Los beneficios de la tecnología de fundición a presión en la fabricación

En 2020, se publicó la "Hoja de ruta 2.0 de tecnología de vehículos de nueva energía y ahorro de energía" de China Automobile. En 2025, 2030 y 2035, el consumo medio de combustible de los turismos nuevos alcanzará los 4,6, 3,2 y 2,0 L/100 km, y se seguirán mejorando los estándares de ahorro de energía y reducción de emisiones. Según los datos de "Buhler China", cada reducción del 10% en el peso del vehículo puede ahorrar entre un 5% y un 10% de combustible, y cada reducción de 100 kg en el peso del vehículo puede reducir el consumo de combustible entre 0,3 y 0,6 litros cada 100 kilómetros y reducir las emisiones de CO2 en 8,5 g/km. La autonomía de crucero promedio de los vehículos eléctricos puros aumentará entre un 5% y un 8% por cada reducción del 10% en la calidad del vehículo. Por tanto, el aligeramiento de los automóviles se ha convertido en una tecnología de desarrollo clave en el campo del ahorro energético y la reducción de emisiones. La principal forma técnica de lograr el peso ligero de los vehículos de nueva energía es la fundición integrada de carrocerías de aleación de aluminio.
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Situación actual de la fundición a presión integrada de aleación de aluminio
En julio de 2019, Tesla emitió una nueva patente "Máquina de fundición de formación integral de carrocería multidireccional para estructuras de automóviles y métodos de fundición relacionados". En este método, se coloca un conjunto de moldes fijos en el centro y cuatro conjuntos de moldes móviles en cuatro direcciones diferentes. Los moldes móviles están unidos respectivamente a los moldes fijos en el centro a través de equipos hidráulicos para formar juntos una cavidad cerrada. El líquido de aleación de aluminio se presiona en la cavidad del molde desde los bebederos de los cuatro moldes móviles respectivamente, y la aleación de aluminio fluye y se solidifica en la cavidad, y finalmente forma una pieza estructural de fundición a presión integrada a gran escala.

Tesla es el fundador de la fundición a presión integrada de aleaciones de aluminio para piezas de automóviles a gran escala. El diseño de la fundición a presión integrada se puede dividir en tres etapas. La primera etapa: el Model S/X adopta una carrocería totalmente de aluminio, según el proceso tradicional de estampado y soldadura. Desarrollo completo del vehículo; la segunda etapa: el Modelo Y utiliza una máquina de fundición a presión de 6.000 toneladas para producir el piso trasero, reduciendo el peso de la parte inferior de la carrocería en un 10% y reduciendo el costo de fabricación en un 40%; la tercera etapa: parte inferior de la carrocería, parte delantera y trasera integradas de fundición a presión (el número de piezas se reduce de 171 a 2 y el número de puntos de soldadura se reduce en más de 1.600) y 4.680 celdas de batería CTC (el paquete de baterías está integrado en la carrocería y conectado directamente al asiento), el peso del vehículo se reduce en un 10%, la autonomía de crucero ha aumentado un 14%, el número de piezas ha disminuido en 370, el costo tiene disminuyó un 7% y la inversión unitaria ha disminuido un 8%. Actualmente se encuentra en producción en masa en la planta de Austin, Texas.

En 2020, Tesla comenzó a cooperar con el fabricante italiano de equipos de fundición a presión Idra para utilizar la unidad de fundición a presión de 6.000 toneladas Giga Press para producir el conjunto del piso trasero del Modelo Y mediante fundición a presión integral. Según el diseño de Tesla, se instalaron dos juegos de equipos de fundición a presión integrados Idra IDRA6000t de Italia en la planta de Fremont en California, tres juegos de equipos de fundición a presión integrados de la serie LK DCC6000 en Shanghai y un equipo de fundición a presión integrado de clase IDRA 8000t en la planta de Texas. Para los equipos de fundición a presión, la capacidad de producción prevista de la fábrica de Berlín es de 500.000 vehículos y se instalarán 8 equipos de fundición a presión integrados. Con cuatro fábricas y 14 equipos de fundición a presión integrados, Tesla ha establecido la tecnología de fundición a presión integrada como un proceso estándar.

