Tranh cãi về kim loại hay nhựa tốt hơn đã diễn ra từ rất lâu. Đến nay nhờ những thành quả nghiên cứu trong sản xuất và sử dụng, cùng yếu tố cạnh tranh tồn tại và yêu cầu thị trường đã giúp ngành luyện kim và nhựa đều có tiến bộ vượt bậc. Từ đó xóa nhòa sự chênh lệch giữa kim loại và nhựa về hiệu suất và cơ tính lý hóa.
Thực tế, vật liệu nhựa đang được ứng dụng ngày càng nhiều hơn và đang thay thế kim loại kể cả trong các lĩnh vực quan trọng như hàng không vũ trụ, thiết bị y tế và vận tải. Nhựa được dùng làm khung, cốt hoặc các thiết bị nội, ngoại thất, vv…
Dưới đây là 5 yếu tố chính phải khi nói đến Ưu thế của NHỰA so với KIM LOẠI:
1. Khối lượng
Vật càng nặng thì giá càng cao. Bạn sẽ phải trả nhiều tiền hơn cho nguyên liệu, chi phí sản xuất, vận chuyển. Mà thường thì nhựa có khối lượng riêng thấp hơn kim loại rất nhiều. Xin xem bảng minh họa dưới đây: Khối lượng riêng
| NHỰA | KHỐI LƯỢNG RIÊNG | KIM LOẠI | KHỐI LƯỢNG RIÊNG |
|---|---|---|---|
| Acetal copolymer | 1.410 | Nhôm | 2.550 – 2.800 |
| Acetal, 20% glass composite | 1.550 | Thép | 7.800 |
| High-impact ABS | 1.030 | Gang | 7.030 – 7.130 |
| Polycarbonate | 1.190 | Đồng thau | 8.400 – 8.700 |
| Polyethermide | 1.270 | Đồng | 8.890 |
| Polymethylpentene | 830 | INOX | 7.700 |
| Titan | 4.500 | ||
| Thép dụng cụ | 7.700 – 7.730 | ||
| Tungsten Carbide | 14.290 |
Như vậy với cùng một thể tích, nhựa có khối lượng nhẹ hơn kim loại 6 lần. Thậm chí nếu so với vật liệu nhẹ như nhôm thì nhựa vẫn nhẹ hơn đến 2 lần.
2. Độ bền riêng
Độ bền riêng (Strength to weight ratio) là tỷ số giữa độ bền và khối lượng là khả năng chịu đựng không bị nứt, gãy, phá hủy dưới tác động của ngoại lực lên vật thể trên một đơn vị khối lượng.
Nhờ những tiến bộ vượt bậc trong ngành nhựa như áp dụng quy trình sản xuất nhựa nhiệt dẻo và gia cường nhựa với sợi carbon và sợi thủy tinh giúp nâng cao khả năng chịu lực và chịu nén của nhựa. Thậm chí chúng có thể đạt tới mức độ ngang ngửa với kim loại.
Lưu ý: Bảng trên chưa bao gồm một số loại vật liệu nhựa đúc chuyên biệt với độ cứng và khả năng chịu kéo, nén tương đương mới kim loại và hợp kim.
3. Mô đun riêng
Mô đun riêng (Strength to Stiffness Ratio hoặc Specific Modulus) là khả năng một vật liệu chịu nén, uốn cho một đơn vị thể tích.
Hình bên cho thấy mặc dù nhựa PP và Nylon 6 (PA) có mô đun riêng kém hơn nhiều so với vật liệu kim loại.
Do vậy để đạt được khả năng chịu lực tương đương thì nhựa cần làm dày dặn hơn hoặc kết hợp với keo Epoxy để đặc hơn và qua đó sẽ chịu lực tốt hơn.
4. Thời gian chế tạo, sản xuất
Bao gồm thời gian để lên bản vẽ, lập quy trình sản xuất. Sau đó tiến hàng làm khuôn, đúc và hoàn thiện. Theo đó một quy trình đúc nhựa có thể sử dụng quy trình đúc và cắt tự động, khuôn nhựa cũng dễ làm và tốn ít thời gian hơn khuôn đúc cho kim loại. Có thể diễn giải quy trình đúc 2 loại vật liệu này như sau:
QUY TRÌNH ĐÚC NHỰA
- Lên bản vẽ, lập trình sản xuất
- Làm khuôn
- Cho đúc tự động
- Cắt và tỉa các bộ phận bằng robot
- Hoàn thiện (dán hoặc lắp ráp)
QUY TRÌNH ĐÚC KIM LOẠI
- Lập trình sản xuất
- Làm khuôn
- Cắt, giập, hàn
- Vệ sinh mối hàn, đánh bóng
5. Chi phí thiết kế và sản xuất
Nói chung, kim loại rất kho để tạo hình, nhất là với những chi tiết phức tạp. Bạn cần đến công đoạn đúc, hàn, cắt, giập, uốn, đánh bóng để tạo hình như mong muốn. Trong khi đó khuôn nhựa rất dễ gia công và thậm chí với máy in 3D bạn có thể in ra ngay một vật theo kích thước và thiết kế của bạn.
Do vậy vật có thiết kế càng cầu kỳ, càng phức tạp thì chi phí thiết kế và sản xuất của bạn sẽ tăng vọt nếu dùng vật liệu bằng kim loại. Trong khi đó nếu làm bằng nhựa thì dù độ phức tạp có gia tăng thì chi phí cũng chỉ tăng nhẹ, ở mức độ mà ta có thể nói là không đáng kể.
Tuy nhiên, KIM LOẠI vẫn TỐT HƠN NHỰA ở các điểm sau:
Chịu mòn: Kim loại chịu ma sát và mài mòn tốt hơn nhựa.
Chịu nhiệt: Kim loại có thể chịu được nhiệt độ cao và bền vững hơn nhựa. Đặc biệt là ở nhiệt độ cao, nhựa trở nên mềm và rất dễ bị phá hủy do tác động vật lý. Nhựa cũng có thể bị lão hóa nhanh do tác động của nhiệt. Với kim loại thì sự lão hóa do nhiệt lại rất chậm chạp.
Chịu lực: không xét đến các loại nhựa chuyên dụng thì kim loại vẫn được tin tưởng hơn cho các nhiệm vụ phải chịu lực lớn và lâu dài, đặc biệt là với các chi tiết nhỏ.
Sử dụng nhựa và kim loại trong công nghiệp bánh xe
1. Khung càng
Quy trình sản xuất và thiết kế đã được chuẩn hóa trong thời gian hàng chục năm qua. Hơn nữa thiết kế bộ khung càng không quá phức tạp – chỉ qua 2 công đoạn và cắt và giập tạo hình nên bánh xe đa phần vẫn là khung càng thép.
2. Cốt bánh xe
Bộ phận này phải làm phức tạp hơn. Nếu làm đầy đủ phải đúc gang theo khuôn hoặc cốt thép phải thêm công đoạn hàn và làm sạch. Do vậy với các dòng bánh xe nhỏ, tải nhẹ và vừa sẽ dùng cốt nhựa PP.
Ở phân khúc bánh xe cỡ lớn và tải nặng thì cốt gang và cốt thép đang có lợi thế nhưng không nhiều và đang ngày càng suy giảm. Lý do là cốt nhựa vẫn đảm bảo được tải trọng, giá thành thấp, dễ chế tạo và ít tốn kém nguyên vật liệu.
