วัสดุน้ำหนักเบาเปลี่ยนโฉมการออกแบบยานยนต์ในอนาคต

อะไรที่ทำให้รถยนต์เดินทางได้ไกลขึ้นบนเส้นทางของการอนุรักษ์พลังงานและการลดการปล่อยมลพิษ? คำตอบอาจอยู่ในวัสดุสำคัญสามชนิดที่เป็นส่วนประกอบของยานยนต์สมัยใหม่ ตั้งแต่การกำเนิดของ Ford Model T ไปจนถึงยานยนต์พลังงานใหม่ที่กำลังเติบโตในปัจจุบัน นวัตกรรมด้านวัสดุยังคงเป็นแรงผลักดันหลักของการพัฒนาอุตสาหกรรมยานยนต์ บทความนี้มุ่งเน้นไปที่การลดน้ำหนักของยานยนต์ โดยตรวจสอบบทบาทของเหล็ก อะลูมิเนียม และพลาสติกในการออกแบบตัวถังรถยนต์ พร้อมทั้งวิเคราะห์วัสดุและเทคโนโลยีการประมวลผลที่เกี่ยวข้อง

ในกระแสของนวัตกรรมเทคโนโลยียานยนต์อย่างต่อเนื่อง วัสดุมีบทบาทสำคัญ ในฐานะที่เป็นรากฐานของการผลิต เฉพาะผ่านเทคนิคการประมวลผลที่ซับซ้อนเท่านั้นที่วัสดุสามารถเปลี่ยนเป็นส่วนประกอบยานยนต์ที่ใช้งานได้ รถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายในทั่วไปประกอบด้วยชิ้นส่วนหลายหมื่นชิ้น เพื่อเพิ่มฟังก์ชันการทำงานของส่วนประกอบและปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง ความต้องการของอุตสาหกรรมสำหรับวัสดุขั้นสูงยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นแรงผลักดันให้เกิดโซลูชันวัสดุใหม่ๆ

จากข้อมูลสำรวจเบื้องต้นจาก Japan Automobile Manufacturers Association (JAMA) อัตราส่วนองค์ประกอบของวัสดุยานยนต์มีการเปลี่ยนแปลงตั้งแต่ช่วงวิกฤตการณ์น้ำมัน วัสดุเหล็ก—รวมถึงแผ่นเหล็ก เหล็กโครงสร้าง เหล็กกล้าไร้สนิม และเหล็กหล่อ—มีสัดส่วนลดลงเล็กน้อยจากประมาณ 80% เหลือประมาณ 70% อย่างไรก็ตาม เหล็กยังคงเป็นวัสดุหลักในการผลิตรถยนต์ ในขณะเดียวกัน การใช้อะลูมิเนียมและพลาสติกได้แสดงให้เห็นถึงแนวโน้มที่สูงขึ้น โดยอะลูมิเนียมและโลหะนอกกลุ่มเหล็กอื่นๆ คิดเป็นประมาณ 8% และพลาสติกมีระดับใกล้เคียงกัน แม้ว่าข้อมูลของ JAMA จะขยายไปถึงปี 2001 เท่านั้น แต่การประมาณการของอุตสาหกรรมชี้ให้เห็นว่าพลาสติกคิดเป็นเกือบ 10% ของวัสดุยานยนต์ในปัจจุบัน การเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบของวัสดุนี้ส่วนใหญ่เกิดจากการพิจารณาเรื่องการลดน้ำหนัก ซึ่งส่วนใหญ่ทำได้โดยการแทนที่เหล็กแบบดั้งเดิมด้วยอะลูมิเนียมและทางเลือกพลาสติก

ดังนั้น เหล็ก อะลูมิเนียม และพลาสติกจึงเป็นเสาหลักสามประการของวัสดุโครงสร้างยานยนต์ แน่นอนว่าองค์ประกอบของยานยนต์ขยายออกไปนอกเหนือจากวัสดุทั้งสามชนิดนี้—ยางสำหรับยางรถยนต์ กระจกนิรภัยสำหรับกระจกหน้ารถ เซรามิกสำหรับเซ็นเซอร์ และแพลตินัมสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยา ล้วนทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบสำคัญ การประยุกต์ใช้วัสดุเหล่านี้อย่างครอบคลุมทำให้รถยนต์สมัยใหม่เป็นไปได้ ในขณะเดียวกัน การพัฒนายานยนต์ก็ขับเคลื่อนการเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุที่มีอยู่และการวิจัยวัสดุใหม่ๆ

ในช่วงทศวรรษ 1980 วัสดุเซรามิกได้รับความสนใจในฐานะ "วัสดุที่สาม" ต่อจากโลหะและพลาสติก ส่วนใหญ่เป็นเพราะทนต่ออุณหภูมิสูงได้ดีกว่าโลหะผสม นวัตกรรมที่ก้าวล้ำเกิดขึ้นในปี 1985 เมื่อรุ่น Fairlady Z ของ Nissan ได้รวมโรเตอร์เทอร์โบชาร์จเจอร์เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์ ด้วยความหนาแน่นเพียง 3.2g/cm³—ซึ่งต่ำกว่าโลหะผสม Inconel (8.5g/cm³) ที่ใช้กันทั่วไปสำหรับใบพัดกังหันในขณะนั้นอย่างมาก—วัสดุนี้ช่วยลดน้ำหนักของโรเตอร์และปรับปรุงการตอบสนองของเครื่องยนต์

