Universal Testing Machine (UTM) คืออะไร? ความสำคัญต่อการทดสอบวัสดุและการสอบเทียบในภาคอุตสาหกรรม

Universal Testing Machine (UTM) คืออะไร

Universal Testing Machine (UTM) คือเครื่องมือที่ใช้ทดสอบสมบัติเชิงกลของวัสดุ โดยสร้างแรงในรูปแบบต่าง ๆ แล้ววัดการตอบสนองของชิ้นทดสอบ เพื่อนำข้อมูลไปวิเคราะห์ความแข็งแรง ความยืดหยุ่น การเสียรูป และการแตกหักของวัสดุ เครื่องชนิดนี้สามารถติดตั้งอุปกรณ์จับยึดและเซนเซอร์ให้เหมาะกับวิธีทดสอบแต่ละประเภท จึงถูกนำไปใช้ทั้งในงานควบคุมคุณภาพ งานวิจัยและพัฒนา การรับรองผลิตภัณฑ์ และการตรวจสอบตามข้อกำหนดของลูกค้า

ผลจาก UTM ไม่ได้มีเพียงค่ากำลังรับแรงสูงสุด แต่ยังสามารถใช้สร้างกราฟแรงกับระยะเคลื่อนที่ หรือกราฟความเค้นกับความเครียด เพื่อวิเคราะห์ค่า Tensile Strength, Yield Strength, Modulus, Elongation และพฤติกรรมก่อนการแตกหัก ทั้งนี้ค่าที่รายงานขึ้นอยู่กับชนิดวัสดุ มาตรฐานทดสอบ อุปกรณ์ประกอบ และวิธีตั้งค่าระบบ

UTM ใช้ทดสอบอะไรได้บ้าง

การทดสอบหลักที่ UTM รองรับประกอบด้วย

• แรงดึง (Tensile Test): ทดสอบว่าวัสดุสามารถรับแรงดึงได้มากเพียงใด รวมถึงวิเคราะห์การยืดตัว จุดคราก และจุดแตกหัก
• แรงกด (Compression Test): ทดสอบความสามารถของวัสดุในการรับแรงกด เช่น คอนกรีต โฟม พลาสติก ชิ้นส่วนประกอบ และบรรจุภัณฑ์
• การดัดงอ (Bending หรือ Flexural Test): ทดสอบความต้านทานต่อการดัด ความแข็งแรงดัด และพฤติกรรมการเสียรูปของวัสดุ
• แรงเฉือน (Shear Test): ทดสอบความสามารถของวัสดุ รอยต่อ หรือชิ้นส่วนในการรับแรงที่พยายามทำให้ชั้นวัสดุเลื่อนผ่านกัน

เมื่อเปลี่ยนชุดจับยึดและวิธีทดสอบ UTM ยังรองรับงานอื่นได้ เช่น Peel Test สำหรับแรงลอก, Adhesion Test สำหรับแรงยึดเกาะ, Tear Test สำหรับแรงฉีก, Spring Test สำหรับสปริง และการทดสอบชิ้นส่วนประกอบเฉพาะทาง อย่างไรก็ตาม ต้องตรวจสอบว่าพิกัดแรง ช่วงการเคลื่อนที่ อัตราการเก็บข้อมูล และซอฟต์แวร์ของเครื่องรองรับวิธีทดสอบนั้นจริง

วัตถุประสงค์ในการใช้เครื่องมือ Universal Testing Machine

การตรวจสอบคุณภาพ (Quality Control)

ใช้ตรวจสอบว่าสมบัติเชิงกลของวัตถุดิบ ชิ้นส่วน หรือผลิตภัณฑ์ตรงตาม Specification, Drawing, Control Plan หรือข้อกำหนดของลูกค้าหรือไม่ ผลทดสอบสามารถใช้ประกอบการตัดสินรับวัตถุดิบ ปล่อยสินค้า หรือปฏิเสธล็อตที่ไม่เป็นไปตามเกณฑ์

การออกแบบและพัฒนาผลิตภัณฑ์ (Design and R&D)

ใช้เปรียบเทียบวัสดุ กำหนดเป้าหมายความแข็งแรง วิเคราะห์รูปแบบความเสียหาย และตรวจสอบว่าการออกแบบมี Safety Margin เหมาะสมกับการใช้งานจริง

