4.1 วัสดุ

วัสดุมีอยู่หลายประเภท ทั้งจกรรรมชาติ และมนุษย์สร้างขึ้นหรือที่เรียกว่า "วัสดุสังเคราะห์" วัสดุบางประเภทอาจนำมาใช้ได้ทันทีโดยไม่มีการแปรรูป หรือมีการแปรรูปให้เหมาะสมต่อการนำไปใช้งานโดยกระบวนการการแปรรูปจะแตกต่างกันตามความเหมาะสมของสมบัติวัสดุ และความต้องการในการใช้งาน ไนอดีตวัสดุประเภทต่าง ๆ ยังมีไม่มาก มนุษย์จึงใช้วัสดุที่มาจากธรรมชาติ เช่น ดิน หิน ทรายเขาสัตว์ หนังสัตว์ ใบไม้ นำมาสร้างเป็นสิ่งของเครื่องใช้ ต่อมาได้มีการนำวัสดุธรรมชาติมาพัฒนาเพื่อนำไปใช้ประโยชน์ได้มากขึ้น เช่น โลหะ ไม้ เซรามิก คอมโพสิต วัสดุสมัยใหม่

4.1.1 สมบัติของวัสดุ

วัสดุธรรมชาติ และวัสดุสังเคราะห์ มีสบัติฉพาะตัวที่แตกต่างกันไป ดังนั้นต้องเลือกใช้วัสดุ ให้เหมาะสมต่อการใช้งาน สมบัติของวัสดุมีหลายด้าน ในบทนี้จะยกตัวอย่างสมบัติของวัสดุด้านความยืดหยุ่น ความแข็ง และการนำความร้อน

1) สภาพยืดหยุ่น (elasticity) เป็นสมบัติของวัสดุ ที่เปลี่ยนแปลรูปร่างได้เมื่อมีแรงกระทำ และจะกลับคืน รูปร่างเดิมเมื่อหยุดออกแรงกระทำต่อวัสดุนั้น ตัวอย่างวัสดุที่มีสภาพยืดหยุ่น เช่น ยาง สปริง สายเคเบิล มีการนำสายเคเบิลมาเป็นส่วนประกอบ ของโครงสร้างสะพาน เนื่องจากสะพานต้องการ โครงสร้างที่ยืดหยุ่นและรับแรงดึงได้ดี รูป 4.2 สะพานแขวนที่ต้องการโครง รับแรงดึงได้ดี

2) ความแข็งแรง (strength) คือความสามารถใน การรับน้ำหนัก หรือแรงกดทับโดยวัสดุนั้นยังคงสภาพ ได้ไม่แตกหัก วัสดุที่รับน้ำหนักได้มากจะมีความแข็งแรง มากกว่าวัสดุที่รับน้ำหนักน้อย สมบัติความแข็งแรงของวัสดุ สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้มากมาย เช่น การสร้างสะพาน โครงสร้างที่เป็นคานจะต้องมีสมบัติ ในการรับน้ำหนักและแรงกดได้มาก

3) การนำความร้อน (heat conduction) เป็นการถ่ายเทความร้อนภายในวัตถุหนึ่ง ๆ หรือระหว่างวัตถุ สองขึ้นที่สัมผัสกัน โดยมีทิศทางของการเคลื่อนที่ของพลังงานความร้อนจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงไปยังบริเวณที่มีอุณหภูต่ำ วัสดุที่มีสมบัติเป็นตัวนำความร้อน คือวัสดุที่ความร้อนผ่านได้ดี เช่น เหล็ก อะลูมิเนียม ทองเหลือง ส่วนวัสดุที่เป็นฉนวนความร้อน คือ วัสดุที่นำความร้อนได้ไม่ดี เช่น ไม้ พลาสติก ผ้า ดังนั้น ควรเลือกใช้วัสดุให้หมาะสมกับการใช้งาน ตัวอย่างเช่น กระทะหรือหม้อหต้ม ตัวกระทะหรือตัวหม้อหุงต้ม ต้องการให้ความร้อนผ่านไปยังอาหาร ส่วนมากทำด้วยสเตนเลส หรืออลูมิเนียม แต่ที่จับหรือหูหิ้วไม่ต้องการให้ความร้อนผ่าน จึงทำด้วยพลาสติกเนื่องจากเป็นฉนวนความความร้อน

