رشد خودروهای انرژی جدید و ریخته‌گری دقیق

افزایش تولید خودروهای انرژی جدید و تأثیر آن بر تقاضای ریخته‌گری دای‌کاست

خودروهای برقی و افزایش تقاضا برای قطعات ریخته‌گری دای‌کاست دقیق

با حرکت ما به سمت خودروهای انرژی جدید، چهره کلی تولید خودرو تغییر زیادی کرده است و ریخته‌گری دقیق با قالب فلزی (Die Casting) در این فرآیند اهمیت زیادی پیدا کرده است. خودروهای برقی با آن دسته از ماشین‌های قدیمی که از سوخت گازی استفاده می‌کردند، یکی نیستند. آن‌ها به قطعاتی نیاز دارند که هم سبک و هم محکم باشند تا بتوانند عمر باتری بهتری از آن‌ها به دست آورند. به همین مثال از چین توجه کنید. به گفته گزارش بازار ریخته‌گری خودرویی آسیا و اقیانوسیه از امسال، تنها در سال گذشته حدود 8 میلیون خودروی برقی در آنجا فروخته شد و اکنون بیشتر تولیدکنندگان، حدود 60 درصد از قطعات ساختاری مدل‌های برقی خود را به ریخته‌گری آلومینیومی سپرده‌اند. چرا؟ چون وقتی متریال را عوض می‌کنیم، واقعاً وزن کاهش پیدا می‌کند. قطعات ریخته‌گری شده آلومینیومی می‌توانند وزن خودرو را در مقایسه با قطعات فولادی معمولی بین 15 تا 20 درصد کاهش دهند و با این حال همه تست‌های برخورد لازم برای ایمنی را پشت سر بگذارند.

رشد در تولید خودروهای برقی و تأثیر مستقیم آن بر ریخته‌گری دقیق آلومینیومی

افزایش تولید خودروهای برقی باعث افزایش تقاضا برای ریخته‌گری تحت فشار آلومینیومی شده است، به‌ویژه اینکه اکنون بیشتر جعبه‌های باتری و قطعات موتور با استفاده از روش‌های ریخته‌گری تحت فشار بالا (HPDC) تولید می‌شوند. برای مثال، در بازار ایالات متحده، فروش خودروهای برقی در سال گذشته ۴۰٪ افزایش یافت و تنها در سال ۲۰۲۳ به حدود ۱.۴ میلیون دستگاه فروش رسید. این افزایش تقاضا باعث شد تا نیاز به آلومینیوم ریخته‌گری شده برای قطعات خودروهای برقی در سطح ملی به حدود ۲۳۰ هزار تن متريک برسد. طبق گزارش‌های اخیر از بخش ریخته‌گری خودرویی آمریکای شمالی، برنامه‌های دولتی مانند کاهش ۷ هزار و ۵۰۰ دلاری مالیاتی تحت قانون کاهش تورم قطعاً در حال تسریع این فرآیند هستند. شرکت‌های عرصه صنعت به‌تازگی شروع به سرمایه‌گذاری سنگین در این دستگاه‌های بزرگ HPDC کرده‌اند که دارای نیروی قفل‌کننده ۶ هزار تنی هستند. این سیستم‌های پیشرفه به آن‌ها امکان می‌دهند که جعبه‌های باتری پیچیده را با کانال‌های خنک‌کننده تعبیه شده درون قالب تولید کنند و این امر مراحل مونتاژ را کاهش داده و عملکرد کلی را بهبود می‌بخشد.

روند بازار: افزایش پیش‌بینی‌شده حجم ریخته‌گری تحت فشار به ازای هر خودروی انرژی جدید

تحلیلگران صنعت پیش‌بینی می‌کنند که محتوای ریخته‌گری تحت فشار در هر خودروی برقی (EV) تا سال 2027 به دلیل اعتماد به ریخته‌گری بزرگ (گیگاکستینگ)، 65٪ افزایش یابد. این تکنیک 70 قطعه فشرده‌شده را در یک قطعه ریخته‌گری آلومینیومی واحد ترکیب می‌کند، زمان مونتاژ را 45٪ کاهش می‌دهد و دقت ابعادی را تا ±0.5 میلی‌متر بهبود می‌بخشد.