Volkswagen planea comenzar a aplicar la fundición a presión integrada en la plataforma SSP (Scalable Systems Platform). Según Online EV, en mayo de 2022, el prototipo de carrocería trasera integrada de fundición a presión de aluminio de Volkswagen saldrá de la línea de producción en la fábrica de Kassel. Las piezas son producidas por una máquina de fundición a presión de 4.400 toneladas, que integra más de 30 piezas y reduce el peso en unos 10 kg. El Trinity es uno de los primeros modelos basados ​​en la plataforma SSP.

Según Auto-evolution News, Volvo anunció una inversión de 20 mil millones de coronas suecas para modernizar su fábrica de Torslanda, incluida la tecnología integrada de fundición a presión. También establecerá una planta de fundición de aluminio con una capacidad anual de 55.000 toneladas en Torslanda y, finalmente, planea introducir tecnología integrada de fundición a presión en todas sus fábricas. Se espera lograr la producción en masa de automóviles de fundición a presión integrada en 2025.

En enero de 2022, Mercedes-Benz lanzó un nuevo concept car VISIONEQXX. La parte trasera de la carrocería y la parte superior de la torre de amortiguación en la parte delantera utilizan los mismos componentes estructurales de ingeniería biónica que Tesla. Todo el cuerpo consta de tres partes: una pieza de fundición a presión en la parte delantera y trasera, y una batería estructural en el medio. Un diseño de este tipo puede reducir el peso de la carrocería del vehículo entre un 15% y un 20%. El consumo de energía del VISION EQXX puede alcanzar menos de 10 kWh/100 km y el kilometraje eléctrico real supera los 1.000 km.

Entre las nuevas fuerzas internas, en diciembre de 2021, NIO anunció en la conferencia de prensa de ET5 que comenzará a utilizar un proceso de fundición integrado. El ET5 utiliza una carrocería híbrida de acero y aluminio de ultra alta resistencia, que reduce el peso del piso trasero de la carrocería en un 30% y aumenta el espacio del maletero en 7 litros. , la rigidez torsional del vehículo alcanza los 34.000 N·m/grado.

En la conferencia de rendimiento de 2021, Xiaopeng Motors anunció que lanzará dos nuevas plataformas y su primer modelo en 2023, y utilizará un nuevo proceso de fundición a presión integrado ultragrande. Se espera que el proyecto de la base industrial de Xiaopeng Motors Wuhan entre en funcionamiento en octubre de 2022, incluido un taller integrado de fundición a presión. La planta de Xpeng Motors Wuhan también introducirá más de un conjunto de islas de fundición a presión de gran tamaño y líneas de producción automatizadas.

El 25 de febrero de 2022, la cabina trasera integrada de fundición a presión de gran tamaño de 7200 toneladas desarrollada conjuntamente por Gaohe Automobile y Tuopu Group salió con éxito de la línea de montaje. En esta pieza se utiliza el material de aleación de la Universidad Jiao Tong de Shanghai, lo que logra una reducción de peso del 15% al ​​20% y todo el ciclo de desarrollo se acorta en un tercio. Esta máquina de fundición a presión es la fundición a presión integrada de aleación de aluminio más grande conocida en el campo de las piezas de automóvil. Muchos proveedores nacionales han acelerado el ritmo de introducción de equipos de fundición a presión a gran escala y el desarrollo de materiales libres de calor y han entrado en la industria integrada de fundición a presión.

