Công nghệ mới cho phép các kỹ sư ô tô thiết kế các bộ phận từ nhựa tái chế

Để thay đổi câu chuyện về nhựa tái chế, Far-UK, một nhà sản xuất phụ tùng ô tô, đã hợp tác với Trung tâm thử nghiệm và đổi mới Impact Solutions, tổ chức tái chế nhựa và bền vững Impact Recycling và công ty mô phỏng nổi tiếng Ansys. Kết quả là Dự án tái chế nhựa trong mô hình ngẫu nhiên (PRISM) mà Lindsey cho biết nhằm mục đích “thiết kế bằng vật liệu hỗn hợp này”.

Nhóm đã phát hiện ra rằng công nghệ này cũng có thể mở ra cơ hội cho một vật liệu quan trọng khác cho lĩnh vực ô tô.

Tại sao hiếm khi sử dụng nhựa tái chế trong thiết lập ô tô?

Nhựa tái chế phụ thuộc rất nhiều vào những gì được đưa vào hỗn hợp. Kết quả là, không có gì đảm bảo thành phẩm sẽ trông như thế nào chưa nói đến các đặc tính cơ học mà nó có thể có.

Điều này hạn chế nghiêm trọng các ứng dụng của vật liệu vì nó không đủ thẩm mỹ để sử dụng ở bên ngoài và rất khó để dự đoán hiệu suất của nó trong các trường hợp sử dụng kết cấu.

“Chúng tôi luôn biết rằng sẽ rất khó để thiết kế bằng một loại vật liệu có một tập hợp các tính chất cơ học khác nhau theo từng đợt”, Lindsey nói. “Kể từ khi bắt đầu cuộc cách mạng công nghiệp, công việc của nhiều thế hệ kỹ sư là cố gắng làm cho các vật liệu của chúng tôi dễ dự đoán hơn trong các thông số kỹ thuật ngày càng thu hẹp. Đồng thời, các kỹ sư khác đã làm việc cật lực để thiết kế những cỗ máy ngày càng tốt hơn và những phát triển đó thường đòi hỏi vật liệu đầu vào phải ngày càng ổn định”.

Việc chế tạo các bộ phận nhẹ hơn để tăng quãng đường đi được và giảm tác động đến môi trường là điều phổ biến trong ngành công nghiệp ô tô. Nhưng điều đó khó có thể thực hiện được với một loại vật liệu có thể thay đổi mà vẫn đáp ứng các yếu tố an toàn phù hợp. Để đạt đến giới hạn an toàn đó và sử dụng vật liệu này, sẽ yêu cầu các thiết kế lớn hơn, cồng kềnh hơn và được chế tạo quá mức.

Cách thiết kế các bộ phận ô tô từ nhựa tái chế

Để giải quyết vấn đề nan giải khi thiết kế các bộ phận ô tô bằng các vật liệu tái chế, có thể thay đổi, Dự án PRISM đã sử dụng Ansys Granta MI, Ansys SpaceClaim, Ansys optiSLang và Ansys LS-DYNA. Bằng cách kết hợp các công nghệ này với nhau, nhóm đã tạo ra một quy trình làm việc có thể thiết kế các bộ phận chất lượng cao với các vật liệu có thể thay đổi.

Về cơ bản, LS-DYNA được sử dụng để tạo thẻ vật liệu dựa trên dữ liệu thử nghiệm. Dữ liệu vật liệu đó sau đó được lưu trữ trong Granta MI.

Far-UK đã xác thực và thử nghiệm dữ liệu vật liệu bằng cách sử dụng phiếu thử nghiệm và hình học thành phần phụ. Tiếp theo, optiSLang được sử dụng để tự động hóa quy trình làm việc giữa SpaceClaim và LS-DYNA nhằm mô phỏng hiệu suất dựa trên các đặc tính vật liệu và hình học của các bộ phận khác nhau cho đến khi các bộ phận tối ưu được sản xuất. Quy trình làm việc đã được thử nghiệm để tạo ra một bộ phận dạng tổ ong có thể nằm phía sau tấm cản ô tô để hấp thụ và phân tán năng lượng từ một vụ va chạm. Chu trình tối ưu hóa do PRISM tạo ra đã giảm khối lượng của bộ phận đồng thời giảm thiểu sự dịch chuyển và tối đa hóa năng lượng tác động tích lũy.