วาล์วเครื่องยนต์เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์ยังได้รับการวิจัยอย่างกว้างขวางและเข้าสู่ขั้นตอนการทดสอบต้นแบบ เทคโนโลยีการเจียรสำหรับวัสดุที่มีความแข็งสูงนี้—โดยเฉพาะอย่างยิ่งการควบคุมคุณภาพที่คุ้มค่า—กลายเป็นความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญ ซึ่งเน้นย้ำถึงความสำคัญของเทคนิคการประมวลผลวัสดุอีกครั้ง เซรามิกยังมีบทบาทสำคัญในการใช้งานด้านสิ่งแวดล้อม: เซรามิกเซอร์โคเนียในเซ็นเซอร์ออกซิเจนของรถยนต์เบนซิน เซรามิกคอร์ดิเออไรต์ในตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยา และเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ในตัวกรองอนุภาคดีเซล (DPF) สำหรับการฟอกไอเสีย

DPF ซึ่งนำมาใช้ครั้งแรกใน Peugeot 607 ปี 2000 จะดักจับอนุภาค (PM) จากไอเสียดีเซลโดยใช้โครงสร้างรังผึ้งที่มีผนังพรุน เทคโนโลยีนี้ต้องมีการควบคุมขนาดรูพรุนขนาดเล็กอย่างแม่นยำและเทคนิคการประมวลผลรังผึ้งขั้นสูง DPF ของรถยนต์โดยสารทั่วไปมีน้ำหนัก 3-6 กก. ซึ่งหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะเพิ่มน้ำหนักโดยรวมของรถยนต์

การลดน้ำหนักของยานยนต์มีวัตถุประสงค์หลักเพื่อลดการใช้เชื้อเพลิงและเพิ่มประสิทธิภาพแบบไดนามิก ภายใต้แรงกดดันด้านสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้น การปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง มีแนวทางหลายประการในการลดการใช้เชื้อเพลิง—รวมถึงการเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้ของเครื่องยนต์ ลดการสูญเสียแรงเสียดทาน ปรับปรุงประสิทธิภาพการส่งกำลัง ลดแรงต้านอากาศพลศาสตร์และแรงต้านการหมุน และลดน้ำหนักรถยนต์ ในบรรดาเหล่านี้ การลดน้ำหนักถือเป็นหนึ่งในมาตรการที่สำคัญที่สุด เนื่องจากตัวถังเป็นส่วนประกอบที่หนักที่สุดของรถยนต์ การลดน้ำหนักตัวถังจึงพิสูจน์ได้ว่าเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับเศรษฐกิจเชื้อเพลิง สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า การลดน้ำหนักยังช่วยเพิ่มระยะการขับขี่อีกด้วย

พิจารณารถเก๋งโดยสารขนาด 2.0 ลิตรที่มีน้ำหนักรถ 1,214 กก.: ตัวถังเหล็กมีน้ำหนัก 343 กก. ประกอบด้วยตัวถังเปล่า (โครงสร้าง) 261 กก. บวกกับประตูและฝากระโปรง 82 กก. ดังนั้น ตัวถังจึงคิดเป็นประมาณ 30% ของน้ำหนักรถทั้งหมด เมื่อเทียบกันแล้ว เครื่องยนต์มีน้ำหนัก 141 กก. รวมถึงบล็อกกระบอกสูบเหล็กหล่อ 41 กก. การเปลี่ยนสิ่งนี้ด้วยอะลูมิเนียมจะช่วยลดน้ำหนักลง 15 กก.—ตัวอย่างคลาสสิกของการแทนที่วัสดุเพื่อการลดน้ำหนัก

การย่อส่วนประกอบเป็นอีกหนึ่งแนวทางสำคัญในการลดน้ำหนัก การลดขนาดเครื่องยนต์และส่วนประกอบช่องเครื่องยนต์ไม่เพียงแต่ขยายพื้นที่ห้องโดยสารเท่านั้น แต่ยังเพิ่มโซนกันชนเมื่อเกิดการชน ซึ่งช่วยเพิ่มความปลอดภัยในการชน การย่อส่วนยังช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในการออกแบบตัวถัง ตัวอย่างเช่น รถยนต์น้ำหนักเบาสมัยใหม่ (น้ำหนักรถ 718 กก.) มีตัวถัง 206 กก.—รักษาสัดส่วนน้ำหนักตัวถังต่อรถยนต์ที่คล้ายกันกับรถเก๋งขนาด 2.0 ลิตร (ดูตารางที่ 1)

