خودروی برقی: مرز جدید ریخته‌گری تحت فشار

صعود خودروهای برقی و دگرگونی در فناوری ریخته‌گری

رشد خودروهای برقی چگونه نیازهای تولید را دگرگون می‌کند

افزایش سریع فروش خودروهای برقی در سراسر جهان باعث شده است که واحدهای ریخته‌گری تحت فشار بیشتری قرار بگیرند و روش تولید خود را کاملاً بازسازی کنند. موتورهای سنتی خودروها تنها برای قطعه سیلندر به طور متوسط از ۳۰ تا ۴۰ قطعه جداگانه استفاده می‌کردند، اما امروزه خودروهای برقی به تعداد بسیار کمتری از قطعات نیاز دارند که البته از نظر اندازه بسیار بزرگتر هستند. تولیدکنندگان در حال تلاشند تا دست خود را روی ماشین‌های عظیم ریخته‌گری تحت فشار با ظرفیت بیش از ۶۰۰۰ تن بگذارند. این موجودات صنعتی می‌توانند این جعبه‌های باتری عظیم و پوسته‌های موتور را یکجا و به جای تک‌تک تولید کنند. برای بسیاری از کارخانه‌ها، به‌روزرسانی تجهیزات دیگر یک گزینه نیست و برای باقی ماندن در رقابت بازار جدید، الزامی است.

قطعات خودروی برقی (EV) به عنوان یک بخش با رشد بالا در صنعت ریخته‌گری تحت فشار

تولید قطعات خودروهای برقی (EV) اکنون پیشرو در رشد صنعت ریخته‌گری قالبی است، به‌طوری‌که برآوردها نشان می‌دهند بازار جهانی ممکن است تا سال 2030 به حدود 24.1 میلیارد دلار برسد، این اطلاعات بر اساس یافته‌های گزارش ریخته‌گری قطعات خودرو به دست آمده است. نگاهی بیندازید به اینکه چه اتفاقی برای جعبه‌های باتری ساخته‌شده از ریخته‌گری آلومینیومی در حال می‌افتد - این قطعات حدود 23 درصد از تمام قطعات جدید خودروهای برقی که امروزه طراحی می‌شوند را تشکیل می‌دهند. چرا؟ چون این جعبه‌ها به خوبی گرما را مدیریت می‌کنند و در عین حال استحکام خود را تحت فشار حفظ می‌کنند، چیزی که برای تولیدکنندگان در ساخت خودروهای ایمن‌تر و دوام‌پذیرتر برای مصرف‌کنندگانی که به دنبال عملکرد و قابلیت اطمینان هستند، نمی‌توان چشم‌پوشی کرد.

تحول از موتورهای احتراقی به سیستم‌های قدرت برقی ریخته‌گری‌شده

خودروهای برقی امروزی از 60 درصد قطعه کمتری در سیستم توان‌رسانی خود استفاده می‌کنند، درحالی‌که ریخته‌گری قادر است طراحی‌های یکپارچه‌ای ایجاد کند که زمان مونتاژ را تا 45 درصد کاهش دهد. در حالی که موتورها نیازمند بلوک‌های چدنی ریخته‌شده با ماسه بودند، امروزه کاربردهای ریخته‌گری ویژه خودروهای برقی در سیستم‌های کلیدی مانند:

• استاتورهای موتور سبک با کانال‌های خنک‌کننده تعبیه‌شده
• محفظه‌های باتری بهینه‌سازی‌شده در برابر برخورد که 70+ قطعه فورجی فولادی را جایگزین می‌کنند
• قطعات شاسی یکپارچه که سفتی پیچشی را 30٪ افزایش می‌دهند