نوآوری گیگاکستینگ: دگرگونی در ریخته‌گری آلومینیومی بزرگ‌مقیاس برای خودروهای برقی

گیگاکستینگ چیست و چرا تولید خودروهای برقی را دگرگون کرده است؟

گیگاکستینگ یک پرش بزرگ در تکنولوژی ساخت و تولید محسوب می‌شود و امکان ریخته‌گری آلومینیومی تک‌پارچه بسیار بزرگ‌تر از قبل را فراهم می‌کند، تقریباً ۱۰۰ برابر بزرگ‌تر از آنچه قبلاً ممکن بود. وقتی سازندگان بیش از ۷۰ قطعه جوش‌کاری شده را با یک قطعه یکپارچه جایگزین می‌کنند، به نتایج بسیار قابل توجهی دست می‌یابند. خودروها به میزان ۱۲ تا ۱۵ درصد سبک‌تر می‌شوند و همچنین سختی قابل توجهی نیز پیدا می‌کنند، به طوری که سفتی پیچشی آن‌ها به میزان ۳۰ درصد بهتر می‌شود. تسلا این فناوری را با نصب دستگاه‌های عظیم ریخته‌گری دایکست با ظرفیت ۹۰۰۰ تنی در کارخانه گیگافکتوری شانگهای خود به تولید انبوه وارد کرد، دستگاه‌هایی که قادرند بخش‌های کف خودرو را در عرض تنها دو دقیقه تولید کنند. بر اساس تحقیقات انجمن FEV در سال ۲۰۲۵، خودروهایی که با ماژول‌های جلو و عقب گیگاکست ساخته شده‌اند، حدود ۱۸ درصد وزن کمتری نسبت به طراحی‌های قدیمی‌تر چند ماده‌ای دارند. این موضوع در عمل به معنای افزایش مسافت دویدن بین هر بار شارژ است و رانندگان می‌توانند از هر شارژ کامل ۶ تا ۸ درصد مسافت بیشتری را طی کنند.

ریخته‌گری تحت فشار بالا (HPDC) در تولید خودروهای انرژی جدید

امروزه سیستم‌های ریخته‌گری تحت فشار بالا (HPDC) با نیروی قفل‌کننده‌ای بین ۶۰۰۰ تا ۹۰۰۰ تن کار می‌کنند که در مقایسه با مدل‌های قدیمی‌تر تنها چند سال پیش، حدود ۲۵ تا ۴۰ درصد قدرتمندتر هستند. این استحکام افزایش یافته به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد تا قطعات تخصصی مورد نیاز خودروهای برقی از جمله آن بدنه‌های عظیم باتری را که تا دو متر طول دارند، تولید کنند. فناوری خنک‌کننده نیز اخیراً بسیار پیشرفته شده است. این سیستم‌های پیشرفته دقت ابعادی را در محدوده مثبت و منفی ۰/۰۵ میلی‌متر حفظ می‌کنند که در تضمین آب‌بندی دقیق جعبه‌های باتری بسیار مهم است. از نظر کارایی تولید، بیشتر سیستم‌های مدرن هر چرخه را در حدود ۹۰ ثانیه انجام می‌دهند و در عین حال تقریباً تمام مواد پس‌مانده را بازیابی می‌کنند؛ به طوری که بازیافت داخلی تقریباً ۹۸ درصد از ضایعات آلومینیومی امکان‌پذیر است. این ترکیب از ویژگی‌ها باعث می‌شود این سیستم‌ها برای شرکت‌هایی که می‌خواهند استانداردهای دقیق تولیدی را با مسئولیت‌پذیری محیط زیستی در فرآیندهای تولید خود ترکیب کنند، منطقی باشند.

پیشرفت‌های فناوری که دقت و مقیاس‌پذیری را فراهم می‌کنند

سه نوآوری کلیدی سبک‌کاری را در مقیاس بزرگ امکان‌پذیر کرده‌اند:

• نرم‌افزار شبیه‌سازی جریان مبتنی بر هوش مصنوعی که قادر است عیوب را تا 18 ساعت قبل از تولید پیش‌بینی کند
• مواد دای‌کاست هیبریدی با پوشش‌های سرامیکی که می‌توانند دمای 850 درجه سانتی‌گراد آلومینیوم مذاب را برای بیش از 100,000 سیکل تحمل کنند
• آرایه‌های حسگری با قابلیت زنده‌نگاری که تغییرات در حد میکرونی را در حین انجماد تشخیص می‌دهند

