นักวิจัย มมส สร้างงานการเคลือบโลหะมีค่าบนชิ้นส่วนเครื่องประดับ

          ชื่อผลงาน Nova-V-coat for surface science and engineering (การเคลือบโลหะมีค่าบนเครื่องประดับด้วยเทคนิคแมกนีตรอนสปัตเตอริง)

          สมบัติเชิงผิว และสีของผิวตัวเรือนไม่เพียงมีความสำคัญต่อผู้ผลิตในขั้นตอนการออกแบบผลิตภัณฑ์เครื่องประดับ แต่ยังเป็นปัจจัยอันดับต้นๆ ในการตัดสินใจเลือกซื้อ   สีผลิตภัณฑ์เครื่องประดับจึงเป็นปัจจัยสำคัญ ในการเพิ่มมูลค่าให้กับสินค้ากลุ่มตัวเรือนในอุตสาหกรรมอัญมณี และเครื่องประดับ โดยทั่วไปสีของผิวตัวเรือนถูกกำหนดจากวัสดุที่ใช้หล่อขึ้นรูป ซึ่งมีทั้งประเภทโลหะเดี่ยว เช่น สีเหลืองจากโลหะทอง สีขาวจากโลหะเงิน โรเดียม หรือแพทินัม และประเภทโลหะผสม เช่น สีทองชมพูจาก ทองผสมเงิน และทองแดง เป็นต้น ในปัจจุบัน สีของผิวตัวเรือนสามารถถูกกำหนดได้จากสารเคลือบผิว ซึ่งอาจอยู่ในรูปของฟิล์มบางสารประกอบไนไตรด์ เช่น สีทองจากฟิล์มไทเทเนียมไนไตรด์ สีเงินจากฟิล์มโครเมียมไนไตรด์ หรือสีรุ้งแฟนซีจากฟิล์มโลหะออกไซด์ นอกจากนี้ยังรวมถึง สีโทนเข้ม จากวัสดุโลหะเจือคาร์บอน

         

       ในปัจจุบัน บริษัทฯขนาดกลาง และขนาดย่อมในอุตสหกรรมเครื่องประดับ ได้ถือครองเทคโนโลยี และมีความรู้เชิงเทคนิค ของการชุบเคลือบด้วยเทคนิคทางไฟฟ้าเคมีเป็นหลัก แต่อย่างไรก็ตาม วิธีการชุบเคลือบด้วยเทคนิคดังกล่าวอาจมีข้อจำกัด และยังไม่สามารถรองรับความต้องการบางส่วนของตลาดเครื่องประดับได้   การมองหาเทคโนโลยีทางเลือกที่เกี่ยวข้องกับการเคลือบ เพื่อกำหนดสีของผิวผลิตภัณฑ์จึงเป็นแนวทางสำคัญของการพัฒนาสินค้าผลิตภัณฑ์เครื่องประดับ

การเคลือบฟิล์มบางด้วยเทคนิค physical vapor deposition (PVD) และ plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) ถือเป็นเทคโนโลยีทางเลือก ของงานชุบผิวผลิตภัณฑ์เครื่องประดับ

รูปที่ 1.   ไดอะแกรมหลักการของการเคลือบฟิล์มด้วยเทคนิค PVD และ PE-CVD 

ภายใต้กระบวนการเคลือบเทคนิค PVD และ PECVD สารตั้งต้นทั้งในรูปของแข็ง หรือแก๊สถูกเปลี่ยนสถานะให้เป็นให้อยู่ในรูปพลาสมาของไอสารตั้งต้น ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคที่ว่องไวต่ออัตรกริยาทางฟิสิกส์ และเคมีไอของสารตั้งต้นจะถูกลำเลียงไปยังบริเวณชิ้นงานที่ต้องการเคลือบ ภายใต้สภาวะความดันต่ำกว่าความดันบรรยากาศ  ไอของสารตั้งต้นจะตกสะสมเป็นฟิล์มบางปกคลุมผิวชิ้นงาน

  

รูปที่ 2.   ตัวอย่างผิวเคลือบ PVD บนชิ้นงานเคลือบประดับ และระบบเคลือบผิวระดับอุตสาหกรรม 