گیگاکستینگ: تعریف مجدد طراحی ساختاری و بهره‌وری تولید در خودروهای برقی

یکپارچه‌سازی قطعات خودروهای برقی از طریق ریخته‌گری تحت فشار در مقیاس بزرگ

تکنیک گیگاکستینگ به طور کامل نحوه تولید خودروهای برقی را در حال تغییر است، در این روش به جای استفاده از صدها قطعه متفاوت که قبلاً به صورت جداگانه به هم متصل می‌شدند، اکنون از یک قطعه بزرگ آلومینیومی استفاده می‌شود. شرکت‌های بزرگ خودروسازی از جمله تسلا، قطعات بزرگی را که بیش از ۲٫۵ متر طول دارند و در قسمت عقبی زیر بدنه قرار می‌گیرند، از این طریق تولید می‌کنند. در مقایسه با خودروهای قدیمی‌تر با موتور احتراقی، این روش تعداد قطعات را تا حدود ۸۵٪ کاهش می‌دهد. بر اساس یک تحقیق اخیر از شرکت PwC در سال ۲۰۲۳، این ساختارهای یکپارچه، سفتی بدنه را تا حدود ۲۳٪ افزایش داده و فضای مورد نیاز خط مونتاژ را تا حدود ۴۰٪ کاهش می‌دهند. گروه‌های صنعتی مانند MeGiCast نیز مزایای بیشتری را نشان داده‌اند. آزمایش‌های این گروه نشان می‌دهد که ترکیب روش‌های ریخته‌گری سنتی با مواد تقویت‌کننده خاص، می‌تواند وزن ماژول‌های جلوی خودرو را تا حدود ۱۸٪ کاهش دهد. این نوع نوآوری در حال حاضر دارد صنعت خودروسازی را دگرگون می‌کند.

مطالعه موردی: استفاده در تولید انبوه خودروهای برقی

یکی از شرکت‌های بزرگ خودروهای برقی فرآیند تولید خود را با معرفی دستگاه‌های ریخته‌گری بزرگ 9000 تنی به‌منظور ساخت پلتفرم‌های شاسی یک‌تکه بهینه کرده است. آنچه قبلاً نیازمند صدها قطعه بود، اکنون تنها به دو ریخته‌گری اصلی برای جایگاه باتری خلاصه شده است. زمان مونتاژ نیز به‌طور چشمگیری کاهش یافته است — از حدود یک ساعت و نیم به کمتر از یک دقيقه و نیم برای هر خودرو. روش جدید دقت بسیار بالایی را حفظ می‌کند و ابعاد را حتی در ریل‌های شاسی 8 متری نیز در محدوده کسری از یک میلی‌متر نگه می‌دارد. این امر به مدیریت مسائل گسترش حرارتی ناشی از باتری‌های لیتیومی کمک می‌کند. سطح ضایعات نیز به‌طور قابل توجهی کاهش یافته است، به‌گونه‌ای که به حدود 0.9 درصد رسیده است، بخاطر سیستم‌های بازیافتی که به‌صورت مستقیم با عملیات ریخته‌گری بزرگ کار می‌کنند. این امر برای هر کسی که به نحوه ساخت واقعی EVها در این روزها نگاهی داشته باشد، بسیار قابل توجه است.

ریخته‌گری تحت فشار بالا امکان ساخت قطعات پیچیده را فراهم می‌کند

امروزه سیستم‌های ریخته‌گری تحت فشار بالا (HPDC) می‌توانند آلومینیوم مذاب را با سرعتی در حدود 120 متر بر ثانیه به داخل قالب‌های خلاء انتقال دهند، که این امر امکان تولید دیواره‌های جعبه باتری با ضخامتی کمتر از 2.5 میلی‌متر را فراهم می‌کند. دقت حاصل شده به حدی است که اجازه می‌دهد تولیدکنندگان کل کابین موتور را در یک عملیات ریخته‌گری تولید کنند. این قطعات شامل ویژگی‌های مختلفی مانند کانال‌های خنک‌کننده تعبیه شده، نقاط نصب برای تجهیزات گوناگون و عناصر سازه‌ای طراحی شده برای مقاومت در برابر ضربه هستند. در گذشته، این ویژگی‌ها به حداقل 14 قطعه مجزا نیاز داشتند که به صورت جداگانه تولید و مونتاژ می‌شدند. از نظر مواد، آلیاژهای پیشرفته مانند AlSi10MnMg نیز مورد استقبال قرار گرفته‌اند. این آلیاژها استحکام کششی بسیار خوبی در حدود 250 مگاپاسکال فراهم می‌کنند و وزنی معادل نصف فولادهای مشابه دارند. این کاهش وزن تأثیر مستقیمی بر برد خودروهای برقی دارد و به آن‌ها کمک می‌کند تا با هر بار شارژ مسافت بیشتری را طی کنند. همچنین تولیدکنندگان از فناوری توموگرافی اشعه ایکس برای تشخیص لحظه‌ای عیوب استفاده می‌کنند. این امر باعث کاهش نرخ خرابی قطعات به تنها 0.03 درصد می‌شود، که در حالی که تولید این قطعات سازه‌ای بزرگ در حال افزایش است، اهمیت بیشتری پیدا کرده است.