2 barreras para la tecnología de fundición a presión integrada

En la actualidad, las barreras a la tecnología integrada de fundición a presión se reflejan principalmente en cuatro aspectos: máquinas de fundición a presión a gran escala, fórmula de material de aleación de aluminio sin calor, diseño de moldes de fundición a presión y proceso de fundición a presión al vacío.

2.1 Máquina de fundición a presión grande

La industria de máquinas de fundición a presión a gran escala tiene altas barreras de entrada y altos requisitos de teoría, experiencia y procesos de fabricación. Al mismo tiempo, el ciclo de desarrollo de las máquinas de fundición a presión a gran escala es muy largo, con una gran inversión inicial y un alto costo (una máquina de fundición a presión requiere un promedio de 100 millones de yuanes). La fundición a presión integrada requiere que la fuerza de sujeción de la máquina de fundición a presión sea al menos superior a 6000 t (la fuerza de sujeción de la fundición a presión tradicional a alta presión suele ser inferior a 5000 t). En octubre de 2021, Buhler, Suiza, lanzó la máquina de fundición a presión de dos platos ultragrande Carat 840/920 (Figura 2), con una fuerza de sujeción de hasta 92 000 kN. Se entregaron dos juegos de islas de fundición a presión Carat 840 a la fábrica de Volvo en Torslanda para realizar una fundición a presión integrada. La máquina de fundición a presión OL6200CS desarrollada por la italiana IDRA (una filial de LK) tiene 19,5 m de largo, 5,9 m de ancho y 5,32 m de alto, lo que equivale a una cancha de bádminton. El tamaño efectivo de la plataforma es de 2,35 m de largo y ancho. El espacio del banco de trabajo puede colocar cualquier pieza cuyo largo, ancho y alto estén dentro de los 2 m, y puede proporcionar una fuerza de sujeción máxima de 6218 t. Según la patente solicitada por la empresa suiza Buhler en 2011, puede formar una cavidad entre los moldes de fundición, inyectar líquido de aluminio en la cavidad y generar presión negativa en la cavidad del molde después de aspirar, lo que puede eliminar eficazmente la turbulencia causada por la fundición. Porosidad, que ayuda a mejorar la compacidad interna de las piezas fundidas a presión. LK, una fábrica nacional de máquinas de fundición a presión, tiene una participación de más del 40% en el mercado mundial de máquinas de fundición a presión. Tomó la iniciativa en el desarrollo de una máquina de fundición a presión de 6.000 toneladas (Figura 3) y ahora ha desarrollado una máquina de fundición a presión de 12.000 toneladas. En abril de 2021, Haitian Metals lanzó la primera máquina de fundición a presión HDC8800 t del mundo en Chongqing Milison, que puede realizar la integración de grandes piezas estructurales, como carrocerías y chasis, incluidos vehículos de nueva energía. Próximamente también se ensamblará la máquina de fundición a presión de 7000 toneladas de Yizumi.

2.2 Aleación de fundición a alta presión sin tratamiento térmico

La aleación sin tratamiento térmico se refiere a la fórmula de aleación especial; una vez completada la fundición a presión, la fundición puede obtener propiedades mecánicas ideales sin tratamiento térmico y puede evitar la deformación de la pieza de trabajo durante el tratamiento térmico (solución a alta temperatura y tratamiento de envejecimiento). A partir de 2021, empresas nacionales y extranjeras, incluidas Alcoa, Rheinland, Tesla, la Universidad Jiaotong de Shanghai, NIO y Lizhong Group, están desarrollando y promoviendo materiales libres de calor, que hacen posible la fundición a presión integrada.

