Nhôm: hạt nhân của cuộc cách mạng chế tạo thân, vỏ xe

Mặc dù việc sử dụng nhôm trong những chiếc xe hơi đã tăng một cách đêu đặn trong nhiều thập kỷ qua và ngành công nghiệp ô tô đang nỗ lực từng ngày để biến nhôm thành vật liệu thay thế cho sắt nhưng con đường đi đến cuộc cách mạng đó liệu có trải hoa hồng?.

>> Bạn có thể bình luận về bài viết này trên http://www.facebook.com/Autodaily

Xe hơi và nhôm đã trở thành hàng hóa thương mại vào cùng một thời điểm những năm cuối của thế kỷ 19. Lịch sử ghi đã ghi nhận những bằng chứng liên quan đến việc sử dụng nhôm trong chế tạo thân xe được bắt nguồn từ rất xa xưa.

Trong lịch sử ngành chế tạo thân, vỏ xe thì mặc dù thép được ưa thích bởi hầu hết các nhà sản xuất ô tô. Tuy nhiên trong những năm gần đây, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu và sử dụng các nguyên liệu tái chế đã làm tăng cường nỗ lực của các nhà sản xuất xe hơi nhằm giảm trọng lượng xe. Và vật liệu nhôm đã cung cấp giải pháp kỹ thuật lý tưởng bởi mật độ hạt của nó chỉ bằng một phần ba của thép và đặc biệt nó đáp ứng được các yêu cầu chịu xoắn và độ cứng của vật liệu ô tô. Nhưng về mặt giá thành, với cùng một khối lượng thì nhôm đắt gấp năm lần thép.

Nhưng cho dù chi phí cao, trong hai nhiều thập kỷ qua, tỷ lệ nhôm trong thành phần chế tạo của ô tô đã tăng lên đều đặn từ 39 kg (3%) năm 1976 lên khoảng 89 kg (7 %) vào giữa thập kỷ 90. Những thay đổi này chỉ được thực hiện trên một số bộ phận cơ bản, chứ không phải là kết quả của một cuộc cách mạng thiết kế triệt để. Hầu hết sự xâm nhập của nhôm là ở trong hộp số, động cơ và bánh xe, chủ yếu là đúc cùng một số kim loại khác.

Nói một cách đơn giản, người ta chứng minh rằng nhôm có thể được sử dụng để thay thế sắt, thép và đồng cho các bộ phận khác nhau của một chiếc xe hơi. Trong mọi trường hợp, sự thay thế này làm giảm trọng lượng mà không làm giảm hiệu suất nhưng trong hầu hết trường hợp sẽ làm chi phí tăng lên đáng kể. Việc này sẽ làm giảm vấn đề tiêu thụ nhiên liệu, tăng độ an toàn và tăng tuổi thọ của chiếc xe nếu người sử dụng, người sản xuất, và quan trọng nhất các nhà lập pháp cho rằng các yếu tố này là đáng để lưu tâm.

Việc sử dụng một lượng lớn nhôm trong những chiếc ô tô được sản xuất hàng loạt, chứ không hẳn chỉ riêng trên những mẫu xe đắt tiền đã được dự đoán thường xuyên nhưng cho đến hiện giờ nó vẫn chưa xảy ra. Cách duy nhất nhôm có thể thay thế sắt một cách đáng kể là trở thành vật liệu chính trong khung hoặc thân xe.

Trong nhiều thập kỷ qua, những nhà sản xuất xe đã nhiều lần cố gắng đánh giá tình trạng của những chiếc xe nhôm. Các dạng mới của hợp kim và những kỹ thuật sản xuất tiên tiến đã được thử nghiệm. Sự thích thú được tập trung chủ yếu vào việc kiểm tra những phương pháp tham gia phù hợp. Honda NS-X là chiếc xe nhôm đầu tiên và duy nhất được sản xuất trong một phiên bản giới hạn. Audi A8 là một ví dụ gần đây nhất của một chiếc xe sang trọng, khối lượng nhẹ có khung gầm được thiết kế hoàn toàn bằng nhôm.

Vật liệu nhôm lên ngôi

Mặc dù nhôm đã phần lớn chinh phục được hệ thống truyền động và các khu vực trao đổi nhiệt nhưng khung gầm, thân và các thiết bị phải là những vị trí cần được sử dụng nhôm để giảm trọng lượng. Vấn đề cơ bản là làm thế nào tối ưu hóa thiết kế để khai thác lợi thế của nhôm và đồng thời có mức chi phí hiệu quả. Như chỉ ra trong hình 1, phần vỏ xe ( BIW) chiếm 27% khối lượng của chiếc xe có trọng lượng trung bình, vì vậy, vỏ xe chính là vị trí có thể sử dụng nhôm với một lượng lớn.

