Ktoré technológie tlakového liatia sú hnacou silou revolúcie nového energetického vozidla s nízkou hmotnosťou？

Tlakové liatie dielov nových energetických vozidiel technológia prechádza zásadným posunom od tradičného vysokotlakového liatia k integrované tlakové liatie v ultra veľkom meradle . Od roku 2025 dosiahol celosvetový trh tlakového liatia pre automobilový priemysel približne 55 až 86,5 miliardy USD a predpokladá sa, že prekročí 90 až 144 miliárd USD do roku 2034, pričom zložené ročné tempo rastu sa udrží medzi 5,5 % a 7,5 % . Zliatiny hliníka predstavujú približne 70 % materiálového podielu, zatiaľ čo procesy vysokotlakového liatia trvajú približne 60 % procesného podielu. V sektore nových energetických vozidiel sa kryty batérií, kryty motorov, kryty ovládacích skríň a konštrukčné diely karosérie stali štyrmi základnými aplikačnými scenármi technológie tlakového liatia. Je pozoruhodné, že integrovaná tlakovo liata zadná podlaha sa môže spevniť 72 jednotlivých dielov do jedného komponentu , výrazne znižuje telesnú hmotnosť a zároveň zvyšuje tuhosť konštrukcie.

Prečo sa nové energetické vozidlá musia spoliehať na technológiu tlakového liatia

Závislosť nových energetických vozidiel na technológii tlakového liatia pramení z ich jedinečných technických požiadaviek. V porovnaní s tradičnými vozidlami so spaľovacím motorom čelia elektrické vozidlá prísnejším požiadavkám na odľahčenie v dôsledku značnej hmotnosti akumulátorov. Každý 10% zníženie telesnej hmotnosti môže zlepšiť dojazd elektrických vozidiel o 6 % až 8 % . Technológia tlakového liatia umožňuje jednorazové tvarovanie zložitých geometrických tvarov pri zachovaní štrukturálnej pevnosti – výhoda, ktorej sa lisovacie a zváracie procesy ťažko vyrovnávajú.

Priama korelácia medzi odľahčením a dojazdom

Batériový systém je najťažším samostatným komponentom v novom energetickom vozidle, čo sa zvyčajne týka 20 % až 30 % celkovej hmotnosti vozidla. Aby sa vyrovnal nepriaznivý vplyv hmotnosti batérie na dojazd, musia výrobcovia maximalizovať zníženie hmotnosti konštrukcie karosérie, podvozku a komponentov krytu. Hliníkové tlakové odliatky majú iba hustotu jedna tretina oceľ, v kombinácii s vynikajúcou tepelnou vodivosťou a vlastnosťami elektromagnetického tienenia, vďaka čomu sú preferovaným materiálom pre kryty batérií a kryty motorov. Integrovaná tlakovo liata zadná podlaha môže znížiť konštrukčnú hmotnosť zadnej časti o viac ako 10% pri súčasnom znížení počtu dielov z desiatok na jeden, čím sa podstatne zjednodušia dodávateľské reťazce a montážne procesy.

Dvojité požiadavky na tepelný manažment a bezpečnosť

Batériové systémy v nových energetických vozidlách sú mimoriadne citlivé na tepelné riadenie. Tlakovo liate hliníkové zliatiny vykazujú koeficient tepelnej vodivosti približne 96 až 200 W/(m·K) , výrazne vyššia ako bežná oceľ, čo umožňuje efektívne odvádzanie tepla z akumulátorov a zabraňuje úniku tepla. Okrem toho vysoká rozmerová presnosť a hustota tlakových odliatkov poskytuje spoľahlivú tesniacu ochranu pre batérie, ktoré spĺňajú IP67 alebo vyššie vodotesné a prachotesné. Pokiaľ ide o bezpečnosť pri náraze, integrované konštrukčné komponenty odlievané pod tlakom znižujú oblasti koncentrácie napätia odstránením zvarových bodov, čím sa zlepšuje celková odolnosť konštrukcie proti nárazu.

Hlavné oblasti použitia dielov odlievaných pod tlakom v nových energetických vozidlách

V nových energetických vozidlách teraz aplikácie technológie tlakového liatia pokrývajú kľúčové oblasti od „troch elektrických“ systémov (batéria, motor, ovládač) až po konštrukcie karosérie. Podľa priemyselnej analýzy predstavujú aplikácie karosérie a podvozku približne 40 % trhu tlakového liatia, zatiaľ čo nové energeticky špecifické komponenty rastú oveľa rýchlejšie ako tradičné diely hnacieho ústrojenstva.

