特斯拉引領(lǐng)一體化壓鑄革命,高效利用鋁合金
發(fā)布時(shí)間:2022-07-02 13:24      發(fā)布作者:澤育科技      閱讀次數:0

汽車(chē)產(chǎn)業(yè)約每四十年出現一次生產(chǎn)制造革命,特斯拉引領(lǐng)當前新革命。從福特流水線(xiàn)生產(chǎn)到豐田精益生產(chǎn),再到大眾平臺化模塊化生產(chǎn),每一次汽車(chē)生產(chǎn)革命的領(lǐng)導者均將在之后的市場(chǎng)競爭中占據明顯優(yōu)勢。憑借4680 CTC和一體化壓鑄兩項重要技術(shù)創(chuàng )新,特斯拉正在引領(lǐng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)新一輪的生產(chǎn)制造革命。

 

4680 CTC:將電池包集成到車(chē)體,并直接與座椅連接,高集成度使車(chē)輛降重10%,續航里程增加14%,零件減少370個(gè),單位成本下降7%,單位投資下降8%。目前4680 CTC已經(jīng)在德州奧斯汀工廠(chǎng)量產(chǎn)落地。一體化壓鑄:從Model Y一體化壓鑄后地板將零件數量由70個(gè)減少至1~2個(gè)后,技術(shù)應用不斷拓展。目前德州奧斯汀工廠(chǎng)的方案可將前&后地板零部件數量從171個(gè)減少至2個(gè),焊接點(diǎn)數量減少超1600個(gè)。

 

 新勢力&傳統主機廠(chǎng)跟進(jìn)一體化壓鑄:

新勢力:1)蔚來(lái)攜手文燦股份,ET5采用一體化壓鑄后副車(chē)架;2)小鵬汽車(chē)攜手廣東鴻圖,6800T底盤(pán)一體化結構件下線(xiàn);3)高合汽車(chē)攜手拓普集團,一體化超大壓鑄車(chē)身后艙下線(xiàn),減重15~20%的。傳統主機廠(chǎng):1)奔馳全球首發(fā)最新科研成果—VISION EQXX,車(chē)身后部剛性大幅提高,有望減重15-20%;2)沃爾沃將對其瑞典工廠(chǎng)投資100億瑞典克朗引進(jìn)新技術(shù)和制造工藝,其中包括一體化壓鑄。

 


滑板底盤(pán)成為推動(dòng)CTC和一體化壓鑄中長(cháng)期發(fā)展的重要推動(dòng)力?;宓妆P(pán)是當前汽車(chē)行業(yè)最重要的革命性技術(shù)之一,涉及到底的技術(shù)包括:非承載式車(chē)身、線(xiàn)控底盤(pán)、集成式電驅系統、高度集成智能化模塊。此外,在有限空間內提升動(dòng)力電池的質(zhì)量/體積能量密度,與CTC電池系統集成方案高度契合;高度集成后,底盤(pán)的結構更加復雜,一體化壓鑄能夠更好匹配底盤(pán)工藝提升的需求。新能源汽車(chē)自重大,續航里程提升倒逼車(chē)身輕量化發(fā)展。相比同級燃油車(chē),純電動(dòng)車(chē)型重量約+19~32%,插混車(chē)型約+12~18%。為了提升能源效率、提升續航里程,新能源汽車(chē)的輕量化發(fā)展成為必然。2019(第十三屆)汽車(chē)輕量化大會(huì )中有數據顯示,純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)重量每降低10%,平均續航里程將增加5~8%。

 


鋁合金最具性?xún)r(jià)比,采用高壓壓鑄更高效。以鋁代鋼可使白車(chē)身降重約1/3,但是鋁金屬導熱系數大,易造成焊縫性能下降、合金表面氧化層污染電極等問(wèn)題;熱膨脹系數高易導致零件變形大。高壓壓鑄效率高、加工零件壁厚小,是適用于鋁合金的高效加工工藝。一體化壓鑄以高壓壓鑄為基礎,生產(chǎn)的部件內部不需要額外連接,工序大幅減少。此外,壓鑄廢品材料利用率高達90%,遠高于沖壓&焊接鋼制車(chē)身時(shí)60%-70%。