سبک‌وزنی و نوآوری در مواد در قطعات خودروهای برقی ریخته‌گری‌شده

قطعات سبک‌وزن در خودروهای برقی و تأثیر آنها بر دامنه حرکت

کاهش وزن خودرو هنوز یکی از اهداف اصلی در طراحی خودروهای برقی در این روزها محسوب می‌شود. این موضوع از نظر آماری هم پشتیبانی می‌شود - مطالعات نشان می‌دهند که از دست دادن تنها ۱۰ درصد از وزن کل، به معنای حدود ۶ تا شاید حتی ۸ درصد برد اضافی قبل از نیاز به شارژ مجدد است (پونمن این موضوع را در تحقیقات خود از سال ۲۰۲۳ گزارش کرده است). سازندگان خودرو قطعات فولادی قدیمی را با نسخه‌هایی از آلومینیوم ریخته‌گری تحت فشار برای استفاده در قطعاتی مانند جعبه باتری و دیگر اجزای سازه‌ای جایگزین می‌کنند. این تغییر حدود ۴۰ درصد از وزن کلی را بدون قربانی کردن ایمنی در برخوردها کاهش می‌دهد. خودروهای سبک‌تر به این معنی هستند که سازندگان می‌توانند با باتری‌های کوچک‌تری برای پوشش همان مسافت کار کنند. و اینجاست که موضوع جالب می‌شود: باتری‌های کوچک‌تر هزینه اولیه را کاهش می‌دهند اما همچنین کارایی کلی خودرو را بهبود می‌بخشند و خودروهای برقی را در طول زمان با وجود تمامی فناوری‌های به کار رفته، گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه‌تر معرفی می‌کنند.

بهبود کارایی مواد با استفاده از آلیاژهای ریخته‌گری تحت فشار آلومینیوم و منیزیم

تغییر به سمت آلیاژهای آلومینیومی و منیزیومی دو چالش کلیدی در تولید خودروهای برقی (EV) را حل می‌کند:

• ریخته‌گری دایکست آلومینیومی بهره‌وری 90% از مواد را فراهم می‌کند، در حالی که این میزان برای فولادهای ساختاری 70% است
• آلیاژهای منیزیومی وزن قطعات را تا 35% بیشتر از آلومینیوم کاهش می‌دهند، در حالی که استحکام ساختاری حفظ می‌شود

این مواد همچنین به روش‌های تولید دایره‌وار (سیکل بسته) کمک می‌کنند، به طوری که بیش از 85% آلومینیوم موجود در خودروهای برقی امروزی از منابع بازیافتی تأمین می‌شود (انجمن آلومینیوم بین‌المللی، 2023). رسانایی گرمایی بالای این آلیاژها — تا 160 وات/متر کلوین برای آلومینیوم — به طور هم‌زمان انتقال گرما در سیستم‌های باتری و الکترونیک قدرت را بهبود می‌دهد.

آلیاژهای پیشرفته که نسبت استحکام به وزن را در جعبه‌های باتری و پوسته‌های موتور خودروهای برقی (EV) افزایش می‌دهند

آلیاژهای جدید آلومینیوم-سیلیسیوم موجود در بازار امروزه می‌توانند استحکام کششی بالای ۳۱۰ مگاپاسکال را تضمین کنند که این مقدار تقریباً برابر با استحکام قطعات فولادی است، اما در حدود ۴۰٪ وزن آنها. این موضوع برای خودروهای برقی به این معناست که تولیدکنندگان می‌توانند جعبه‌های باتری یک‌پارچه تولید کنند که در برابر نیروهای ضربه‌ای در حدود ۱۰ گیگاپاسکال مقاومت کنند. این مقدار در واقع سه برابر بهتر از آنچه در نسل اولیه خودروهای برقی امکان‌پذیر بود، است. در مورد کاربردهای مربوط به پوسته موتور، آلیاژهای خاصی از آلومینیوم با ترکیب سیلیسیوم در محدوده ۱۸ تا ۲۲ درصد وجود دارند. این مواد در برابر سایش به خوبی چدن ریخته‌گری شده مقاومت می‌کنند و این امکان را فراهم می‌کنند که کانال‌های خنک‌کننده به صورت مستقیم در حین تولید در روتورهای دی‌کست شده ایجاد شوند، به جای اینکه مجبور باشیم آنها را در مراحل بعدی اضافه کنیم.