این‌ها امکان تولید قطعات سازه‌ای با ضخامت دیواره 2.5 میلی‌متری را فراهم می‌کنند در حالی که استحکام برخورد حفظ می‌شود – 40% بهتر از استانداردهای سال 2020

چالش‌های اصلی در اجرای سبک‌کاری در مقیاس بزرگ: هزینه، کیفیت و زنجیره تأمین

راه‌اندازی یک سلول گیگاکستینگ بیش از 62 میلیون دلار هزینه دربر می‌دارد و شرکت‌ها باید انتظار داشته باشند تا بازگشت سرمایه را بین 12 تا 18 ماه پس از اجرای پروژه مشاهده کنند، حتی اگر سالانه حدود 100000 واحد تولید کنند. همچنین هنوز چالش‌های مربوط به مواد نیز وجود دارد. آلیاژهای آلومینیومی کنونی تمایل دارند تا حدود 15 درصد تخلخل در ضخامت‌های بیشتر از 120 میلی‌متر پس از ریخته‌گری داشته باشند. علاوه بر این، مسئله زنجیره تأمین نیز وجود دارد. تولیدکنندگان باید رویکرد خود را از خرید صدها قطعه جداگانه به کار با تنها یک شریک ریخته‌گری کاملاً بازبینی کنند. این موضوع به معنای سرمایه‌گذاری سنگین در تجهیزات جدید و همکاری نزدیک با تعداد کمتری از تأمین‌کنندگان نسبت به گذشته است.

سبک‌سازی: یک اصل اساسی در طراحی که استفاده از ریخته‌گری تحت فشار آلومینیوم و منیزیم را پیش می‌برد

چرا سبک‌سازی برای بهره‌وری و برد خودروهای انرژی جدید ضروری است؟

هر کاهش ۱۰ درصدی در وزن خودرو، به دلیل کاهش مصرف انرژی، موجب افزایش ۶ تا ۸ درصدی برد خودروهای برقی (EV) می‌شود. این رابطه مستقیم، کاهش وزن را به یک عامل ضروری برای پذیرش مصرف‌کننده تبدیل می‌کند. ریخته‌گری تحت فشار آلومینیومی و منیزیومی امکان تولید قطعات سازه‌ای پیچیده‌ای را فراهم می‌کند که ۴۰ تا ۶۰ درصد سبک‌تر از معادل فولادی آن‌ها هستند، بدون اینکه ایمنی تحت تأثیر قرار گیرد.

نقش آلیاژهای آلومینیوم و منیزیوم در ریخته‌گری تحت فشار خودرویی

آلیاژهای منیزیومی جریان‌پذیری بهتری دارند و امکان انجام چرخه‌های ریخته‌گری را ۵۰ درصد سریع‌تر از آلومینیوم فراهم می‌کنند. همچنین، استحکام ضربه‌ای آن‌ها در اجزای مرتبط با برخورد، ۳۰ درصد بیشتر از آلومینیوم A380 است. منیزیوم ۳۳ درصد سبک‌تر از آلومینیوم است و در عین حال استحکام قابل مقایسه‌ای حفظ می‌کند، که آن را ایده‌آل‌ترین ماده برای کاربردهای غیرسازه‌ای می‌کند.

مزایای مقایسه‌ای مواد سبک ریخته‌گری شده در پلتفرم خودروهای برقی

آلومینیوم دارای چگالی حدود 2.7 گرم در سانتی‌متر مکعب است، که این امر به معنی صرفه‌جویی در وزن به میزان 50 تا 60 درصد نسبت به فولاد می‌باشد. منیزیوم حتی سبک‌تر بوده و چگالی آن تنها 1.8 گرم در سانتی‌متر مکعب است، که این امر کاهش وزنی در حدود 65 تا 75 درصد را فراهم می‌کند، هرچند برای مقابله با خوردگی به پوشش‌های ویژه نیاز دارد. وقتی به استحکام این مواد نسبت به وزنشان نگاه می‌کنیم، هر دو فلز از مرز 300 مگاپاسکال بر گرم عبور می‌کنند - که تقریباً 40 درصد بهتر از آنچه از پلاستیک‌های پیشرفته به دست می‌آید، است. مهندسان طراح معمولاً منیزیوم را در جاهایی که نیاز سازه‌ای زیاد نیست، مانند پوسته‌های خارجی به کار می‌برند، در حالی که آلومینیوم را برای قطعات تحت فشار واقعی مانند جای باتری نگه می‌دارند. نتیجه چیست؟ خودروهایی که به این شکل ساخته می‌شوند حدوداً 22 درصد سبک‌تر از خودروهایی هستند که از ترکیب مواد مختلفی ساخته شده‌اند. بسیاری از شرکت‌های خودروسازی شروع به این تغییر کرده‌اند، چرا که خودروهای سبک‌تر به طور کلی عملکرد بهتری دارند و سوخت کمتری مصرف می‌کنند.

