Os benefícios da tecnologia de fundição sob pressão na fabricação

Em 2020, o "Roteiro de tecnologia de veículos de economia de energia e novas energias 2.0" da China Automobile foi lançado. Em 2025, 2030 e 2035, o consumo médio de combustível dos novos automóveis de passageiros atingirá 4,6, 3,2 e 2,0 L/100 km, e os padrões de poupança de energia e redução de emissões continuarão a ser atualizados. De acordo com os dados da "Buhler China", cada redução de 10% no peso do veículo pode economizar até 5% a 10% de combustível, e cada redução de 100 kg no peso do veículo pode reduzir o consumo de combustível em 0,3 a 0,6 L por 100 quilômetros e reduzir as emissões de CO2 em 8,5 g/km, a autonomia média de cruzeiro dos veículos elétricos puros aumentará de 5% a 8% para cada 10% de redução na qualidade do veículo. Portanto, o peso leve dos automóveis tornou-se uma tecnologia chave de desenvolvimento no campo da economia de energia e redução de emissões. A principal forma técnica de alcançar o peso leve dos veículos de novas energias é a fundição sob pressão integrada de carrocerias em liga de alumínio.
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Situação atual da fundição sob pressão integrada em liga de alumínio
Em julho de 2019, Tesla emitiu uma nova patente "Máquina de fundição de formação integral de corpo multidirecional para estruturas de automóveis e métodos de fundição relacionados". Neste método, um conjunto de moldes fixos é colocado no centro e quatro conjuntos de moldes móveis são colocados em quatro direções diferentes. Os moldes móveis são respectivamente fixados aos moldes fixos no centro por meio de equipamento hidráulico para formar juntos uma cavidade fechada. O líquido da liga de alumínio é pressionado na cavidade do molde a partir dos sprues nos quatro moldes móveis, respectivamente, e a liga de alumínio flui e solidifica na cavidade e, finalmente, forma uma peça estrutural de fundição sob pressão integrada em grande escala.

Tesla é o fundador da fundição sob pressão integrada de liga de alumínio para peças automotivas em grande escala. O layout da fundição integrada pode ser dividido em três etapas. A primeira etapa: o Modelo S/X adota uma carroceria toda em alumínio, de acordo com o processo tradicional de estampagem e soldagem. Desenvolvimento completo do veículo; a segunda etapa: o Modelo Y utiliza uma máquina de fundição sob pressão de 6.000 t para produzir o piso traseiro, reduzindo o peso da parte inferior da carroceria em 10% e reduzindo o custo de fabricação em 40%; a terceira etapa: parte inferior da carroceria fundida integrada, integração da carroceria dianteira e traseira (o número de peças é reduzido de 171 para 2, e o número de pontos de soldagem é reduzido em mais de 1 600) e 4 680 células de bateria CTC (a bateria é integrada na carroceria do carro e diretamente conectada ao assento), o peso do veículo é reduzido em 10%, A autonomia de cruzeiro aumentou 14%, o número de peças diminuiu 370, o custo diminuiu em 7%, e o investimento unitário diminuiu 8%. Atualmente está em produção em massa na fábrica de Austin, Texas.

Em 2020, a Tesla começou a cooperar com o fabricante italiano de equipamentos de fundição sob pressão Idra para usar a unidade de fundição sob pressão de 6.000 toneladas Giga Press para produzir a montagem do piso traseiro do Modelo Y por fundição sob pressão integral. De acordo com o layout da Tesla, dois conjuntos de equipamentos de fundição sob pressão integrados Idra IDRA6000t da Itália foram instalados na fábrica de Fremont, na Califórnia, três conjuntos de equipamentos de fundição sob pressão integrados da série LK DCC6000 foram instalados em Xangai e um equipamento de fundição sob pressão integrado da classe IDRA 8000t foi instalado na fábrica do Texas. Para equipamentos de fundição sob pressão, a capacidade de produção planejada da fábrica de Berlim é de 500.000 veículos, e serão instalados 8 equipamentos integrados de fundição sob pressão. Com quatro fábricas e 14 equipamentos de fundição sob pressão integrados, a Tesla estabeleceu a tecnologia de fundição sob pressão integrada como um processo padrão.

A Volkswagen planeja começar a aplicar fundição sob pressão integrada na plataforma SSP (Scalable Systems Platform). De acordo com o Online EV, em maio de 2022, o protótipo integrado de carroceria traseira em alumínio fundido da Volkswagen sairá da linha de produção na fábrica de Kassel. As peças são produzidas por uma máquina de fundição sob pressão de 4 400 t, que integra mais de 30 peças e reduz o peso em cerca de 10 kg. O Trinity é um dos primeiros modelos baseados na plataforma SSP.