4.1.2 วัสดุน่ารู้

สิ่งของเครื่องใช้ต่าง ๆ ในชีวิตประจำวันทำมาจกวัสดุหลายประเภท ขึ้นอยู่กับความต้องการและความเหมาะสมกับการใช้งาน ในปัจจุบันมีวัสดุที่พัฒนาขึ้นมาอย่างมากมาย ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อทดแทนวัสดุธรรมชาติ หรือเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งาน

1) โลหะ (metal) โลหะ เป็นวัสดุที่ดจกการถลุงสินค้าต่าง ๆ เช่น เหล็ก ทองแดง อะลูมิเนียม นิกเกิล ดีบุก สังกะลี ทองคำตะกั่ว โลหะที่ได้จการถลุงสินแร่ ส่วนใหญ่จะเป็นโลหะเนื้อค่อนข้างบริสุทธิ์มีความแข็งแรงไม่เพียงพอที่จะนำมาใช้ในงานอุตสาหกรรมโดยตรง ส่วนมากจึงต้องนำไปผ่านกระบวนการปรับปรุงสมบัติก่อนการ ใช้งาน ซึ่งโลหะสมรถแบ่ได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ ๆ ได้แก่ โลหะประเภทเหล็กและโลหะประเภทที่ไม่ใช่เหล็ก

1.1) โลหะประเภทเหล็ก (ferrous meta) เป็นโลหะที่มีธาตุเหล็กเป็นส่วนประกอบหลัก เหล็กหล่อ เหล็กเหนียว เหล็กล้า นิยมใช้กันมากที่สุดในวงการอุตสาหกรรม เนื่องจากมีความแข็ สมารถปรับปรุงคุณภพและเปลี่ยนแปลงรูปร่างและรูปทรงได้หลายวิธีเช่น การหล่อ การกลึงขึ้นรูป

1.2 โลหะประเภทไม่ใช่เหล็ก (non-ferrous metal) เป็นโลหะที่ไม่มีธาตุเหล็กเป็นองค์ประกอบ ดังนั้นโลหะประเภทนี้จะไม่เกิดสนิ่ม เช่น ดีบุก อะลูมิเนียม สังกะสี ตะกั่ว ทองแดง ทองคำ เงิน ทองคำขาว แมกนีเซียม พลวง ซึ่งโลหะแต่ละประเภทมีสมบัติเฉพาะตัวที่แตกต่างกัน จึงเหมาะกับการใช้งานเฉพาะด้านที่แตกต่างกัน เช่น แมกนีเซียมใช้กับวัสดุทนความร้อน นิกเกิลใช้กับงานในอุตสาหกรรมที่ต้องการการป้องกันการกัดกร่อนจากสารเคมี อะลูมิเนียมใช้กับงานที่ต้องการน้ำหนักเบา

2) ไม้ (wood)

ไม้ เป็นวัสดุพื้นฐานที่ถูกมใช้อย่างแพร่หลาย เนื่องจากไม้ธรรมชาติมีความสวยงาม แข็งแรงแต่มีข้อเสีย คือ คารเสื่อมสภาพตามอายุ ดูดความขึ้น ผุพังง่า ถูทำลายโดยปลวก มอด แมลง และติดไฟได้ง่ายดังนั้นจึงมีการผลิตวัสดุขึ้นมาเพื่อทดแทนไม้รรมชาติ มีลักษณะคล้ายหรือสามารถใช้งานได้เช่นเดียวกับไม้ธรมชาติ และมีลักษณะบางประการที่ดีกว่าไม้ธรรมชาติ เช่น ป้องกันการติดไฟ ป้องกันความชื้น หรือที่เรียกว่า “ไม้สังเคราะห์ synthetic wood)” จึงทำให้ไม้สังเคราะห์เป็นทางเลือกหนึ่งของการใช้วัสดุทดแทนไม้ธรมชาติ ซึ่งไม้สังเคราะห์สมารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ ๆ คือ