 


一體化壓鑄在汽車(chē)中的應用可進(jìn)一步擴展。我們認為,通過(guò)調整強度、拉伸率,壓鑄工藝將應用于更多結構件及覆蓋件,電機和電池包外殼等更多車(chē)身之外的零部件將來(lái)均可采用壓鑄工藝制造。

 


一體化壓鑄件的技術(shù)壁壘主要體現在4個(gè)方面:

1.大型壓鑄機:系統復雜,對理論、經(jīng)驗以及制造工藝都有很高的要求;②“設計試驗設計周期長(cháng),時(shí)間成本高;造價(jià)高昂,風(fēng)險成本大。

1.材料配方:合金熔液需具備良好的流變性能、較小的線(xiàn)收縮率和較小的凝固溫度區間,免熱處理是關(guān)鍵。

3.壓鑄模具:壓鑄在溫度、真空、成型方案、工藝參數、后處理等方面要求更高,模具更復雜。

4.工藝方法:高速充型特征易導致鑄件失效,對全工藝要素均有較高要求。


一體化壓鑄可顯著(zhù)提升生產(chǎn)效率、降低制造成本。以下車(chē)體總成為例,相比傳統沖壓&焊接工藝,一體化壓鑄可大幅減少沖壓、焊接使用量,加工工序從9道下降至2道;配套人工也相應削減,以45萬(wàn)輛年產(chǎn)能的工廠(chǎng)來(lái)算,工人將從120人降至30人;零部件數量從>370個(gè)降至2~3個(gè),鏈接點(diǎn)數量下降減少,成本下降;工時(shí)從2小時(shí)降至180s,5臺壓鑄機即可滿(mǎn)足60萬(wàn)件年產(chǎn)能。一體化壓鑄車(chē)身市場(chǎng)規模有望于2025年突破200億元。以年產(chǎn)能50萬(wàn)件的車(chē)身后地板生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)計算,傳統沖壓焊接工藝和一體化壓鑄工藝的成本分別為6.3億元和4.8億元,一體化壓鑄后地板單車(chē)可節約成本300元。我們預計2025年一體化壓鑄車(chē)身市場(chǎng)規模有望達到215億元,2021-2025CAGR132%。

 

1、特斯拉引領(lǐng)新一輪生產(chǎn)制造革命:4680 CTC+一體化壓鑄

汽車(chē)百年工業(yè)史,每四十年左右出現一次生產(chǎn)制造革命。從20世紀10年代福特流水線(xiàn)生產(chǎn),到50年代豐田多品種,小批量的精益生產(chǎn),再到80年代大眾的平臺化、模塊化生產(chǎn),每一次汽車(chē)生產(chǎn)革命的領(lǐng)導者均將在之后的市場(chǎng)競爭中占據明顯優(yōu)勢。特斯拉生產(chǎn)制造革命:4680 CTC+一體化壓鑄。特斯拉4680 CTC方案(CTV),將電池包集成到車(chē)體,并直接與座椅連接,大幅減少零部件數量,提高總裝生產(chǎn)效率。一體化壓鑄的Model Y車(chē)身前&后地板,顛覆傳統沖壓&焊接工藝,相比傳統沖壓&焊接工藝零部件減少169個(gè),成本大幅下降。據特斯拉電池日公布信息顯示,依托兩項革命性技術(shù),整車(chē)可減重10%,續航里程增加14%,零件減少370個(gè)。

 

