一体化压铸件能否超越铝材在汽车用铝领域后来居上?
发布时间:2022-06-20 15:26:21      来源:安泰科

近日,国内铝合金汽车零部件厂商广东鸿图发布公告称,小鹏汽车最终选择该公司作为其正在开发的某车型底盘一体化结构件产品供应商。此前,广东鸿图已引进一套6800T压铸岛并完成试模,并在2022年初签约采购一套12000T压铸岛。

除广东鸿图外,今年前几个月还有其它一些企业报出与超大型一体化铝压铸有关的项目:如文灿集团全球首套9000T压铸岛在其天津生产基地顺利试产,并继续从力劲集团旗下意德拉公司采购9台X-PRESS系列大型两板压铸机,将在国内率先建立起规模化的大型、超大型压铸岛生产线;小米汽车也与国内某主流压铸机制造商签约,向后者采购一套以上超大吨位压铸机,用于一体化压铸汽车零部件生产制造项目等等。据安泰科不完全统计,目前国内已有二十多家汽车及零部件厂商已经或即将投资一体化压铸项目,除了前面提到的企业外,还包括蔚来、理想、高合、比亚迪、万丰奥威、拓普集团等其它知名企业。

一体化压铸的工作原理是将金属加热熔化成液态,用动力挤压浇入模具中,等金属冷却固化,就得到了符合模具形状的零件。与传统成熟的压铸工艺相比,采用这项技术生产出的产品外形尺寸超大,可将过去几十个零部件合为一个超大型零部件,特斯拉公司是倡导一体化压铸技术的先行者。作为科学狂人,马斯克的开创性在于,将一体化压铸的应用范围,从以往较小的汽车铝压铸零部件,拓展到了体积超大的汽车结构件,并且还实现了规模化量产。

当然,这项技术的出现,对压铸设备的吨位提出了更高要求,对所用压铸铝合金也需要更好的综合性能,现有压铸铝合金显然无法满足大型一体化压铸工艺和产品性能的严格要求。其实早在两年前,特斯拉公司就曾被报道已开发出一种新型铝合金产品,其具有高屈服强度、高导电性和优良铸造性能,可通过压铸工艺生产电动汽车用零部件,特斯拉公司还专门为该合金申请了专利。当时外界以为,特斯拉是想用该合金生产电机转子、定子、母线、逆变器和其它电动汽车用铝制零部件,之所以开发新型合金是由于现有铸造铝合金生产出的上述零部件性能不符合要求。但实际上,特斯拉此举是为开发应用一体化压铸技术而提前布局。两年以后,特斯拉对该项技术的应用正在加速,这种重达几百吨,占地面积有一个篮球场大小的大型一体化压铸机在特斯拉全球的4家工厂均已投入使用,在其Model Y应用一体化压铸件之后,Cybertruck车型也有望跟进。大众、沃尔沃和奔驰等国外主流汽车厂商和国内一众造车新势力也纷纷跟进,投资布局一体化压铸项目,这项技术在汽车领域的推广应用俨然已是大势所趋。国内方面,配合一体化压铸的兴起,合金研发也快速跟进,立中集团隆达铝业研发的免热处理一体化成型铝合金已经取得国家发明专利。

据一些机构测算,2030年全球范围内一体压铸的渗透率有望达到30%,保守估计单车配套价值有望达到10000元,市值规模在2400亿以上。显然,资本市场中的一部分也在看好一体化压铸市场应用前景,坚信新的革命性技术和投资机会已经到来。

与传统生产工艺相比,一体化压铸的优势在于:

• 大幅缩短生产时间

特斯拉在其Model Y型车上使用的被称为mega或giga的一体化压铸件是一个整体部件,它取代了以往必须由大型机器人焊接的钢冲压件和小型铝部件。与传统制造工艺相比,采用的真空高压压铸(HPDC)工艺使用无需热处理即可获得合适性能的铝合金,运用一体式压铸技术,将后车身底板、后轮拱、后横纵梁直接做成了一个铸铝件,传统工艺中需要70多个零部件组装成的大部件减少到仅由几个一体化压铸件即可组装完成,将制造时间由1-2个小时缩短为几分钟,大幅节约了单位制作周期。

• 车身结构的稳定性和美观度得到提升

与采用几十个零部件,通过焊接、铆接等多种连接技术制成的部件相比,一体化压铸出来的大部件结构稳定性更好。同时,外形美观度也得到提升,原来肉眼可见的焊接痕迹几乎消失不见。就连马斯克本人也用一踩一捧的方式表示,Model 3的接缝如此明显的根本原因在于没有像Model Y那样使用最新的一体化压铸技术。

• 节约产线占地面积

一体化压铸机尽管单体设备体积巨大,但由于取代了数量可观的大型机器人和其它设备,且产品无需进行热处理,从整体上仍缩短了生产线长度,节约了30%的设备占地面积。

• 制造材料更易回收利用

在生产工序由冲压-焊接被一体化压铸取代后,整个流程变得相对简单,更容易对生产过程中产生的废料进行回收。同时,包括压铸、变形合金在内的不同牌号铝合金以及冲压钢全部被单一牌号的压铸铝合金代替,很容易实现制造材料闭环回收利用。

• 减少用工数量

由于减少了设备数量,简化了工序,因而不再需要以往数量的产线工人,进一步提高了生产效率。

但凡事都具有两面性,对于大型一体化压铸这项主要针对汽车工业开发的生产工艺也是如此。至少从目前的起步阶段来看,这项技术还存在一些短板,在今后需要加以时日,认真解决或完善,大致包括以下几个方面。