2.1) ไม้สังเคราะห์พลาสติก (wood plastic composite) เป็นวัสดุทดแทนไม้ธรรมชาติที่เกิดจากกรนำผงไม้ ขี้เลื่อยไม้ หรือเส้นใยไม้ มาผสมกับพลาสติก ซึ่สมบัติของไม้สังเคราะห์พลาสติกจะขึ้นอยู่กับสัดส่วนของไม้และพลาสติกที่นำมาผสมกัน ดังตัวอย่างต่อไปนี้

2.1.1) ไฟบอร์บอร์ดความหนาแน่นปานกลาง (medium-density fiber bored) เป็นไม้สังเคราะห์ที่ผลิตจกการบดท่อนไม้เนื้ออ่อนให้เป็นเส้นใย ผ่านกระบวนการอัดประสานกันเป็นชิ้นไม้ด้วยกาว ภายใต้อุณหภูมิและความดันสูง โดยไม้สังเคราะห์ที่ได้จะมีลักษณะคล้ายไม้อัด แต่ลักษณะโครงสร้างของไม้จะต่างกันตามส่วนประกอบของเศษไม้ ซึ่งมีสมบัติเด่นคือ สามารถผลิตเบินแผ่นบาง ขึ้นรูป เจาะหรือทำเป็นชิ้นงานได้ง่ย พ่นสีได้ และมีราคาถูกกว่าไม้อัด

2.1.2) แผ่นไม้อัด (particle board) เป็นไม้สังเคราะห์ที่ผลิตจากเศษไม้ หรือ ขี้เลื่อยประสานกันด้วยสารคมีโดยผ่านการบดอัดด้วยความดันสูง ซึ่งมีข้อดี คือ ราคาถูก มีความสวยงามแต่มีความแข็งรงน้อย และไม่มีความต้านทานต่อศัตรูของไม้ เช่น ความชื้น แมลงกินไม้ ทำให้อายุการใช้งานสั้นกว่าไม้อัด

2.2) ไม้สังเคราะห์ไฟเบอร์ซีเมนต์ wood fiber com posit) เป็นไม้สังเคราะห์ที่มีส่วนผสมของ ปูน ทราย และผงไม้ โดยผ่านกระบวนการอัดขึ้นรูป ซึ่งมีความแข็งแรงทนทานเทียบเท่าคอนกรีต ใช้ในงานก่อสร้างได้หลายอย่าง และสามารถใช้ได้ทั้งงานภายในและภายนอกอาคาร เช่น ใช้เป็นไม้เชิงชายไม้ระแนง ไม้บัวพื้น ไม้ผนังบันได และไม้บังตา

ตัวอย่างการใช้ประโยชน์จากไม้สังเคราะห์ในการสร้างบ้านหลังหนึ่งนั้น มีส่วนประกอบหลายอย่าง และไม้ที่เหมาะสมกับการใช้งานก็แตกต่างกันขึ้นกับสมบัติของไม้ เช่น ในพื้นที่ที่เป็นระเบียง ต้องใช้ไม้ที่สามารถทนแดด ทนฝนได้ ไม้ที่เหมาะสมควรเป็นไม้สังเคราะห์ไฟเบอร์ซีเมนต์ ที่มีความแข็งแรง ทนต่อสภาพอากาศ เป็นต้น สำหรับในพื้นที่ภายในบ้าน ที่ต้องการตกแต่งเพื่อความสวยงม มักนิยมใช้ไฟเบอร์ อาร์ดความหนาแน่นปานกลางหรือแผ่นไม้อัด ทั้งนี้ขึ้นรังของการใช้งานจากตัวอย่างการใช้ประโยชน์ไม้สงเคราะห์ ดังที่กล่าวมาแล้วข้างต้น จะเห็นได้ว่าไม้ที่สังเคราะห์เป็นทางเลือกหนึ่งที่นำมาใช้ทดแทนไม้ธรรรมชาติที่มีจำนวนลดลงได้