Kryty a koncové dosky batériového systému

Kryty batérií predstavujú jednu z najtypickejších aplikácií technológie tlakového liatia v nových energetických vozidlách. Súčasné bežné riešenia využívajú vysokotlakové alebo nízkotlakové liatie na výrobu spodných krytov hliníkových batérií s rozmermi presahujúcimi 2180×1500×110 mm . Takéto veľké tlakové odliatky musia mať nasledujúce vlastnosti:

• Vysoká pevnosť: pevnosť v ťahu musí prekročiť 250 MPa s medzou klzu vyššie 180 MPa
• Vysoký tesniaci výkon: požiadavky na vzduchotesnosť sú zvyčajne nižšie 10⁻³ Pa·m³/s
• Vynikajúca tepelná vodivosť: zabezpečuje rovnomerné rozloženie teploty medzi modulmi batérie počas cyklov nabíjania a vybíjania
• Elektromagnetické tienenie: efektívne izoluje elektromagnetické rušenie medzi systémom batérie a kabínou pre cestujúcich

Niekoľkí pokročilí výrobcovia začali skúmať integrovanú technológiu tlakovo odlievaných batériových zásobníkov, pričom nahrádzajú zložité rámové konštrukcie pôvodne zvárané z extrudovaných profilov monolitickými odliatkami, čím ďalej znižujú počet zvarov a zlepšujú štrukturálnu integritu.

Kryty motora a elektronického riadiaceho systému

Kryty hnacieho motora a elektronické riadiace skrine predstavujú ďalšiu kľúčovú aplikáciu technológie tlakového liatia v nových hnacích jednotkách energetických vozidiel. Kryty motora sa zvyčajne vyrábajú pomocou vysokotlakového liatia hliníka, pričom sa vážia medzi nimi 8 a 15 kg a súčasne musí obsahovať zložité štruktúry vnútornej dutiny pre plášte chladiacej vody a ložiskové sedlá. Proces tlakového liatia umožňuje jednorazové tvarovanie multifunkčných krytov obsahujúcich plášte s chladiacou vodou, montážne príruby a sedlá rozvodnej skrine. V porovnaní s kombinovanými procesmi obrábania a zvárania sa efektivita výroby zvyšuje o 3 až 5 krát , pričom miera využitia materiálu sa zvyšuje nad 85 % .

Časti konštrukcie karosérie a komponenty podvozku

Integrovaná technológia tlakového liatia mení spôsoby výroby karosérie. Aplikácie už overené v hromadnej výrobe zahŕňajú:

• Zostava zadnej podlahy: spevnenie nad 70 lisované a zvárané diely do jednej tlakovo liatej konštrukcie
• Zostava predného priestoru: modulárne komponenty integrujúce tlmiče, predné prepážky a predné bočné koľajnice
• Integrovaný skelet sedadla v strednej časti: dosiahnutie integrácie konštrukcie podlahy a sedadla
• Tlmiče a bočné koľajnice: nahradenie tradičných oceľových zváraných zostáv s 20 % až 30 % redukcia hmotnosti

Ako integrované tlakové liatie mení výrobné paradigmy

Integrované tlakové liatie (Gigacasting) predstavuje najprevratnejšiu procesnú inováciu v automobilovej výrobe za posledné roky. Táto technológia využíva ultra veľké stroje na tlakové liatie s presahujúcou upínacou silou 6000 ton a dokonca dosiahnuť 9000 ton , transformujúc moduly karosérie, ktoré pôvodne vyžadovali stovky dielov a desiatky zváracích operácií, na jednorazové vstrekované monolitické konštrukcie.