Hình 1, phần vỏ xe (BIW) chiếm 27% khối lượng của chiếc xe có trọng lượng trung bình

Sự thay thế một phần của nhôm đối với thép mặc dù cung cấp trọng lượng nhẹ và chống ăn mòn tốt hơn nhưng vẫn không phải là một giải pháp hoàn hảo. Bởi vì những chiếc xe vẫn còn được làm chủ yếu bằng thép, nên một sự thiết kế mới hoàn toàn là cần thiết để làm cho việc sử dụng nhôm được tối ưu.

Một số các công ty nhôm và ô tô đã thúc đẩy thiết kế khung gầm bằng nhôm, sử dụng các tấm dập, đúc và ép. Một số khác đang phát triển thiết kế thân xe liền khối. Mặc dù cả hai thiết kế đã chứng minh được tính năng và sự hiệu quả của chúng, nhưng thiết kế nào sẽ phù hợp hơn để đưa vào sản xuất hàng loạt thì vẫn chưa rõ ràng. Sự thành công cuối cùng của một hoặc cả hai mẫu thiết kế phụ thuộc vào sự tiến bộ và phát triển của ngành công nghiệp chế tạo nhôm, đặc biệt là các tấm nhôm dập. Bài báo này so sánh và phân tích chi phí chế tạo và lắp ráp thân xe ô tô bằng thép và nhôm trong hai trường hợp: xe nhỏ tiết kiệm nhiên liệu và xe cỡ vừa.

Phương pháp luận

Việc sản xuất thân xe bao gồm hai chi phí: chế tạo và lắp ráp các bộ phận. Các chi phí này được ước tính bằng cách sử dụng một kỹ thuật được phát triển tại phòng thí nghiệm hệ thống vật liệu của trường đại học MIT Hoa Kỳ có tiêu đề “ mô hình hóa chi phí kỹ thuật” ( TCM - technical cost modeling). TCM là một bảng tính dựa trên công cụ phân tích mà nó chia nhỏ chi phí của quá trình sản xuất thành các bước phát triển cơ bản. Chi phí liên quan đến mỗi bước xuất phát từ một sự kết hợp giữa các nguyên lý kỹ huật và dữ liệu thực nghiệm cho thực hành sản xuất. Yếu tố đầu vào bao gồm chi tiết kỹ thuật thiết kế, thông số vật liệu (ví dụ quyền sở hữu kỹ thuật, giá nguyên vật liệu), các thông số trong quá trình (ví dụ: yêu cầu không gian, tiêu thụ điện năng ) và các thông số sản xuất ( ví dụ: khối lượng sản xuất, tỷ lệ phế liệu, thời gian chết, thời gian bảo trì ). Tất cả các dữ liệu sẽ được đưa vào tính toán kinh tế để tìm ra kết quả.

Để so sánh chi phí chế tạo và lắp ráp xe hơi, thiết kế của những chiếc xe bắt buộc phải có cùng kích cỡ. Sáu thiết kế đã được phân tích. Ba trong số đó là những chiếc xe nhỏ tiết kiệm nhiên liệu và đều được làm bằng sắt là Volkswagen Lupo, Hybrid Lupo và Audi A2. Những chiếc xe cỡ vừa được so sánh là Ford Contour, Ford P2000, và Audi A8. Audi A8 có mục tiêu hướng tới thị trường cao cấp và lớn hơn khá nhiều so với hai chiếc còn lại.

Để so sánh chi phí chế tạo, sự khác biệt tương đối trong kích cỡ xe phải được hạch toán. Như vậy, đối với nghiên cứu này, các bộ phận của A8 được so sánh với kích thước của Ford Contour. Điều này được thực hiện bằng cách thu nhỏ các bộ phận và cửa của Audi A8 theo tỷ lệ kích thước ngoài của 2 chiếc xe còn lại. Một phần trọng lượng bị giảm bằng cách giả định độ dày của tấm là không thay đổi. Sự xác định này cho phép so sánh ở tỷ lệ 1:1 về thiết kế bất chấp những khác nhau về kích thước. Cách tính này tiêu chuẩn hóa chi phí vật liệu trong khi đó lại thu hẹp chi phí dụng cụ và máy móc.

Audi A8 - sản phẩm tiên phong trong việc sử dụng thân, vỏ bằng vật liệu nhôm.

Các phân tích chi phí chế tạo của sáu thiết kế trên đã chỉ ra hai trở ngại chính để nhôm trở thành loại vật liệu thay thế cho sắt: chi phí nguyên liệu cao hơn và chi phí công cụ của các tấm nhôm cao hơn.

Các nhà sản xuất ô tô tập trung vào sản xuất một chiếc xe bằng nhôm với chi phí sản xuất tổng thể tương tự như khi sản xuất một chiếc xe bằng thép. Người ta tin tưởng rằng để làm được điều này, giá nhôm phải giảm xuống chỉ còn khoảng 2.2USD/kg. Phân tích cho thấy rằng hoàn toàn có thể sản xuất nhôm ( 5xxx) ở mức giá này bằng cách sử dụng lợi thế quy mô lớn . Tuy nhiên hầu hết nhôm được sử dụng trong các tấm bảng ở thân ngoài là hợp kim 6xxx – được sản xuất với mức giá đắt hơn tương đối.