2、4680 CTC:特斯拉電池技術(shù)始終作為行業(yè)創(chuàng )新的標桿

特斯拉引領(lǐng)動(dòng)力電池創(chuàng )新趨勢。Model S/X上市時(shí),電池包搭載18650電芯,共14/16個(gè)模組;Model 3上市時(shí),電池包搭載2170電芯,共4個(gè)模組,引領(lǐng)了行業(yè)的大模組CTP方案;目前,搭載4680電芯的CTC方案的Model Y開(kāi)啟交付。過(guò)往十年,特斯拉無(wú)論在電芯還是pack上都在持續引領(lǐng)行業(yè)的發(fā)展。4680 CTC:率先公布具體方案,引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)方向,特斯拉在20216月公開(kāi)了一份名為INTEGRATED ENERGY STORAGE SYSTEM的專(zhuān)利,專(zhuān)利中詳細闡述了4680 Structural BatteryCTC)電池系統集成技術(shù)。根據專(zhuān)利中公開(kāi)披露的內容,可以對特斯拉CTC有整體的方向性認知:電池包上蓋與車(chē)輛結構如座椅直接連接在一起,成為乘員座艙地板的結構;電芯之間填充樹(shù)脂材料,特斯拉認為這一方面可以提供熱保護,另一方面可以為電芯提供結構性支撐;在與大模組方案的對比中,CTC方案具有減少支撐件、減輕整車(chē)質(zhì)量、提升整體電池容量。4680 CTC:正式上車(chē)Model Y,德州工廠(chǎng)Q1開(kāi)啟交付特斯拉的CTC方案,能夠使車(chē)輛續航里程增加14%,單位成本下降7%,單位投資下降8%。在特斯拉2021Q4財報中,可以看到在德州超級工廠(chǎng)中工人將Model Y座椅與4680 CTC電池包直接連接,CTC的落地將顯著(zhù)提高其總裝生產(chǎn)效率。

 

3、一體化壓鑄:以Y為始,持續推動(dòng)車(chē)身輕量化進(jìn)階一體化壓鑄:傾力布局,研發(fā)不斷突破特斯拉在其四大汽車(chē)工廠(chǎng)均部署了6000噸級大型壓鑄機-GigaPress。目前,上海工廠(chǎng)已裝配5個(gè)大型壓鑄機,用于Model Y后地板的生產(chǎn)。德州工廠(chǎng)3月剛剛開(kāi)啟量產(chǎn),在Model Y后地板的基礎上,增加了前地板(前縱梁)的一體化壓鑄。特斯拉吸能系統將與支撐系統集成。202175日,特斯拉申請了集成吸能鑄件專(zhuān)利,這種能量吸收系統廣泛應用于汽車(chē)碰撞結構。通過(guò)單一鑄造工藝可將該吸能系統與部分或全部支撐結構集成,從而減少對包括點(diǎn)焊、縫焊、鉚接、螺栓連接、粘合等工藝的需要。

一體化壓鑄:部件拓展至前地板,整體焊點(diǎn)減少1 6 0 0+個(gè)特斯拉一體化壓鑄拓展至前地板。根據特斯拉公告顯示,2020年特斯拉公布Model Y一體化壓鑄后地板方案,可將零件由70個(gè)減少至1~2個(gè);2022Q1財報公布德州奧斯汀工廠(chǎng)生產(chǎn)的一體化壓鑄車(chē)身方案,可將前&后地板零部件數量從171個(gè)減少至2個(gè),焊接點(diǎn)數量減少超1600個(gè)。一體化壓鑄:德州工廠(chǎng)量產(chǎn),特斯拉使用的壓鑄機Giga Press由力勁科技生產(chǎn),占地面積相比于傳統沖壓焊接工藝的生產(chǎn)設備能夠節省35%。根據特斯拉財報信息,上海超級工廠(chǎng)已有5臺大型壓鑄設備用于生產(chǎn),德州奧斯汀超級工廠(chǎng)Model Y車(chē)身前地板(前縱梁)一體化壓鑄也將實(shí)現量產(chǎn)。

蔚來(lái)與文燦合作ET5一體化壓鑄車(chē)身后地板。蔚來(lái)ET5采用一體化壓鑄后地板,一體鑄造工藝使車(chē)身后地板重量降低30%,同時(shí)后備箱空間增加11L。202111月,文燦6000T超大型壓鑄島成功試模,一體化壓鑄的汽車(chē)后地板產(chǎn)品成功下線(xiàn)。

 