3) เซรามิก (ceramic)

เซรามิเป็นผลิตภัณฑ์ที่ทำจกวัตถุดิบในรรมขาติ เช่น ดิน หิน ทราย และแร่ธาตุต่าง ๆ นำมาผสมกันหลังจากนั้นจึงนำไปเผาเพื่อเปลี่ยนเนื้อวัตถุดิบให้แข็งแรง และคงรูป ตัวอย่างวัสดุเชรามิกในที่นี้ คือ แก้ว (glass) ซึ่งเป็นวัสดุที่มีความโปร่งใส ความแข็งแกร่ง และความมันแวววาว มีองค์ประกอบหลักคือสารประกอบซิลิคอน ซึ่งผ่านกระบวนการผลิตที่อุณหภูมิสูง โดยเมื่อแก้วผ่านกระบวนการปรับปรุงสมบัติและขึ้นรูปเป็นแผ่นจะเรียกว่า “กระจก” การผลิตกระจกเพื่อตอบสนองความต้องการในการใช้งานของมนุษย์ สามารถแบ่งออกเป็นประเภท

4.2.2 เครื่องมือสำหรับการตัด เครื่องมือพื้นฐานที่จำเป็นสำหรับการตัดมีอยู่หลายประเภท ในการใช้งานต้องเลือกให้เหมาะสมโดยขึ้นอยู่กับประเภทของงาน ในที่นี้จะนำเสนอเครื่องมือสำหรับการตัดประเภทคีมขนาดเล็ก เลื่อยลอ เลื่อยจิ๊กซอ เลื่อยเหล็ก เลื่อยวงเดือน เครื่องตัดไฟเบอร์และปากกาตัดกระจก

4.2.3 เครื่องมือสำหรับการเจาะ

ในการออกแบบและสร้างขึ้นงานบางอย่างจำเป็นต้องใช้เครื่องมือสำหรับการเจาะ ในที่นี้จะแนะนำเครื่องมือสำหรับการเจาะคือสว่านมือ ซึ่งสามารถแบ่งตามกลไกการทำงานคือ แบบธรรมดาและแบบโรตารีและแบ่งตามประเภทแหล่งพลังงานคือ สว่านที่ใช้ไฟฟ้าและแบบใช้แบตเตอรี่

สว่านมือ

เป็นเครื่องมือเจาะรูที่ใช้ร่วมกับดอกสว่านประเภทต่าง ๆ สว่านจะมีเฟืองเป็นตัวช่วยขับดอก สว่านให้หมุน ดอกสว่านจะเป็นตัวเจาะวัสดุและนำเศษวัสดุที่เกิดขึ้นออกไปจากรูเจาะ ซึ่งดอกสว่านสำหรับเจาะวัสดุแต่ละประเภทจะมีลักษณะแตกต่างกันและใช้เฉพาะงานนั้น เช่น ดอกสว่านสำหรับเจาะไม้ เจาะเหล็ก เจาะปูน เจาะกระเบื้อง และเจาะแก้ว หากใช้ดอกสว่านผิดประเภทจะทำให้ดอกสว่าน ตัวสว่านและชิ้นงานเสียหาย ตลอดจนอาจเกิดอันตรายกับผู้ใช้งานได้ สว่านมือมี ตั้งแบบใช้ไฟฟ้าและใช้แบตเตอรี่ (ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการขันนอต ไม่เหมาะกับงานเจาะ) นอกจากนี้ ตัวสว่านมือยังสามารถแบ่งตามกลไกการทำงาน ได้ 2 แบบคือ

(1) แบบธรรมดา ใช้สำหรับงานเจาะวัสดุทั่วไป เช่น ไม้ เหล็ก

(2) แบบโรตารี มีรูปลักษณ์ภายนอกไม่แตกต่างจากแบบธรรมดา แต่จะมีกลไกพิเศษภายในสำหรับช่วยผ่อนแรง ส่วนใหญ่จึงใช้สำหรับเจาะปูน แต่สว่านโรตารีจะต้องใช้กับดอกสว่านเฉพาะสำหรับสว่านโรตารีเท่านั้น

