลังการ densification หลังผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นของเนื้อไม้ พบการลดลงของช่องว่างภายในอย่าง ชัดเจน มัดเส้นใยถูกอัดให้เข้าใกล้กันมากขึ้น ส่งผลให้โครงสร้างมีลักษณะอัดแน่นและต่อเนื่องมากขึ้น การเปลี่ยนแปลงเชิงจุลภาคดังกล่าวสนับสนุนผลการทดลองเชิงกลที่พบว่าความแข็งแรงและความ แข็งของไม้ไผ่เพิ่มขึ้นหลังผ่านกระบวนการ รูปที่ 4.11 โครงสร้างระดับจุลภาคของไม้ไผ่หลังการ densification 47 4.3.2 ผลการทดสอบแรงดึงไม้ไผ่ที่ผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นของเนื้อไม้ ทดสอบแรงดึงมุ่งเน้นเพื่อหาค่า แรงดึงสูงสุด (Ultimate Tensile Strength) และ ค่าการยืด ตัวขณะขาด (Elongation at Break) ของชิ้นงานที่เตรียมจากไม้ไผ่ ที่ผ่านกระบวนการเพิ่ม ความ หนาแน่นของเนื้อไม้ ได้แก่ แนว 11 (ตามแนวเส้นใย) โดยเป็นแนวที่กาหนดให้เป็นทิศทางในการรับ แรงเป็นหลัก รูปที่ 4.12 ชิ้นงานขณะทาการทดสอบ เมื่อนาชิ้นงานทดสอบทั้งหมดติดตั้งเข้ากับหัวจับดังรูปที่ 4.11 แล้ว ทาการดึงชิ้นงานทดสอบจนชิ้น ทดสอบเกิดการเสียหาย บันทึกค่าของแรงดึงและระยะการเคลื่อนที่เพื่อไปคานวณค่าความเค้นดึงและ รูปที่ 4.13 ชิ้นงานขณะทาการทดสอบ ความเครียดดึง จากนั้นนาค่าความเค้นดึงและความเครียดดึงไปพล็อตกราฟเพื่อไปหาค่ามอดุลัสยืดหยุ่น Ultimate Tensile Strength (UTS) and Strain (mm) of Densification Bamboo Mean UTS : 302.81 ± 18.06 MPa (n=5) Mean Strain : 0.0131 ± 0.0016 mm/mm (n=5) 0.0250 0.0200 UTS (MPa) 300.00 0.0150 200.00 0.0100 100.00 0.0050 0.00 0.0000 1 2 3 4 5 Specimem Number UTS (Mpa) Strain (mm/mm) รูปที่ 4.14 กราฟผลการทดสอบไม้ไผ่ที่ผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นเนื้อไม้ 48 Strain (mm/mm) 400.00 ตารางที่ 4.6 คุณสมบัติไม้ไผ่ที่ผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นเนื้อไม้ Ultimate Tensile Strength (MPa) 302.81±18.06 Strain (mm/mm) 0.0131±0.0016 Young's modulus (GPa) 24.5±1.2 ผลการทดสอบค่าความแข็งแรงแรงดึงสูงสุด (UTS) และความเครียด (%) ของตัวอย่างทั้ง 5 ตัวอย่าง ค่าเฉลี่ยของ UTS สาหรับตัวอย่างไม้ไผ่อยู่ที่ 302.81 ± 18.06 MPa และค่าเฉลี่ยความเครียด อยู่ที่ 0.0131 ± 0.0016 mm/mm นาค่าที่ได้ไปเปรียบเทียบกับไม้ไผ่ที่ยังไม่ได้ผ่านกระบวนการเพิ่ม ความหนาแน่นเนื้อไม้จะได้เพื่อแสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติของไม้ไผ่ที่เพิ่มขึ้นดังตารางที่ 4.7 ตารางที่ 4.7 เปรียบเทียบคุณสมบัติของไม้ไผ่หลังผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นเนื้อไม้ คุณสมบัติ Ultimate Tensile Strength (MPa) ก่อนปรับปรุง หลังปรับปรุง % ความต่าง 114.85 302.81 164% Strain (mm/mm) 0.0091 0.0131 44% E (GPa) 12.80 24.51 92% หลังผ่านกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นเนื้อไม้ คุณสมบัติเชิงกลของไม้ดีขึ้นอย่างชัดเจน โดย ค่า Ultimate Tensile Strength เพิม่ จาก 114.85 MPa เป็น 302.81 MPa, ค่า Strain เพิ่มขึ้น 31% และค่า โมดู ลั ส ยื ด หยุ่ น (E) เพิ่ ม จาก 12.80 GPa เป็ น 24.51 GPa แสดงให้ เ ห็ น ว่า กระบวนการ densification ช่วยเพิ่มทั้งความแข็งแรงและความแข็งของเนื้อไม้อย่างมีประสิทธิภาพ สาหรับแรงดึงในแนว 22 จะทาการการประมาณค่าเป็น 10% ของ UTS11 และในแนว 33 มี ค่าประมาณ 8% ของ UTS11 จะได้ UTS22 = 30.28 MPa และ UTS33 = 24.22 MPa 49 4.4 การทดสอบการคายก๊าซในสภาวะสุญญากาศและความร้อนของไม้ไผ่ที่ผ่านกระบวนการเพิ่ม ความหนาแน่นเนื้อไม้ การทดสอบการคายก๊าซ (Outgassing Test) ดาเนินการโดยอ้างอิงมาตรฐาน ECSS-Q-ST-7002C โดยมีการปรับเปลี่ยนสภาวะการทดสอบให้อยู่ในระดับที่ใกล้เคียงที่สุดตามขีดความสามารถของ เครื่องมือ โดยกาหนดอุณหภูมิที่ 115 องศาเซลเซียส (จากมาตรฐานกาหนดที่ 125 องศาเซลเซียส) ภายใต้สภาวะสุญญากาศระดับ 10-3 mBar เป็นระยะเวลาต่อเนื่อง 24 ชั่วโมง เพื่อประเมินความ เหมาะสมของวัสดุไม้ไผ่ในสภาวะอวกาศจาลอง รูปที่ 4.15 การทดสอบการคายก๊าซ ตารางที่ 4.8 ผลการทดสอบการคายก๊าซ (Outgassing Test) ชิ้นงาน 1 2 เฉลี่ย น้าหนัก (g) ก่อนทดสอบ หลังทดสอบ 2.7688 2.6240 2.7235 2.5829 2.7462 2.6035 TML (%) 5.23% 5.16% 5.20% จากการทดสอบพบว่าไม้ไผ่มีค่า TML อยู่ที่ 5.20% ซึ่งผลการทดสอบนี้ ยังไม่ผ่านเกณฑ์มาตรฐาน ทางอวกาศ ที่กาหนดให้ค่า TML ต้องไม่เกิน 1.0% ความสาคัญของคุณสมบัตินี้ต่อภารกิจอวกาศ • การปนเปื้อน (Contamination): ก๊าซที่ระเหยออกมาจากวัสดุในสภาวะสุญญากาศสามารถ ไปควบแน่นและเกาะติดบนพื้นผิวที่เย็นกว่าของอุปกรณ์สาคัญ 50 • ผลกระทบต่ออุปกรณ์ทัศนศาสตร์: การคายก๊าซในระดับสูงจะรบกวนการทางานของเลนส์ กล้องและเซนเซอร์รับภาพ ทาให้เกิดฝ้าหรือคราบที่ลดทอนประสิทธิภาพการรับสัญญาณ และคุณภาพของข้อมูลจากดาวเทียม ตารางที่ 4.9 การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของชิ้นงาน ชิ้นงาน 1 2 เฉลี่ย ความหนาแน่น (g/cm3) ก่อนทดสอบ หลังทดสอบ 1.08 1.07 1.11 1.09 1.10 1.08 % ความต่าง 1.20% 1.94% 1.57% ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นของชิ้นงานมีการลดลงอย่างมีนัยสาคัญหลังผ่าน สภาวะจาลองอวกาศ การลดลงของความหนาแน่นนี้เป็นผลมาจากทั้งการสูญเสีย น้าหนัก จากการ คายสารระเหยและน้าที่หลงเหลือในเซลล์ไม้และการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรของชิ้นงานที่เกิดการ หดตัวภายใต้ความร้อนและสุญญากาศ เพื่อให้วัสดุไม้ไผ่สามารถนาไปใช้งานในโครงสร้างดาวเทียมได้อย่างปลอดภัย จาเป็นต้องมี กระบวนการปรับปรุงพื้นผิวเพิ่มเติม ดังนี้ • การเคลือบผิว (Surface Coating): การใช้อีพ็อกซี่เกรดอวกาศ เพื่อสร้างชั้นฟิล์มปิดกั้น ไม่ให้ สารระเหยภายในเนื้อไม้เล็ดลอดออกมาสู่ภายนอกและเพื่อป้องกันการหลุดร่วงของเส้นใย และฝุ่นผงจากเนื้อไม้ ซึ่งอาจฟุ้งกระจายไปรบกวนกลไกการทางานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ 4.5 การทดสอบผลการเปลี่ยนแปลงของอุณภูมิ (Thermal Cycling) กาหนดสภาวะการทดสอบที่ช่วงอุณหภูมิ 80 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 30 นาที และ -40 องศา เซลเซียส เป็นเวลา 30 นาที ต่อเนื่องกันจานวน 5 รอบเพื่อจาลองสภาวะแวดล้อมในวงโคจร ในการทดลองนี้ได้เปรียบเทียบชิ้นงาน 2 ประเภท ได้แก่ ชิ้นงานที่ไม่ผ่านการเคลือบผิวและ ชิ้นงานที่ผ่านการเคลือบด้วย เรซิ่น TR-300 (แทนเรซิ่นเกรดอวกาศที่มีคุณสมบัติทนความร้อนสูง) โดยใช้ วิ ธี การทา (Manual Coating) เพื่ อพิ สู จน์ ทราบประสิ ทธิ ภาพของชั้ นเคลื อบต่ อการรั ก ษา เสถียรภาพของวัสดุ 51 รูปที่ 4.16 หน้าจอเครื่องทดสอบ รูปที่ 4.17 ภาพชิ้นงานขณะทาการทดสอบ ตารางที่ 4.10 การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของชิ้นงานที่เคลือบผิว ชิ้นงาน ความหนาแน่น (g/cm3) % ความต่าง ก่อนทดสอบ หลังทดสอบ 1 1.13 1.13 0.50% 2 1.17 1.16 0.76% เฉลี่ย 1.15 1.15 0.63% จากผลการทดสอบพบว่าการเคลือบผิวด้วยเรซิ่น TR-300 ทาหน้าที่เป็นชั้นฟิล์ม โดยสามารถ ยึดเกาะและปิดกั้นการระเหยของสารภายในเนื้อไม้ รวมถึงช่วยลดผลกระทบจากการขยายตัวและหด ตัวเนื่องจากความร้อน ทาให้วัสดุมีเสถียรภาพเชิงขนาด (Dimensional Stability) ที่เพิ่มมากขึ้น ตารางที่ 4.11 การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของชิ้นงานที่ไม่เคลือบผิว ชิ้นงาน ความหนาแน่น (g/cm3) % ความต่าง ก่อนทดสอบ หลังทดสอบ 3 1.07 1.07 0.55% 4 1.14 1.12 0.92% เฉลี่ย 1.10 1.10 0.74% 52 จากผลการทดสอบความหนาแน่นลดลง 0.74 % ซึ่งชี้ให้เห็นว่าไม้ไผ่ที่ไม่มีชั้นปกป้องจะเกิด การสูญเสียมวลหรือมีการเปลี่ยนแปลงปริมาตร (หดตัว) เมื่อเผชิญกับความร้อน ซึ่งอาจเกิดจากการ ระเหยของความชื้นส่วนเกินหรือสารอินทรีย์ระเหยง่ายภายในเนื้อไม้ไผ่ 4.6 ผลการจาลองผ่านโปรแกรม Ansys 4.6.1 Static Structure รูปที่ 4.18 ภาพตัวอย่างการจาลองแนวการวางที่ 1 รูปที่ 4.19 ภาพตัวอย่างการจาลองแนวการวางที่ 2 ค่าจากแบบจาลองในโปรแกรมโหมด static structural จะได้ผลลัพธ์ออกมาเป็นค่า Normal Stress ในแต่ละแกนของไม้ไผ่ ที่ได้จาก Gravity ทั้ง 3 แกน มาเปรียบเทียบกับค่าที่ได้จากการทดสอบ วัสดุจริงและค่าประมาณโดยอ้างอิงจากผลการทดสอบจริง 53 พิจารณา Normal Stress ตามเส้นใย (แนว 11) ตารางที่ 4.12 Normal Stress แนว 11 Static structural Normal Stress 11 แนวการวางที่ 1 แนวการวางที่ 2 (MPa) Min Max Min Max Gravity Direction Y -2.01 1.66 -0.56 0.62 Z -13.98 17.07 -8.09 4.12 X -0.63 0.83 -2.31 2.65 ผลการวิเคราะห์ความเค้นปกติ (Normal Stress) ตามแนวเส้นใยของวัสดุ แนว 11 ภายใต้ ความเร่งโน้มถ่วงในทิศทางต่าง ๆ ได้แก่ แกน X, Y และ Z พบว่า ค่าความเค้นที่เกิดขึ้นมีทั้งค่าความ เค้นดึงและความเค้นอัด โดยค่าความเค้นสูงสุดที่ตรวจพบคือ 17.07 MPa ซึ่งเกิดในกรณีของการวาง แนวที่ 1 ภายใต้แรงในทิศทางแกน Z ขณะที่ค่าความเค้นต่าสุดมีค่าเท่ากับ -13.98 MPa ซึ่งเป็นความ เค้นอัดจากกรณีเดียวกัน เมื่ อ พิ จารณาเปรี ย บเที ย บกั บ ค่า ความต้า นทานแรงดึ ง สู ง สุ ด ตามแนวเส้ น ใยของวั ส ดุ (UTS11) ซึ่งมีค่าเท่ากับ 302.81 MPa จากการทดสอบ พบว่าค่าความเค้นสูงสุดที่เกิดขึ้นคิ ดเป็น สัดส่วนเพียงประมาณ 5.64% ของค่าดังกล่าวเท่านั้น แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างยังคงอยู่ในช่วงการ ทางานที่ปลอดภัยในทิศทางของเส้นใย พิจารณา Normal Stress แนว 22 ตารางที่ 4.13 Normal Stress แนว 22 Static structural Normal Stress 22 (MPa) Gravity Direction Y Z X แนวการวางที่ 1 แนวการวางที่ 2 Min Max Min Max -0.09 -0.77 -0.06 0.10 0.75 0.09 -0.13 -0.78 -0.33 0.07 0.74 0.34 54 ผลการวิเคราะห์ความเค้นปกติ (Normal Stress) ในทิศทางขวางเส้นใยของ แนว 22 ภายใต้ ความเร่งโน้มถ่วงในทิศทางต่าง ๆ ได้แก่ แกน X, Y และ Z พบว่า ค่าความเค้นที่เกิดขึ้นมีทั้งค่าความ เค้นดึงและความเค้นอัด โดยค่าความเค้นสูงสุดที่เกิดขึ้นคือ 0.75 MPa ซึ่งเกิดในกรณีของการวางแนว ที่ 1 ภายใต้แรงในทิศทางแกน Z ขณะที่ค่าความเค้นต่าสุดมีค่าเท่ากับ -0.77 MPa ซึ่งเป็นความเค้น อัดจากกรณีเดียวกัน ค่า UTS22 ในทิศทางขวางเส้นใย ไม่ได้มาจากการทดสอบโดยตรง แต่ได้จากการประมาณโดย อาศัยอัตราส่วนความแข็งแรงของวัสดุไม้ ซึ่งเป็นวัสดุแบบออร์โธทรอปิก โดยอ้างอิงจาก Wood Handbook: Wood as an Engineering Material (USDA Forest Products Laboratory, 2010) ซึ่งระบุว่า ความต้านทานแรงดึงในทิศ 22 มีมีค่าประมาณ 10% ของ UTS11 เมื่อพิจารณาเปรียบเทียบกับค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุดในทิศทางขวางเส้นใยของวัสดุ (UTS22) ซึ่งมีค่าเท่ากับ 30.281 MPa พบว่าค่าความเค้นสูงสุดที่เกิดขึ้นคิดเป็นสัดส่วนประมาณ 2.48% ของค่าดังกล่าว แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างยังคงอยู่ในช่วงการทางานที่ปลอดภัยในทิศทางขวาง เส้นใย แม้ว่าทิศทางนี้จะเป็นทิศทางที่วัสดุมีความแข็งแรงต่ากว่าตามแนวเส้นใยอย่างมีนัยสาคัญก็ตาม พิจารณา Normal Stress แนว 33 ตารางที่ 4.14 Normal Stress แนว 33 Static structural Normal Stress 33 (MPa) Gravity Direction Y Z X แนวการวางที่ 1 แนวการวางที่ 2 Min Max Min Max -0.14 -1.02 -0.38 0.14 1.08 0.37 -0.18 -0.76 -0.52 0.08 0.69 0.51 ผลการวิเคราะห์ความเค้นปกติ (Normal Stress) ในทิศทางขวางเส้นใยของวัสดุ แนว 33 ภายใต้ความเร่งโน้มถ่วงในทิศทางต่าง ๆ ได้แก่ แกน X, Y และ Z พบว่า ค่าความเค้นที่เกิดขึ้นมีทั้งค่า ความเค้นดึงและความเค้นอัด โดยค่าความเค้นสูงสุดที่เกิดขึ้นคือ 1.08 MPa ซึ่งเกิดในกรณีของการ วางแนวที่ 1 ภายใต้แรงในทิศทางแกน Z ขณะที่ค่าความเค้นต่าสุดมีค่าเท่ากับ -1.02 MPa ซึ่งเป็น ความเค้นอัดจากกรณีเดียวกัน 55 ค่า UTS33 ในทิศทางขวางเส้นใย ไม่ได้มาจากการทดสอบโดยตรง แต่ได้จากการประมาณโดย อาศัยอัตราส่วนความแข็งแรงของวัสดุไม้ ซึ่งเป็นวัสดุแบบออร์โธทรอปิก โดยอ้างอิงจาก Wood Handbook: Wood as an Engineering Material (USDA Forest Products Laboratory, 2010) ซึ่งระบุว่า ความต้านทานแรงดึงในทิศ 33 มีค่าประมาณ 8% ของ UTS11 เมื่อพิจารณาเปรียบเทียบกับค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุดในทิศทางขวางเส้นใยของวัสดุ (UTS33) ซึ่งมีค่าเท่ากับ 24.2248 MPa พบว่าค่าความเค้นสูงสุดที่เกิดขึ้นคิดเป็นสัดส่วนประมาณ 4.46% ของค่าดังกล่าว แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างยังคงอยู่ในช่วงการทางานที่ปลอดภัยในทิศทางขวาง เส้นใย แม้ว่าทิศทางนี้จะเป็นทิศทางที่วัสดุมีความแข็งแรงต่ากว่าตามแนวเส้นใยอย่างมีนัยสาคัญก็ตาม 4.6.2 Modal test 10 mode รูปที่ 4.20 ภาพผลการจาลอง Modal test ตารางที่ 4.15 ความถี่ธรรมชาติ Mode 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ความถี่ (Hz) 143.53 319.53 424.46 549.45 734.79 853.16 945.44 1532.6 1836.9 2003.9 56 ผลการวิเคราะห์ Modal Test พบว่าโครงสร้างมีความถี่ธรรมชาติต่าสุด (Mode 1) เท่ากับ 143.53Hz ซึ่งสูงกว่าความถี่ใช้งานที่กาหนดไว้ที่ 100 Hz โดยมีอัตราส่วนแยกความถี่ (frequency separation) ประมาณ 1.43 เท่า แสดงว่า โครงสร้า งไม่ เ กิ ด การสั่ น พ้ อ งกั บ ความถี่ ใ ช้ งานหลั ก นอกจากนี้ โหมดถัดไปมีค่าความถี่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง (319.53–2003.9 Hz) ยิ่งยืนยันว่าไม่มีโหมด ใดอยู่ใกล้ช่วงการกระตุ้นที่ 100 Hz และเป็นไปตามมาตรฐานที่ต้องหลีกเลี่ยงความถี่ธรรมชาติใกล้กับ ความถี่ใช้งาน 4.6.3 Random Vibration รูปที่ 4.21 ภาพผลการจาลองแนวการวางที่ 1 รูปที่ 4.22 ภาพผลการจาลองแนวการวางที่ 2 57 ผลการวิเคราะห์แบบ Random Vibration ให้ค่า Normal Stress ในรูปแบบ RMS จาก ความเร่งสุ่มทั้ง 3 โดยเพื่อใช้เปรียบเทียบกับค่าความแข็งแรงของวัสดุจริง จึงแปลงเป็นค่าสูงสุดด้วย เกณฑ์ 3×RMS ซึ่งครอบคลุมความน่าจะเป็น 99.73% ทาให้การประเมินมีความปลอดภัยก่อนนาไป เทียบกับค่า UTS ของวัสดุ พิจารณา Normal Stress ตามเส้นใย (แนว 11) ตารางที่ 4.16 Normal Stress แนว 11 Random Vibration Normal Stress 11 (MPa) Acceleration Direction Y Z X แนวการวางที่ 1 แนวการวางที่ 2 Min Max Min Max 0 0 0 8.80 4.64 9.55 0 0 0 4.72 27.83 8.12 ผลการวิเคราะห์ความเค้นปกติ (Normal Stress) ตามแนวเส้นใยของวัสดุ แนว 11 ภายใต้ ความเร่งจากการสั่นแบบสุ่มในทิศทางต่าง ๆ ได้แก่ แกน X, Y และ Z พบว่า ค่าความเค้นที่เกิดขึ้นมี ทั้งค่าความเค้นดึงและความเค้นอัด โดยค่าความเค้นสูงสุดที่ตรวจพบคือ 27.83 MPa ซึ่งเกิดในกรณี ของการวางแนวที่ 2 ภายใต้แรงในทิศทางแกน Z เมื่ อ พิ จารณาเปรี ย บเที ย บกั บ ค่า ความต้า นทานแรงดึ ง สู ง สุ ด ตามแนวเส้ น ใยของวั ส ดุ (UTS11) ซึ่งมีค่าเท่ากับ 302.81 MPa จากการทดสอบ พบว่าค่าความเค้นสูงสุดที่เกิดขึ้นคิ ดเป็น สัดส่วนเพียงประมาณ 9.19% ของค่าดังกล่าวเท่านั้น แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างยังคงอยู่ในช่วงการ ทางานที่ปลอดภัยในทิศทางของเส้นใย 58 พิจารณา Normal Stress แนว 22 ตารางที่ 4.17 Normal Stress แนว 22 Random Vibration Normal Stress 22 (MPa) Acceleration Direction Y Z X แนวการวางที่ 1 แนวการวางที่ 2 Min Max Min Max 0 0 0 0.44 2.80 0.46 0 0 0 0.86 2.63 0.89 ผลการวิเคราะห์ความเค้นปกติ (Normal Stress) ในทิศทางขวางเส้นใยของ แนว 22 ภายใต้ ความเร่งจากการสั่นแบบสุ่มทิศทางต่าง ๆ ได้แก่ แกน X, Y และ Z พบว่า ค่าความเค้นที่เกิดขึ้นมีทั้ง ค่าความเค้นดึงและความเค้นอัด โดยค่าความเค้นสูงสุดที่เกิดขึ้นคือ 2.80 MPa ซึ่งเกิดในกรณีของการ วางแนวที่ 1 ภายใต้แรงในทิศทางแกน Z ค่า UTS22 ในทิศทางขวางเส้นใย ไม่ได้มาจากการทดสอบโดยตรง แต่ได้จากการประมาณโดย อาศัยอัตราส่วนความแข็งแรงของวัสดุไม้ ซึ่งเป็นวัสดุแบบออร์โธทรอปิก โดยอ้างอิงจาก Wood Handbook: Wood as an Engineering Material (USDA Forest Products Laboratory, 2010) ซึ่งระบุว่า ความต้านทานแรงดึงในทิศ 22 มีมีค่าประมาณ 10% ของ UTS11 เมื่อพิจารณาเปรียบเทียบกับค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุดในทิศทางขวางเส้นใยของวัสดุ (UTS22) ซึ่งมีค่าเท่ากับ 30.281 MPa พบว่าค่าความเค้นสูงสุดที่เกิดขึ้นคิดเป็นสัดส่วนประมาณ 9.25% ของค่าดังกล่าว แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างยังคงอยู่ในช่วงการทางานที่ปลอดภัยในทิศทางขวาง เส้นใย แม้ว่าทิศทางนี้จะเป็นทิศทางที่วัสดุมีความแข็งแรงต่ากว่าตามแนวเส้นใยอย่างมีนัยสาคัญก็ตาม 59 พิจารณา Normal Stress แนว 33 ตารางที่ 4.18 Normal Stress แนว 33 Random Vibration Normal Stress 33 (MPa) Acceleration Direction Y Z X แนวการวางที่ 1 แนวการวางที่ 2 Min Max Min Max 0 0 0 0.56 3.67 1.08 0 0 0 1.02 2.95 1.42 ผลการวิเคราะห์ความเค้นปกติ (Normal Stress) ในทิศทางขวางเส้นใยของวัสดุ แนว 33 ภายใต้ความเร่งจากการสั่นแบบสุ่มในทิศทางต่าง ๆได้แก่ แกน X, Y และ Z พบว่า ค่าความเค้นที่ เกิดขึ้นมีทั้งค่าความเค้นดึงและความเค้นอัด โดยค่าความเค้นสูงสุดที่เกิดขึ้นคือ 3.67 MPa ซึ่งเกิดใน กรณีของการวางแนวที่ 1 ภายใต้แรงในทิศทางแกน Z ค่า UTS33 ในทิศทางขวางเส้นใย ไม่ได้มาจากการทดสอบโดยตรง แต่ได้จากการประมาณโดย อาศัยอัตราส่วนความแข็งแรงของวัสดุไม้ ซึ่งเป็นวัสดุแบบออร์โธทรอปิก โดยอ้างอิงจาก Wood Handbook: Wood as an Engineering Material (USDA Forest Products Laboratory, 2010) ซึ่งระบุว่า ความต้านทานแรงดึงในทิศ 33 มีค่าประมาณ 8% ของ UTS11 เมื่อพิจารณาเปรียบเทียบกับค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุดในทิศทางขวางเส้นใยของวัสดุ (UTS33) ซึ่งมีค่าเท่ากับ 24.2248 MPa พบว่าค่าความเค้นสูงสุดที่เกิดขึ้นคิดเป็นสัดส่วนประมาณ 15.13% ของค่าดังกล่าว แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างยังคงอยู่ในช่วงการทางานที่ปลอดภัยในทิศทาง ขวางเส้นใย แม้ว่าทิศทางนี้จะเป็นทิศทางที่วัสดุมีความแข็งแรงต่ากว่าตามแนวเส้นใยอย่างมีนัยสาคัญ ก็ตาม 60 4.7 ปัญหาที่พบเจอในการประกอบ 1. เนื่องจากปลายไม้ไผ่ถูกบากจนมีพื้นที่หน้าตัดน้อยลง ระหว่างการทาร่องจึงมีความเสี่ยงที่ เนื้อไม้หรือผิวหน้าจะปริแตกได้ง่าย รูปที่ 4.23 การปริแตกของไม้ไผ่ 2. ด้วยข้อจากัดของพื้นที่เนื้อไม้ที่เหลืออยู่น้อย ขั้นตอนการเจาะจึงต้องทาเครื่องหมายอย่าง แม่นยาสูง เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความเสียหายแก่ไม้ไผ่ 3. เมื่อประกอบชิ้นงานเสร็จสิ้น พบว่าโครงสร้างบางจุดยังไม่ได้ระนาบที่สมบูรณ์ ซึ่งคาดว่าอาจ เกิดจากสาเหตุดังต่อไปนี้ 3.1 บริเวณจุดสัมผัสของมุมรางอะลูมิเนียมอาจยังลบมุมได้ไม่ดีพอ 3.2 ความยาวของคานไม้ไผ่แต่ละชิ้นอาจมีความคลาดเคลื่อน 3.3 ตาแหน่งรูเจาะระหว่างรางอะลูมิเนียมและคานไม้ไผ่เกิดการเยื้องกัน รูปที่ 4.24 แสดงชิ้นงานที่ประกอบไม่สมมาตร 61 บทที่ 5 สรุปผลและข้อเสนอแนะ 5.1 สรุปผล จากการดาเนินโครงงานพัฒนาและประเมินส่วนประกอบโครงสร้างที่ทาจากไม้ไผ่สาหรับการใช้ งาน CubeSat ผลลัพธ์ที่ได้จากการศึกษาแสดงให้เห็นว่า กระบวนการเพิ่มความหนาแน่นสามารถ ยกระดับคุณสมบัติเชิงกลของไม้ไผ่ซางหม่นให้สูงขึ้นจนอยู่ในเกณฑ์ที่นามารับแรงได้ อย่างไรก็ตาม ยัง พบข้ อ จากั ด บางประการในขั้ น ตอนการผลิ ต และการทดสอบสภาวะอวกาศ ซึ่ ง เมื่ อ นาผลการ ดาเนินงานทั้งหมด จะมีรายละเอียดดังนี้ สมรรถนะทางกล: กระบวนการเพิ่มความหนาแน่นเนื้อไม้ช่วยเพิ่มศักยภาพของไม้ไผ่ได้อย่าง เห็นได้ชัด โดยความหนาแน่นเพิ่มขึ้นเป็น 1.52 g/cm³ ความต้านทานแรงดึงสูงสุดเพิ่มเป็น 302.81 MPa และมอดูลัสยืดหยุ่นเพิ่มเป็น 24.51 GPa ซึ่งแข็งแรงเพียงพอต่อการนาไปใช้งาน สมรรถนะทางความร้อน: การเคลือบผิวไม้ไผ่ด้วยเรซิน (TR-300) สามารถรักษาเสถียรภาพ ของวัสดุเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากการทดลอง Thermal cycling ได้ดี โดยสูญเสียมวลเพียง 0.31% แต่สาหรับการทดสอบการคายก๊าซในสภาวะสุญญากาศและความร้อน ยังใช้ในส่วนของไม้ไผ่ ที่ผ่านการทาเพียงแค่กระบวนการเพิ่มความหนาแน่นเนื้อไม้ มีค่าการสูญเสียมวลรวมอยู่ที่ 5.20% ซึ่ง ยังไม่ผ่านเกณฑ์มาตรฐานอวกาศที่กาหนดให้ต้องไม่เกิน 1.0% แต่ยังไม่ใช้ไม้ที่ผ่านการเคลือบ เนื่องจากเรซิ่นที่ใช้ไม่ผ่านมาตรฐาน Nasa และเมื่อทดสอบอาจเกิดสารระเหยที่ส่งผลเสียต่อเครื่องได้ โครงสร้า ง CubeSat: สามารถออกแบบโครงสร้า ง CubeSat ขนาด 1U ที่ ใ ช้ คานไม้ ไ ผ่ ประกอบเข้าด้วยกันด้วยรอยต่อแบบ Kigumi ร่วมกับรางอะลูมิเนียมได้สาเร็จ แต่เมื่อเปรียบเทียบผล การจาลองกับ ชิ้น งานจริง พบว่ามีความแตกต่างกั นในแง่ ข องข้ อจากั ดทางกายภาพซึ่งผลจาก แบบจาลองโปรแกรม ANSYS ซึ่งคานวณจากคุณสมบัติวัสดุที่ได้จากการทดลอง ยืนยันว่าโครงสร้างมี ความปลอดภัยสูง โดยมีความเค้นสูงสุดเกิดขึ้นเพียง 17.07 MPa ซึ่งถือว่าต่ากว่าขีดจากัดที่ 302.81 MPa มาก และมีความถี่ธรรมชาติโ หมดแรกที่ 143.53 Hz ซึ่งพ้นระยะการเกิดการสั่นพ้อง และ สามารถทนแรงสั่นสะเทือนแบบสุ่มได้อย่างปลอดภัย ผลจากการประกอบจริง ชิ้นงานต้นแบบไม่สามารถทนทานต่อการขึ้นรูปได้สมบูรณ์แบบเหมือน ในโปรแกรมจาลอง เนื่องจากการใช้รอยต่อแบบ Kigumi ทาให้เนื้อไม้สูญเสียพื้นที่หน้าตัดและเกิดการ 62 ปริแตกตามแนวเส้นใยบริเวณรอยบากได้ง่าย ประกอบกับความคลาดเคลื่อนในการเจาะรูและการทา รอยต่อด้วยมือ ส่งผลให้ชิ้นงานเกิดการเยื้องศูนย์เมื่อประกอบเข้ากับรางอะลูมิเนียม ซึ่งเป็นตัวแปร ความไม่สมบูรณ์จากการผลิตและพฤติกรรมความเปราะของไม้ที่โปรแกรมจาลองไม่ได้คานวณไว้ การวิเคราะห์ก๊าซที่อาจส่งผลกระทบต่อชั้นโอโซน และประเมินความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อ ม: ไม่สามารถดาเนินการทดสอบได้ เนื่องจากมีข้อจากัดและขาดความพร้อมทั้งในเรื่องของวัสดุ อุปกรณ์ เฉพาะทาง และเครื่องมือทดสอบที่จาเป็นสาหรับการจาลองสภาวะการเผาไหม้ขณะกลับสู่ชั้น บรรยากาศ ทาให้ไม่สามารถเก็บข้อมูลเพื่อวิเคราะห์ปริมาณก๊าซตามมาตรฐานที่กาหนดไว้ได้ 5.2 ข้อเสนอแนะ จากผลการดาเนินงาน ปัญหาที่พบในการประกอบชิ้นงาน และข้อจากัดของเครื่องมือทดสอบใน โครงงานนี้ มีข้อเสนอแนะสาหรับการพัฒนาและการศึกษาวิจัยในอนาคต ดังนี้ 1. ด้านการปรับปรุงคุณสมบัติเพื่อลดการคายก๊าซ: เนื่องจากไม้ไผ่ที่ผ่านกระบวนการแล้วยังมี ค่าการสูญเสียมวลรวมเกินเกณฑ์มาตรฐานอวกาศ ควรศึกษาและทดลองใช้เทคโนโลยีสาร เคลือบผิวระดับอวกาศอื่นๆ 2. ด้านกระบวนการผลิตและขึ้นรูปโครงสร้าง: จากปัญหาการปริแตกของเนื้อไม้ไผ่บริเวณรอย บากของรอยต่อแบบ Kigumi