کاربردهای کلیدی ریخته‌گری تحت فشار در قطعات خودروهای انرژی جدید

پوسته‌های باتری و موتور: الزامات ریخته‌گری تحت فشار با دقت بالا

ریخته‌گری تحت فشار برای قطعات حیاتی EV مانند پوسته‌های باتری و موتور امری ضروری است، که نیازمند آلیاژهای آلومینیومی مقاوم در برابر خوردگی هستند و می‌توانند در برابر چرخه‌های شدید حرارتی مقاومت کنند. ریخته‌گری تحت فشار دقت ابعادی کمتر از 10 میکرون را فراهم می‌کند که برای رعایت استانداردهای ضد آب و ایمنی در برابر تصادم ضروری است.

قطعات ریخته‌گری شده ساختاری: کاهش پیچیدگی مونتاژ

یکی از تولیدکنندگان پیشرو EV نشان داد که استفاده از یک قطعه ریخته‌گری شده واحد برای قسمت پایینی عقب خودرو، تعداد قطعات را از 70 عدد به 2 عدد کاهش می‌دهد و زمان مونتاژ را 35% کاهش می‌دهد. حذف اتصالات جوشکاری شده، صلبیت پیچشی را نسبت به طرح‌های فولادی نورد شده 15% افزایش می‌دهد.

قالب‌های ریخته‌گری تحت فشار برای تولید انبوه قطعات اختصاصی EV

قالب‌های چندصفحه‌ای امکان تولید بیش از 500 قطعه پیچیده EV در ساعت را فراهم می‌کنند، با این حال برش خودکار به حداقل رساندن پس-پردازش را فراهم می‌کند. امروزه قالب‌های جدید تا 200,000 سیکل یا بیشتر قبل از بازسازی دوام می‌آورند که 30٪ بیشتر از سال 2021 است و این امر به تولید بیش از 500,000 خودرو در سال در کارخانه‌ها کمک می‌کند.

گسترش بازار و فرصت‌های اقتصادی در بخش ریخته‌گری تحت فشار مبتنی بر EV

پتانسیل درآمدی و پیش‌بینی رشد بازار برای ریخته‌گری تحت فشار مرتبط با EV

پیش‌بینی‌های بازار نشان می‌دهد که بخش ریخته‌گری دایکستینگ برای خودروهای برقی در سطح جهانی تا سال ۲۰۳۰ میلادی به حدود ۲۴.۱ میلیارد دلار برسد و با نرخ رشد سالانه مرکب حدود ۱۲.۳ درصد رشد کند. قطعاتی که به طور خاص برای خودروهای برقی طراحی شده‌اند، اکنون حدود یک سوم کل فروش ریخته‌گری خودرویی را به خود اختصاص داده‌اند که افزایش قابل توجهی نسبت به کمی کمتر از ۲۰ درصد در سال ۲۰۲۰ محسوب می‌شود. دلیل این رشد چیست؟ تولیدکنندگان خودرو در حال تلاش برای کاهش وزن خودروها به میزان تقریبی ۱۸ تا ۲۲ درصد از طریق استفاده از مواد سبک‌تر مانند آلیاژهای آلومینیومی و منیزیمی هستند، اما در عین حال همچنان نیاز دارند تا استحکام سازه‌ای خودروها در سطح مناسبی حفظ شود.

