อธิบายสเกลความแข็ง Shore: คู่มือ Shore A, D, C และ OO

ในการออกแบบและกำหนดสเปควัสดุยาง อีลาสโตเมอร์ และพอลิเมอร์ ความแข็ง (Durometer) เป็นหนึ่งในตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่เข้าใจได้ง่ายที่สุด แต่ก็มักถูกเข้าใจผิดอยู่บ่อยครั้ง ค่านี้ไม่เพียงเกี่ยวข้องกับสัมผัสและความยืดหยุ่นของวัสดุเท่านั้น แต่ยังสัมพันธ์โดยตรงกับคุณสมบัติทางวิศวกรรมที่สำคัญ เช่น ความสามารถในการซีล แรงคืนตัว อายุการใช้งานต่อการสึกหรอ และค่าการเสียรูปถาวรหลังการอัด (compression set)

บทความนี้จะวิเคราะห์จากมุมมองของวิศวกร โดยอธิบายสเกล Shore ที่พบบ่อยที่สุด 4 ประเภท ได้แก่ A, D, C และ OO อย่างเป็นระบบ ครอบคลุมหลักการทดสอบ สถานการณ์การใช้งาน ความสัมพันธ์ระหว่างแต่ละสเกล และวิธีตีความกับนำข้อมูลความแข็งไปใช้อย่างถูกต้อง

เครื่องวัดความแข็ง Shore

ความแข็ง Shore คืออะไร

ความแข็ง Shore เป็นวิธีทดสอบมาตรฐานที่ใช้วัดความต้านทานของวัสดุต่อการกดบุบถาวร โดยส่วนใหญ่ใช้กับอีลาสโตเมอร์ เช่น ยาง และพอลิเมอร์ เช่น พลาสติก

หลักการทดสอบหลักคือการใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า “Durometer” เพื่อส่งแรงตามที่กำหนดผ่านสปริงภายใน และกดหัวกดมาตรฐานลงในแนวตั้งบนพื้นผิวของวัสดุ

ค่าที่แสดงบน durometer เป็นค่าที่ไม่มีหน่วย อยู่ระหว่าง 0 ถึง 100 และมีความสัมพันธ์แบบผกผันกับความลึกที่หัวกดจมลงในวัสดุ:

• ค่าที่อ่านได้ 100: หมายถึงหัวกดไม่จมลงไปเลย (ความลึกรอยกด 0 mm) แสดงว่าวัสดุมีความแข็งสูงสุดที่สเกลนั้นสามารถวัดได้   
• ค่าที่อ่านได้ 0: หมายถึงหัวกดจมลงไปจนถึงระยะการเคลื่อนที่สูงสุดที่ออกแบบไว้ โดยทั่วไปประมาณ 2.5 mm แสดงว่าวัสดุนุ่มมากและต่ำกว่าช่วงการวัดที่มีประสิทธิภาพของสเกลนั้น

มาตรฐานหลัก: ASTM D2240

การทดสอบความแข็ง Shore แทบทั้งหมดอ้างอิงตาม ASTM D2240 (“Standard Test Method for Rubber Property—Durometer Hardness”) ซึ่งเป็นข้อกำหนดมาตรฐานที่ได้รับการยอมรับ มาตรฐานนี้ระบุรายละเอียดอย่างชัดเจนเกี่ยวกับข้อกำหนดของอุปกรณ์ รูปทรงหัวกด แรงสปริง การเตรียมชิ้นทดสอบ และขั้นตอนการทดสอบสำหรับ durometer ทั้ง 12 ประเภท รวมถึง Shore A Durometer, Shore D Durometer, Shore C Durometer และ Shore OO Durometer เป็นต้น

ASTM D2240 กำหนดเงื่อนไขสำคัญสำหรับการได้ค่าทดสอบที่สามารถทำซ้ำได้:

1. ความหนาของชิ้นทดสอบ: ชิ้นทดสอบมาตรฐานต้องมีความหนาอย่างน้อย 6.4 mm หรือประมาณ 1/4 inch   
2. พื้นผิวของชิ้นทดสอบ: ต้องวางชิ้นทดสอบบนพื้นผิวที่แข็ง เรียบ และฐานกดของ durometer ต้องสัมผัสกับพื้นผิวของชิ้นทดสอบอย่างสมบูรณ์   