และความคลาดเคลื่อนในการประกอบเข้ากับรางอะลูมิเนียม ควรพิจารณาใช้เครื่องจักรที่มีความละเอียดและแม่นยาสูงในการผลิต เช่น เครื่อง CNC หรือ เครื่องตัดเลเซอร์แทนการขึ้นรูปและเจาะรูด้วยมือ เพื่อลดปัญหาการเยื้องศูนย์ ป้องกันความ เสียหายของเนื้อไม้ และช่วยให้โครงสร้างดาวเทียมมีความสมมาตรสมบูรณ์แบบใกล้เคียงกับ ในโปรแกรมจาลอง 3. ด้านการพัฒนาวัสดุคอมโพสิตเส้นใยไม้ไผ่เพื่อเพิ่มขีดความสามารถในการรับแรงแบบ หลายทิศทาง: เนื่องจากโครงสร้างไม้ไผ่ในสภาวะธรรมชาติมีข้อจากัดด้านคุณสมบัติทางกล คื อ สามารถรั บ แรงกระทาได้ ดี เ พี ย งทิ ศ ทางเดี ย วตามแนวความยาวของเส้ น ใย จึ ง มี ข้อเสนอแนะสาหรับการศึกษาวิจัยในอนาคตในการนากระบวนการทางเคมีมาประยุกต์ใช้ จากนั้นนาเส้นใยไม้ไผ่ที่ได้มาจัดเรียงตัวแบบสลับทิศทางขึ้นรูปใหม่โดยใช้เรซินเคลือบเกรด อวกาศเป็นตัวประสาน กระบวนการนี้จะช่วยปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุให้มีศักยภาพในการ ทนทานต่อความเค้นและแรงกระทาทางกลจากหลายทิศทางได้อย่า งมีประสิทธิภาพ ซึ่งจะ 63 ช่วยเพิ่มความแข็งแรงโดยรวมของโครงสร้างดาวเทียมให้ทนทานต่อแรงสั่นสะเทือนในทุก แกนได้อย่างสมบูรณ์แบบมากยิ่งขึ้น 4. ด้านการศึกษาการเผาไหม้และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม: เนื่องจากโครงงานนี้ยังไม่สามารถ ดาเนินการทดสอบการสลายตัวของวัสดุระหว่างตกกลับสู่โลกได้ ด้วยข้อจากัดด้านความ พร้อมของวัสดุ อุปกรณ์เฉพาะทาง และเครื่องมือทดสอบ จึงเสนอแนะให้งานวิจัยในอนาคต ทาการจาลองสภาวะความร้อนสูงขณะกลับสู่ชั้นบรรยากาศ พร้อมทั้งวิเคราะห์ชนิดและ ปริมาณก๊าซที่เกิดจากการเผาไหม้ของไม้ไผ่เคลือบเรซิน ว่าส่งผลกระทบต่อชั้นโอโซนหรือไม่ เพื่อประเมินความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอย่างครบถ้วนตามมาตรฐาน ISO 24113 5. ด้านการทดสอบสภาวะแวดล้อมอวกาศเพิ่มเติม: ควรมีการทดสอบในสภาวะจาลองอวกาศ ในมิติอื่นๆ เพิ่มเติม เช่น การทดสอบความทนทานต่อการทาลายจากรังสีอัลตราไวโอเลต และรังสีคอสมิ ก รวมถึงควรมีการทดสอบการทางานร่ว มกั บระบบอิเล็ก ทรอนิ กส์ ข อง ดาวเทียมจริง เพื่อยืนยันว่าโครงสร้างไม้ไผ่จะไม่สร้างไฟฟ้าสถิตหรือรบกวนสัญญาณการ สื่อสารของระบบดาวเทียมเมื่อนาไปใช้งานจริง 64 เอกสารอ้างอิง [1] Neely, R. R., et al. (2024). Potential Ozone Depletion From Satellite Demise During Atmospheric Reentry in the Era of Mega-Constellations. URL: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024GL109280 [สืบค้นวันที่ 1/8/2568] [2] United Nations Environment Programme, Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2022. Nairobi: UNEP, 2023. [Online]. Available:https://ozone.unep.org [สืบค้นวันที่ 30/7/2568] [3] NASA Ozone watch URL: https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/ [สืบค้นวันที่ 30/7/2568] [4] Voigt, C., et al. (2022). Potential ozone depletion from rocket emissions. Nature Communications.URL:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021JD0 36373 [สืบค้นวันที่ 1/8/2568] [5] Ross, M., Toohey, D., Peinemann, M., & Ross, P. (2009). Limits on the Space Launch Market Related to Stratospheric OzoneDepletion.Ozone Depletion. URL: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14777620902768867 [สืบค้นวันที่ 1/8/2568] [6] Environmental limits to the space sector’s growth URL: https://blogisige.minesparis.psl.eu/2022/01/07/environmental-limits-to-the-space-sectorsgrowth/ [สืบค้นวันที่ 1/8/2568] [7] ไผ่ซางหม่น พืชน่าปลูก สารพัดประโยชน์ URL: https://gardenandfarm.baanlaesuan.com/298104/farming-101/munro [สืบค้นวันที่ 29/8/2568] [8] ไบโอเทค สวทช. ‘เพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อไผ่เศรษฐกิจ 150,000 ต้น’ มุ่งส่งมอบไผ่พันธุ์ดี ไม่ติดอายุแม่ https://www.nstda.or.th/home/news_post/sci-update-bamboo-tissue-culture/ [สืบค้นวันที่ 29/8/2568] [9] A Study on Physical Characteristics of Some Bamboo [สืบค้นวันที่ 29/8/2568] 65 [10] Investigation of the microstructure, chemical structure, and bonding interfacial properties of thermal-treated bamboo URL: Investigation of the microstructure, chemical structure, and bonding interfacial properties of thermal-treated bamboo - ScienceDirect[สืบค้นวันที่ 