ที่มา vaportech.com และ eifeler.com

            แม้เทคโนโลยี PVD และ PECVD จัดอยู่ในกลุ่มเทคโนโลยีสะอาด แต่อย่างไรก็ตาม การเข้าถึงเทคโนโลยีดังกล่าวยังมีข้อจำกัดอย่างมาก บริษัทที่ถือครองเทคโนโลยี PVD และ PECVD ในประเทศ ส่วนใหญ่ดำเนินธุรกิจแบบรับบริการเคลือบผิว นำไปสู่ปัญหาคอขวดของกระบวนการผลิต และถือเป็นอุปสรรคต่อขีดความสามารถในการแข่งขัน และพัฒนาสินค้าของบริษัทในระยะยาว

   

        การพัฒนาเทคโนโลยีเคลือบฟิล์มด้วยเทคนิค PVD และ PECVD ขึ้นได้ภายในประเทศ และการถือครององค์ความรู้กระบวนการเคลือบดังกล่าว จะทำให้ผู้ประกอบการขนาดกลาง และขนาดย่อมสามารถยกระดับขีดความสามารถ ในการแข่งขันในการผลิตสินค้า และผลิตภัณฑ์ได้ตรงตามความต้องการของตลาด หรือท้ายที่สุด อาจนำไปสู่สร้างธุรกิจใหม่ ที่เกี่ยวข้องกับการจัดจำหน่ายระบบเคลือบฟิล์มบาง สำหรับงานชุบผิวงานเครื่องประดับในอนาคต

       หน่วยวิจัยเทคโนโลยีพลาสมา ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ ได้นำเสนอการพัฒนาระบบ และกระบวนการเคลือบฟิล์มบาง Nova-V-Coat ที่สามารถรองรับงานเคลือบ สำหรับกลุ่มผู้ประกอบการขนาดกลาง และขนาดย่อมภายใต้เทคโนโลยีไฮบริดจ์ ที่ผสมผสานความโดดเด่นของเทคนิคการเคลือบด้วยไอเชิงกายภาพ และไอเชิงเคมีเข้าด้วยกัน และยังได้พัฒนาระบบอัตโนมัติ  เพื่อเพิ่มสมรรถนะ ลดความซับซ้อนของระบบ และช่วยอำนวยผู้ใช้งานสามารถดำเนินการเคลือบใช้งานอย่างสะดวก และมีประสิทธิภาพ ระบบ และกระบวนการเคลือบที่พัฒนาขึ้น จะนำไปสู่การยกระดับศักยภาพการแข่งขันของผู้ประกอบ และการขยายตลาดสินค้ากลุ่มตัวเรือนเครื่องประดับต่อไป 

         วัตถุประสงค์ในการจัดทำสิ่งประดิษฐ์นี้ เพื่อมุ่งพัฒนาระบบเคลือบ กระบวนการเคลือบ และผิวเคลือบเพื่อรองรับโจทย์จากภาคอุตสหกรรมที่เกี่ยวข้อง

         ระบบเคลือบฟิล์มบาง เป็นระบบที่ซับซ้อน ประกอบขึ้นจากอุปกรณ์หลายภาคส่วน เช่น ปั๊มสุญญากาศ อุปกรณ์วัดทางสุญญากาศ อุปกรณ์นำส่งแก๊ส และอุปกรณ์ทางไฟฟ้าเป็นต้น   การเดินระบบเคลือบฟิล์มบาง จึงเกี่ยวข้องกับการทำงานร่วมกัน อย่างเป็นลำดับขั้นของอุปกรณ์ข้างต้น เช่น การสร้างสภาวะความดันต่ำภายในห้องเคลือบ ต้องดำเนินการเปิดปั๊มสุญญากาศแต่ละชนิด และเปิด/ปิดวาล์วสุญญากาศ แต่ละชิ้นอย่างเป็นลำดับ ภายใต้เงื่อนไขที่รัดกุม ความผิดพลาดจากการเดินระบบสุญญากาศที่ไม่รัดกุม จะทำให้เกิดอันตรายต่อผู้เดินระบบ และเกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ของระบบเคลือบ   

   