หากชิ้นทดสอบบางเกินไป แรงจากหัวกดจะ “ทะลุผ่าน” ชิ้นงาน และกลายเป็นการวัดความแข็งรวมของชิ้นทดสอบกับโต๊ะทดสอบแข็งด้านล่าง ส่งผลให้ค่าที่อ่านได้สูงเกินจริง

ความแตกต่างทางกายภาพและการใช้งาน

เหตุผลที่มีสเกล Shore หลายประเภท เพราะหัวกดและแรงสปริงเพียงชุดเดียวไม่สามารถครอบคลุมวัสดุทั้งหมด ตั้งแต่เจลไปจนถึงพลาสติกแข็งได้ แต่ละสเกลจึงเป็นระบบทดสอบที่แตกต่างกันทางกายภาพ โดยต่างกันหลัก ๆ ในด้านต่อไปนี้:

1. รูปทรงทางเรขาคณิตของหัวกด
2. ขนาดของแรงสปริง

การเลือกสเกลผิดสำหรับวัสดุเฉพาะจะทำให้ค่าที่วัดได้ไม่มีความหมาย เช่น การใช้หัวกดแบบ D ที่คมกับเจลนุ่มมากจะทำให้หัวกดแทงทะลุวัสดุ

1. Shore A

ช่วงการใช้งาน: เป็นสเกลที่ใช้บ่อยที่สุดในอุตสาหกรรมยางและอีลาสโตเมอร์ ครอบคลุมวัสดุตั้งแต่นุ่มมากไปจนถึงแข็งปานกลาง โดยช่วงที่ใช้ในงานวิศวกรรมทั่วไปคือ 20A ถึง 90A ตัวอย่างการใช้งาน ได้แก่ ยางซิลิโคนทำแม่พิมพ์ แบบยืดหยุ่น, O-rings, ดอกยางรถยนต์, พื้นรองเท้า และ Thermoplastic Elastomers (TPE)

• รูปทรงหัวกด: กรวยตัดปลายมุม 35 องศา หรือกรวยปลายแบน 
• แรงสปริง: 8.05 Newtons (N) หรือประมาณ 822 gram-force 

เครื่องวัดความแข็ง Shore A

2. Shore D

ช่วงการใช้งาน: เมื่อวัสดุมีความแข็งเกินขีดจำกัดบนของสเกล A เช่น สูงกว่า 90A ควรใช้ Shore D Durometer โดยหลักใช้วัดยางแข็ง พลาสติกกึ่งแข็ง และพลาสติกแข็ง ตัวอย่างที่พบบ่อย ได้แก่ หมวกนิรภัยก่อสร้าง ท่อ PVC ลูกกอล์ฟ และลูกกลิ้งโพลียูรีเทน

• รูปทรงหัวกด: กรวยมุม 30 องศา รัศมีปลาย 0.1 mm ซึ่งคมกว่าหัวกดแบบ A มาก
• แรงสปริง: สูงสุด 44.45 Newtons (N) หรือประมาณ 4.5 kilogram-force ซึ่งมากกว่าแบบ A อย่างชัดเจน

เครื่องวัดความแข็ง Shore D

3. Shore C

ช่วงการใช้งาน: ใช้วัดอีลาสโตเมอร์และพลาสติกความแข็งปานกลาง การวัดแบบ Shore C มีช่วงทับซ้อนกับปลายแข็งของสเกล A และปลายอ่อนของสเกล D โดย Shore C ให้การวัดที่แม่นยำกว่าเมื่อวัสดุแข็งเกินสำหรับสเกล A (> 90A) แต่ยังนุ่มเกินสำหรับสเกล D (< 20D)

• รูปทรงหัวกด: เหมือน Shore A คือกรวยตัดปลายมุม 35 องศา
• แรงสปริง: เหมือน Shore D คือ 44.45 Newtons (N)