4、造車(chē)新勢力搶先跟進(jìn)一體化壓鑄

蔚來(lái)與文燦合作ET5一體化壓鑄車(chē)身后地板。蔚來(lái)ET5采用一體化壓鑄后地板,一體鑄造工藝使車(chē)身后地板重量降低30%,同時(shí)后備箱空間增加11L。202111月,文燦6000T超大型壓鑄島成功試模,一體化壓鑄的汽車(chē)后地板產(chǎn)品成功下線(xiàn)。小鵬汽車(chē)攜手廣東鴻圖布局一體化壓鑄。1、目前廣東鴻圖已進(jìn)入小鵬汽車(chē)的配套體系,雙方同步開(kāi)發(fā)一體化壓鑄零部件。20221月,廣東鴻圖6800T底盤(pán)一體化結構件正式下線(xiàn)。2、武漢基地將建設一體化壓鑄車(chē)間,20217月該項目正式啟動(dòng),占地約1500畝,規劃產(chǎn)能10萬(wàn)輛,將引進(jìn)一套以上超大型壓鑄島及自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)。20222月高合汽車(chē)與拓普合作的一體化超大壓鑄車(chē)身后艙下線(xiàn)。本次7200T壓鑄機生產(chǎn)的超大型結構件長(cháng)寬分別近1700mm1500mm,實(shí)現15~20%的減重,整個(gè)開(kāi)發(fā)周期縮短1/3。材料方面,合作方TechCast?高強韌性免熱處理鋁合金材料可以避免因熱處理帶來(lái)的零件尺寸變形及表面缺陷等問(wèn)題,流動(dòng)性高于同級別材料15%以上、強塑積高出30%以上,保證了整車(chē)碰撞等性能達到更高維度。

 

5、國際傳統主機廠(chǎng)跟進(jìn)一體化壓鑄

奔馳發(fā)布一體化壓鑄成果,性能提升顯著(zhù)。奔馳全球首發(fā)最新科研成果—VISION EQXX,其中最大的創(chuàng )新在于車(chē)身的后部及前部塔頂應用了仿生工程結構部件,整個(gè)車(chē)身后部是由一塊獨立完整的鋁合金鑄件形成。與傳統工藝相比,車(chē)身后部的剛性得以大幅提高,并有望減輕15-20%的重量。沃爾沃將引入一體化壓鑄。沃爾沃將對其瑞典工廠(chǎng)投資100億瑞典克朗,將在該工廠(chǎng)引進(jìn)一些新的、更具可持續性的技術(shù)和制造工藝,其中包括一體化壓鑄工藝。

 

6、滑板底盤(pán)成為推動(dòng)CTC和一體化壓鑄中長(cháng)期發(fā)展的重要推動(dòng)力

滑板底盤(pán)是當前汽車(chē)行業(yè)最重要的革命性技術(shù)之一,其最大的特點(diǎn)是上下車(chē)體解耦,從而大幅縮短整車(chē)研發(fā)周期。因此,滑板需要搭載非承載式車(chē)身結構和線(xiàn)控底盤(pán);為了便于上裝,底盤(pán)不能占據過(guò)多縱向空間,三合一等集成式電驅系統成為必需;高度集成智能化模塊,需要以集中式EEA為基礎,并實(shí)現軟硬件解耦;在有限空間內提升動(dòng)力電池的質(zhì)量/體積能量密度,與CTC電池系統集成方案高度契合;高度集成后,底盤(pán)的結構更加復雜,一體化壓鑄能夠更好匹配底盤(pán)工藝提升的需求。近幾年眾多國內外廠(chǎng)商陸續推出自研的滑板底盤(pán),技術(shù)正在逐步走向成熟。

 

7、新能源汽車(chē)續航提升倒逼車(chē)身輕量化發(fā)展

新能源乘用車(chē)銷(xiāo)量持續高增,2022年預計將超540萬(wàn)輛。2018~2021年,新能源乘用車(chē)銷(xiāo)量分別為:105、106、120、332萬(wàn)輛;2021年新能源乘用車(chē)滲透率為15.5%。20223月新能源乘用車(chē)滲透率已達24.7%,再創(chuàng )新高。我們認為,2022年新能源乘用車(chē)銷(xiāo)量將超540萬(wàn)輛。新能源汽車(chē)三電系統增重較大。相比燃油車(chē),新能源汽車(chē)雖減少發(fā)動(dòng)機、變速箱系統,但因電池能量密度(約0.1-0.3KWH/KG)低于燃油(12KWH/KG以上),三電系統增重較大。我們選取若干品牌下幾款車(chē)型的不同動(dòng)力版本進(jìn)行整備質(zhì)量的對比測算,相比于燃油版車(chē)型,純電版重量增加約19%~32%,插混版增加約12~18%。

