Cuộc đua sợi carbon trong ngành công nghiệp xe hơi

Các nhà sản xuất xe hơi đã mơ ước sử dụng sợi carbon trong các sản phẩm đại trà nhiều thập kỷ qua. Nhưng giá nguyên liệu thô quá cao và quy trình sản xuất phức tạp khiến cho giấc mơ này vẫn chưa thành hiện thực. Tuy nhiên sẽ chỉ không lâu nữa, những cải tiến gần đây sẽ giúp sợi carbon sớm được sản xuất hàng loạt và khi đó nó sẽ đóng một vai trò quan trọng hơn trong ngành công nghiệp xe hơi. Đòi hỏi sử dụng sợi carbon đến đúng thời điểm khi mà các hãng xe đối mặt với một nhiệm vụ gần như bất khả thi là đạt mức tiêu thụ nhiên liệu trung bình 4,3 lit/100km.

 

Hầu hết các chi tiết bằng sợi carbon được chế tạo trong nồi hấp, về cơ bản là một lò lớn có nhiệt độ và áp suất cao. Nhưng thời gian cho một lần sản xuất trong nồi hấp khá lâu – khoảng 90 phút. Quá trình này đủ tốt để làm ra các tấm thân vỏ và những thành phần khác cho một chiếc xe thể thao số lượng hạn chế. Nhưng nó không đáp ứng yêu cầu sản xuất đại trà nơi mỗi chiếc xe ra khỏi dây chuyền chỉ sau mỗi 60 giây.

 

Sản xuất các chi tiết bằng sợi carbon rất tốn thời gian vì các công đoạn được thực hiện thủ công. Người thợ phải dùng kéo cắt từng tấm sợi carbon và đặt chúng vào khuôn ép một cách cẩn thận. Quy trình này có thể được đẩy nhanh hơn nhờ sử dụng robot và các máy ép khuôn tự động. Tuy nhiên thời gian để làm một chi tiết vẫn mất 17 phút, đủ để nâng sản lượng xe hàng năm từ 30.000 đến 50.000 chiếc. Đây là một bước tiến quan trọng nhưng vẫn chưa đáp ứng nhịp độ sản xuất đại trà.

 

Các nhà cung cấp như Dow Automotive đang phát triển một loại chất keo mới với độ nhớt thấp hơn để có thể được rót nhanh vào các ngóc ngách trong khuôn và đông cứng nhanh hơn. Và các tính toán cho thấy việc sản xuất một chi tiết sợi carbon với loại keo này sẽ tốn khoảng từ 5-7 phút, gần đáp ứng nhịp độ sản xuất hàng loạt.

 

Việc sản xuất các chi tiết sợi carbon khá phức tạp nhưng cũng dễ hiểu: lấy một tấm sợi dệt carbon và nung nóng nó cho tới khi diễn ra quá trình carbon hóa. Nhưng các nhà sản xuất xe hơi thường sử dụng sợi carbon tiêu chuẩn hàng không được gọi là polyacrylonitrile (PAN). Loại này có độ tinh khiết vượt quá yêu cầu cho những ứng dụng xe hơi. Với giá khoảng 30 USD/kg (thép có giá dưới 1 USD/kg) khiến sợi carbon vẫn còn rất đắt đỏ. Nhưng đây là loại sợi carbon duy nhất hiện nay và người ta vẫn phải dùng nó cho dù tốn kém.

 

Oak Ridge National Laboratory, một viện nghiên cứu tiên tiến nhất trong lĩnh vực này tại Mỹ, đang tìm kiếm những chất liệu khác, đáng chú ý là polyethylene với giá rẻ hơn rất nhiều. Thậm chí Oak Ridge còn thử nghiệm cách chế tạo sợi carbon từ nguồn khí tự nhiên rất dồi dào của nước Mỹ. Không những thế, Oak Ridge đang nghiên cứu các công cụ gia công bằng máy tính để các kỹ sư thực hiện các thiết kế bằng sợi carbon của họ.

 

Phát triển các linh kiện bằng sợi carbon cho sản xuất hàng loạt cũng đòi hỏi tính đồng bộ với hạ tầng sản xuất xe hơi. Điều này cũng đồng nghĩa với việc toàn bộ dây chuyền sản xuất hiện nay có thể sẽ phải được nâng cấp và thay thế.

 

Nhưng bất chấp những thách thức như vậy, các hãng xe hơi vẫn đang tập trung vào việc giảm thời gian chế tạo các chi tiết sợi carbon xuống dưới 5 phút, một yếu tố quyết định cho phép sản xuất đại trà. Hầu như các hãng xe đều tham gia cuộc chơi hứa hẹn tiềm năng này. Toyota, Daimler, Subaru và Nissan đã có những thỏa thuận với công ty Nhật Bản Toray, nhà cung cấp sợi carbon lớn nhất thế giới. Ford đã hợp tác với Dow tại Mỹ, trong khi GM đã ký hợp đồng với Teijin, một công ty khác của Nhật chuyên làm sợi carbon. BMW đã thiết lập một liên minh với nhà cung cấp SGL của Đức. BMW tuyên bố sẽ trở thành nhà sản xuất đầu tiên bán một chiếc xe hoàn toàn bằng sợi carbon – chiếc BMW i3 chạy điện.

 

Tính chất chiến lược của cuộc chơi khiến Volkswagen buộc phải mua tới 8,2% cổ phần của SGL năm ngoái. Thấy vậy BMW liền mua luôn 15% của SGL đơn giản chỉ để ngăn chặn việc VW tăng quyền kiểm soát. Susanne Klatten một thành viên gia đình Quandt và người thừa kế đế chế BMW, đã sở hữu 29% của SGL. VW có thể muốn tìm các nguồn cung khác càng sớm càng tốt và sợi carbon sẽ là mảnh đất hứa cho các công ty Trung Quốc và Hàn Quốc.

 

Các chuyên gia dự đoán sau năm 2015, các ứng dụng của sợi carbon trong ngành công nghiệp xe hơi sẽ chiếm 10-15% và đạt tốc độ phát triển tương tự như ngành công nghiệp máy tính khoảng 40 năm trước.

Vẫn còn nhiều vấn để cần phải được giải quyết, đặc biệt trong việc sửa chữa những chiếc xe bằng sợi carbon tại các đại lý và phân xưởng thân vỏ. Nhưng sợi carbon sản xuất hàng loạt có thể trở thành một trong những phân khúc phát triển nhanh nhất trong ngành công nghiệp xe hơi trong nửa còn lại của thập niên này.