از زمان اختراع خودرو، از فلزات گرفته تا پلاستیک، کامپوزیت و حتی چوب به عنوان ماده اصلی مورد استفاده در بدنه وسیله نقلیه مورد توجه قرار گرفتهاند. اخیراً در اخبار صنعت خودرو ،استفاده از آلومینیوم در بدنه خودرو بیش از پیش ظاهر می شود و به عنوان ماده انتخابی برای وسایل نقلیه تبلیغ می شود.
دکتر جودی هال، معاون بخش بازار خودرو SMDI درباره جایگاه فولاد در بازار مواد خودرو گفت: «همیشه رقابت زیادی بین مواد وجود داشته است. در طول تاریخ خودرو، این در پسزمینه جریان داشته است. من 30 سال است کهبه عنوان یک متالورژیست در این صنعت کار می کنم و هرگز ندیده ام که خودروسازان از وسایل نقلیه جدید رونمایی کنند و در مورد موادی که ساختار بدنه از آن ساخته شده است صحبت کنند.»
بنابرین انتخاب مواد بیشتر و بیشتر مورد توجه خریداران و سازندگان خودرو قرار می گیرد، اما کدام ماده واقعا بهتر است؟
رول های ورق فولادی در یک کارخانه تولیدی.
وزن سبک آلومینیوم در بدنه خودرو در مقابل استحکام بالای فولاد
در جدول تناوبی، چگالی آلومینیوم تقریباً نصف آهن است. اما آیا سبک تر بودن ماده اتخابی به معنای وزن سبک وسایل نقلیه است؟
صنعت آلومینیوم می گوید بله، و به خودروسازانی مانند تسلا و فورد اشاره می کند که استفاده از آلومینیوم در بدنه خودرو را انتخاب می کنند تا صرفه جویی در وزن را به ظرفیت باتری یا محموله منتقل کنند. با این حال، دکتر هال مخالف است.
بدنه و شاسی بیش از نیمی از وزن یک وسیله نقلیه متوسط را تشکیل می دهند، بنابراین مواد می توانند تفاوت زیادی در وزن، سفتی و استحکام خودرو ایجاد کنند. به گفته دکتر هال، استحکام کششی فولاد تا 2000 مگاپاسکال است که تقریباً چهار برابر قویتر از قویترین آلیاژهای آلومینیوم موجود امروزی است.
این تفاوت استحکام کششی به این معنی است که قطعات آلومینیومی باید ضخامت خود را افزایش دهند تا استانداردهای ایمنی را برآورده کنند، در حالی که فولاد پیشرفته با استحکام بالا (AHSS) را می توان نازکتر کرد و در نتیجه وزن را کاهش داد. مسلماً، این قطعات آلومینیومی ضخیمتر ممکن است همچنان سبکتر از همتایان فولادی خود ظاهر شوند.
دکتر هال گفت: «شما ممکن است با آلومینیوم جرم کمتری داشته باشید، اما تفاوت نسبتاً کم است». به عنوان یک قاعده کلی، خودروسازان تا حد زیادی هزینه مواد آلومینیوم را دو تا سه برابر بیشتر از فولاد در هر کیلوگرم میدانند.
دکتر هال به یکی دیگر از معایب قطعات آلومینیومی ضخیم تر اشاره کرد. او گفت: «اگر به ستون A یک وسیله نقلیه آلومینیومی نگاه کنید، هندسه بزرگتری دارد.برای داشتن عملکرد یکسان باید از نظر مقطع عریض تر باشد. بنابراین، می تواند همان کار را انجام دهد و ممکن است وزن آن کمی کمتر باشد، اما شما باید یک ستون A گسترده تر داشته باشید. این می تواند تجربه رانندگی را تحت تاثیر قرار دهد و اگر تمام قطعات آلومینیومی باشند، می تواند کارایی فضای داخلی خودرو را کاهش دهد.»
ایمنی آلومینیوم در بدنه خودرو در مقابل فولاد با استحکام بالا
طبق گفته drivealuminum.org، خودروهای بدنه آلومینیومی به دلیل جذب انرژی بهتر، مقطع بزرگتر که به طور قابل پیش بینی تر تا می شوند و اندازه کلی بزرگتر، ایمن تر از همتایان فولادی خود هستند. دکتر هال مخالفت جالبی را برای این مزایا بیان می کند و معتقد است این ماده آنقدر مهم نیست که چگونه با آن متریال طراحی می کنید.
او گفت: «شما می توانید یک وسیله نقلیه ایمن با مواد دیگری [به جز فولاد] طراحی کنید، اما این ترکیبی از مواد و طراحی است. از نظر علمی کاملاً نادرست است که بگوییم آلومینیوم، به عنوان یک ماده، «ایمن تر» است.»