การเลือกวัสดุและปรับปรุงกระบวนการ

ใช้เปรียบเทียบสมบัติวัสดุจากผู้ผลิตหลายราย หรือตรวจสอบผลของกระบวนการผลิต เช่น การอบชุบ การขึ้นรูป การเชื่อม การผสมสูตร หรือการเปลี่ยนเงื่อนไขการผลิต

การปฏิบัติตามมาตรฐานและข้อกำหนด (Compliance)

ใช้ดำเนินการทดสอบตาม ASTM, ISO, JIS หรือข้อกำหนดเฉพาะของลูกค้า รวมถึงใช้ผลทดสอบเป็นส่วนหนึ่งของแฟ้มรับรองคุณภาพ เอกสารการค้า หรือหลักฐานทางเทคนิค

ก่อนใช้ผล UTM เพื่อตัดสินรับหรือปฏิเสธผลิตภัณฑ์ องค์กรควรกำหนดเกณฑ์ยอมรับ วิธีทดสอบ จำนวนชิ้นตัวอย่าง วิธีเตรียมชิ้นงาน และ Decision Rule ไว้ในเอกสารควบคุม เพื่อป้องกันการตีความผลไม่สอดคล้องกันระหว่างผู้ปฏิบัติงาน

มาตรฐานการทดสอบที่เกี่ยวข้อง

• ASTM E8/E8M — Tensile Testing of Metals
• ASTM D638 — Tensile Properties of Plastics
• ASTM C39 — Compressive Strength of Concrete (โดยทั่วไปใช้เครื่องทดสอบกำลังอัดเฉพาะทาง จึงจัดเป็นมาตรฐานที่เกี่ยวข้องกับการทดสอบแรงกด ไม่ใช่วิธีที่ UTM ใช้เป็นหลัก)
• ISO 6892-1 — Tensile Testing of Metallic Materials
• ISO 7500-1 — Verification of Testing Machines
• JIS Z 2241 — Tensile Test Method

ความสัมพันธ์ของ Universal Testing Machine กับภาคอุตสาหกรรม

UTM ถูกใช้แตกต่างกันตามวัสดุ ผลิตภัณฑ์ และความเสี่ยงของแต่ละอุตสาหกรรม ตารางต่อไปนี้แสดงตัวอย่างการใช้งานในแต่ละกลุ่มอุตสาหกรรม

อุตสาหกรรม	การทดสอบที่เกี่ยวข้อง	ตัวอย่างชิ้นงาน
โลหะ	แรงดึงเป็นหลัก รวมถึงแรงกด แรงดัด และแรงเฉือน	เหล็ก แผ่นโลหะ ลวด สลักเกลียว รอยเชื่อม
พลาสติกและยาง	แรงดึง แรงดัด แรงกด และการยืดตัว	ชิ้นงานฉีดขึ้นรูป ฟิล์ม ท่อ ยาง และคอมพาวด์
คอนกรีตและวัสดุก่อสร้าง	แรงกดและแรงดัด	คอนกรีต มอร์ตาร์ แผ่นไฟเบอร์ซีเมนต์ และวัสดุประกอบ
ยานยนต์	แรงดึง แรงกด แรงลอก และแรงเฉือน	โลหะ พลาสติก ยาง เข็มขัดนิรภัย ชิ้นส่วนยึด และกาว
อวกาศและการบิน	แรงดึง แรงเฉือน และการทดสอบวัสดุคอมโพสิต	อะลูมิเนียม ไทเทเนียม คอมโพสิต และชิ้นส่วนโครงสร้าง
บรรจุภัณฑ์	แรงกด แรงลอก และแรงดึง	กล่อง ฟิล์ม ซีล บรรจุภัณฑ์อ่อน และวัสดุปิดผนึก
อิเล็กทรอนิกส์	แรงดึง แรงลอก และแรงเฉือนระดับต่ำ	ขั้วต่อ สายไฟ แผงวงจร กาว และชิ้นส่วนขนาดเล็ก

ความจำเป็นของ UTM ในแต่ละอุตสาหกรรม

Universal Testing Machine เป็นเครื่องมือหลักในการวิเคราะห์พฤติกรรมเชิงกลของวัสดุ ซึ่งข้อมูลจากการทดสอบมีผลโดยตรงต่อ