دقت، پایداری و تولید هوشمند در ریخته‌گری دی‌کست برای خودروهای برقی

پوسته موتور و جعبه باتری خودروهای برقی تولید شده با فرآیند دی‌کست که دقت بالایی می‌طلبد

امروزه ماشین‌های برقی نیازمند قطعاتی با دقت بسیار بالا هستند، به‌ویژه در مواردی مانند جعبه موتور و جعبه باتری. فرآیند ریخته‌گری دایکست می‌تواند به این تلورانس‌های باریک در حدود 0.1 میلی‌متر برسد که عملاً برای مونتاژ قطعات ولتاژ بالا بدون هیچ شکاف یا ناهمخوانی ضروری است. چه چیزی این امر را ممکن می‌کند؟ خب، یک فرآیند خلا که در حین ریخته‌گری انجام می‌شود و باعث کاهش حباب‌های هوا در آلومینیوم می‌شود، در غیر این صورت محصول نهایی ضعیف خواهد شد. شرکت‌های بزرگ خودروسازی شروع به استفاده از سیستم‌های نظارت در زمان واقعی در سراسر کارخانه‌های خود کرده‌اند. این شبکه از سنسورها به حفظ یکنواختی هر قطعه حتی در هنگام تولید ده‌ها هزار واحد در یک زمان کمک می‌کند، هرچند برخی از عملیات کوچک‌تر هنوز در تلاش برای دستیابی به این سطح از کنترل هستند.

چالش‌های مدیریت حرارتی در محفظه باتری‌های دایکست شده

پوسته باتری خودروهای برقی نیازمند کانال‌های خنک‌کننده بسیار پیچیده‌ای است، زیرا در هنگام شارژ سریع، گرمای زیادی (گاهی بیش از ۱۵۰ وات در کیلوگرم) تولید می‌کنند. بررسی‌های اخیر در زمینه مواد نشان داده است که اصلاحات خاصی در آلیاژهای آلومینیوم-سیلیسیم می‌تواند راندمان انتقال گرما را تا حدود ۱۸ درصد نسبت به مواد معمولی که در ریخته‌گری تحت فشار استفاده می‌شوند، افزایش دهد. این نوع بهبود، تفاوت بزرگی در کنترل دمای باتری ایجاد می‌کند و دما را حتی در شرایط سخت سیستم، پایین‌تر از ۴۵ درجه سانتی‌گراد نگه می‌دارد. علاوه بر این، این مواد جدید مزیت دیگری نیز دارند و اینکه وزن قطعات را حدود ۲۲ درصد نسبت به گزینه‌های فولادی کاهش می‌دهند که برای تولیدکنندگانی که به دنبال سبک کردن خودروها بدون از دست دادن عملکرد هستند، قابل توجه است.

پایداری و قابلیت بازیافت در ریخته‌گری تحت فشار در راستای اهداف زیست‌محیطی خودروهای برقی

صنعت ریخته‌گری دایکست آلومینیومی خودرو موفق شده است که با بهینه‌سازی سیستم‌های رانر و شبیه‌سازی‌های دیجیتالی، نرخ بهره‌وری مواد خود را به 92% برساند. آلیاژهای آلومینیومی به دلیل قابلیت بازیافت نامحدود خود، غالب فرآیند تولید قطعات خودروهای برقی (EV) را به خود اختصاص داده‌اند. بازیافت ضایعات ریخته‌گری دایکست آلومینیومی، مصرف انرژی در تولید را نسبت به تولید آلومینیوم اولیه 95% کاهش می‌دهد.

بازیافت حلقه بسته آلیاژهای ریخته‌گری دایکست آلومینیومی در تولید خودروهای برقی

اکنون ریخته‌گاه‌های بزرگ، مراکز بازیافت در محل را راه‌اندازی کرده‌اند که 98% از ضایعات تولیدی را ظرف 72 ساعت مجدداً فرآوری می‌کنند. این رویکرد حلقه بسته، هزینه‌های مواد را 40% کاهش می‌دهد و در عین حال به استانداردهای پایداری سختگیرانه شرکت‌های OEM دست می‌یابد. یک مطالعه در سال 2023 نشان داد که پیاده‌سازی فناوری‌های جداسازی آلیاژها امکان استفاده مجدد مکرر از آلومینیوم را بدون فدا کردن خواص مکانیکی در قطعات سازه‌ای حیاتی خودروهای برقی فراهم می‌کند.