او در واکنش به این حقیقت که هر وسیله نقلیه آلومینیومی در جاده دارای رتبه ایمنی پنج ستاره است، دلایل گیج کننده ای آورد : «همه وسایل نقلیه جدیدتر دارای رده ایمنی بالاتری نسبت به قدیمی تر ها هستند و می توانند مهندسی مضاعفی را برای دریافت این رتبه به کار بگیرند، و در مورد فورد F-150، من فکر می کنم که تبدیل یک پیکاپ به آلومینیوم یک حرکت بسیار تهاجمی و خطرناک است. من فکر می کنم که آنها کاملاً هر کاری که می توانستند انجام دادند تا مطمئن شوند که کار می کند. بنابراین، آلومینیوم می تواند به اندازه فولاد ایمن باشد، اما با هزینه بالاتر.»
آیا آلومینیوم پایدارتر از فولاد است؟
در حالی که آلومینیوم را می توان به راحتی از طریق فرآیندهای پیشرفته بازیافت کرد، فولاد این مزیت را دارد که بازیافت ترین ماده در جهان است. فرآیند بازیافت فولاد نیز سادهتر است: خاصیت آهنی آن امکان دستهبندی آسان در ضایعات را فراهم میکند و همه آلیاژهای فولاد را میتوان با هم ذوب کرد و مجدداً مخلوط کرد تا هر آلیاژی از فولاد تولید شود. از سوی دیگر، بازیافت آلومینیوم پرهزینهتر است و برای حفظ رده های آلیاژی، نیاز به جداسازی آلیاژ های مختلف قبل از ذوب شدن دارد.
کارایی فولاد در مقابل آلومینیوم
در حالی که کار با برخی از گریدهای AHSS می تواند چالش برانگیز باشد، فولاد به طور گسترده ای به دلیل بازده و شکل پذیری بالاتر نسبت به آلیاژهای آلومینیوم شناخته شده است. دکتر هال به یک تفاوت طراحی اشاره می کند که می تواند برای تولید کنندگان خاصی بین آلومینیوم و فولاد انتخاب شود: «به عنوان مثال، طراحی کادیلاک با استفاده از آلومینیوم در بدنه خودرو امکان پذیر نیست، زیرا شکل پذیری بیتشری نیاز است.»
آلیاژهای جدید AHSS دارای خواص مواد متفاوتی نسبت به آلیاژهای 20 تا 30 سال پیش هستند. دکتر هال گفت: «صنعت فولاد به نوآوری خود ادامه می دهد. در دهه 1970، ما با حدود هفت رده آلیاژ فولاد شروع کردیم. در طول چند دهه گذشته، این تعداد به بیش از 200 رده افزایش یافته است.»
این گریدهای جدید فولاد برای کاهش ورن وسیله نقلیه برای رقابت در زمینه صرفهجویی در هزینه های ساخت ایجاد شدند. خودروسازان از هر دو طرف به نوعی تحت فشار قرار گرفته اند، با دستورالعمل های بهره وری برای خودروهای سبک تر و دستورالعمل های ایمنی برای خودروهای قوی تر، سفت تر و بزرگ تر.
این میتواند تقویت اخیر آلومینیوم را توضیح دهد، که میتواند این الزامات را برآورده کند، اما در صنعت فولاد نیز آتشی را برای ایجاد آلیاژهایی روشن کرده است که میتوانند رقابت کنند و از مواد دیگر بهتر عمل کنند. اما وقتی نوبت به این سوال می رسد که آیا فولاد به عنوان پیشتاز مواد بدنه خودرو از دور خارج می شود، دکتر هال نگران نیست.
او گفت: «من مجله ای را در دفترم نگه می دارم، شماره ای از سال 1953. این مجله ادعا می کند که فولاد تا سال 1960 دیگر ماده ای در خودروها نخواهد بود. واضح است که این اتفاق نیفتاده است. در 30 سال کارم در جنرال موتورز، دیدم که پنلهای پوشاننده بدنه با آلومینیوم ساخته شدهاند، زیرا جرم کمتری داشتند، و ماهها بعد به معنای واقعی کلمه، به دلیل هزینه بالا با فولاد جایگزین شدند.
در نبرد برای کاهش وزن خودرو یا افزایش عملکرد، خودروسازان به مواد جایگزین و فناوریهای جدید روی میآورند. اما به محض دستیابی به کاهش وزن مورد نظر، گام بعدی کاهش هزینه است.
دکتر هال اذعان داشت: «شورولت سیلورادو یک مورد استفاده منطقی برای آلومینیوم است. تنها از آلومینیوم برای پانل های چرخشی، کاپوت، درها و درب عقب استفاده می کند، بنابراین اگر بتوانید هزینههای آن را بپردازید، گزینه خوبی برای کاهش جرم هستند.»