Công nghệ của ngày mai (1)

Trong số các loại vật liệu mới được ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghệ chế tạo động cơ và ôtô như thép hợp kim, nhôm hợp kim, chất dẻo, sợi carbon,... thì sợi carbon đang có những bước tiến kỳ diệu, vững chắc.

"Những chiếc xe nặng 1.000 kg là phù hợp với mô-men xoắn 1.000 Nm", đó là tuyên bố của giáo sư Burkhard Goschel, Giám đốc phát triển của BMW. Một chiếc xe nặng sẽ không thể chạy được nhanh. Bất cứ chiếc BMW nào cũng cần phải mạnh mẽ, là một vận động viên chạy nước rút nhẹ nhàng. Điều này chỉ có thể xảy ra khi nó không có một gram trọng lượng thừa. Vì thế, giới kỹ sư thiết kế ngày nay xem xét tỉ mỉ từng bộ phận của xe.

M3 CSL có mui xe chế tạo bằng CFRP.

Mặc dù chiếc xe hiện đại ngày càng tiện nghi và an toàn, với hệ thống túi khí, máy điều hoà nhiệt độ, hệ thống lái chủ động,... chúng phải không "tăng cân" hơn các bậc tiền bối và trên thực tế chúng còn cần phải nhẹ hơn. Khi đó, chiếc xe không những nhanh, nhẹ, mà còn hiệu quả.

Đây là một mục tiêu đầy tham vọng, sẽ cần đến những phương thức phi truyền thống - với những chất liệu và phương pháp gia công hoàn toàn mới mà cho tới nay mới chỉ được sử dụng trong việc sản xuất máy bay, xe đua hay các con tàu bằng sợi carbon.

Nhiều hãng xe hơi nổi tiếng trong đó có BMW đã nghiên cứu những công nghệ và một số vật liệu hiện đã được dùng trong sản xuất. Tiến sĩ Rudolf Stauber, người đứng đầu phòng nghiên cứu sức bền vật liệu của hãng, cho biết: "Chúng tôi tìm kiếm loại vật liệu nhẹ nhất và tốt nhất cho từng bộ phận của xe. Tất cả các tiêu chí quan trọng như đặc tính của vật liệu, số lượng cần gia công, tính tích hợp về chức năng của nó, các khía cạnh thiết kế, tái chế và tất nhiên là giá thành".

Tuy nhiên không phải lúc nào cũng có thể áp dụng một tiêu chuẩn nhất định. Ví dụ: dẫn động bánh sau có nghĩa là phải giảm trọng lượng phân bổ lên trục bánh trước. Do trọng lượng của động cơ đè vào trục trước, việc giảm trọng lượng tại đây là ưu tiên hàng đầu. Cần phải cân bằng giữa trục trước và trục sau để tạo cảm giác ổn định. Cũng tương tự là việc nghiên cứu giảm trọng lượng chassis, bánh xe và kể cả các linh kiện trong động cơ tốc độ cao nữa. Các chuyên gia về vật liệu nhẹ đã rất ấn tượng khi nói tới các khả năng kỹ thuật của nhựa gia cường bằng sợi carbon (CFRP). Đó là vật liệu nhẹ hơn thép 70% và chỉ bằng 2/3 trọng lượng của nhôm.

Nó gồm những sợi carbon nhỏ như sợi tóc được dệt thành tấm. Chúng rất mỏng chứ không cứng. Lực tới hạn cần thiết tác động lên tấm dệt sẽ xác định phương thức sắp xếp chúng. Nếu lực tác động theo chiều dọc, sợi carbon được bố trí theo chiều dọc. Nếu lực tác động từ bên, các sợi này sẽ được dệt theo chiều ngang. Nếu là lực xoắn, sợi carbon sẽ được bố trí xiên. Việc bố trí sợi carbon sẽ giúp tối ưu hoá khối lượng vật liệu sử dụng trong mỗi chức năng cụ thể.

Tuy giá thành CFRP rất cao nhưng chi phí sản xuất sẽ giảm xuống một khi nhu cầu tăng lên. Cho tới thời điểm này, chưa có nhà sản xuất nào thành công trong việc tự động hoá quy trình dệt hàng loạt các bộ phận bằng CFRP. Công đoạn dệt được thực hiện bằng tay, từng lớp từng lớp một, tráng nhựa sau đó được xử lý trong lò. Phương pháp sản xuất này khiến giá thành tăng vọt đồng thời khoảng thời gian làm ra sản phẩm quá lâu khiến các bộ phận bằng CFRP không đủ để phục vụ sản xuất hàng loạt.

Hãng BMW vừa có bước đột phá quan trọng trong lĩnh vực này. Sau một thời gian miệt mài nghiên cứu, trung tâm chế tạo CFRP của BMW đã thành công trong việc sản xuất tự động mui xe bằng chất liệu CFRP cho dòng M3 CSL. Nó giúp làm giảm trọng tâm và cải thiện tính năng động lực của xe.

Bất chấp những quan tâm dành cho loại chất liệu này, chẳng chuyên gia nào hiện dám mạo hiểm dự đoán việc sản xuất hàng loạt loại linh kiện CFRP cho các mẫu xe thế hệ mới hoặc thế hệ tiếp sau.

Hiện nay, giá thành của việc sản xuất hàng loạt linh kiện CFRP vẫn cao hơn giá thành sản xuất các linh kiện bằng thép. Tuy nhiên quy trình sản xuất mui CFRP không đơn thuần là một dự án nghiên cứu. CFRP không đơn giản chỉ là một chất liệu thay thế, giúp có trọng lượng nhẹ như mong muốn với các tính năng cơ học tương tự.

(Còn tiếp)

(Theo Ôtô - Xe máy)