30/7/2568] [11] Evaluation of orthotropic elasticity of gradient-structured bamboo by microtensile testing combined with digital image correlation technique URL: Evaluation of orthotropic elasticity of gradient-structured bamboo by microtensile testing combined with digital image correlation technique - ScienceDirect [สื บ ค้ น วั น ที่ 30/7/2568] [12] Orthotropic material Wikipedia URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Orthotropic_material [สืบค้นเมื่อ 1/8/2568] [13] วัสดุ composites URL: https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=classification_of_composites& utm [สืบค้นวันที่ 30/07/68] [14] Processing bulk natural wood into a high-performance structural material URL: https://www.researchgate.net/publication/322991664_Processing_bulk_natural_w ood_into_a_highperformance_structural_material [สืบค้นเมื่อ 1/12/2568] [15] Universal testing machine Wikipedia URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Universal_testing_machine [สืบค้นเมื่อ 1/8/2568] [16] Tribological Study of Bamboo's Surfaces for Tactility Enhancement V4_Revise20251507 [สืบค้นเมื่อ 1/8/2568] [17] European Cooperation for Space Standardization, ECSS-Q-ST-70-02C: Thermal testing for the evaluation of space materials, Noordwijk, The Netherlands, 2008. [Online]. Available: https://ecss.nl/standard/ecss-q-st-70-02c/ [สืบค้นเมื่อ 1/8/2568] [18] รูปเครื่อง Thermomechanical Analyzer: METTLER TOLEDO; TMA/SDTA URL: https://jinsunghitec-en.kr/MFT-5000 [ สืบค้นวันที่ 18/10/2568] [19] Wood Handbook: Wood as an Engineering Material [สืบค้นวันที่ 18/10/2568] 66 โครงการ LignoSat ของ JAXA/Kyoto University [20-24] [20] https://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=5990&context=small sat [21] https://4imag.com/lignosat-the-wooden-satellite-that-can-transform-the-spaceindustry/ [22] https://eos.org/articles/a-new-satellite-material-comes-out-of-the-woodwork [23] https://www.japantimes.co.jp/news/2024/05/29/japan/science-health/world-firstwooden-satellite/ [24] https://www.nasa.gov/image-article/jaxas-first-wooden-satellite-deploys-fromspace-station/ [สืบค้นวันที่ 23/10/2568] โครงการ WISA Woodsat ของ ESA/Arctic Astronautics [25-27] [25] https://www.wisaplywood.com/wisawoodsat/ [26] https://www.eoportal.org/satellite-missions/wisa-woodsat#launch [27] https://www.defenseone.com/technology/2021/07/plywood-satellite-clearedspace-launch/183752/ [สืบค้นวันที่ 23/10/2568] [28] Horizontal mechanical performance of the upper beam frame with beam- beam connection of traditional wooden building URL:https://shorturl.asia/np4Xz [สืบค้น วันที่ 09/01/2569] [29] CubeSat Design Specification Rev. 14.1 The CubeSat Program, Cal Poly SLO URL: https://static1.squarespace.com/static/5418c831e4b0fa4ecac1bacd/t/62193b7fc9 e72e0053f00910//CDS+REV14_1+2022-02-09.pdf วั น ที่ [สื บ ค้ น วั น ที่ 30/7/2568] [30] รู ป ขนาดเดี ย วเที ย มขนาดต่า งๆ URL: https://alen.space/basic-guide-nanosatellites [สืบค้นวันที่ 1/8/2568] [31] ISO 22157-1 มาตรฐานการชิ้ น ทดสอบของไม้ ไ ผ่ หนั ง สื อ Bamboo-Determination of physical and mechanical properties [ สืบค้นวันที่ 5/9/2568] [32] ISO 178-2019 มาตรฐานการทดสอบ [ สืบค้นวันที่ 12/12/2568] 67 [33] ASTM D143 – มาตรฐานการทดสอบเชิ ง กลของไม้ URL: https://store.astm.org/d014322.html [สืบค้นวันที่ 18/10/2568] [34] ASTM D143 – มาตรฐานการทดสอบเชิ ง กลของไม้ URL: https://store.astm.org/d014322.html [สืบค้นวันที่ 18/10/2568 [35] งานวิจัย สมบัติเชิงกลของไม้ไผ่ทีใช้ทําร่มโบราณ The mechanical properties of bamboo used to make ancient umbrellas [สืบค้นวันที่ 26/11/2568] [36] Kigumi – URL: Kigumi — Wikipédia [สืบค้นวันที่ 08/01/2569] 68 ภาคผนวก Drawing 69 ตารางค่าใช้จ่าย Item. 1 2 รายการ โคมไฟอบเรซิ่นยูวีพร้อมกล่องไม้100วัต Phrozen TR300 Ultra-High Temp Resin 1kg รวม 70 ราคา (บาท) 385 1890 2275