• ความปลอดภัย (Safety)
• ความน่าเชื่อถือ (Reliability)
• อายุการใช้งาน (Lifetime)
• ต้นทุนและการควบคุมความสูญเสีย (Cost)

ดังนั้น UTM จึงเป็นเครื่องมือสำคัญในอุตสาหกรรมที่ต้องควบคุมสมบัติเชิงกลของวัสดุ และอาจถูกกำหนดไว้ในมาตรฐานผลิตภัณฑ์ ข้อกำหนดของลูกค้า หรือระบบรับรองคุณภาพขององค์กร

ความสำคัญของการตรวจสอบ (Verification) และการสอบเทียบ (Calibration)

การตรวจสอบและการสอบเทียบช่วยยืนยันว่าองค์ประกอบการวัดของ UTM ยังทำงานตามเกณฑ์ที่องค์กรกำหนด และผลทดสอบสามารถนำไปใช้ตัดสินคุณภาพได้อย่างน่าเชื่อถือ

Verification คือการยืนยันว่าเครื่องหรือระบบเป็นไปตามข้อกำหนดที่กำหนดไว้ ส่วน Calibration คือการเปรียบเทียบค่าที่ระบบแสดงกับมาตรฐานอ้างอิงภายใต้เงื่อนไขที่ระบุ พร้อมประเมินค่าคลาดเคลื่อนและความไม่แน่นอน การสอบเทียบไม่ได้ปรับค่าเครื่องโดยอัตโนมัติ ส่วน Adjustment คือการปรับระบบให้ค่าเข้าใกล้ค่าที่ต้องการ ซึ่งควรมีการสอบเทียบหรือทวนสอบภายหลังการปรับอีกครั้ง

องค์ประกอบสำคัญของ UTM ที่ต้องควบคุม

1. ระบบแรง (Force System)

Load Cell และวงจรวัดแรงต้องให้ค่าถูกต้องในช่วงใช้งานจริง ควรเลือกพิกัด Load Cell ให้เหมาะกับแรงที่ทดสอบ เพราะการใช้ Load Cell ขนาดสูงเกินไปกับแรงต่ำมากอาจลดความสามารถในการแยกแยะความแตกต่างของค่า

2. การเคลื่อนที่และความเร็ว (Displacement and Speed)

ระยะการเคลื่อนที่ของ Crosshead และความเร็วทดสอบต้องสอดคล้องกับวิธีมาตรฐาน เนื่องจากวัสดุบางชนิดมีผลทดสอบเปลี่ยนตามอัตราการยืดหรืออัตราการกด

3. ระบบจับยึดและแนวแรง (Grips, Fixtures and Alignment)

อุปกรณ์จับยึดต้องเหมาะกับรูปทรงและผิวของชิ้นงาน จับแน่นโดยไม่ทำให้ชิ้นงานเสียหายก่อนการทดสอบ และรักษาแนวแรงให้อยู่กึ่งกลางเพื่อลดแรงดัดแทรก

4. Extensometer และระบบวัดการยืดตัว

Extensometer ใช้วัดการเปลี่ยนแปลงของ Gauge Length เพื่อคำนวณ Strain และค่าที่เกี่ยวข้อง เช่น Modulus, Yield และ Elongation จึงต้องเลือกช่วงวัดและความละเอียดให้เหมาะสม

5. สภาพแวดล้อม

อุณหภูมิ ความชื้น แรงสั่นสะเทือน และสภาพชิ้นทดสอบอาจมีผลต่อพฤติกรรมของวัสดุและความเสถียรของระบบวัด

6. ซอฟต์แวร์และการตั้งค่า

ต้องเลือกมาตรฐาน สูตรคำนวณ หน่วย ค่า Gauge Length ขนาดหน้าตัด ความเร็ว และเงื่อนไขยุติการทดสอบให้ถูกต้อง รวมถึงควบคุมเวอร์ชันวิธีทดสอบและสิทธิ์การแก้ไข

มาตรฐานสอบเทียบและการตรวจสอบ UTM

มาตรฐานที่ใช้ต้องเลือกให้ตรงกับชนิดเครื่อง ช่องสัญญาณที่ต้องสอบเทียบ และวิธีทดสอบขององค์กร มาตรฐานหลักที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ ISO 7500-1 สำหรับการตรวจสอบและทวนสอบระบบวัดแรงของเครื่องทดสอบแรงดึงและแรงกด, ASTM E4 สำหรับการทวนสอบแรง (Force Verification) ของเครื่องทดสอบ, ASTM E74 สำหรับการสอบเทียบอุปกรณ์มาตรฐานวัดแรง (Force-proving Instrument) ที่นำไปใช้ทวนสอบเครื่องทดสอบ, ASTM E83 และ ISO 9513 สำหรับการตรวจสอบหรือสอบเทียบ Extensometer รวมถึง ISO/IEC 17025 สำหรับความสามารถของห้องปฏิบัติการสอบเทียบ ทั้งนี้ควรตรวจสอบฉบับมาตรฐานและขอบข่ายการรับรองของผู้ให้บริการก่อนใช้งาน

รายการที่ตรวจสอบ/สอบเทียบ	มาตรฐานอ้างอิงที่ใช้บ่อย	ประเด็นสำคัญ
ระบบวัดแรงของ UTM	ISO 7500-1, ASTM E4	ทวนสอบแรงดึง/แรงกดในช่วงใช้งานและ Class หรือเกณฑ์ที่กำหนด
Force-proving instrument	ASTM E74	สอบเทียบอุปกรณ์มาตรฐานสำหรับสร้างหรือวัดแรงที่นำไป Verify เครื่องทดสอบ
Extensometer	ISO 9513, ASTM E83	ตรวจสอบ Gauge Length, การอ่านการยืดตัว และ Class/Accuracy
Displacement / Crosshead	ข้อกำหนดวิธีทดสอบหรือผู้ผลิต	ตรวจสอบระยะและความเร็วตามช่วงใช้งาน
ห้องปฏิบัติการสอบเทียบ	ISO/IEC 17025	ตรวจสอบขอบข่าย ค่าความไม่แน่นอน และการสอบกลับได้

กรณีตัวอย่างจากการใช้งานจริงที่พบได้บ่อย

ตัวอย่างต่อไปนี้เรียบเรียงจากหลักการและมาตรฐานการทดสอบวัสดุสากล เพื่อแสดงลักษณะปัญหาที่พบบ่อยและแนวทางจัดการ

Load Cell Drift หรือค่าแรงไม่กลับศูนย์

ก่อนทดสอบล็อตงาน ผู้ปฏิบัติงานพบว่าค่าแรงไม่กลับสู่ศูนย์หรือค่า Zero เปลี่ยนหลังติดตั้ง Fixture ใหม่ หากเริ่มทดสอบทันที ค่าที่อ่านได้อาจมี Bias โดยเฉพาะในงานแรงต่ำ แนวทางคือพักระบบให้เสถียร ตรวจสอบการ Balance/Zero ตรวจสอบน้ำหนัก Fixture และทวนสอบด้วยอุปกรณ์อ้างอิง หากยังผิดปกติควรหยุดใช้ช่องแรงนั้นและส่งตรวจสอบ

Grip ลื่นระหว่างทดสอบ

ชิ้นทดสอบค่อย ๆ เคลื่อนออกจาก Grip เมื่อแรงเพิ่มขึ้น ทำให้กราฟแรงหรือ Stress-Strain มีลักษณะผิดปกติแบบหยัก และค่า Elongation หรือ Break Point ไม่สะท้อนพฤติกรรมจริง ควรตรวจสอบชนิดหน้าสัมผัส แรงจับ ความสะอาด ตำแหน่งชิ้นงาน และเลือก Grip ให้เหมาะกับวัสดุ

Crosshead Speed ไม่ตรงกับมาตรฐาน

วัสดุพลาสติกและยางบางชนิดตอบสนองต่ออัตราการยืดอย่างชัดเจน หากตั้งความเร็วผิดจากวิธีมาตรฐาน ค่าความแข็งแรง การยืดตัว และจุดแตกหักอาจเปรียบเทียบกับเกณฑ์ไม่ได้ ควรล็อก Test Method และตรวจสอบความเร็วตามรอบที่กำหนด