Procesné princípy a prelomové zariadenia

Jadro integrovaného tlakového liatia spočíva vo vstrekovaní roztavenej hliníkovej zliatiny vysokou rýchlosťou a vysokým tlakom do presne opracovaných oceľových foriem, čím sa plnenie a tuhnutie dokončí v extrémne krátkych časových intervaloch. Kľúčové parametre ultra veľkých strojov na tlakové liatie zahŕňajú:

Efektívnosť výroby a reštrukturalizácia dodávateľského reťazca

Integrované tlakové liatie nielen mení spôsob tvarovania dielov, ale tiež reštrukturalizuje logiku dodávateľského reťazca výroby vozidiel. Tradičná výroba zadnej podlahy zahŕňa desiatky dodávateľov, stovky lisovaných dielov a zdĺhavé zváracie montážne linky. S integrovaným liatím pod tlakom počet dielov dramaticky klesá, úrovne dodávateľov sa zjednodušujú a výrobné hodiny sa skrátia približne o 30 % až 40 % . Súčasne sa môže vďaka redukovaným procesom zvárania a nanášania lepidla zmenšiť výrobná plocha 25 % , čo umožňuje kompaktnejšie a efektívnejšie rozloženie továrne.

Smery materiálovej inovácie a vývoja procesov

Výkon materiálov na tlakové liatie priamo určuje bezpečnosť a životnosť komponentov nových energetických vozidiel. Priemysel sa v súčasnosti vyvíja od tradičných zliatinových systémov Al-Si k novým zliatinovým systémom s vyššou pevnosťou a lepšou ťažnosťou.

Prelom v oblasti hliníkových zliatin bez tepelného spracovania

Tradičné tlakové odliatky vyžadujú rozšírené tepelné spracovanie (procesy T6 alebo T7), aby sa dosiahli požadované mechanické vlastnosti, čo však spôsobuje veľké skreslenie veľkých tenkostenných častí. Hliníkové zliatiny bez tepelného spracovania dosahujú vynikajúce kombinácie výkonu po odliatí 270 až 320 MPa pevnosť v ťahu a 8 % až 12 % predĺženie vďaka optimalizácii pomerov kremíka, horčíka, mangánu a titánu. Takéto materiály sú obzvlášť dôležité pre integrované tlakové odliatky 1,5 metra v rozmeroch, aby sa predišlo rozmerovým odchýlkam a riziku prasklín z následných vyrovnávacích operácií.

Recyklovaný hliník a trvalo udržateľný rozvoj

V kontexte globálnej uhlíkovej neutrality sa podiel recyklovaného hliníka používaného v priemysle tlakového liatia rýchlo zvyšuje. Spotreba energie pri výrobe recyklovaného hliníka je len o 5% primárneho hliníka s emisiami uhlíka zníženými viac ako 95 % . V súčasnosti viacerí výrobcovia automobilov vyžadujú, aby ich dodávatelia používali viac 50 % recyklované hliníkové suroviny v kritických komponentoch, ako sú kryty batérií. Samotný proces tlakového liatia má extrémne vysokú hodnotu recyklácie materiálu – vtoky, žľaby a zošrotované diely je možné priamo pretaviť, pričom komplexná miera využitia materiálu dosahuje viac ako 90 % , vysoko v súlade s cieľmi celého životného cyklu nízkokarbonizačných vozidiel nových energetických vozidiel.

Doplnkové aplikácie horčíkových zliatin

Ako materiál ľahší ako hliníkové zliatiny (len hustota dve tretiny zliatiny horčíka vykazujú aplikačný potenciál v špecifických komponentoch. V aplikáciách krytu motora môžu diely z horčíkovej zliatiny dosiahnuť približne 33 % zníženie hmotnosti v porovnaní s hliníkovými náprotivkami. Súčasné komponenty tlakového odlievania z horčíkovej zliatiny, ktoré sú predmetom overovania, zahŕňajú kryty elektrického pohonu, kostry sedadiel a vnútorné panely dverí. Očakáva sa, že s pokrokom v technológiách povrchových úprav odolných voči korózii a procesoch vákuového liatia sa podiel horčíkových zliatin v nových energetických vozidlách bude postupne zvyšovať oproti súčasným 1 % až 2 % .

Priemyselné výzvy a stratégie reakcie

Napriek významným výhodám integrovanej technológie tlakového liatia, proces industrializácie stále čelí viacerým výzvam vrátane investícií do zariadenia, riadenia procesu a nákladov na opravy.