De acordo com a Auto-evolution News, a Volvo anunciou um investimento de SEK 20 mil milhões para modernizar a sua fábrica em Torslanda, incluindo tecnologia integrada de fundição sob pressão. Também estabelecerá uma fábrica de fundição de alumínio com capacidade anual de 55.000 toneladas em Torslanda e, eventualmente, planeja introduzir tecnologia integrada de fundição sob pressão em todas as suas fábricas. Espera-se que atinja a produção em massa de carros de fundição sob pressão integrados em 2025.

Em janeiro de 2022, a Mercedes-Benz lançou um novo carro-conceito VISIONEQXX. A parte traseira da carroceria e o topo da torre de absorção de choque na frente usam os mesmos componentes estruturais de engenharia biônica do Tesla. Todo o corpo consiste em três partes: uma peça fundida na frente e atrás e uma bateria estrutural no meio. Tal projeto pode reduzir o peso da carroceria do veículo em 15% a 20%. O consumo de energia do VISION EQXX pode atingir menos de 10 kW h/100 km e a quilometragem elétrica real excede 1.000 km.

Entre as novas forças domésticas, em dezembro de 2021, a NIO anunciou na coletiva de imprensa do ET5 que passará a utilizar um processo de fundição integrado. O ET5 utiliza uma carroceria híbrida de aço-alumínio de ultra-alta resistência, que reduz o peso do piso traseiro da carroceria em 30% e aumenta o espaço do porta-malas em 7 litros. , a rigidez torcional do veículo chega a 34.000 N·m/graus.

Na conferência de desempenho de 2021, a Xiaopeng Motors anunciou que lançará duas novas plataformas e seu primeiro modelo em 2023, e usará um novo processo de fundição sob pressão integrado ultragrande. Espera-se que o Projeto de Base Industrial Xiaopeng Motors Wuhan seja colocado em operação em outubro de 2022, incluindo uma oficina integrada de fundição sob pressão. A fábrica da Xpeng Motors em Wuhan também apresentará mais de um conjunto de ilhas de fundição sob pressão supergrandes e linhas de produção automatizadas.

Em 25 de fevereiro de 2022, a cabine traseira de fundição sob pressão supergrande integrada de 7200t, desenvolvida em conjunto pela Gaohe Automobile e pelo Grupo Tuopu, foi retirada com sucesso da linha de montagem. O material de liga da Universidade Jiao Tong de Xangai é usado nesta peça, o que atinge uma redução de peso de 15% a 20%, e todo o ciclo de desenvolvimento é reduzido em um terço. Esta máquina de fundição sob pressão é a maior fundição sob pressão de liga de alumínio integrada conhecida no campo de peças automotivas. Muitos fornecedores nacionais aceleraram o ritmo de introdução de equipamentos de fundição sob pressão em grande escala e o desenvolvimento de materiais livres de calor e entraram na indústria integrada de fundição sob pressão.

2 Barreiras à tecnologia integrada de fundição sob pressão

Atualmente, as barreiras à tecnologia de fundição sob pressão integrada refletem-se principalmente em quatro aspectos: máquinas de fundição sob pressão em grande escala, fórmula de material de liga de alumínio sem calor, projeto de molde de fundição sob pressão e processo de fundição sob pressão a vácuo.

