Rozwój pojazdów napędzanych nową energią i odlewnictwa ciśnieniowego

Wzrost produkcji pojazdów napędzanych nową energią i jego wpływ na popyt na odlewy metodą ciśnieniową

Pojazdy elektryczne i rosnący popyt na precyzyjne komponenty odlewane metodą ciśnieniową

W miarę jak przechodzimy na pojazdy napędzane nowymi źródłami energii, cała twarz przemysłu motoryzacyjnego zmieniła się dość znacznie i precyzyjne odlewanie matrycowe stało się bardzo ważne w tym procesie. Pojazdy elektryczne nie są już tym samym co te stare maszyny spalinowe. Wymagają one komponentów, które są jednocześnie lekkie i wytrzymałe, aby móc osiągać lepsze wyniki pod względem zasięgu baterii. Spójrzmy na to, co dzieje się w Chinach, na przykład. W samym tylko zeszłym roku sprzedano tam około 8 milionów samochodów elektrycznych, a większość producentów wprowadza obecnie odlewy aluminiowe w około 60 procent strukturalnych części swoich modeli elektrycznych, jak podaje raport Rynku Odlewów Motoryzacyjnych w Azji i Pacyfiku z wcześniejszej części tego roku. Dlaczego? Ponieważ przy zmianie materiałów rzeczywiście stają się lżejsze. Części odlewane metodą matrycową z aluminium mogą zmniejszyć wagę pojazdu o 15 do 20 procent w porównaniu do standardowych części stalowych, a mimo to spełniają wszystkie wymagane testy zderzeniowe związane z bezpieczeństwem.

Wzrost produkcji pojazdów elektrycznych i jego bezpośredni wpływ na odlewanie matrycowe aluminium

Wzrost produkcji pojazdów elektrycznych znacznie zwiększył zapotrzebowanie na odlewy aluminiowe, zwłaszcza że obudowy baterii oraz elementy obudowy silników coraz częściej wykonuje się metodą wysokowymiarowego odlewania ciśnieniowego (HPDC). Weźmy na przykład rynek amerykański – w zeszłym roku sprzedaż pojazdów elektrycznych wzrosła o 40%, osiągając poziom około 1,4 miliona sprzedanych pojazdów już w 2023 roku. Ten skokowy wzrost podniósł zapotrzebowanie na odlewy aluminiowe do produkcji części do EV na około 230 000 ton metrycznych na skalę całego kraju. Programy rządowe, takie jak obniżka podatku o 7500 dolarów przewidziana w ramach ustawy o redukcji inflacji (Inflation Reduction Act), zdecydowanie przyspieszają ten proces, jak wynika z najnowszych raportów rynkowych dotyczących sektora odlewnictwa motoryzacyjnego w Ameryce Północnej. Firmy z branży zaczynają inwestować w duże maszyny HPDC o sile docisku sięgającej 6000 ton. Nowoczesne systemy pozwalają im na wytwarzanie skomplikowanych talerzy baterii z wbudowanymi kanałami chłodzenia od razu z formy, co skraca etapy montażu i poprawia ogólną wydajność.

Trendy rynkowe: Prognozowany wzrost objętości odlewniczej na pojazd z nowymi źródłami energii

Analitycy branżowi prognozują do 2027 roku wzrost o 65% zawartości odlewów w samochodach elektrycznych (EV) w porównaniu do pojazdów konwencjonalnych, co wynika z wdrażania technologii gigacasting. Ta metoda umożliwia zastąpienie ponad 70 części tłoczonych pojedynczymi odlewami aluminiowymi, skracając czas montażu o 45% i zwiększając dokładność wymiarową do ±0,5 mm.

Innowacja gigacasting: Przemiana odlewania aluminiowego na dużą skalę w produkcji EV