Vysoké kapitálové investície a technické bariéry

Jeden ultra veľký integrovaný stroj na tlakové liatie si zvyčajne vyžaduje investície do miliónov dolárov rozsah. V kombinácii s formami a periférnymi automatizačnými zariadeniami môže počiatočná investícia do jednej výrobnej linky dosiahnuť 2 až 3 krát tradičné lisovacie a zváracie linky. Okrem toho sa rozširujú veľké výrobné cykly foriem 6 až 10 mesiacov a životnosť formy je ovplyvnená cyklovaním pri vysokej teplote a vysokom tlaku, čo si zvyčajne vyžaduje generálnu opravu alebo výmenu po 80 000 až 100 000 zábery. Aby mohli výrobcovia amortizovať fixné náklady, musia zabezpečiť, aby ročná kapacita výrobnej linky dosiahla vyššie hodnoty 100 000 jednotiek .

Kontrola skreslenia pórovitosti a tepelného spracovania

Veľké tenkostenné tlakové odliatky sú vysoko náchylné na vnútornú pórovitosť spôsobenú unášaním vzduchu a zmršťovaním počas tvárnenia, čo ovplyvňuje únavový výkon a bezpečnosť konštrukčných komponentov. Aktuálne priemyselné riešenia zahŕňajú:

1. Technológia vákuového liatia: úroveň vákua v dutine formy je nižšia 50 mbar pred plnením, čím sa výrazne zníži unášanie plynov
2. Kontrola teploty formy v reálnom čase: stabilizácia teploty povrchu formy v 180 až 220 °C dosah prostredníctvom zónových systémov regulácie teploty
3. Inteligentné vstrekovacie systémy: využívajúce servoriadené krivky vstrekovania na dosiahnutie presného prepínania medzi pomalým vzduchovým tesnením, rýchlym plnením a vysokotlakovým podávaním
4. Röntgenové a priemyselné CT úplná kontrola: vedenie 100% detekcia vnútorných defektov na kritických konštrukčných komponentoch

Úvahy o oprave a nákladoch na poistenie

Po poškodení pri kolízii sa integrované konštrukčné komponenty odlievané pod tlakom zvyčajne nedajú opraviť alebo vymeniť lokálne ako tradičné plechové diely, namiesto toho si vyžadujú výmenu celej veľkej zostavy. To predstavuje nové výzvy pre systémy popredajných opráv a cenotvorbu poistenia. Priemysel skúma dve cesty riešenia: po prvé, optimalizácia konštrukčných návrhov so zónami absorpcie energie nárazu, aby sa zabezpečilo, že tlakové odliatky budú pri nehodách podrobené iba kontrolovanej deformácii; po druhé, vývoj miestnych technológií rezania a opätovného spájania, ktoré umožňujú opravy na konkrétnych miestach namiesto úplnej výmeny zostavy.

Výhľad trhu a regionálna krajina

Z hľadiska regionálnej distribúcie predstavuje ázijsko-pacifický región, ktorý využíva svoj kompletný reťazec automobilového priemyslu a rýchlo sa rozširujúci trh s novými energetickými vozidlami, približne 45 % až 46 % globálneho trhu s tlakovým liatím pre automobilový priemysel, pričom Čína je najrýchlejšie rastúcim trhom jednotlivých krajín. Severoamerické a európske trhy ťažia z transformácie elektrifikácie a miestnej politiky obnovy výroby, resp 25 % a 20 % trhové podiely.

Neustále rozširovanie aplikačných hraníc

V priebehu nasledujúcich piatich rokov sa integrované aplikácie technológie tlakového liatia rozšíria zo súčasných zadných podláh a predných priestorov do ďalších oblastí:

• Integrovaný tlakový odliatok horných krytov krytu batérie s podlahovými panelmi karosérie
• Stredová zostava: centrálne nosné konštrukcie spájajúce prednú a zadnú časť karosérie
• Zostava podvozku: odlievanie celých rámov podvozku ako jednodielnych alebo niekoľkých dielov
• Funkčná integrácia pomocných rámov a závesov

Podľa prognóz odvetvia do roku 2030 dosiahne výstupná hodnota samotných komponentov exkluzívnych pre elektrické vozidlá (okrem tradičných systémov hnacieho ústrojenstva) na globálnom trhu tlakovo odlievaných automobilových dielov 5 až 9 miliárd USD , ktorý sa stal hlavným motorom rastu odvetvia. S rozširovaním strojov na tlakové liatie nad 8 000 ton a dozrievaním materiálov bez tepelného spracovania sa bude výrobný prístup k novým energetickým vozidlám naďalej vyvíjať smerom k ľahším, pevnejším a jednoduchším smerom.