ตัวถังรถยนต์เป็นโครงสร้างรถยนต์ที่ใหญ่ที่สุดและซับซ้อนที่สุด ทำให้เป็นเป้าหมายหลักสำหรับการลดน้ำหนัก การออกแบบตัวถังต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพหลายประการ—รวมถึงความแข็งแรง ความแข็งแกร่ง ความทนทาน ความต้านทานการกัดกร่อน ประสิทธิภาพ NVH (เสียงรบกวน การสั่นสะเทือน และความรุนแรง) และความปลอดภัยจากการชน—โดยไม่มีการประนีประนอมจากความพยายามในการลดน้ำหนัก

เหล็กกล้าความแข็งแรงสูง (HSS) ทำหน้าที่เป็นวัสดุลดน้ำหนักที่สำคัญ ด้วยการเพิ่มความแข็งแรงของเหล็ก ผู้ผลิตสามารถลดการใช้วัสดุโดยไม่ลดทอนประสิทธิภาพโครงสร้าง เหล็กกล้าความแข็งแรงสูงขั้นสูง (AHSS)—รวมถึงเหล็กกล้าสองเฟส (DP) พลาสติกที่เหนี่ยวนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง (TRIP) เฟสซับซ้อน (CP) และมาร์เทนซิติก (MS)—มีการใช้งานในยานยนต์ที่แพร่หลายมากขึ้น วัสดุเหล่านี้มีความแข็งแรงสูงขึ้นและขึ้นรูปได้ดีขึ้นสำหรับโครงสร้างตัวถังที่เบาและปลอดภัยยิ่งขึ้น

ผู้ผลิตรถยนต์รุ่นล่าสุดรายหนึ่งใช้ AHSS อย่างกว้างขวางเพื่อลดน้ำหนักตัวถังลง 15% ในขณะที่ปรับปรุงความแข็งแกร่งและความปลอดภัยจากการชน เหล็กขึ้นรูปร้อนยังเสริมความแข็งแรงให้กับส่วนประกอบโครงสร้างที่สำคัญ เช่น เสา A และเสา B เพื่อเพิ่มความทนทานต่อการชน

โลหะผสมอะลูมิเนียมเป็นอีกหนึ่งโซลูชันการลดน้ำหนักที่สำคัญ ด้วยความหนาแน่นประมาณหนึ่งในสามของเหล็ก การแทนที่อะลูมิเนียมช่วยลดน้ำหนักตัวถังได้อย่างมาก ความสามารถในการขึ้นรูปที่ดีเยี่ยมและความต้านทานการกัดกร่อนของอะลูมิเนียมช่วยอำนวยความสะดวกในกระบวนการผลิต การใช้งานในปัจจุบันครอบคลุมแผงตัวถัง ส่วนประกอบโครงสร้าง ระบบกันสะเทือน และชิ้นส่วนเครื่องยนต์

Audi A8 เป็นตัวอย่างของการสร้างตัวถังอะลูมิเนียมทั้งหมด ซึ่งช่วยลดน้ำหนักได้ประมาณ 40% เมื่อเทียบกับตัวถังเหล็กแบบเดิม Tesla Model S ยังใช้อะลูมิเนียมอย่างกว้างขวางเพื่อลดน้ำหนักและเพิ่มระยะทาง

พลาสติกและคอมโพสิตมีเส้นทางลดน้ำหนักเพิ่มเติม ความหนาแน่นที่ต่ำกว่าโลหะอย่างมากช่วยให้ประหยัดน้ำหนักได้อย่างมาก ในขณะที่ความยืดหยุ่นในการออกแบบที่ดีเยี่ยมและความต้านทานการกัดกร่อนเหมาะสำหรับส่วนประกอบที่มีรูปร่างซับซ้อน การใช้งานในปัจจุบัน ได้แก่ กันชน บังโคลน แผงตกแต่งประตู และแผงหน้าปัด

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุน้ำหนักเบาที่มีประสิทธิภาพสูง มีความแข็งแรงและความแข็งแกร่งเป็นพิเศษ แม้จะมีค่าใช้จ่ายที่สูงขึ้น แต่การใช้งานในรถยนต์ระดับพรีเมียม เช่น BMW i3 และ i8 ยังคงขยายตัว

• เหล็กที่มีความแข็งแรงสูงขึ้น มีความเหนียวสูงขึ้น: AHSS รุ่นต่อไปจะช่วยให้โครงสร้างตัวถังเบาและปลอดภัยยิ่งขึ้น
• โลหะผสมอะลูมิเนียมต้นทุนต่ำ: การพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตจะขยายการใช้งานอะลูมิเนียม
• คอมโพสิตประสิทธิภาพสูง: คาร์บอนไฟเบอร์และวัสดุที่คล้ายกันจะได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางมากขึ้น
• การผสมผสานวัสดุหลายชนิด: ตัวถังในอนาคตจะรวมวัสดุเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการลดน้ำหนัก

การลดน้ำหนักยานยนต์เป็นความท้าทายทางวิศวกรรมที่เป็นระบบซึ่งต้องมีการพัฒนาที่ประสานกันในด้านวัสดุ การออกแบบ และการผลิต เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้า ยานยนต์ในอนาคตจะเบาขึ้น มีประสิทธิภาพมากขึ้น และยั่งยืนต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น