Czym jest gigacasting i dlaczego odmienia produkcję samochodów elektrycznych

Gigacasting oznacza ogromny postęp w technologii produkcji, umożliwiając wlewanie ogromnych, pojedynczych elementów z aluminium, które są mniej więcej 100 razy większe niż było to możliwe wcześniej. Kiedy producenci zastępują te ponad 70 części połączonych spawaniem zaledwie jednym, solidnym elementem, osiągają naprawdę imponujące wyniki. Pojazdy stają się lżejsze o około 12, a nawet do 15 procent, a jednocześnie znacznie bardziej sztywne – około 30 procent lepiej pod względem sztywności skrętnej. To właśnie Tesla zaawansowała tę technologię i wdrożyła ją do seryjnej produkcji w swojej fabryce Gigafactory w Szanghaju, instalując ogromne maszyny do wlewu ciśnieniowego o pojemności 9000 ton, zdolne do wytwarzania całych sekcji podłogi pojazdu w zaledwie dwie minuty. Zgodnie z badaniami przeprowadzonymi przez konsorcjum FEV w 2025 roku, samochody wyposażone w moduły przednie i tylne wykonane technologią gigacast zyskały około 18 procent redukcji masy w porównaniu do starszych konstrukcji wielomaterialowych. Praktycznie przekłada się to na wydłużony zasięg jazdy między ładowaniami, dając kierowcom dodatkowe 6 do 8 procent przejechanych kilometrów na jedno pełne ładowanie baterii.

Odlewanie pod wysokim ciśnieniem (HPDC) w produkcji pojazdów z nowych źródeł energii

Współczesne systemy precyzyjnego odlewania pod wysokim ciśnieniem (HPDC) pracują z siłą zamknięcia od 6 000 do 9 000 ton, co oznacza wzrost o około 25–40 procent w porównaniu do starszych modeli sprzed kilku lat. Zwiększona moc umożliwia producentom wytwarzanie specjalistycznych elementów potrzebnych do produkcji pojazdów elektrycznych, w tym ogromnych wsporników baterii, które mogą mieć do dwóch metrów długości. Technologia chłodzenia stała się również znacznie wyrafinowana. Nowoczesne systemy zapewniają dokładność wymiarową w granicach ±0,05 milimetra, co ma kluczowe znaczenie dla szczelności obudowy baterii. W kwestii efektywności produkcji, większość współczesnych linii kończy cykle w ciągu około 90 sekund, a także ponownie wykorzystuje niemal cały materiał pozostały po procesie – mowa tu o wewnętrznym odzysku nawet 98 procent odpadów aluminiowych. Taka kombinacja ma sens dla firm dążących do pogodzenia wysokich standardów jakości z odpowiedzialnością ekologiczną w procesach produkcyjnych.

Postęp technologiczny umożliwiający precyzję i skalowalność

Trzy kluczowe innowacje uczyniły gigalanie możliwym:

• Oprogramowanie do symulacji przepływu wspierane przez sztuczną inteligencję, przewidujące wady nawet 18 godzin przed produkcją
• Hybrydowe materiały matrycowe z powłokami ceramicznymi wytrzymujące 850°C stopionego aluminium przez ponad 100 000 cykli
• Zestawy czujników w czasie rzeczywistym wykrywające zmiany na poziomie mikronów podczas krzepnięcia

Dzięki temu możliwe jest wytwarzanie elementów konstrukcyjnych o grubości ścianki 2,5 mm przy zachowaniu integralności w wypadku kolizji – o 40% lepszej niż standard z 2020 roku.

Wyzwania związane z szerokim wdrożeniem gigalania: koszt, jakość i łańcuch dostaw

Uruchomienie komórki gigakonstrukcyjnej kosztuje ponad 62 miliony dolarów, a firmy muszą się liczyć z oczekiwaniem od 12 do 18 miesięcy, zanim zaczną odnosić zyski z inwestycji, nawet jeśli będą produkować około 100 000 jednostek rocznie. Nadal istnieją także wyzwania materiałowe. Obecne stopy aluminium wykazują około 15-procentową porowatość podczas odlewania w sekcjach grubszych niż 120 milimetrów. Pojawia się również problem całego łańcucha dostaw. Producenci muszą całkowicie zmienić podejście – zamiast kupować setki oddzielnych komponentów, muszą współpracować z jednym partnerem od odlewania. Oznacza to konieczność dokonania dużych inwestycji w nowe wyposażenie oraz bliskiej koordynacji działań z mniejszą niż kiedykolwiek liczbą dostawców.

Lekkość: Podstawowa zasada projektowania napędzająca odlewanie ciśnieniowe z aluminium i magnezu

Dlaczego redukcja masy jest kluczowa dla efektywności i zasięgu pojazdów z nowych źródeł energii

Każde zmniejszenie masy pojazdu o 10% poprawia zasięg pojazdu elektrycznego o 6–8% dzięki niższemu zużyciu energii. Ten bezpośredni związek sprawia, że redukcja masy jest kluczowa dla przyjęcia przez konsumentów. Odlewanie ciśnieniowe z aluminium i magnezu umożliwia wytwarzanie złożonych części konstrukcyjnych, które są o 40–60% lżejsze niż odpowiedniki stalowe, bez pogorszenia bezpieczeństwa.