Abstract

This project aims to study and develop a 1U CubeSat structural component from Sang Mon bamboo as an environmentally friendly alternative material to aerospacegrade aluminum alloy, which often generates alumina particles that deplete the ozone layer during combustion and re-enter the Earth's atmosphere. The study employed a wood densification process, tensile testing, bending testing, simulated space environment testing, and structural behavior evaluation using the ANSYS engineering software to assess the bamboo material's properties against specified standards. A prototype structure was designed incorporating bamboo beams with Kikumi joints and aluminum alloy rails. The results showed that the densification process can improve the mechanical properties of the wood, increasing density, maximum tensile strength, and elastic modulus. The prototype was then assembled and simulated to evaluate its feasibility for use in CubeSat

อ้างอิงผลงานนี้ / Cite this

รหัสโปรเจค

AM-2568-014

ชื่อเรื่อง

การพัฒนาและการประเมินส่วนประกอบโครงสร้างที่ทำจากไม้ไผ่สำหรับการใช้งาน CubeSat / Development and Evaluation of Bamboo-Based Structural Components for CubeSat Applications

ผู้จัดทำ

ณัฐเมศร์ ธนธรรมศิษฐ์, กิตติภูมิ งามทอง, รัชพล เรือนสูง, ราชันย์ แสงทอง

อาจารย์ที่ปรึกษา

ผศ.ดร.นำพล มหายศนันท์

ปีการศึกษา

2568 (C.E. 2025)

หน่วยงาน

ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน-อวกาศ (MAE) มจพ.

URL

https://maeconnect.eng.kmutnb.ac.th/projects/cmoi2qr1q0061xtyrbqcf0sr6