El producto de Alcoa es la aleación de aluminio fundido a presión AI-Si sin calor serie C611 EZCAST, que fue desarrollada con éxito por Alcoa en la década de 1990 y aplicada a la carrocería totalmente de aluminio del Audi A8. Shuaiyichi Group firmó un acuerdo de agencia exclusiva con Alcoa para representar las aleaciones de aluminio fundido de alta resistencia y sin calor de Alcoa. Además, la alemana Rheinmetall también ha desarrollado aleaciones tenaces y de alta resistencia sin calor de las series Al-Si y Al-Mg, como las aleaciones de aluminio fundido a presión Castasil-37; Canadian Aluminium Corporation ha desarrollado aleaciones de aluminio fundido a presión como los materiales Aural-2 y Aural-3. El material de aleación sin calor LDHM-02 desarrollado por Lizhong Group ha obtenido patentes relevantes y se ha suministrado en lotes. Según la última patente relevante "Un material de aleación de aluminio resistente y resistente al calor y su método de preparación" en la solicitud de una subsidiaria del Grupo Lizhong, el material de aleación de aluminio desarrollado por la compañía tiene un límite elástico de 130 MPa, una resistencia a la tracción de 250 MPa y una tasa de alargamiento de 250 MPa. Más del 10%, para satisfacer las necesidades de los clientes, Lizhong Group ha alcanzado una cooperación estratégica con Wencan. En diciembre de 2021, el Centro de Aleaciones Ligeras de la Universidad Jiaotong de Shanghai y Human Horizons Gaohe Automobile alcanzaron una cooperación estratégica, la primera aleación de aluminio con bajo contenido de carbono Tech CastTM para piezas fundidas de gran tamaño, que se adoptará en grandes cantidades en modelos posteriores de Gaohe Automobile.

La composición y el proceso de los materiales de aleación libres de calor son complejos y tienen altas barreras técnicas. Entre ellos, el diseño de la composición de los materiales de aleación es la principal barrera técnica para el desarrollo de aleaciones libres de calor. Las aleaciones de aluminio de fundición a presión más utilizadas son las series Al-Si, Al-Mg, Al-Si-Cu y Al-Si-Mg. La distribución de los componentes principales afecta las propiedades mecánicas de la aleación, como la resistencia y la dureza, y al mismo tiempo afecta la fluidez, solidificación, etc., el rendimiento de la fundición.

La aleación SJTU-A-Mg-Si-Mn es una aleación de fundición a presión sin tratamiento térmico desarrollada por la Universidad Jiaotong de Shanghai. Su propósito es aumentar el límite elástico manteniendo la buena tenacidad del material. Las aleaciones actuales de las series Al-Si y Al-Mg generalmente tienen resistencia y tenacidad medias. Con la mejora continua de la integración y los requisitos de peso ligero de las piezas estructurales de fundición a presión de aleaciones de aluminio, el desarrollo de nuevas aleaciones de fundición a presión debe tener como objetivo aumentar el límite elástico o la tenacidad, al tiempo que se tiene una buena dirección de fluidez de fundición.

2.3 Molde de fundición a presión

La fundición a presión integrada tiene requisitos más altos en cuanto a resistencia y tenacidad del molde, y requiere tenacidad al impacto y estabilidad de templado, buena conductividad térmica y resistencia a la fatiga, pequeño coeficiente de expansión térmica y