Rola stopów aluminium i magnezu w odlewnictwie ciśnieniowym w motoryzacji

Stopy magnezu charakteryzują się doskonałą leżeniem, umożliwiając cykle odlewania o 50% szybsze niż w przypadku aluminium. Zapewniają również 30% większą wytrzymałość na uderzenia niż aluminium A380 w elementach istotnych przy uderzeniach. Magnez jest o 33% lżejszy od aluminium, zachowując porównywalną wytrzymałość, co czyni go idealnym do zastosowań niestrukturalnych.

Porównawcze zalety lekkich materiałów odlewanych ciśnieniowo w platformach EV

Aluminium ma gęstość około 2,7 grama na centymetr sześcienny, co oznacza, że może zapewnić oszczędność masy od 50 do 60 procent w porównaniu ze stalą. Magnez jest jeszcze lżejszy, z gęstością zaledwie 1,8 grama na centymetr sześcienny, dając redukcję masy rzędu 65 do 75 procent, choć wymaga specjalnych powłok ochronnych przed korozją. Patrząc na wytrzymałość tych materiałów w stosunku do ich masy, oba metale przekraczają 300 megapaskali na gram – jest to wartość o około 40 procent lepsza niż w przypadku zaawansowanych tworzyw sztucznych. Inżynierowie projektanci zazwyczaj stosują magnez tam, gdzie wymagania konstrukcyjne nie są zbyt wysokie, jak np. w obudowach zewnętrznych, podczas gdy aluminium zostawiają na części narażone na duże obciążenia, takie jak przedziały baterii. Efekt? Pojazdy skonstruowane w ten sposób są średnio o około 22 procent lżejsze niż te wykonane z kombinacji różnych materiałów. Wiele firm motoryzacyjnych zaczęło dokonywać tej zmiany, ponieważ lżejsze pojazdy zazwyczaj lepiej się sprawują i zużywają mniej paliwa.

Kluczowe zastosowania odlewnictwa ciśnieniowego w komponentach pojazdów z nowych źródeł energii

Obudowy baterii i obudowy silników: Wymagania dotyczące odlewnictwa o wysokiej szczelności

Odlewnictwo ciśnieniowe odgrywa kluczową rolę w produkcji krytycznych komponentów pojazdów elektrycznych, takich jak obudowy baterii i obudowy silników, które wymagają stopów aluminium o odporności na korozję i zdolności wytrzymywania skrajnych cykli termicznych. Odlewanie pod wysokim ciśnieniem umożliwia osiągnięcie tolerancji wymiarowych poniżej 10 μm – co jest istotne dla ochrony przed wodą i zgodności z normami bezpieczeństwa w przypadku wypadku.

Konstrukcyjne części odlewane ciśnieniowo: Redukcja złożoności montażu

Prowadzący producent pojazdów elektrycznych wykazał, że jednolita odlewana tylna część podłogi redukuje liczbę komponentów z 70 do 2, skracając czas montażu o 35%. Eliminacja spoin spawanych zwiększa sztywność skrętną o 15% w porównaniu do konstrukcji ze stali sztancowanej.

Formy odlewnicze do masowej produkcji komponentów specyficznych dla pojazdów elektrycznych

Formy wielosuwowe umożliwiają produkcję ponad 500 złożonych części do pojazdów elektrycznych na godzinę, przy zastosowaniu automatycznego wykańczania minimalizującego obróbkę końcową. Nowoczesne formy wytrzymują obecnie 200 000+ cykli zanim wymagają regeneracji – o 30% więcej niż w 2021 roku – wspierając roczne produkcje fabryk przekraczające 500 000 pojazdów.