اتوماسیون و صنعت 4.0: حرکت به سوی آینده ریخته‌گری دایکست برای خودروهای برقی

ادغام فناوری‌های صنعت ۴.۰ در حال تغییر بنیادین فرآیندهای ریخته‌گری تحت فشار برای خودروهای برقی است و به تولیدکنندگان این امکان را می‌دهد تا نیازهای سختگیرانه کیفیت و حجمی را برآورده کنند. سیستم‌های پیشرفته اتوماسیون اکنون به نرخ عیوبی کمتر از ۰.۸٪ در عملیات ریخته‌گری با فشار بالا دست یافته‌اند.

کارخانه‌های هوشمند با استفاده از نظارت در زمان واقعی برای کاهش عیوب

تسهیلات مدرن ریخته‌گری تحت فشار از سیستم‌های نظارتی مجهز به اینترنت اشیا استفاده می‌کنند که قادرند به‌طور هم‌زمان ۱۵ متغیر فرآیندی را از جمله دمای فلز مذاب تا سرعت تزریق پیگیری کنند. این رویکرد مبتنی بر داده‌ها از سال ۲۰۲۲ تاکنون منجر به کاهش ۴۲٪‌ای در نرخ ضایعات در تولید قطعات خودروی برقی شده است، به‌ویژه در قطعات حیاتی مانند پوسته موتور و جای باتری.

نگهداری پیش‌بینانه و کنترل کیفیت مبتنی بر هوش مصنوعی در ریخته‌گری بزرگ‌مقیاس

الگوریتم‌های هوش مصنوعی اکنون داده‌های تاریخی تولید را تحلیل می‌کنند تا خرابی تجهیزات را ۷۲ ساعت قبل با دقت ۸۹٪ پیش‌بینی کنند. سیستم‌های بینایی مبتنی بر یادگیری ماشینی عیوب ریز تخلخل در اجزای گیگاکست را ۴۰٪ سریع‌تر از بازرسان انسانی تشخیص می‌دهند، که برای حفظ یکپارچگی سازه‌ای شاسی‌های خودروهای برقی تک‌قطعه‌ای ضروری است.

اتوماسیون در راستای پاسخگویی به نیازهای تولید انبوه خودروهای برقی

ادغام سلول‌های رباتیک، نرخ تولید را در کارخانه‌های ریخته‌گری تحت فشار پیشرو ۳۵٪ افزایش داده است، به‌طوری‌که سلول‌های اتوماتیک زمان چرخه‌ای کمتر از ۹۰ ثانیه برای جعبه‌های باتری پیچیده دارند. این شتاب در اتوماسیون به صنعت کمک می‌کند تا تا سال ۲۰۲۶ بتواند ۲.۵ میلیون قطعه ریخته‌گری شده خاص خودروی برقی را در ماه تولید کند.

‫سوالات متداول‬

گیگاکستینگ در تولید خودروهای برقی چیست؟

گیگاکستینگ فرآیندی است که در آن بخش‌های بزرگی از ساختار خودروی برقی در یک قطعه و با استفاده از ماشین‌های ریخته‌گری تحت فشار بالا ساخته می‌شوند. این رویکرد چندین قطعه را در یک قطعه ترکیب می‌کند و تعداد قطعات را کاهش می‌دهد و همچنین کارایی تولید و استحکام سازه‌ای را افزایش می‌دهد.

ریخته‌گری تحت فشار چگونه به پایداری خودروهای برقی کمک می‌کند؟

ریخته‌گری تحت فشار با استفاده از مواد قابل بازیافت مانند آلومینیوم، دستیابی به نرخ‌های بالای استفاده از مواد و پیاده‌سازی فرآیندهای بازیافت حلقه‌بسته به کاهش قابل توجهی مصرف انرژی و هزینه‌های تولید کمک می‌کند.

سبک‌کاری چرا برای خودروهای برقی مهم است؟

سبک‌کاری برای بهبود برد خودروی برقی ضروری است. کاهش وزن خودرو به این معنی است که می‌توان از باتری‌های کوچک‌تری برای مسافت یکسان استفاده کرد که منجر به صرفه‌جویی در هزینه و بهبود کارایی انرژی می‌شود.

چه پیشرفت‌هایی در زمینه مواد مورد استفاده در ریخته‌گری خودروهای برقی صورت گرفته است؟

پیشرفت‌ها شامل استفاده از آلیاژهای آلومینیوم-سیلیسیم با استحکام کششی بالا و وزن کم، آلیاژهای منیزیم برای کاهش بیشتر وزن، و مواد با خواص بهتر در انتقال گرما برای مدیریت حرارتی بهتر در سیستم‌های باتری می‌شود.