(หมายเหตุ: Shore C เป็นการรวมหัวกดแบบ A กับแรงสปริงแบบ D และใช้ในมาตรฐานเฉพาะบางประเภทสำหรับการปรับสูตรอย่างละเอียด)

เครื่องวัดความแข็ง Shore C

4. Shore OO

ช่วงการใช้งาน: ใช้วัดวัสดุที่นุ่มมาก หากค่าที่วัดด้วย Shore A ต่ำกว่า 10A ควรใช้ Shore OO Durometer ตัวอย่างการใช้งานทั่วไป ได้แก่ เจล จาระบีซิลิโคน ฟองน้ำ โฟม และวัสดุผิวหนังเทียม

• รูปทรงหัวกด: หัวกดทรงกลมรัศมี 1.20 mm   
• แรงสปริง: ต่ำมาก สูงสุดเพียง 1.111 Newtons (N) หรือประมาณ 113.3 gram-force

เครื่องวัดความแข็ง Shore OO

หลักจำง่ายสำหรับวิศวกร:

• หากค่าที่วัดด้วย Shore A สูงกว่า 90A ให้เปลี่ยนไปใช้สเกล Shore D
• หากค่าที่วัดด้วย Shore D ต่ำกว่า 20D ให้เปลี่ยนไปใช้สเกล Shore A

การแปลงค่าความแข็ง Shore

ในงานวิศวกรรมวัสดุ มักมีความจำเป็นต้องเปรียบเทียบค่าความแข็งข้ามสเกล เช่น การแปลง Shore A เป็น Shore D อย่างไรก็ตาม ต้องระบุให้ชัดเจนว่า การแปลงเช่นนี้ไม่แม่นยำในเชิงวิทยาศาสตร์

ตามที่อธิบายไว้ข้างต้น สเกล A, D, C และ OO ใช้รูปทรงหัวกดและแรงสปริงที่แตกต่างกันมาก แต่ละสเกลจึงวัดการตอบสนองทางกายภาพของวัสดุภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกัน เช่น Shore A วัด “ความต้านทานต่อแรงกดอัด” ขณะที่ Shore D วัด “ความต้านทานต่อการเจาะจม”

ดังนั้น “ตารางแปลงค่า” หรือ “กราฟแปลงค่า” ใด ๆ จึงเป็นเพียงค่าประมาณที่ได้จากการเปรียบเทียบข้อมูลเชิงประสบการณ์จำนวนมาก ไม่ใช่การคำนวณที่แม่นยำ ตารางเหล่านี้ควรใช้เฉพาะในขั้นตอนออกแบบเบื้องต้น หรือใช้สื่อสารหมวดหมู่วัสดุโดยประมาณกับลูกค้าเท่านั้น

หมายเหตุสำคัญ: ตารางนี้เป็นข้อมูลเชิงประสบการณ์และไม่มีความแม่นยำระดับวิศวกรรม สำหรับการกำหนดสเปคทางเทคนิคหรือการควบคุมคุณภาพ ต้องวัดจริงด้วยสเกลเป้าหมายที่ต้องการใช้งาน เช่น A, D, C หรือ OO

สรุป

ความแข็ง Shore เป็นเพียงหนึ่งในปัจจัยของประสิทธิภาพวัสดุ กระบวนการกำหนดสเปควัสดุขั้นสุดท้ายยังต้องประเมินคุณสมบัติเชิงกลอื่น ๆ และสภาพแวดล้อมการใช้งานร่วมด้วย เช่น ความต้านทานแรงดึง การยืดตัวเมื่อขาด compression set ความเข้ากันได้ทางเคมี ช่วงอุณหภูมิการใช้งาน และความต้องการด้านสัมผัสของผู้ใช้งานปลายทาง ล้วนส่งผลโดยตรงต่อความเหมาะสมของวัสดุ

ดังนั้น หากต้องการเลือกอีลาสโตเมอร์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานที่ซับซ้อน จำเป็นต้องพิจารณาความแข็งร่วมกับตัวชี้วัดประสิทธิภาพอื่น ๆ เพื่อให้มั่นใจว่าวัสดุมีคุณสมบัติครบถ้วนและสอดคล้องกับการใช้งานจริง