จากตัวอย่างสว่านมือที่กล่าวมาข้างต้นนั้น ในการเลือกใช้งานสว่านมือและดอกสว่านต้องเลือกใช้ให้เหมาะกับประเภทของงาน เพื่อความปลอดภัยและได้ชิ้นงานตามต้องการ ดอกสว่านสำหรับงานประเภทต่าง แสดงดังรูป

4.3 การตัด ต่อ และขึ้นรูปวัสดุ

4.3.1 การตัด (cul1ine) เป็นการทำให้ขึ้นงานแยกออกจากกัน จากหนึ่งส่วนเป็นสองส่วนหรือมากกว่า หรือเป็นการตัดชิ้นงานให้ได้ตามรูปแบบที่กำหนด วิธีการตัดวัสดุมีหลายวิธีและใช้เครื่องมือหลายชนิด ควรเลือกใช้ตามความเหมาะสมของวัสดุที่จะทำการตัดและการนำไปใช้ การพิจารณาเลือกใช้วิธีใดนั้นจะต้องคำนึงถึง ความหนา ความยาว รูปร่าง และรูปทรงของวัสดุ

4.3.2 การต่อ (Joining) เป็นการนำวัสดุประเภทเดียวกันหรือต่างชนิดกันมาประกอบกันให้เป็นรูปร่างตามที่ต้องการ โดยใช้วัสดุหรืออุปกรณ์เป็นตัวประสาน เพื่อนำไปใช้งาน การต่อวัสดุมีหลายวิธี ควรเลือกวิธีตามความเหมาะสมและคำนึงถึงประเภทของวัสดุ ดังข้อมูลที่แสดงในตารางตัวอย่างเทคนิคและเครื่องในการเชื่อมต่อวัสดุ

นอกจากนี้การพิจารณาเลือกวิธีการต่อขึ้นงานใดนั้น จะต้องคำนึงถึงประเภทของการต่อไม่ว่าจะเป็นการต่อแบบถาวร และการต่อแบบชั่วคราว รวมทั้งชนิดของวัสดุ ความสามารถในการต่อกันได้ ค่าใช้จ่ายและคุณภาพของงานที่ได้ ดังตารางแสดงตัวอย่างวิธีการต่อขึ้นงาน

การต่อโลหะสามารถทำได้หลายวิธีด้วยกัน เช่น การประสานหรือการบัดกรี (soldering) และ การเชื่อมโลหะ (welding) การบัดกรี (soldering) เป็นการต่อโลหะตั้งแต่สองชิ้นเข้าด้วยกัน โดยการให้ความร้อนที่โลหะชิ้นงาน แล้วจึงให้ความร้อนแก่โลหะประสาน ซึ่งโลหะประสานอาจเป็นตะกั่วหรือดีบุก มักใช้กับงานบัดกรีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

การเชื่อมโลหะ (welding) เป็นการต่อโลหะตั้งแต่สองชั้นให้ติดกัน โดยการให้ความร้อนแก่โลหะจนหลอมละลายติดเป็นเนื้อเดียวกัน หรืออาจมีการเดิมลวดเชื่อมเป็นตัวประสาน วิธีในการเชื่อมโลหะมีหลายวิธี เช่น การเชื่อมแก๊ส การเชื่อมไฟฟ้า การเชื่อมด้วยความดัน

4.3.3 การขึ้นรูป (forming) เป็นการเปลี่ยนรูปร่างของวัสดุให้เป็นผลิตภัณฑ์ (product) หรือชิ้นงานที่มีรูปร่างตามต้องการ โดยใช้แม่พิมพ์หรือเครื่องมือเฉพาะ เทคนิคการขึ้นรูปมีหลายประเภทขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุ ในที่นี้ของยกตัวอย่างวิธีการขึ้นรูปโลหะ ดังนี้