Về bản chất, một bộ phận nhẹ tối ưu được thiết kế để đáp ứng dung sai hình học và đặc tính của OEM không có nhựa nguyên chất. Lindsey cho biết: “Giờ đây, chúng tôi đã chứng minh rằng có thể đảo ngược suy nghĩ đó và thiết kế có tính đến sự đa dạng của nguyên liệu thô.

Lợi ích bất ngờ từ PRISM: Sử dụng sợi tự nhiên trong vật liệu tổng hợp

Mặc dù bản thân việc sử dụng thêm các vật liệu tái chế trong ngành công nghiệp ô tô đã là một lợi ích, nhưng Lindsey cho rằng nghiên cứu này thực sự có thể là một bước đột phá đối với một vật liệu quan trọng khác của ngành: vật liệu tổng hợp.

“Trong nhiều năm, ngành công nghiệp vật liệu tổng hợp đã phải vật lộn để sử dụng sợi tự nhiên và đã làm theo cách tiếp cận truyền thống là làm cho sợi ngày càng ổn định hơn bằng cách thêm vào quá trình xử lý sợi ngày càng tốn kém hơn sau khi chúng được thu hoạch”, Lindsey nói. "Kết quả là các loại sợi tự nhiên phải vật lộn để được chấp nhận vì lợi ích về trọng lượng và chi phí giảm không cộng lại”.

Đây là nơi quy trình tối ưu hóa PRISM có thể phát huy tác dụng. Nó không nhất thiết chỉ giới hạn ở nhựa tái chế; bất kỳ vật liệu nào có thuộc tính thay đổi đều có thể sử dụng quy trình làm việc.

“Chúng tôi nhận ra rằng đây thực sự là cùng một vấn đề”, Lindsey nói thêm. “Từ quan điểm của PRISM, chúng tôi có các công cụ và kỹ thuật để sử dụng sợi tự nhiên ở dạng tự nhiên hơn, nghĩa là có nhiều biến thể hơn và ít xử lý hơn. Tại Far-UK, chúng tôi cảm thấy đây có thể là chiến thắng lớn nhất từ PRISM, hiện tại công việc của chúng tôi đang dẫn dắt chúng tôi”.

Các bộ phận tái chế có phải là tương lai của ngành công nghiệp ô tô?

Quy trình PRISM đã đưa ra một bằng chứng tốt về khái niệm, nhưng không có nghĩa là ngành công nghiệp ô tô sẽ sử dụng nhiều nhựa tái chế hoặc sợi tự nhiên hơn trong các thiết kế sản phẩm của mình.

“Vẫn còn một số việc phải làm để đạt được mức cao hơn việc áp dụng với các OEM”, Lindsey nói. “Mặc dù không thể “đặt tên” trong một ngành công nghiệp mà việc giữ bí mật về các thiết kế trong tương lai chắc chắn rất chặt chẽ, nhưng vẫn có thể vẽ ra một số bức tranh tổng thể.  Tiến bộ mạnh mẽ nhất để áp dụng các thành phần được thiết kế bằng cách sử dụng các kỹ thuật từ PRISM là trong phương tiện thích hợp và các cộng đồng mới tham gia. Khách hàng của chúng tôi trong các phân khúc này có xu hướng là những người sớm chấp nhận các vật liệu và phương pháp mới như vậy.

Chắc chắn các OEM lớn hơn có xu hướng có cơ sở hạ tầng R&D phức tạp hơn, có xu hướng mang lại những đổi mới với cách tiếp cận nội bộ và có tổ chức hơn. Ap dụng quy trình làm việc hoặc tạo quy trình làm việc của riêng họ. Nhưng có nhiều cách để giúp đẩy nhanh quá trình bằng cách sử dụng các biện pháp khuyến khích và quy định tương tự để hướng ngành công nghiệp ô tô hướng tới các phương tiện không phát thải”.

Lindsey nhấn mạnh:  “Nó tạo ra động lực tài chính để tìm cách sử dụng các vật liệu này và với các kỹ thuật thiết kế tốt hơn, điều này sẽ tạo ra các mô hình kinh doanh khả thi cho việc áp dụng các vật liệu dựa trên dự án PRISM”.