Rozszerzanie rynku i możliwości ekonomiczne w sektorze odlewniczym napędzanym przez pojazdy elektryczne

Potencjał przychodów i prognozy wzrostu rynku odlewnictwa związanego z pojazdami elektrycznymi

Prognozy rynkowe wskazują, że globalny sektor odlewniczy dla pojazdów elektrycznych może osiągnąć około 24,1 mld USD do roku 2030, rosnąc średniorocznie o około 12,3 proc. Części specjalnie zaprojektowane dla pojazdów elektrycznych stanowią już około jednej trzeciej całkowitych sprzedaży odlewniczej motoryzacyjnej, co oznacza znaczny wzrost w porównaniu z nieco poniżej 20 proc. z 2020 roku. Dlaczego tak się dzieje? Producenti samochodów starają się zmniejszyć wagę pojazdów o około 18–22 proc. dzięki zastosowaniu lżejszych materiałów, takich jak stopy aluminium i magnezu, jednak nadal muszą zapewnić wystarczającą wytrzymałość konstrukcji, aby pojazdy dobrze się sprawdzały na drogach na całym świecie.

Zmiany regionalne w infrastrukturze odlewniczej wynikające z zapotrzebowania na pojazdy z nowymi źródłami energii

Region Azji i Pacyfiku prowadzi z 63% światowej mocy odlewniczej dla pojazdów elektrycznych , z napędem produkcji 8 milionów pojazdów napędzanych alternatywną energią w Chinach w 2023 roku. Hutnie w tym regionie inwestują 4,2 miliarda dolarów w modernizację HPDC, aby sprostać wymaganiom OEM dotyczącym gigacastingu. Pojemność w Ameryce Północnej wzrosła o 28% rok do roku w 2023 roku, wspierana przez politykę federalną sprzyjającą lokalizowanym łańcuchom dostaw dla pojazdów elektrycznych.

Strategiczna transformacja tradycyjnych hut w epoce pojazdów elektrycznych

Starsze huty odlewnicze obecnie wydają około 41 procent swoich nakładów inwestycyjnych na technologię odlewania pojazdów elektrycznych, co jest znacznie więcej niż 9% z 2019 roku. Pieniądze inwestowane są m.in. w systemy inspekcji rentgenowskiej, aby obniżyć wskaźnik wad do poniżej 0,2%, a także w systemy sterowania z wykorzystaniem sztucznej inteligencji, które pozwalają ograniczyć zużycie energii o 15–18%. Cały ten przemysłowy przełom oznacza również konieczność przeszkolenia większości pracowników. Aż siedmiu spośród dziesięciu pracowników musi nauczyć się zaawansowanych technik symulacji i metod produkcji typu lean manufacturing. Dodatkowo, pracownicy przyzwyczajają się do pracy z znacznie węższymi tolerancjami dla części pojazdów elektrycznych, czasem sięgającymi precyzji plus-minus 0,05 milimetra.

Często zadawane pytania

Czym jest gigantyczne odlewanie (gigacasting) w kontekście pojazdów elektrycznych?

Gigacasting to proces produkcyjny umożliwiający tworzenie ogromnych, pojedynczych aluminiowych elementów dla pojazdów elektrycznych, znacznie zmniejszając liczbę indywidualnych, spawanych komponentów.

Dlaczego redukcja masy jest ważna w pojazdach z nowymi źródłami energii?

Redukcja masy jest kluczowa, ponieważ zmniejsza całkowitą wagę pojazdu, poprawiając zasięg oraz efektywność energetyczną pojazdów elektrycznych.

Jakie zalety oferują stopy magnezu w odlewnictwie pod ciśnieniem w przypadku pojazdów elektrycznych?

Stopy magnezu zapewniają doskonałą leżerność, umożliwiając krótsze czasy cyklu odlewniczego. Posiadają również wyższą wytrzymałość na uderzenia i są znacznie lżejsze niż aluminium, co czyni je odpowiednimi do zastosowań niestrukturalnych.

W jaki sposób branża odlewnicza się zmienia wraz z rozwojem pojazdów elektrycznych?

Obserwuje się zwiększające się zapotrzebowanie na części odlewane z aluminium i magnezu, co sprzyja inwestycjom w technologię odlewniczą pod wysokim ciśnieniem oraz procesy gigautylenia, dostosowując je do potrzeb producentów pojazdów elektrycznych.

Jakie są wyzwania związane z wdrażaniem technologii gigautylenia?

Wyzwaniami są wysokie koszty budowy komórek gigakonstrukcji, problemy z porowatością materiału w stopach aluminium przy odlewaniu w grubych sekcjach oraz przebudowa łańcuchów dostaw w celu uwzględnienia mniejszej liczby, ale bardziej skomplikowanych komponentów.