         งานปรับปรุงระบบเคลือบฟิล์มบาง มีเป้าหมายที่ไม่เพียงแต่ปรับทดแทนอุปกรณ์ให้ทันสมัย แต่ยังต้องการยกระดับให้ระบบเคลือบ สามารถดำเนินการด้วยการควบคุมผ่านคอมพิวเตอร์ เพื่ออำนวยความสะดวก และลดความผิดพลาดระหว่างการเดินระบบ   รูปที่ 6 แสดงไดอะแกรมระบบเคลือบที่ได้รับการปรับปรุง   ถ้าแบ่งตามลักษณะหน้าที่การทำงาน อุปกรณ์ในระบบเคลือบถูกแบ่งออกเป็นสามกลุ่มคือ กลุ่มอุปกรณ์สร้างสภาวะสุญญากาศ  กลุ่มอุปกรณ์กระบวนการเคลือบ  และกลุ่มอุปกรณ์สนับสนุนอื่นๆ

     

         กลุ่มอุปกรณ์สร้างสภาวะสุญญากาศ ประกอบด้วยภาชนะสุญญากาศ (19) ปั๊มสุญญากาศชนิดเทอร์โบโมเลกูลลาร์ (2) ปั๊มกลโรตารี (1) เกจวัดความดันสุญญากาศ (7), (9) และ วาล์วสุญญากาศ (2), (4), (5)   กลุ่มอุปกรณ์กระบวนการเคลือบ ประกอบด้วย หัวแมกนีตรอนสปัตเตอริงที่เป็นแหล่งกำเนิดไอสารเคลือบ (16) แหล่งจ่ายไฟ (12) เครื่องควบคุมอัตราไหลแก๊ส (10), (11) ฐานจับชิ้นงาน (18)   กลุ่มอุปกรณ์สนับสนุนอื่นๆ เช่น ระบบน้ำระบายความร้อน ระบบนำส่งแก๊ส ระบบส่งกำลังไฟฟ้า และระบบสำรองไฟ เป็นต้น

         อุปกรณ์หลายตัวในระบบเคลือบฟิล์มบางต้องถูกควบคุม กำหนดค่า และตรวจวัดสถานะ เพื่อนำไปประมวลและแสดงผล  ยกตัวอย่างเช่น วาล์วสุญญากาศ (3) จะได้รับคำสั่งเพื่อเชื่อมต่อ หรือตัดการเชื่อมต่อปั้มเทอโบกับภาชนะสุญญากาศ   วาล์วสุญญากาศ (3) ยังสามารถรับสัญญาณจากเกจวัดความดัน (9) เพื่อควบคุมความดันภายในห้องเคลือบให้มีค่าคงที่ในระหว่างกระบวนการเคลือบฟิล์ม   ดังนั้นการควบคุม กำหนดค่า และตรวจวัดสถานะการทำงานของอุปกรณ์ในระบบเคลือบ จึงมีความสำคัญอย่างมากต่อกระบวนการเคลือบฟิล์มบาง

 

รูปที่ 6   ไดอะแกรมระบบเคลือบฟิล์มบางที่ปรับปรุงใหม่ ให้สามารถควบคุมการทำงานของอุปกรณ์บางส่วนด้วยคอมพิวเตอร์ เช่น valves, mass flow controllers, pressure gauges เป็นต้น

          กลุ่มอุปกรณ์สร้างสภาวะสุญญากาศ ประกอบด้วยภาชนะสุญญากาศ (19) ปั๊มสุญญากาศชนิดเทอร์โบโมเลกูลลาร์ (2) ปั๊มกลโรตารี (1) เกจวัดความดันสุญญากาศ (7), (9) และ วาล์วสุญญากาศ (2), (4), (5)   กลุ่มอุปกรณ์กระบวนการเคลือบ ประกอบด้วย หัวแมกนีตรอนสปัตเตอริงที่เป็นแหล่งกำเนิดไอสารเคลือบ (16) แหล่งจ่ายไฟ (12) เครื่องควบคุมอัตราไหลแก๊ส (10), (11) ฐานจับชิ้นงาน (18)   กลุ่มอุปกรณ์สนับสนุนอื่นๆ เช่น ระบบน้ำระบายความร้อน ระบบนำส่งแก๊ส ระบบส่งกำลังไฟฟ้า และระบบสำรองไฟ เป็นต้น