2.1 Grande máquina de fundição sob pressão

A indústria de máquinas de fundição sob pressão em grande escala tem grandes barreiras de entrada e altos requisitos de teoria, experiência e processos de fabricação. Ao mesmo tempo, o ciclo de desenvolvimento de máquinas de fundição sob pressão em grande escala é muito longo, com grande investimento inicial e alto custo (uma máquina de fundição sob pressão requer uma média de 100 milhões de yuans). A fundição sob pressão integrada requer que a força de fixação da máquina de fundição sob pressão seja pelo menos superior a 6.000 t (a força de fixação da fundição sob pressão tradicional é geralmente inferior a 5.000 t). Em outubro de 2021, Bühler, na Suíça, lançou a máquina de fundição sob pressão ultragrande de duas placas Carat 840/920 (Figura 2), com uma força de fixação de até 92.000 kN. Dois conjuntos de ilhas de fundição sob pressão Carat 840 foram entregues à fábrica da Volvo em Torslanda para realizar a fundição sob pressão integrada. A máquina de fundição sob pressão OL6200CS desenvolvida pela italiana IDRA (uma subsidiária da LK) tem 19,5 m de comprimento, 5,9 m de largura e 5,32 m de altura, o que equivale a uma quadra de badminton. O tamanho efetivo da plataforma é de 2,35 m de comprimento e largura. O espaço da bancada pode acomodar quaisquer peças cujo comprimento, largura e altura estejam dentro de 2 m, e pode fornecer uma força de fixação máxima de 6.218 t. De acordo com a patente solicitada pela empresa suíça Buhler em 2011, ele pode formar uma cavidade entre os moldes de fundição, injetar líquido de alumínio na cavidade e gerar pressão negativa na cavidade do molde após a aspiração, o que pode efetivamente eliminar a turbulência causada pela fundição. Porosidade, que ajuda a melhorar a compactação interna das peças fundidas. A LK, uma fábrica nacional de máquinas de fundição sob pressão, tem uma participação de mais de 40% no mercado global de máquinas de fundição sob pressão. Ela assumiu a liderança no desenvolvimento de uma máquina de fundição sob pressão de 6.000 toneladas (Figura 3) e agora desenvolveu uma máquina de fundição sob pressão de 12.000 toneladas. Em abril de 2021, a Haitian Metals lançou a primeira máquina de fundição sob pressão HDC8800 t do mundo em Chongqing Milison, que pode realizar a integração de grandes peças estruturais, como carroceria e chassi, incluindo veículos de nova energia. A máquina de fundição sob pressão de 7000t da Yizumi também será montada em breve.

2.2 Liga fundida de alta pressão sem tratamento térmico

Liga livre de tratamento térmico refere-se à fórmula de liga especial, após a conclusão da fundição, a fundição pode obter propriedades mecânicas ideais sem tratamento térmico e pode evitar a deformação da peça durante o tratamento térmico (solução de alta temperatura e tratamento de envelhecimento). A partir de 2021, empresas nacionais e estrangeiras, incluindo Alcoa, Rheinland, Tesla, Shanghai Jiaotong University, NIO e Lizhong Group, estão desenvolvendo e promovendo materiais livres de calor, que tornam possível a fundição sob pressão integrada.

O produto da Alcoa é a liga de alumínio fundido sob pressão AI-Si isenta de calor da série EZCAST C611, que foi desenvolvida com sucesso pela Alcoa na década de 1990 e aplicada à carroceria toda em alumínio do Audi A8. O Grupo Shuaiyichi assinou um contrato de agência exclusivo com a Alcoa para representar as ligas de alumínio fundido de alta resistência e isentas de calor da Alcoa. Além disso, a Rheinmetall da Alemanha também desenvolveu ligas resistentes e de alta resistência das séries Al-Si e Al-Mg, como ligas de alumínio fundidas sob pressão Castasil-37; A Canadian Aluminium Corporation desenvolveu ligas de alumínio para fundição sob pressão, como Aural-2 e Aural-3 Material. O material de liga livre de calor LDHM-02 desenvolvido pelo Grupo Lizhong obteve patentes relevantes e foi fornecido em lotes. De acordo com a mais recente patente relevante "Um material de liga de alumínio resistente e de alta resistência e livre de calor e seu método de preparação" na aplicação de uma subsidiária do Grupo Lizhong, o material de liga de alumínio desenvolvido pela empresa tem uma resistência ao escoamento de 130 MPa, uma resistência à tração de 250 MPa e uma taxa de alongamento de 250 MPa. Mais de 10%, para atender às necessidades dos clientes, o Grupo Lizhong alcançou uma cooperação estratégica com Wencan. Em dezembro de 2021, o Centro de Liga Leve da Universidade Jiaotong de Xangai e a Human Horizons Gaohe Automobile alcançaram uma cooperação estratégica, a primeira liga de alumínio de baixo carbono Tech CastTM do mundo para peças fundidas supergrandes, que será adotada em grandes quantidades nos modelos subsequentes da Gaohe Automobile.

A composição e o processo dos materiais de liga isentos de calor são complexos e apresentam altas barreiras técnicas. Entre eles, o projeto da composição dos materiais de liga é a principal barreira técnica para o desenvolvimento de ligas livres de calor. As ligas de alumínio fundido comumente usadas são as séries Al-Si, Al-Mg, Al-Si-Cu e Al-Si-Mg. A distribuição dos componentes principais afeta as propriedades mecânicas da liga, como resistência e dureza, e ao mesmo tempo afeta a fluidez, solidificação, etc.

