การขึ้นรูปด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า นวัตกรรมการขึ้นรูปโลหะความเร็วสูง

การขึ้นรูปด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า (หรือ EM forming หรือ magneforming) คือกระบวนการขึ้นรูปเย็นความเร็วสูงสำหรับโลหะที่นำไฟฟ้าได้ โดยส่วนใหญ่จะใช้กับทองแดงและอะลูมิเนียม ชิ้นงานจะถูกเปลี่ยนรูปด้วยสนามแม่เหล็กแบบพัลส์ที่มีความเข้มสูง ซึ่งจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในชิ้นงานและสร้างสนามแม่เหล็กผลักกัน ส่งผลให้ส่วนต่างๆ ของชิ้นงานถูกผลักออกไปอย่างรวดเร็ว กระบวนการนี้สามารถเปลี่ยนรูปชิ้นงานได้โดยไม่ต้องมีการสัมผัสจากเครื่องมือ แม้ว่าในบางกรณีชิ้นงานอาจถูกกดเข้ากับแม่พิมพ์ (Die) หรือตัวขึ้นรูปก็ตาม เทคนิคนี้บางครั้งถูกเรียกว่าการขึ้นรูปความเร็วสูงหรือเทคโนโลยีพัลส์แม่เหล็กไฟฟ้า

หลักการทำงาน

ในการขึ้นรูปด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า จะมีการใช้ขดลวดพิเศษวางไว้ใกล้กับชิ้นงานโลหะเพื่อทำหน้าที่แทนตัวผลักในกระบวนการขึ้นรูปดั้งเดิม เมื่อระบบปล่อยพัลส์แม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความเข้มสูง ขดลวดจะสร้างสนามแม่เหล็กที่เร่งชิ้นงานให้มีความเร็วสูงมากจนพุ่งเข้าหาแม่พิมพ์

พัลส์แม่เหล็กไฟฟ้าและความเร็วในการเสียรูปที่รุนแรงจะเปลี่ยนสถานะของโลหะให้เป็นแบบ visco-plastic ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถในการขึ้นรูปโดยไม่ส่งผลกระทบต่อความแข็งแรงดั้งเดิมของวัสดุ

กลไกทางฟิสิกส์

สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าหมุนวนภายในตัวนำที่อยู่ใกล้เคียงผ่านการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าที่ถูกเหนี่ยวนำนี้จะสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นรอบๆ ตัวนำ ซึ่งตามกฎของเลนซ์ (Lenz's Law) สนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นภายในตัวนำและขดลวดงานจะผลักกันอย่างรุนแรง

ในทางปฏิบัติ ชิ้นงานโลหะจะถูกวางไว้ใกล้กับขดลวดที่สร้างขึ้นอย่างแข็งแรง (เรียกว่าขดลวดงาน) กระแสไฟฟ้าพัลส์ขนาดใหญ่จะถูกส่งผ่านขดลวดงานโดยการคายประจุอย่างรวดเร็วจากธนาคารตัวเก็บประจุแรงดันสูง โดยใช้ ignitron หรือ spark gap เป็นสวิตช์ สิ่งนี้จะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สั่นสะเทือนอย่างรวดเร็วและมีความแข็งแกร่งสูงรอบขดลวดงาน

กระแสไฟฟ้าในขดลวดงานที่สูงมาก (โดยปกติจะอยู่ในหลักหลายหมื่นหรือหลายแสนแอมแปร์) จะสร้างแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่รุนแรงจนสามารถเอาชนะค่าความเค้นคราก (Yield Strength) ของชิ้นงานโลหะ ทำให้เกิดการเสียรูปถาวร กระบวนการขึ้นรูปนี้เกิดขึ้นเร็วมาก (โดยปกติจะอยู่ในหลักสิบไมโครวินาที) และเนื่องจากแรงมหาศาล ชิ้นงานบางส่วนจะมีความเร่งสูงจนมีความเร็วถึง 300 เมตรต่อวินาที

การประยุกต์ใช้งาน

กระบวนการนี้มักถูกนำมาใช้ในการย่อหรือขยายท่อทรงกระบอก แต่ก็สามารถใช้ขึ้นรูปโลหะแผ่นโดยการผลักชิ้นงานเข้าหาแม่พิมพ์ที่มีรูปร่างตามต้องการด้วยความเร็วสูง นอกจากนี้ยังสามารถสร้างรอยต่อที่มีคุณภาพสูงได้ ทั้งการย้ำด้วยพัลส์แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Pulse Crimping) ที่มีการล็อคทางกล หรือการเชื่อมด้วยพัลส์แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Pulse Welding) ซึ่งเป็นการเชื่อมทางโลหะวิทยาอย่างแท้จริง

เนื่องจากการขึ้นรูปเกี่ยวข้องกับความเร่งและความหน่วงที่สูง มวลของชิ้นงานจึงมีบทบาทสำคัญในกระบวนการนี้ โดยกระบวนการนี้จะทำงานได้ดีที่สุดกับตัวนำไฟฟ้าที่ดี เช่น ทองแดงหรืออะลูมิเนียม แต่สามารถปรับใช้กับตัวนำที่ด้อยกว่า เช่น เหล็กได้

การเปรียบเทียบกับการขึ้นรูปทางกล