Sử dụng vật liệu nhẹ trên ôtô: Xu hướng tất yếu

Cuộc chạy đua tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải của các nhà sản xuất ô tô vẫn đang diễn ra âm thầm và khốc liệt. Tuy nhiên, có thể trong thời gian tới thay vì cải tiến kỹ thuật, “vật liệu nhẹ” sẽ là một giải pháp tối ưu. 

Không thể chần chừ

Theo quan điểm của các nhà sản xuất ô tô, mức tiêu thụ nhiên liệu do Chính phủ Liên bang Hoa Kỳ đặt ra là 54,5 dặm/galông (tương đương 1 lít xăng đi được 22km) được áp dụng vào năm 2025, trong khi Liên minh châu Âu (EU) đặt mục tiêu cắt giảm lượng khí thải cácbon điôxít (CO) trung bình của các loại ôtô sản xuất trong khu vực khoảng 33% vào năm 2020, tương đương 95 g/km là rất khó khả thi.

Kể từ khi động cơ đốt trong được ra đời cùng với vô số những cải tiến về mặt kỹ thuật cũng như công nghệ để đạt được những thành quả ngày nay: hệ thống phun xăng điện tử, tăng áp khí nạp, sự kết hợp của các hệ thống điều khiển điện tử, sự hỗ trợ của động cơ hybrid, hệ thống truyền động điện, thiết kế khí động học, hệ thống thu nạp năng lượng thừa…tất cả những điều này cũng khó có thể giúp động cơ có thể đạt được ngưỡng tiêu chuẩn mức tiêu thu nhiên liệu cũng như khí thải như yêu cầu trên.

Đây thự sự là một thách thức đối với các nhà hoạch định, các ông chủ của ngành công nghiệp ô tô. Và hướng đi mà các nhà sản xuất ô tô nghĩ tới để đạt được những yêu cầu trên là sự thay đổi trong vật liệu cấu thành của chiếc ô tô. Điều đó có nghĩa rằng nguyên vật liệu sản xuất ô tô phải có trọng lượng nhẹ hơn nhưng không làm tăng giá thành sản phẩm. Bởi lẽ, một phần nhiên liệu tiêu thụ và khí thải sinh ra khi động cơ hoạt động được dùng để thắng lực cản do tự trọng của xe gây nên.

Các công nghệ gần đây đã được phát triển như là thép siêu nhẹ (HSS) hay sợi pôlyme các-bon (CFRP) đã tiêu tốn khá nhiều chi phí cho các nhà sản xuất, những người đang phải đau đầu về bài toán vật liệu. Nhu cầu về một loại vật liệu vừa nhẹ, bền, có khả năng chống chọi va đập phải được cân bằng với các yêu cầu khác về tối đa hóa ứng dụng của dây chuyền sản xuất hiện tại và vấn đề này cũng đặt ra câu hỏi liên quan đến việc tiếp cận với nhưng vật liệu hoàn toàn xa lạ của quy trình sản xuất hiện nay hay nguồn cung cho các loại vật liệu đó.

Giải pháp trước mắt

Gần đây, trong một “talkshow” của Autoline, Carla Bailo – Phó Chủ tịch R&D của Nissan Mỹ đã chia sẻ rằng: Hạn chót đã cận kề, các nhà sản xuất phải thấu hiểu một điều rằng các thế hệ tiếp và tiếp theo nữa của những chiếc ô tô do họ làm ra phải nhẹ đi 30% so với hiện nay mà không được tăng chi phí, tăng giá xe, đó là điều khách hàng không mong muốn. Điều đó có nghĩa là mỗi chiếc xe, tùy loại, sẽ vứt bỏ ít nhất là nửa tấn trọng lượng mà không làm giảm đi tính năng vận hành của nó.

Ngày nay, ô tô có ¾ khối lượng được làm từ thép, phần lớn trong đó là thép lá nhẹ. Tỷ lệ sắt trong vật liệu cũng ngày càng giảm đi theo từng model xe mỗi năm do thành phần nhôm và phi kim pha trộn (chiếm khoảng 8%) và nhựa (khoảng 11%) được kết hợp để cấu tạo nên những mẫu ô tô đời mới.

Theo những nghiên cứu từ Bộ năng lượng Mỹ thì khi tự trọng của xe giảm 10% thì có thể tăng mức tiết kiệm nhiên liệu lên khoảng 6 đến 8%. Vì vậy, sẽ không ngạc nhiên khi các vật liệu nhẹ không thuộc kết cấu cơ sở này và các vật liệu nội thất hiện đại ngày nay sẽ được thay thế để giúp chiếc xe trở nên nhẹ hơn. Tuy nhiên, theo lý thuyết thiết kế ô tô thì việc đảm bảo chiếc xe vẫn vận hành êm dịu, tin cậy chưa bao giờ là việc dễ dàng.

Gần đây, chuyên gia hàng đầu của Volkswagen trả lời câu hỏi đến từ Viện nghiên cứu Doanh nhân Mỹ – AEI trong một diễn đàn tại Mê-hi-cô rằng: chúng tôi chọn vật liệu đúng và đặt nó vào đúng chỗ của nó. Nhưng câu hỏi quay ngược lại, vật liệu nào được gọi là vật liệu “đúng”.

Cuộc chay đua của các ông lớn.