A liga SJTU-A-Mg-Si-Mn é uma liga de fundição sob pressão sem tratamento térmico desenvolvida pela Shanghai Jiaotong University. Sua finalidade é aumentar o limite de escoamento, mantendo a boa tenacidade do material. As ligas atuais das séries Al-Si e Al-Mg geralmente apresentam resistência e tenacidade médias. Com a melhoria contínua dos requisitos de integração e leveza das peças estruturais fundidas em liga de alumínio, o desenvolvimento de novas ligas fundidas deve ter como objetivo aumentar o limite de escoamento ou tenacidade, ao mesmo tempo em que tem uma boa direção de fluidez de fundição.

2.3 Molde de fundição sob pressão

A fundição sob pressão integrada tem requisitos mais elevados de resistência e tenacidade do molde e requer resistência ao impacto e estabilidade de revenido, boa condutividade térmica e resistência à fadiga, pequeno coeficiente de expansão térmica e

resistência à oxidação em alta temperatura. A fundição sob pressão requer enchimento e solidificação em alta velocidade, e os requisitos para temperatura do molde de fundição, grau de vácuo, esquema de formação, parâmetros de processo e pós-processamento são mais altos. A fundição sob pressão integrada requer um molde grande, o molde é mais complexo e o projeto do molde é mais difícil. O projeto do molde precisa projetar o sistema de exaustão e coleta de escória, e a tecnologia de simulação CAE precisa ser usada para simular o processo de enchimento. A exaustão deficiente causará poros nas peças e resíduos. Quando a peça é resfriada após a fundição, o tamanho diminuirá. É necessário simular com precisão o processo de resfriamento da peça fundida, definir um riser de alimentação na peça de resfriamento final e evitar ilhas térmicas, caso contrário, cavidades de retração, porosidade e defeitos de trincas ocorrerão na peça durante o processo de retração por resfriamento. Os fabricantes de projetos de moldes devem ter a capacidade de simular e analisar o enchimento de moldes de fundição sob pressão. Apenas alguns moldes de fundição sob pressão integrados domésticos podem fazê-lo, como Guangzhou Cavity, Ningbo Zhenzhi, Feiwang, Beilun Saiweida, Xiangshan Heli, Beilun Zhenzhi, etc. Um conjunto de moldes pode suportar 60.000 a 80.000 conjuntos de capacidade de produção por ano, e o preço unitário de cada conjunto de moldes é próximo a 10 milhões de yuans. O primeiro conjunto de moldes de fundição sob pressão de liga de alumínio integrados ultragrandes de 6.800 t na China foi fabricado em teste com sucesso na Hongtu Technology. O molde é desenvolvido de forma independente pela Guangzhou Cavity Mold e o peso do molde excede 140 t. As peças estruturais integradas de Guangdong Hongtu para chassis de automóveis adotam materiais de liga de alumínio autodesenvolvidos de alta resistência, tenacidade e livres de calor. O tamanho da peça fundida é de cerca de 1,7 m de comprimento, 1,5 m de largura e 0,7 m de altura, e o peso do vazamento é de cerca de 100 kg. É a maior liga de alumínio atualmente. Uma das peças fundidas sob pressão de alta resistência e tenacidade. O primeiro lote de 9.000 t de peças automotivas de fundição sob pressão integradas em grande escala do Grupo Wencan foi retirado com sucesso da linha de produção em Tianjin, e os moldes foram fornecidos pela Ningbo Saiweida. Atualmente, a Saivida e a Heli Technology estão desenvolvendo moldes de 12.000 a 20.000 t para peças estruturais de carroceria integradas.