Các chi phí công cụ bổ sung trong việc chế tạo nhôm cũng khiến nhôm trở thành nguyên liệu thay thế ít được ưa chuộng hơn đối với sắt, thậm chí kể cả khi giá nguyên liệu giảm do đặc tính cấu tạo của nhôm. Ví dụ các tấm nhôm không thể có những mép nhọn để tham gia vào những tấm ở bên trong và ngoài cùng. Nó có xu hướng chia nhỏ nếu góc dập quá sắc và nó cũng có tính đàn hồi hơn thép và dễ bị nhiễm bẩn bởi nó rất mềm. Kết quả, chi phí dập nhôm là cao hơn tương đối so với thép tương đương bởi các lý do sau: chi phí nghiên cứu chế tạo các khối kim loại là cao hơn để tăng độ cứng; Phát triển, ứng dụng của lớp phủ đặc biệt và chất bôi trơn cho các khối kim loại; Tốc độ dập chậm hơn để ngăn ngừa thiệt hại, tổn thất.

Theo một kịch bản vô cùng lạc quan khi có thể giảm 50% chi phí gia tăng trong chế tạo nhôm, với những tấm nhôm có sẵn với giá 2.2USD/kg, Ford P2000 sẽ có giá đắt hơn khoảng 300 USD so với phiên bản có thân bằng thép. Tuy nhiên, nếu công nghệ chế tạo và thiết kế trưởng thành lên, chi phí có thể được dự kiến giảm tương đối. Trong thực tế, phát triển thiết kế của Audi đã có sự giảm chi phí đáng kể giữa các xe thuộc thế hệ đầu tiên và thế hệ thứ 2. Điều này có được thông các các bộ phận hợp nhất, thay thế quy trình và đơn giản một số bộ phận.

Kết luận

Việc phân tích 6 thiết kế xe hơi kể trên rõ ràng đã cung cấp cái nhìn sâu sắc vào khía cạnh kinh tế của việc thay thế thép bởi nhôm trong thiết kế thân xe. Các phân tích đã chỉ ra rằng:

Các thiết kế Hybrid như Lupo hybrid là những ví dụ về mẫu xe có thể đạt được sự tiết kiệm nhiên liệu và tiêu chuẩn tái chế. Tuy nhiên, đây không phải là một giải pháp khả thi về mặt kinh tế cho việc giảm khối lượng bởi các thiết kế xe này thường là biến thể của các thiết kế hiện có bằng cách thay thế một số bộ phận bằng các loại vật liệu nhẹ hơn. Phương pháp này, do đó không cho phép nhà sản xuất khai thác những lợi thế của một loại vật liệu và đạt được hiệu quả sản xuất tối ưu.

Các phân tích của P2000 và Audi A8 ( có kích thước tương đương sau khi đã điều chỉnh) cho thấy rằng trong điều kiện chế tạo hiện có, thiết kế khung gầm có một chút cạnh tranh về chi phí thông qua thân liền, chủ yếu là do chi phí dập của nhôm cao hơn.

Công nghệ hàn lazer giúp việc chế tạo thân, vỏ bằng vật liệu nhôm trở nên phổ biến hơn.

Các phân tích của việc tham gia của công nghệ trong thiết kế khung gầm nhôm ở thế hệ thứ nhất và thứ hai chỉ ra rằng có thể giảm chi phí đáng kể khi nền công nghệ trưởng thành và phát triển. Audi A8 là chiếc xe có chi phí lắp ráp đắt nhất trong ba chiếc cùng loại. Mặt khác, thế hệ thứ hai Audi A2 có chi phí lắp ráp rẻ hơn so với phiên bản thép tương đương ở tất cả quy mô ngoại trừ khối lượng sản xuất rất nhỏ. Điều này có được chủ yếu do sự phát triển của công nghệ- có những tiến bộ trong quy trình hàn laze và có những máy hàn laze nhanh hơn.

Trước khi trở thành vật liệu thay thế cho sắt trong thiết kế thân xe, nhôm buộc phải vượt qua những trở ngại không chỉ trong kinh tế mà còn trong công nghệ. Tuy nhiên những trở ngại này không có nghĩ là không thể vượt qua như trong trường hợp máy hàn laze cho nhôm nêu ở trên. Sự thay đổi của các nhà sản xuất nhôm từ các nhà cung cấp vật liệu đơn thuần thành đối tác của các nhà sản xuất ô tô là một bước đi theo hướng này.

Người ta mong đợi rằng đây sẽ là những bước tiến đáng kể của công nghiệp dập nhôm trong tương lai gần. Điều này, cùng với áp lực lập pháp ngay trong điều kiện của nền kinh tế nhiên liệu và các mục tiêu tái chế có thể biến nhôm, nếu không phải là vật liệu chính thì cũng là thành phần đáng kể trong thân ô tô.

Ngọc Điệp (theo PLXH)