Nissan gần đây công bố việc ứng dụng một loại thép công nghệ cao (AHSS) cho mâm đúc ô tô, có thể chịu áp lực lên đến 1200 MPs và có thể sử dụng cho ¼ các bộ phận trên xe. Trong khi đó, Volkswagen ra thông cáo báo chí về việc loại bỏ hoàn toàn vật liệu thép cũ trên ô tô của hãng bằng một loại thép mới có sức bền gấp 6 lần thép thông thường và vật liệu mới này không chỉ giúp chiếc Golf nhẹ đi hơn 100kg mà còn tiết kiệm cho hãng nhiều chi phí. Volkswagen cũng cho biết thêm rằng hợp kim nhôm sẽ là kim loại chủ đạo trong việc giảm trọng lượng xe. Nhôm là vật liệu nhẹ đứng thứ 3 sau thép, nhưng nó là kim loại đắt gấp 3 lần thép.

Mặc cho các giải pháp vật liệu như nhôm, thép mới hay sự kết hợp đa kim bao gồm cả sợi com-pô-rít, nhưng điều quan trọng đáng lưu tâm là các nhà sản xuất vẫn phát triển vật liệu xung quanh kim loại. Matthew Zaluzec, chuyên gia Viện nghiên cứu vật liệu và Sản xuất của Ford và là thành viên Hiệp hội vật liệu Mỹ đã nhấn mạnh về việc ngành công nghiệp ô tô hiện nay đã quá phụ thuộc vào kim loại mà chưa có những bước tiến nào khác.

Ông nhấn mạnh bằng hiện trạng: Các nhà máy mua thép, cán, đúc thành các bộ phận thân vỏ xe, sau đó sơn và lắp ráp thành xe hoàn chỉnh. Phá vỡ khuôn phép của quy trình đó thực sự là bước tiến mang tính cách mạng.

Cạnh tranh trong nghiên cứu

Đối với các thay đổi trong việc triển khai các ngôn ngữ thiết kế và sản xuất ô tô, dĩ nhiên, sẽ tạo cơ hội cho các nhà cung cấp nguyên vật liệu trong việc đa dạng hóa các sản phẩm cung cấp OEM cho các hãng. Và một khi các nhà máy sản xuất ô tô thúc đẩy các ứng dụng công nghệ vật liệu nhẹ trong sản xuất thì đồng nghĩa doanh số bán hàng của họ cũng tăng theo.

Trong phạm vi này, hiện tại duy trì hai tổ chức đóng vai trò làm đầu mối nghiên cứu là WorldAutoSteel trực thuộc World Steel Association về thép, Aluminum in Transportation Group trực thuộc The Aluminum Association là về nhôm. Hai tổ chức trên đã công bố các nghiên cứu về việc cắt giảm 35-40% trọng lượng của ô tô tùy vào loại xe. Đây là những kết quả nghiên cứu khả quan có thể giúp cho các nhà sản xuất OEM đáp ứng được tiêu chuẩn mới vào năm 2025.

Cách đây khoảng 3 năm, Ủy Ban Châu Âu cũng đã tài trợ cho 7 nhà sản xuất ô tô, đứng đầu là Volkswagen, cũng như là các nhà cung cấp của họ để nghiên cứu một dự án có tên là SuperLightCar – Ô tô siêu nhẹ. Những kết quả thu được gần đây cho thấy trọng lượng của ô tô có thể giảm được 35%.

Mặc dù ba nhóm nghiên cứu trên có các mục tiêu khác và chiến lược khác nhau nhưng tựu chung lại là sẽ đều mang lại hiệu quả giảm trọng lượng theo một cách nào đó. Không chỉ có các nhóm nghiên cứu trên, các công ty liên quan trong lĩnh vực vật liệu cũng nhìn thấy xu hướng này. Ví dụ một công ty có tên là Design AG of Fulda, Đức, đã có sự đầu tư khá bài bản khi triển khai các dự án nghiên cứu, ứng dụng các vật liệu sản xuất ô tô cho tương lai. Hy vọng, các kết quả của Design AG thu được là khả quan để có thể cạnh tranh sòng phẳng với các nhóm nghiên cứu kia.

Bài toán chi phí

Một nghiên cứu liên quan đến vấn đề này do Auburn Hills chủ trì, một kỹ sư thuộc Ủy ban đường bộ Mỹ, đã sử dụng một chiếc Honda Accord 2011 để triển khai các ứng dụng về vật liệu, tính năng vận hành sau khi thay đối cấu trúc, tính toán chi phí. Nhóm đã đưa ra kết quả là chi phí tăng thêm quá 10%, vào khoảng 1.500 USD.

Sản xuất ô tô bằng vật liệu bổ xung là nhôm có thể giảm 35% trọng lượng nhưng tăng thêm 927 USD chi phí. Ngược lại, nếu kết hợp, nhôm, thép, composite thì sẽ giảm trọng xe 22,4% nhưng chỉ tốn thêm 319 USD. Nếu dùng CFRP thì sẽ giảm một nửa trọng lượng nhưng tăng thêm 2.700 USD chi phí.

Có một số ý kiến trái chiều trong dự luận khi Honda ra thông báo “chỉ trích” về nghiên của Auburn Hills trên chiếc Accord 2011. Các kỹ sư của Honda thách thức về khả năng chịu đựng các tác động va chạm, khả năng vận hành của xe cũng như tính năng an toàn cho chiếc xe được thí nghiệm đó được ứng dụng lên các điều kiện kinh doanh hiện nay.

Các tranh luận thì cứ diễn ra, nhưng có thể khẳng định việc đưa vật liệu nhẹ vào trong các kết cấu ô tô trong tương lai gần là điều không thể tránh khỏi.

S.THU