Giới thiệu
Các biện pháp đối phó với sự nóng lên toàn cầu và các quy định về hiệu suất nhiên liệu ngày càng nghiêm ngặt ở nhiều quốc gia là những thách thức không thể tránh khỏi đối với ngành sản xuất, bao gồm cả ngành công nghiệp ô tô. Đặc biệt, xe điện (EV) và xe hybrid (HV) đòi hỏi phải giảm trọng lượng nhiều hơn so với trước đây do dung lượng pin tăng lên. Giảm trọng lượng xe là một chiến lược quan trọng để đồng thời cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm tác động môi trường, và nó đã trở thành một yếu tố quan trọng quyết định khả năng cạnh tranh trong tương lai.
Hiệu quả về mặt số liệu cũng rất rõ ràng. Theo báo cáo của Bộ Đất đai, Cơ sở hạ tầng, Giao thông và Du lịch Nhật Bản, việc giảm 100 kg trọng lượng xe giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu từ 3-5% và có thể giảm lượng khí thải CO2 từ 8-12 g/km [Bộ Đất đai, Cơ sở hạ tầng, Giao thông và Du lịch, Tiêu chuẩn tiết kiệm nhiên liệu ô tô]. Thống kê từ Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) cũng liệt kê việc giảm trọng lượng là một trong những biện pháp hiệu quả nhất để giảm CO2 trong ngành giao thông vận tải [IEA, Triển vọng Giao thông vận tải].
Đây là lúc hợp kim nhôm phát huy tác dụng. Chúng chỉ nặng bằng khoảng một phần ba so với thép, và những tiến bộ trong công nghệ cường độ cao đã đảm bảo tính an toàn của chúng. Hơn nữa, với tỷ lệ tái chế trên 90%, việc sử dụng nhôm tái chế có thể giảm tới 95% lượng khí thải CO2, khiến nó trở thành vật liệu liên quan trực tiếp đến việc giảm tác động môi trường.
Cơ chế giảm trọng lượng bằng phương pháp nhôm hóa
Thay thế các vật liệu khác bằng vật đúc nhôm
Chỉ cần thay đổi các bộ phận bằng sắt và thép thông thường sang vật đúc nhôm có thể giảm trọng lượng xuống còn khoảng một phần ba. Đặc biệt, bằng cách tích hợp các bộ phận sử dụng công nghệ “đúc lồng“, có thể đồng thời giảm thiểu quy trình và chi phí cùng với việc giảm trọng lượng [Công ty TNHH Karumo Kohki].
Công nghệ thành mỏng
Công nghệ đúc mới nhất đã giúp có thể tạo ra các thành mỏng với độ dày tối thiểu là 1 mm. Các thiết kế giúp giảm góc thoát khuôn thông thường để cắt bỏ vật liệu không cần thiết cũng đang được cải tiến, dẫn đến việc giảm trọng lượng ở mức vài phần trăm, trực tiếp chuyển thành hiệu suất nhiên liệu được cải thiện.
Rèn nhôm cường độ cao
Điểm yếu được cho là không đủ độ bền đã được khắc phục bằng phương pháp rèn đẳng nhiệt tốc độ cao. Quá trình này giúp giảm trọng lượng xuống còn một phần ba so với sắt trong khi vẫn giữ được 81% độ bền của nó, và đã được áp dụng để sản xuất hàng loạt các bộ phận lái (đầu thanh giằng) cho xe điện [Công ty TNHH Tobata Turret Works].
Các trường hợp giảm trọng lượng bằng nhôm trong ngành công nghiệp ô tô
Áp dụng trong các bộ phận của xe điện/xe hybrid
Việc nhôm hóa các khối động cơ và đầu xi-lanh có thể giúp giảm 20-30% trọng lượng. Kết quả là, điều này đồng thời cải thiện hiệu suất nhiên liệu và hiệu suất điện, đồng thời góp phần giảm lượng khí thải.
