Sử dụng nhựa để chế tạo một số bộ phận trong động cơ xe hơi

Mô hình động cơ với vỏ xy lanh được làm từ sợi gia cố nhựa​

Từ những năm 1960 cho đến nay, nhôm là loại vật liệu chủ yếu để chế tạo động cơ xe bởi các đặc tính nhẹ và độ giãn nở vì nhiệt cao. Tuy nhiên, người ta vẫn muốn cải tiến điều này, tìm một loại vật liệu thay thế khác với trọng lượng nhẹ hơn nữa. Ngay từ những năm 1980, ý tưởng dùng nhựa để sản xuất một số chi tiết trong động cơ xe đã bắt đầu nhen nhóm. Nhưng từ đó đến nay, các chi tiết bằng nhựa chủ yếu chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong động cơ chứ chưa thể áp dụng nhiều hơn. Nguyên nhân dễ hiểu là do nó không thể chịu được nhiệt độ và áp lực quá cao trong thời gian vận hành.

Lần này, hướng tiếp cận của nhóm nghiên cứu tại Fraunhofer là sử dụng loại sợi gia cố nhựa (FRC – sợi cốt thép polymer) để chế tạo chi tiết máy. Trong một hệ thống động cơ phiên bản thử nghiệm, nhóm đã dùng khuôn đúc ép phun để tạo nên một bộ vỏ xy lanh bằng sợi gia cố nhựa thay cho vật liệu nhôm như trước đây. Lars-Fredrik Berg, người dẫn đầu dự án “Thiết kế hệ thống truyền động trọng lượng nhẹ” tại Fraunhofer cho biết: “Chúng tôi sử dụng vật liệu sợi gia cố nhựa để tạo nên vỏ xy lanh cho động cơ 1 xy lanh trong thử nghiệm. Bộ vỏ xy lanh mới có trọng lượng nhẹ hơn 20% so với nhôm ở kích thước tương đương và có cùng giá thành chế tạo.”

Nhóm nghiên cứu cho biết rằng việc sử dụng sợi gia cố nhựa chẳng những cho phép giảm trọng lượng của xe, mà còn thêm một số lợi ích như giảm mức tiêu hao nhiên liệu, giảm độ ồn trong quá trình vận hành và giảm nhiệt độ tỏa ra từ động cơ. Tuy nhiên, vấn đề quan trọng hơn nữa là phải vượt qua được vấn đề về nhiệt và độ rung khi máy chạy. Berg cho biết: “Đầu tiên chúng tôi quan sát thiết kế động cơ và xác định khu vực có nhiệt độ cao và chịu tải nhiều. Tại đó, chúng tôi sẽ đưa kim loại vào để gia cố khả năng chịu lực của nó.” Một vấn đề khác mà dự án phải đối mặt là tìm cách để hựa có thể liên kết chặt chẽ và giãn nỡ như kim loại. Đồng thời phải tái thiết kế cấu trúc động cơ nhằm giúp nhiệt không tiếp cận tới nhựa, làm cho nhựa cứng và cố định, cũng như có thể tiếp xúc thường xuyên với xăng dầu, nhớt, glycol và nước chống đông mà không ảnh hưởng tới tuổi thọ.

Cuối cùng, dự án giải quyết vấn đề bằng cách chọn loại FRC là sợi thủy tinh gia cố nhựa phenolic với tỷ lệ 55% sợi và 45% nhựa nhiệt rắn đưa vào xử lý trong chu trình đúc ép phun. Sau đó, sợi thủy tinh được trộn với hỗn hợp nhựa lỏng, tiêm vào trong khuôn mẫu và hóa cứng trong đó. Điểm thành công của quy trình này chính là sắp xếp các giai đoạn của quy trình một cách chi tiết nhằm đạt được sản phẩm như ý nhưng vẫn lượt bỏ được những công đoạn hoàn thiện kim loại. Nhóm dự án cho biết nguyên mẫu đầu tiên của động cơ sẽ được chính thức giới thiệu tại hội chợ công nghệ Hannover Messe 2015 diễn ra vào tháng này. Tiếp theo, nhóm sẽ tiếp tục phát triển phiên bản động cơ cao cấp hơn với nhiều xy lanh.

Theo Fraunhofer