تغییرات منطقه‌ای در زیرساخت‌های ریخته‌گری به دلیل تقاضای خودروهای انرژی جدید

منطقه آسیا و اقیانوسیه در صدر هستند با ۶۳ درصد از ظرفیت جهانی ریخته‌گری دایکستینگ خودروهای برقی ، که توسط تولید 8 میلیون خودروی انرژی جدید در چین در سال 2023 میلادی محرکه شده است. ریخته‌گری‌های منطقه 4.2 میلیارد دلار در به‌روزرسانی‌های HPDC سرمایه‌گذاری می‌کنند تا به تقاضای ریخته‌گری بزرگ تولیدکنندگان اصلی پاسخ دهند. ظرفیت آمریکای شمالی در سال 2023 میلادی نسبت به سال قبل 28 درصد رشد کرد، که با سیاست‌های فدرال حمایت‌کننده زنجیره تأمین الکتریکی محلی پشتیبانی می‌شود.

تحول استراتژیک برای ریخته‌گری‌های سنتی در عصر خودروهای برقی

ریخته‌گری‌های قدیمی‌تر اکنون حدود ۴۱ درصد از هزینه‌های سرمایه‌ای خود را برای فناوری ریخته‌گری خودروهای برقی هزینه می‌کنند که این رقم در مقایسه با ۹ درصد در سال ۲۰۱۹ بسیار بالا است. سرمایه‌گذاری‌ها شامل چیزهایی مانند سیستم‌های بازرسی اشعه ایکس است تا بتوانند نرخ عیوب را کمتر از ۰٫۲ درصد پایین آورند، همچنین سرمایه‌گذاری در سیستم‌های کنترل هوش مصنوعی که مصرف انرژی را بین ۱۵ تا ۱۸ درصد کاهش می‌دهند. و این کلیه تغییرات به این معنی است که اکثر کارکنان نیاز به آموزش‌های جدیدی دارند. حدود هفت نفر از هر ده کارمند باید تکنیک‌های شبیه‌سازی پیشرفته و روش‌های تولید کارآمد را یاد بگیرند. همچنین آنها در حال عادت کردن به کار با مشخصات بسیار دقیق‌تر برای قطعات خودروهای برقی هستند، گاهی اوقات دقت آنها به اندازه ۰٫۰۵ میلی‌متر به علاوه یا منهای یک میلی‌متر است.

‫سوالات متداول‬

در زمینه خودروهای برقی، چیستی گیگاریخته‌گری؟

گیگاریخته‌گری فرآیند تولیدی است که امکان ساخت قطعات آلومینیومی بزرگ و یک‌پارچه را برای خودروهای برقی فراهم می‌کند و به‌طور قابل‌توجهی تعداد قطعات کوچک‌تری که نیاز به جوشکاری دارند را کاهش می‌دهد.

چرا کاهش وزن در خودروهای انرژی جدید اهمیت دارد؟

کاهش وزن امری ضروری است زیرا وزن کلی خودرو را کاهش می‌دهد و در نتیجه برد حرکتی و بهره‌وری انرژی خودروهای برقی را بهبود می‌بخشد.

آلیاژهای منیزیم چه مزایایی در ریخته‌گری تحت فشار برای خودروهای برقی ارائه می‌دهند؟

آلیاژهای منیزیم قابلیت جریان‌پذیری بسیار خوبی دارند که امکان چرخه‌های سریع‌تر در ریخته‌گری تحت فشار را فراهم می‌کند. همچنین استحکام ضربه‌ای بالاتری دارند و از آلومینیوم سبک‌تر هستند که آن‌ها را برای کاربردهای غیرسازه‌ای مناسب می‌کند.

صنعت ریخته‌گری تحت فشار با ظهور خودروهای برقی چگونه در حال تغییر است؟

این صنعت شاهد افزایش تقاضا برای قطعات ریخته‌گری شده از آلومینیوم و منیزیم است که منجر به سرمایه‌گذاری بیشتر در فناوری ریخته‌گری تحت فشار و فرآیندهای گیگاکستینگ (ریخته‌گری بزرگ) شده است تا نیازهای تولیدکنندگان خودروهای برقی را برآورده کند.

چالش‌های پذیرش فناوری گیگاکستینگ چیست؟

چالش‌ها شامل هزینه‌ی بالای راه‌اندازی سلول‌های گیگاکست، مشکلات ناشی از تخلخل مواد آلیاژهای آلومینیومی در هنگام ریخته‌گری در بخش‌های ضخیم، و بازسازی زنجیره‌های تأمین برای سازگاری با تعداد کمتری از اجزا اما پیچیده‌تر می‌شود.