Extensometer คลาดเคลื่อนหรือเลือกช่วงไม่เหมาะสม

เมื่อ Extensometer มี Offset, Gauge Length ไม่ถูกต้อง หรือช่วงวัดไม่เหมาะกับวัสดุ ค่า Strain, Modulus และ Yield อาจคลาดเคลื่อน แม้ค่าแรงจาก Load Cell จะถูกต้อง ควรตรวจสอบ Zero, Gauge Length, การติดตั้ง Knife Edge และสถานะการสอบเทียบก่อนใช้งาน

Operator ตั้งค่า Gauge Length ผิด

ซอฟต์แวร์คำนวณ Strain จากการเปลี่ยนแปลงความยาวหารด้วย Gauge Length เริ่มต้น หากผู้ปฏิบัติงานใส่ค่า Gauge Length ผิด ผล Strain และ Elongation ที่คำนวณจะผิดตามไปด้วย แม้เครื่องวัดการยืดตัวทำงานปกติ ควรใช้ Template วิธีทดสอบและตรวจทานค่าก่อนเริ่ม Test

ใช้มาตรฐานผิดประเภทหรือผิด Revision

การใช้ ASTM D638 กับชิ้นงานที่ควรทดสอบตามมาตรฐานผลิตภัณฑ์อื่น หรือใช้ความเร็วและรูปทรงชิ้นทดสอบจากคนละมาตรฐาน ทำให้ผลไม่สามารถเปรียบเทียบกับ Specification ได้ ควรควบคุมรายการมาตรฐาน ฉบับแก้ไข และ Test Method ในซอฟต์แวร์ให้ชัดเจน

ผลกระทบเมื่อไม่มีการตรวจสอบหรือสอบเทียบ UTM

ค่าความคลาดเคลื่อนของแรง (Force Error)

Load Cell Drift หรือความผิดปกติของช่องแรงอาจทำให้ตัดสินผิด เช่น ชิ้นงานผ่านทั้งที่ควรไม่ผ่าน หรือไม่ผ่านทั้งที่สมบัติวัสดุอยู่ในเกณฑ์

ความเร็วทดสอบผิด

Crosshead Speed ที่ไม่ตรงตามมาตรฐานอาจส่งผลต่อ Tensile Strength, Modulus, Elongation หรือ Break Properties โดยเฉพาะวัสดุที่ไวต่ออัตราการเสียรูป

การจับยึดและแนวแรงผิด

Grip Slippage, การจับเยื้องศูนย์ หรือ Alignment ไม่เหมาะสมอาจทำให้เกิดแรงดัดแทรกและจุดแตกหักผิดตำแหน่ง

ความผิดพลาดจากผู้ปฏิบัติงาน

การตั้งหน่วย สูตร ขนาดหน้าตัด Gauge Length ความเร็ว หรือมาตรฐานผิด ทำให้ผลคำนวณผิด แม้ฮาร์ดแวร์ยังอยู่ในสภาพดี

ไม่สามารถยืนยันผลย้อนหลัง

หากไม่มีบันทึกการตรวจสอบ สถานะสอบเทียบ และประวัติการใช้งาน องค์กรอาจไม่สามารถพิสูจน์ได้ว่าผลที่ใช้ตัดสินผลิตภัณฑ์ยังน่าเชื่อถือในช่วงเวลานั้น

ประโยชน์ของการสอบเทียบและตรวจสอบเครื่องมือ

• ลดการสูญเสียของผลิตภัณฑ์ ลดการทดสอบผิดพลาด และลดการ Reject โดยไม่จำเป็น
• เพิ่มความถูกต้องของค่าแรง ระยะ ความเร็ว และผลคำนวณที่ใช้ตัดสินคุณภาพ
• ลดการทดสอบซ้ำและลด Downtime ที่เกิดจากการค้นหาสาเหตุภายหลัง
• ช่วยวางแผนบำรุงรักษาและกำหนดรอบสอบเทียบตามข้อมูลจริง
• สนับสนุนการตรวจประเมินและการตรวจสอบย้อนกลับของลูกค้า

ความคุ้มค่าของการสอบเทียบควรประเมินเทียบกับความเสี่ยงของผลทดสอบผิด เช่น มูลค่าล็อตสินค้า ค่าแรงทดสอบซ้ำ Downtime และความเสียหายจากการตัดสินผิด