           อุปกรณ์หลายตัวในระบบเคลือบฟิล์มบางต้องถูกควบคุม กำหนดค่า และตรวจวัดสถานะ เพื่อนำไปประมวล และแสดงผล  ยกตัวอย่างเช่น วาล์วสุญญากาศ (3) จะได้รับคำสั่งเพื่อเชื่อมต่อ หรือตัดการเชื่อมต่อปั้มเทอร์โบกับภาชนะสุญญากาศ วาล์วสุญญากาศ (3) ยังสามารถรับสัญญาณจากเกจวัดความดัน (9) เพื่อควบคุมความดัน ภายในห้องเคลือบ ให้มีค่าคงที่ในระหว่างกระบวนการเคลือบฟิล์ม การควบคุมคุณภาพ และสมบัติของผิวเคลือบ มีความสำคัญอย่างมาก ในกระบวนการเคลือบฟิล์ม ในภาคอุตสาหกรรม ระบบ และกระบวนการเคลือบฟิล์ม จำเป็นต้องแม่นยำ ภายใตขอบเขตความแปรปรวนที่กำหนด  ดังนั้นการควบคุม กำหนดค่า และตรวจวัดสถานการณ์ทำงาน ของอุปกรณ์ในระบบเคลือบ

การควบคุมด้วยระบบคอมพิวเตอร์ เป็นวิธีการหนึ่งที่สามารถควบคุมระบบ และกระบวนการเคลือบให้ได้มาตรฐาน ระบบควบคุมที่ใช้ในโครงการมีรายฐานจากระบบ PCI extensions for Instrumentation (PXI) ซึ่งเป็นระบบที่ถูกออกแบบ ให้มีส่วนสนับสนุนงานด้านการตรวจวัด และการควบคุม   ผังไดอะแกรม PXI-computer ที่ใช้ควบคุมระบบ และกระบวนการเคลือบฟิล์มบางแสดงในรูปที่ 7   PXI-computer มีองค์ประกอบและการทำงานเหมือนคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล แบ่งเป็นส่วนฮาร์ดแวร์ และส่วนซอร์ฟแวร์

รูปที่ 7   ไดอะแกรม PXI-computer ที่ทำหน้าที่ควบคุม กำหนดค่า ตรวจวัดสถานะ แสดงผล และประมวลผลการทำงานระบบเคลือบและกระบวนการเคลือบฟิล์มบาง

        ส่วนฮาร์ดแวร์ของ PXI-computer ประกอบด้วย ส่วนอุปกรณ์พื้นฐาน เช่น หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) จอแสดงผล คีย์บอร์ด เมาส์ และส่วนอุปกรณ์ตรวจวัด/ควบคุมเฉพาะด้าน ประกอบด้วย โมดูลจ่ายสัญญาณศักย์ไฟฟ้า SMU, โมดูลควบคุมรีเลย์, โมดูลรับส่งสัญญาณแอนะล็อก และโมดูลดิจิตอลมิเตอร์   โมดูลเหล่านี้ ถูกเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ ที่ติดตั้งในระบบเคลือบ เพื่อควบคุม กำหนดค่า และตรวจวัดสถานะของอุปกรณ์เหล่านั้น เช่น โมดูลรีเลย์ทำหน้าที่ส่งสัญญาณไปควบคุมการเปิด/ปิด gate valves   โมดูลรับส่งสัญญาณแอนาลอก ทำหน้าที่อ่านสัญญาณความดันจาก wide-range gauge เป็นต้น

           PXI-computer ทำงานภายใต้ปฏิบัติการ Window 10 และใช้โปรแกรม Labview เพื่อพัฒนาชุดคำสั่งที่ใช้สั่งการโมดูลต่างๆ ข้างต้นให้ทำหน้าร่วมกัน เพื่อควบคุมระบบเคลือบ และกระบวนการเคลือบ   ภาพตัวอย่างหน้าจอที่ใช้พัฒนาชุดคำสั่งจากโปรแกรม Labview แสดงในรูปที่ 8 ชุดคำสั่งที่ได้พัฒนาแล้วจะถูกแปลงไปเป็น application เพื่อใช้งานโดยตรง   application ที่ได้รับการพัฒนาขึ้น ในโครงการนี้ประกอบด้วย Vacuum control ทำหน้าที่ควบคุมระบบเคลือบฟิล์มบาง และ Reactive control ทำหน้าที่ควบคุมกระบวนการเคลือบฟิล์ม ภายใต้กระบวนการรีแอกทีฟแมกนีตรอนสปัตเตอริง   