 

續航里程提升訴求倒逼汽車(chē)輕量化發(fā)展。相比傳統燃油汽車(chē),新能源汽車(chē)重量大導致續航里程受到嚴重影響。2019(第十三屆)汽車(chē)輕量化大會(huì )中有數據顯示,純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)重量每降低10%,平均續航里程將增加5%-8%。汽車(chē)輕量化可顯著(zhù)改善新能源汽車(chē)各項性能,主要體現在環(huán)保性、效用性、動(dòng)力性、安全性、制動(dòng)性方面。

 

8、鋁合金是當前性?xún)r(jià)比最高的車(chē)身輕量化材料

汽車(chē)輕量化的實(shí)現主要通過(guò)輕質(zhì)材料的運用。汽車(chē)輕量化的主要途徑有結構優(yōu)化設計、輕量化材料應用、輕量化加工制造技術(shù)。其中,當前的主要汽車(chē)輕量化措施主要是采用輕質(zhì)材料。

各類(lèi)輕量化材料中,鋁合金性?xún)r(jià)比最高。對比多種金屬合金和復合材料,鋁合金在性能、密度以及價(jià)格等多方面綜合優(yōu)勢明顯,是最具性?xún)r(jià)比的輕量化材料。

 

9、連接工藝、結構件性能及尺寸制約鋁合金材料在汽車(chē)中的應用

鋁合金車(chē)身的制造工藝復雜度遠超鋼制車(chē)身。若采用鋁合金替代鋼材,白車(chē)身通??山抵?/span>1/3左右。以?shī)W迪A8為例,因采用全鋁車(chē)身,白車(chē)身重量?jì)H為215kg。但鋁金屬導熱系數大,易造成焊縫性能下降、合金表面氧化層污染電極的問(wèn)題,并且鋁的熱膨脹系數高易導致零件變形大。仍以?shī)W迪A8為例,其車(chē)身制造需要包括MIG焊、遠程激光焊等在內的14種連接工藝,工藝復雜度遠高于以電阻焊為主的鋼制白車(chē)身。

車(chē)身結構件對性能要求高,鋁合金材料滲透率受限。通常,車(chē)身結構件尺寸大、結構復雜,且壁厚通常只有2-3mm,并需要具有高延伸率及較高強度,以滿(mǎn)足安全性能(碰撞測試)要求和零件連接要求。隨著(zhù)工藝/材料/設備等重點(diǎn)技術(shù)突破,鋁合金車(chē)身結構件滲透率有望持續提升。

 

10、壓鑄工藝持續進(jìn)步與革新

壓鑄工藝起源于1885年,于1904年以壓鑄連桿軸承的形勢最先應用于汽車(chē)工業(yè)中。壓鑄機經(jīng)歷氣壓壓鑄、冷室壓鑄、雙沖頭壓鑄等技術(shù)突破,目前壓鑄設備已發(fā)展為以壓鑄機/模具為核心、其他外圍設備輔助的壓鑄島。

 

11、高壓壓鑄是適用于鋁合金材料的高效加工工藝

高壓壓鑄是適用于鋁合金材料的高效加工工藝。壓力鑄造主要分為高壓鑄造、低壓鑄造、差壓鑄造等。其中,低壓鑄造與差壓鑄造多用于發(fā)動(dòng)機、底盤(pán)區域,而高壓鑄造因效率高、加工零件壁厚小等特點(diǎn),在汽車(chē)車(chē)身中的運用越來(lái)越多,是未來(lái)的重要方向。壓鑄分為冷室壓鑄和熱室壓鑄:冷室壓鑄主要應用于大型零部件的制造,如汽車(chē)零部件、通訊基站冷卻部件等;熱室壓鑄則廣泛應用于小型電子或3C產(chǎn)品的生產(chǎn),比如USB接頭、筆記本殼體等。

 

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