2.4 Processo de fundição sob pressão

A fundição sob pressão integrada é, na verdade, um sistema de controle de alto vácuo adicionado ao processo de fundição sob pressão a vácuo, que requer sensores de alta precisão para controlar o processo de aspiração. O processo tecnológico é fechamento do molde, vazamento, abertura a vácuo, aspiração e exaustão da cavidade, injeção, abertura do molde, coleta, pulverização, fechamento do molde novamente, etc. Durante o processo de fundição sob pressão, o tanque de vácuo, a válvula de escape de vazamento e a válvula de exaustão da cavidade são controladas por sensores de vácuo de alta precisão e quatro pontos de contato são acionados pela configuração de parâmetros: início do vácuo de vazamento, final do vácuo de vazamento, vácuo da cavidade comece e a cavidade é aspirada. O enchimento em alta velocidade da fundição sob pressão pode facilmente levar à incapacidade de descarregar completamente o gás na câmara ou cavidade de pressão. O gás envolvido no metal fundido existirá na peça fundida na forma de poros, que não podem ser soldados e reduzem as propriedades mecânicas. Portanto, a fundição integrada deve ser equipada com aspiração de cavidade. sistema. O processo de fundição sob pressão é muito importante para produzir peças qualificadas. Para diferentes estruturas de peças, os parâmetros do processo de fundição precisam ser depurados e explorados por um longo tempo. O modo de injeção correto e os parâmetros de fundição sob pressão contribuem para reduzir os defeitos das peças fundidas. A maior parte do gás na fundição sob pressão vem do líquido metálico na fase de pré-enchimento na câmara de pressão, é necessário otimizar repetidamente os parâmetros de injeção lenta para evitar a inclusão de gás no metal fundido durante o processo de fundição sob pressão. Para fundição de ligas e tratamento de desidrogenação, é necessário usar ingredientes metálicos eletrolíticos de alta pureza no processo de fusão para evitar contaminação por impurezas metálicas; durante a fundição, a fim de evitar a oxidação e segregação do metal fundido, ele precisa ser derretido rapidamente, e o alumínio fundido precisa ser desidrogenado e removido a escória após a fusão. Para tratamento, geralmente é usado gás nitrogênio ou argônio para remover o hidrogênio, e o tempo de remoção do hidrogênio é de 10 ~ 15 minutos, o que é equivalente a AlSi10MnMg. O tempo de espera não deve ser muito longo para evitar a queima da modificação Sr. A temperatura de fusão é (730±10) °C e não deve exceder 780 °C. O método de vazamento geralmente adota injeção de fundo para evitar defeitos de inclusão nas peças fundidas. O tempo de pulverização, ângulo e faixa de pulverização, quantidade de pulverização, ângulo de sopro e seleção do tipo de agente desmoldante (pequena geração de gás, boa volatilidade) do agente desmoldante precisam ser verificados. Não deve haver umidade residual na cavidade antes do fechamento do molde. A temperatura de fundição é de 700 ~ 710 ℃, cerca de 20 ℃ mais alta que a do AlSi10MnMg. O molde precisa usar um controlador de temperatura do molde especial para controlar a temperatura do molde, e a temperatura do molde é geralmente controlada em 120 ~ 180 ℃. Durante o processo de fundição, o sistema de bombeamento a vácuo deve ser iniciado a tempo. Após o punção selar o canal de entrada, o bombeamento a vácuo deve ser iniciado imediatamente. Antes que a câmara de pressão esteja cheia, o grau de vácuo deve ser atendido. O tempo de bombeamento a vácuo deve ser estendido tanto quanto possível e a válvula de vácuo deve ser fechada o mais tarde possível. A qualidade das peças fundidas sob pressão integradas é muito importante e a válvula de vácuo depende basicamente de importações. A taxa de aprovação da primeira fundição integrada da Tesla foi de 65% a 72%, e a taxa de lucro bruto pode chegar a 30%. Após a revisão do padrão de qualidade de fundição em fevereiro de 2022, a taxa de aprovação atingiu mais de 80%.

 

3 Conclusão
O processo de fundição sob pressão integrado em liga de alumínio é uma tecnologia revolucionária importante na fabricação de peças estruturais automotivas. Nos últimos 50 anos, o processo de fabricação de carrocerias automotivas sempre foi dominado pela soldagem robótica após a estampagem de chapas metálicas. A tecnologia integrada de fundição sob pressão trouxe grandes mudanças no processo de fabricação de carrocerias automotivas. As máquinas de fundição sob pressão substituirão os robôs de soldagem como equipamento principal para a fabricação de automóveis no novo campo da energia. Sob a promoção da meta de "carbono duplo", a tecnologia integrada de fundição sob pressão tem vantagens óbvias em termos de eficiência de produção, redução de custos e redução de peso. O projeto e a fabricação integrados de fundição sob pressão de liga de alumínio são uma tecnologia integrada e completa com altas barreiras técnicas, incluindo desenvolvimento e aplicação de software, projeto de estrutura de componentes, desenvolvimento de material livre de calor, processo de formação de fundição sob pressão, capacidade da unidade de fundição e projeto de molde em grande escala. inovação. Em particular, o projeto e a fabricação de moldes não devem considerar apenas a fluidez dos materiais de fundição, o equilíbrio térmico, a vida útil do molde, o processo de formação de peças e a garantia de qualidade, mas também considerar a otimização da tecnologia de processamento subsequente das peças. "Processo e equipamento integrado de moldagem por fundição sob pressão" foi incluído no principal plano nacional de pesquisa e desenvolvimento. O desenvolvimento contínuo da indústria de veículos de nova energia promoverá grandemente o desenvolvimento da tecnologia de fundição sob pressão integrada de liga de alumínio, e a fundição sob pressão integrada de liga de alumínio se tornará o processo de fabricação preferido para novas empresas de veículos de energia.