 

รูปที่ 8   ภาพตัวอย่างหน้าจอที่ใช้พัฒนาชุดคำสั่งจากโปรแกรม Labview ซึ่งเป็นโปรแกรมพัฒนาชุดคำสั่ง ที่ใช้วิธีการเชื่อมโยง และลำดับคำสั่งแบบกราฟิก (graphic base programming)

 

ตัวอย่างภาพหน้าจอแสดงผลขณะใช้โปรแกรม Vacuum control แสดงในรูปที่ 9   ผู้ใช้สามารถควบคุม สั่งงาน กำหนด และติดตามสถานะภาพอุปกรณ์ในระบบเคลือบจาก interface ที่ปรากฏบนหน้าจอนี้  เช่น สามารถสั่งเปิด/ปิด backing valve ที่ต่ออยู่ระหว่าง turbo pump กับ rotary pump โดยใช้เมาส์กดที่ตำแหน่งสวิตซ์ BV   หรือแสดงค่าความดันจาก wide-range gauge และ capacitance gauge ในกล่องแสดงผล W gauge และ C gauge ตามลำดับ   หรือกำหนดค่าอัตราไหลแก๊สอาร์กอน และแก๊สไนโตรเจนในกล่องรับข้อมูล เป็นต้น

การพัฒนาโปรแกรม Nova-V-Soft ในโครงการนี้ มีรากฐานมาจากโปรแกรม Vacuum control แต่จะเพิ่มรายละเอียดทั้งในส่วนของ user interface และอากอริทึมที่ใช้ในกระบวนการเคลือบฟิล์ม ซึ่งจะสามารถยกระดับวิธีการควบคุมระบบเคลือบ และสามารถลดความผิดพลาดจากการเดินระบบได้อย่างมีนัยสำคัญ 

       จุดเด่นของสิ่งประดิษฐ์ คือระบบเคลือบที่มีความยืดหยุ่น สามารถปรับแต่งพารามิเตอร์เพื่อเคลือบฟิล์มได้หลายประเภท

     ผู้ประกอบการในภาคอุตสาหกรรมเคลือบฟิล์มบาง เพื่อกำหนดสมบัติเชิงผิวของผลิตภัณฑ์ 

ขอขอบคุณมหาวิทยาลัยมหาสารคาม คณะวิทยาศาสตร์ และหน่วยงาน ทุกภาพส่วนที่มีส่วนช่วยประชาสัมพันธ์ให้กับผู้ประกอบการ สนับสนุนสถานที่สำหรับจัดตั้งหน่วยวิจัย สนับสนุนเงินทุนวิจัย และครุภัณฑ์บางส่วนในการดำเนินงานวิจัย และ ขอขอบคุณ ดร.นิติศักดิ์ ปาสาจะ ผศ.ดร.อาทิตย์ ฉิ่งสูงเนิน นักวิจัย และผู้เกี่ยวข้องทุกท่าน โดยเฉพาะอย่างยิ่งนิสิตทุกระดับชั้นที่ได้เข้ามามีส่วนร่วมในการพัฒนาหน่วยวิจัยเทคโนโลยีพลาสมาอย่างต่อเนื่อง

สำหรับแผนที่จะนำผลงานวิจัยชิ้นนี้ลงสู้ชุมชนนั้น เราพัฒนาระบบ และกระบวนเคลือบให้มีสมรรถนะต่อการรองรับงานจากภาคอุตสาหกรรม

    ในอนาคตจะมีการพัฒนางานวิจัยในการนำไปสู่การ spin-off เป็นบริษัทผู้พัฒนาระบบเคลือบฟิล์มบาง

         ผศ.พิษณุ พูลเจริญศิลป์

         หน่วยวิจัยเทคโนโลยีพลาสมา ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม อ.กันทรวิชัย จ.มหาสารคาม 44150