• 降低成本优势不明显

对于主机厂而言,汽车在设计和生产过程中需要综合考虑几大要素。在激烈的市场竞争中,如何在满足多方要求的前提下降低成本无疑是需要优先考虑的因素之一。特斯拉大胆采用这项技术应该主要也是以降本增效为目的。从前面的分析可以看出,提高生产效率的目标初步实现,但是否降低成本还有待考量。尽管特斯拉声称一体化压铸技术使Model Y节约了20%的制造成本,但这并不意味采用这项技术的其它企业也能达到同样的效果,这其中存在几个难点,对降低成本构成阻碍。

首先,对生产设备而言,一体化压铸机貌似减少了大型机器人数量和生产线长度,使得单台压铸机的设备投资具有一定优势,但如果把压铸模具、熔炼炉、喷涂设备、拾取设备、冷却设备、修边机、输送带、油温机、高真空设备等周边设备也考虑进来,组成实际生产所需的压铸岛,其整个运营维护成本其实并不低。一些券商的测算结果也表明,大型一体化压铸岛的整体投资高于采用传统冲压+焊接工艺的设备投资。

其次,在技术层面也存在降低成本的难点。一体化压铸过程与以往的压铸相比省去热处理这一重要环节,解决问题的关键在于采用了专门针对这项技术开发的免热处理压铸铝合金。特斯拉通过从苹果公司高薪挖来的材料领域牛人查尔斯·柯伊曼解决了免热处理的难题,但不是所有车企都能获取这样的人才,更不一定有能力开发出这样的材料。同时,采用这项技术的模具成本也很高。国外研究结果表明,现阶段大型一体化铸件的模具使用寿命比冲压件低许多。通常,压铸模具的使用寿命部分取决于合金。与广泛用于变速箱和电机外壳的380铸造铝合金相比,未经热处理的结构型铝合金会降低模具的使用寿命。为了压铸出如此大型的汽车铝制部件,其模具设计工艺也更加复杂,又进一步提高了模具使用成本。

• 减重效果并不理想

在全球范围,不论是传统燃油车还是新能源汽车,都必须考虑轻量化的问题,但特斯拉在推广使用一体化压铸技术过程中,对其可起到的减重效果很少提及。通常情况下,铝压铸件非常适合刚度驱动设计,但短板在于其壁厚至多只能降至2-3 mm,而汽车板材的壁厚通常为0.7 mm。现有数据显示,特斯拉的整体压铸件比更换掉的钣金件重20%(8千克),并未实现更好的减重效果。

• 与多材料混合使用的主流趋势不符

经过长时期的实践摸索,目前主机厂已基本放弃了使用单一材料的设计思路,将高强度钢、铝、镁、碳纤维增强复合材料等多种材料混合使用,根据不同使用性能要求,各种材料各司其职,发挥各自特点,最终体现为混合使用优势,已成为今后主流发展趋势。但一体化压铸反其道而行之,将多种材料统一为一种材料,有可能出现部分位置使用性能低于原有要求的情况。

• 推广使用具有局限性

从产业布局而言,主机厂在选择大型整体压铸件还是薄板部件时需要考虑许多因素,大型一体化压铸件更有可能用于新建工厂的企业,而不是那些已经投资于钣金加工的汽车公司。此外,由于初始设备及生产投资成本较高,一体化铸件不太可能被广泛用于小批量汽车制造,而适用于年产量至少10万辆以上的车型。对于特斯拉而言,这显然不是问题,但对于其它公司,特别是国内像蔚来、小鹏、理想这样的造车新势力而言,年销量能超过10万辆的单一车型确实不多。因此,其它车企在跟进这项技术时,必须要结合本企业的产品预期销售规模。

• 后期车辆维修成本大幅增加

高铝化率车型在后期使用过程中,一个不利的因素就是维护成本较高。由于铝合金部件无法进行钣金维修,一旦出现破损就需要整体更换。一体化压铸部件的出现,更是将这种情况进一步放大。一旦出现问题,对大型一体化部件进行更换,将使车辆的维修成本大幅增加。

通过以上对一体化压铸工艺技术和产品的综合分析后可以看出,其产品特点和存在的优、缺点都很明显。马斯克将传统铝压铸技术在汽车应用领域继续发扬光大,其创新精神毋庸置疑。这项技术的出现也使铝压铸产品在汽车应用领域焕发出新的生机和活力,开拓出新的增长空间,也有可能改变此前对汽车用铝发展趋势的判断。在汽车轻量化和电动化的发展趋势背景下,在燃油车向电动汽车转换过程中,人们更看好变形铝合金在乘用车领域单位用量的提高,更看好铝车身板、白车身用铝板及铝挤压产品的未来发展。如果一体化压铸技术在新能源汽车应用方面今后由起步阶段进入发展阶段,对变形铝合金的使用,特别是对铝挤压材占比的提高显然是不利的。对于特斯拉而言,除了车架后底板,未来还计划采用一体化铸造工艺生产汽车前底板、电池壳等部件。按照马斯克的计划,如果这些能够实现,将可以替代原来的370多个零部件,在电池托盘、电池壳或者部分车身结构件上也将直接对铝挤压材构成替代。一体化压铸在汽车用铝领域能否后来居上,涉及的因素很多,传统变形铝合金铝加工企业需要仔细研究并加以应对。对于新能源汽车这种不受传统设计理念束缚,可以自由创新的新事物而言,适合使用何种材料也未最终定型,无论是一体化压铸还是铝轧制、铝挤压技术,掌握了其中的发展规律,才能够走得更远,笑到最后。