Đổi mới trong cấu trúc thân xe
Hệ thống “Gigapress” do Tesla, Inc. giới thiệu đã giảm số lượng các bộ phận thân xe từ vài trăm xuống chỉ còn vài chục thông qua phương pháp đúc nhôm tích hợp. Điều này đã đạt được cả độ cứng và giảm trọng lượng, trực tiếp dẫn đến việc mở rộng phạm vi di chuyển, tức là cải thiện hiệu suất nhiên liệu.
Các ví dụ ứng dụng khác
Những tiến bộ trong việc “cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm tác động môi trường thông qua việc giảm trọng lượng” đang được thực hiện trong nhiều lĩnh vực, bao gồm khung xe đạp trợ lực điện (sử dụng kết hợp magiê và nhôm), đạt được mức giảm trọng lượng hơn 20% với thân xe bằng nhôm cho toa xe lửa, và việc sử dụng hợp kim nhôm-lithium trong máy bay.
Giảm tác động môi trường và tính bền vững
Khả năng tái chế
Tỷ lệ tái chế nhôm là trên 90%. Bằng cách sử dụng nhôm tái chế, lượng khí thải CO2 có thể giảm 95%, tạo ra hiệu ứng cộng hưởng của việc cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm tác động môi trường.
Tiết kiệm năng lượng trong quy trình sản xuất
Việc tiết kiệm năng lượng được thực hiện thông qua việc sử dụng khuôn đúc và khuôn đúc in 3D. Tại Yamato Keikinzoku Việt Nam, họ đạt được cả việc giảm năng lượng vận chuyển và khả năng cạnh tranh về chi phí thông qua sản xuất tại địa phương.
Triển vọng tương lai
Các tác động của việc giảm trọng lượng, cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm tác động môi trường dự kiến sẽ tăng cường với việc mở rộng ứng dụng cho vỏ pin và vỏ động cơ cho xe điện, cũng như nghiên cứu về nhôm gia cố bằng sợi carbon (CFRA).
Những câu chuyện thành công
- Đầu thanh giằng bằng nhôm sản xuất hàng loạt Đạt được mức giảm trọng lượng xuống còn 1/3 so với sắt trong khi vẫn đảm bảo 81% độ bền của nó. Việc áp dụng vào các phương tiện thực tế đã mở rộng phạm vi di chuyển, trực tiếp góp phần cải thiện hiệu suất nhiên liệu.
- Gigapress của Tesla Giảm số lượng các bộ phận thông qua phương pháp đúc nhôm tích hợp quy mô lớn. Nó đồng thời đạt được việc giảm trọng lượng và tăng độ cứng, cũng góp phần vào hiệu quả sản xuất và giảm tác động môi trường.
Những câu chuyện thất bại
- Các bộ phận nhôm đặc biệt cho xe sang rất khó sản xuất hàng loạt vì chi phí rèn đẳng nhiệt cao hơn gấp đôi so với sắt.
- Các khuôn đặc biệt để tạo thành mỏng đã thành công trong việc giảm trọng lượng nhưng lại làm tăng chi phí, dẫn đến việc áp dụng trên thị trường bị hạn chế.
Kết luận
Nhôm hóa là một công nghệ bền vững có thể đạt được cả việc cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm tác động môi trường. Nó đang mở rộng, chủ yếu trong ngành công nghiệp ô tô, và sẽ tiếp tục phát triển thông qua việc kết hợp với điện khí hóa và nghiên cứu vật liệu composite.
Về mặt chiến lược mua sắm, mô hình sản xuất tại Việt Nam + kiểm soát chất lượng theo kiểu Nhật Bản đang thu hút sự chú ý như một giải pháp tối ưu kết hợp giữa khả năng cạnh tranh về chi phí và độ tin cậy.
Nhìn chung, nhôm hóa là một công nghệ nền tảng hiện thực hóa “hiệu suất nhẹ và thân thiện với môi trường” cần thiết cho xã hội di động thế hệ tiếp theo, và nó sẽ là một yếu tố quyết định trong việc tăng cường khả năng cạnh tranh của ngành sản xuất.