UTM ควรสอบเทียบบ่อยแค่ไหน

ไม่ควรกำหนดรอบสอบเทียบจากช่วงเวลาเพียงอย่างเดียว องค์กรควรพิจารณาความถี่ใช้งาน ระดับแรงที่ใช้ สภาพแวดล้อม ประวัติผลสอบเทียบ ความสำคัญของผลิตภัณฑ์ และข้อกำหนดของมาตรฐานหรือลูกค้า

ควรพิจารณาตรวจสอบเพิ่มเติมเมื่อมีการซ่อม เปลี่ยน Load Cell เปลี่ยนชุดควบคุม เคลื่อนย้ายเครื่อง เกิด Overload พบผล Check ผิดปกติ หรือผลทดสอบเปลี่ยนแนวโน้มโดยไม่ทราบสาเหตุ การส่งสอบเทียบหลังเหตุการณ์ควรเป็นผลจากการประเมินความเสี่ยงและคำแนะนำของผู้ผลิตหรือผู้เชี่ยวชาญ

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับ Universal Testing Machine (UTM)

1. Universal Testing Machine (UTM) คืออะไร

เป็นเครื่องมือที่สร้างแรงและวัดการตอบสนองของชิ้นทดสอบ เพื่อประเมินสมบัติเชิงกล เช่น ความแข็งแรง การยืดตัว การดัด และการแตกหัก

2. UTM ใช้ทดสอบอะไรได้บ้าง

รองรับแรงดึง แรงกด การดัด และแรงเฉือน รวมถึง Peel, Adhesion, Tear และ Spring Test เมื่อใช้อุปกรณ์และวิธีทดสอบที่เหมาะสม

3. Tensile Test กับ Compression Test ต่างกันอย่างไร

Tensile Test ดึงชิ้นงานออกจากกันเพื่อวิเคราะห์ความแข็งแรงและการยืดตัว ส่วน Compression Test กดชิ้นงานเข้าหากันเพื่อวิเคราะห์ความสามารถในการรับแรงกดและการเสียรูป

4. Load Cell ต้องสอบเทียบหรือไม่

ต้องตรวจสอบหรือสอบเทียบระบบวัดแรงตามมาตรฐานและช่วงใช้งาน เพราะค่าแรงเป็นข้อมูลหลักในการคำนวณสมบัติวัสดุ

5. Crosshead Speed มีผลต่อผลทดสอบอย่างไร

วัสดุบางชนิดไวต่ออัตราการเสียรูป ความเร็วที่ต่างกันอาจทำให้ค่าความแข็งแรง การยืดตัว หรือจุดแตกหักแตกต่างกัน

6. Extensometer มีหน้าที่อะไร

ใช้วัดการเปลี่ยนแปลง Gauge Length ของชิ้นทดสอบเพื่อคำนวณ Strain และค่าที่เกี่ยวข้อง เช่น Modulus, Yield และ Elongation

7. Verification ต่างจาก Calibration อย่างไร

Verification ยืนยันว่าเครื่องผ่านข้อกำหนด ส่วน Calibration เปรียบเทียบค่าที่เครื่องแสดงกับมาตรฐานอ้างอิง พร้อมระบุผลและความไม่แน่นอน

8. UTM ควรสอบเทียบบ่อยแค่ไหน

ควรกำหนดจากความเสี่ยง การใช้งาน ประวัติผลสอบเทียบ และข้อกำหนดที่เกี่ยวข้อง ไม่จำเป็นต้องใช้รอบเดียวกันกับทุกเครื่อง

9. ทำไมชิ้นงานจึงลื่นออกจาก Grip

อาจเกิดจาก Grip ไม่เหมาะกับวัสดุ แรงจับไม่พอ หน้าสัมผัสสกปรก ชิ้นงานวางไม่ตรง หรือสภาพผิวชิ้นงานไม่เหมาะสม

10. หาก UTM ไม่ผ่านการตรวจสอบควรทำอย่างไร

ควรหยุดใช้ส่วนที่ผิดปกติ ตรวจสอบวิธีและอุปกรณ์ ยืนยันผล ประเมินผลกระทบย้อนหลัง ส่งซ่อมหรือสอบเทียบ และอนุมัติกลับมาใช้ตามขั้นตอนขององค์กร

 

ข้อมูลผู้เขียนและผู้ตรวจทาน

ผู้เขียน: L4