Resistencia a la oxidación a alta temperatura. La fundición a presión requiere un llenado y una solidificación a alta velocidad, y los requisitos de temperatura del molde de fundición a presión, grado de vacío, esquema de conformado, parámetros de proceso y posprocesamiento son mayores. La fundición a presión integrada requiere un molde grande, el molde es más complejo y el diseño del molde es más difícil. El diseño del molde debe diseñar el sistema de recolección de escoria y escape, y se debe utilizar la tecnología de simulación CAE para simular el proceso de llenado. Un escape deficiente provocará poros en las piezas y productos de desecho. Cuando la pieza se enfría después de la fundición a presión, el tamaño se reducirá. Es necesario simular con precisión el proceso de enfriamiento de la pieza fundida, colocar un tubo ascendente de alimentación en la pieza de enfriamiento final y evitar islas térmicas; de lo contrario, se producirán cavidades de contracción, porosidad y defectos de grietas en la pieza durante el proceso de contracción por enfriamiento. Los fabricantes de diseño de moldes deben tener la capacidad de simular y analizar el llenado de moldes de fundición a presión. Solo unos pocos moldes de fundición a presión integrados nacionales pueden hacerlo, como Guangzhou Cavity, Ningbo Zhenzhi, Feiwang, Beilun Saiweida, Xiangshan Heli, Beilun Zhenzhi, etc. Un conjunto de moldes puede soportar de 60.000 a 80.000 conjuntos de capacidad de producción por año, y el precio unitario de cada conjunto de moldes se acerca a los 10 millones de yuanes. El primer conjunto de moldes de fundición a presión de aleación de aluminio integrados ultragrandes de 6.800 t en China se fabricó con éxito en una prueba de prueba en Hongtu Technology. El molde es desarrollado de forma independiente por Guangzhou Cavity Mould y el peso del molde supera las 140 t. Las piezas estructurales integradas de Guangdong Hongtu para chasis de automóviles adoptan materiales de aleación de aluminio de desarrollo propio, de alta resistencia, tenacidad y sin calor. El tamaño de la pieza fundida es de aproximadamente 1,7 m de largo, 1,5 m de ancho y 0,7 m de altura, y el peso de vertido es de aproximadamente 100 kg. Es la aleación de aluminio más grande en la actualidad. Una de las piezas fundidas a presión de alta resistencia y tenacidad. El primer lote de 9.000 toneladas de piezas de automóvil fundidas a presión con piso trasero integrado a gran escala del Grupo Wencan salió con éxito de la línea de producción en Tianjin, y los moldes fueron proporcionados por Ningbo Saiweida. Actualmente, Saivida y Heli Technology están desarrollando moldes de entre 12.000 y 20.000 toneladas para piezas estructurales integradas de carrocería.

2.4 Proceso de fundición a presión

La fundición a presión integrada es en realidad un sistema de control de alto vacío agregado al proceso de fundición a presión al vacío, que requiere sensores de alta precisión para controlar el proceso de aspiración. El proceso tecnológico es cierre del molde, vertido, apertura de vacío, aspiración y escape de la cavidad, inyección, apertura del molde, recogida, pulverización, cierre del molde nuevamente, etc. Durante el proceso de fundición a presión, el tanque de vacío, la válvula de escape de vertido y la válvula de escape de la cavidad están controlados por sensores de vacío de alta precisión, y cuatro puntos de contacto se activan mediante la configuración de parámetros: inicio de vacío de vertido, final de vacío de vertido, vacío de cavidad comienza y se aspira la cavidad. El llenado a alta velocidad de la fundición a presión puede conducir fácilmente a la imposibilidad de descargar completamente el gas en la cámara o cavidad de presión. El gas involucrado en el metal fundido existirá en la pieza fundida en forma de poros, que no se pueden soldar y reducen las propiedades mecánicas. Por lo tanto, la fundición a presión integrada debe estar equipada con un sistema de aspiración de cavidades. sistema. El proceso de fundición a presión es muy importante para producir piezas calificadas. Para diferentes estructuras de piezas, los parámetros del proceso de fundición a presión deben depurarse y explorarse durante mucho tiempo. El modo de inyección correcto y los parámetros de fundición a presión contribuyen a reducir los defectos de las piezas fundidas. La mayor parte del gas en la fundición a presión proviene del metal líquido en la etapa de prellenado en la cámara de presión, es necesario optimizar repetidamente los parámetros de inyección lenta para evitar la inclusión de gas en el metal fundido durante el proceso de fundición a presión. Para el tratamiento de deshidrogenación y fundición de aleaciones, es necesario utilizar ingredientes metálicos electrolíticos de alta pureza en el proceso de fusión para evitar la contaminación con impurezas metálicas; Durante la fundición, para evitar la oxidación y segregación del metal fundido, es necesario fundirlo rápidamente y el aluminio fundido debe deshidrogenarse y eliminarse la escoria después de la fusión. Para el tratamiento, generalmente se utiliza nitrógeno o gas argón para eliminar el hidrógeno, y el tiempo de eliminación del hidrógeno es de 10 a 15 minutos, lo que equivale a AlSi10MnMg. El tiempo de retención no debe ser demasiado largo para evitar que se queme la modificación Sr. La temperatura de fusión es (730±10) °C y no debe exceder los 780 °C. El método de vertido generalmente adopta la inyección inferior para evitar defectos de inclusión en las piezas fundidas. Es necesario verificar el tiempo de pulverización, el ángulo y rango de pulverización, la cantidad de pulverización, el ángulo de soplado y la selección del tipo de agente de liberación (pequeña generación de gas, buena volatilidad) del agente de liberación. No debe haber humedad residual en la cavidad antes del cierre del molde. La temperatura de fundición a presión es de 700~710 ℃, aproximadamente 20 ℃ más alta que la de AlSi10MnMg. El molde necesita utilizar un controlador de temperatura del molde especial para controlar la temperatura del molde, y la temperatura del molde generalmente se controla a 120 ~ 180 ℃. Durante el proceso de fundición a presión, el sistema de bombeo de vacío debe iniciarse a tiempo. Después de que el punzón selle el bebedero, se debe iniciar inmediatamente el bombeo de vacío. Antes de que la cámara de presión esté llena, se debe alcanzar el grado de vacío. El tiempo de bombeo de vacío debe extenderse tanto como sea posible y la válvula de vacío debe cerrarse lo más tarde posible. La calidad de las piezas integradas de fundición a presión es muy importante y la válvula de vacío depende básicamente de las importaciones. La tasa de aprobación de la primera fundición a presión integrada de Tesla fue del 65% al ​​72%, y la tasa de beneficio bruto podría alcanzar el 30%. Después de que se revisó el estándar de calidad de la fundición en febrero de 2022, la tasa de aprobación alcanzó más del 80%.

 

3 Conclusión
El proceso de fundición a presión integrada de aleación de aluminio es una tecnología revolucionaria importante en la fabricación de piezas estructurales de automóviles. En los últimos 50 años, el proceso de fabricación de carrocerías de automóviles siempre ha estado dominado por la soldadura por robot después del estampado de chapa. La tecnología integrada de fundición a presión ha provocado cambios importantes en el proceso de fabricación de carrocerías de automóviles. Las máquinas de fundición a presión sustituirán a los robots de soldadura como equipo central para la fabricación de automóviles en el nuevo campo energético. Bajo la promoción del objetivo del "carbono dual", la tecnología integrada de fundición a presión tiene ventajas obvias en términos de eficiencia de producción, reducción de costos y reducción de peso. El diseño y la fabricación de fundición a presión integrada de aleación de aluminio es una tecnología integrada integral con altas barreras técnicas, incluido el desarrollo y la aplicación de software, el diseño de la estructura de componentes, el desarrollo de materiales sin calor, el proceso de formación de fundición a presión, la capacidad de la unidad de fundición a presión y el diseño de moldes a gran escala. innovación. En particular, el diseño y la fabricación de moldes no sólo deben considerar la fluidez de los materiales de fundición, el equilibrio térmico, la vida útil del molde, el proceso de formación de piezas y la garantía de calidad, sino también la optimización de la tecnología de procesamiento posterior de las piezas. El "proceso y equipo de moldeo por fundición a presión integrados" se ha incluido en el plan nacional clave de investigación y desarrollo. El desarrollo continuo de la industria de vehículos de nueva energía promoverá en gran medida el desarrollo de la tecnología de fundición a presión integrada de aleaciones de aluminio, y la fundición a presión integrada de aleaciones de aluminio se convertirá en el proceso de fabricación preferido para las empresas de vehículos de nuevas energías.