Turnare sub presiune a aluminiului pentru automobile în China

Turnarea sub presiune a aluminiului pentru automobile în China a devenit un proces esențial în cadrul lanțului internațional de aprovizionare cu automobile, care contribuie la eficiența, durabilitatea și inovarea în producția de vehicule. Ușor și rezistent, aluminiul oferă un echilibru special între performanțele mecanice și consumul de combustibil, pe care producătorii auto contemporani îl solicită. Prin reducerea la minimum a greutății vehiculelor, componentele din aluminiu turnat sub presiune au un impact direct asupra reducerii consumului de combustibil, a autonomiei mai mari a bateriei vehiculelor electrice (EV) și a emisiilor de carbon. Acest lucru face ca tehnologia să fie importantă nu numai pentru producători, ci și pentru reglementările de mediu din întreaga lume.

Această dominație în industria auto din China este o extensie naturală a turnării sub presiune a aluminiului. Fiind cel mai mare producător, țara cu rate de producție uriașe, cu lanțul său de aprovizionare extins și cu sprijinul guvernului prin politica industrială, China s-a impus deja ca cel mai mare producător și unul dintre cei mai mari inovatori din domeniu. Sectorul de turnare sub presiune din această țară deservește atât industriile locale de producție a automobilelor, cât și mărcile străine și furnizează blocuri motor și carcase de transmisie, precum și piese turnate giga de înaltă tehnologie, aplicate la caroseria vehiculelor electrice.

Dezvoltarea de materiale ușoare și de tehnologii de producție mai ecologice a devenit și mai rapidă. Această congruență între competența industrială și obiectivele mondiale de durabilitate va menține China în prima linie a tehnologiei de turnare sub presiune a aluminiului, care reprezintă viitorul ingineriei auto.

Ce este turnarea sub presiune a aluminiului?

Turnarea sub presiune a aluminiului este tehnica de producție prin care aluminiul topit este presurizat și injectat într-o matriță de oțel de înaltă presiune (matriță). După răcire și solidificare, metalul produce componente complexe și precise cu un raport rezistență/greutate foarte favorabil. Piesele auto care sunt fabricate în mod obișnuit sunt blocurile motorului, carcasele transmisiei, roțile, suporții și piesele structurale ale caroseriei.

De ce China este lider în turnarea sub presiune a aluminiului?

1. Scara de fabricație - China are mii de întreprinderi de turnare sub presiune, furnizori mici și întreprinderi multinaționale mixte de turnare sub presiune.
2. Avantajul costurilor - Costurile forței de muncă și lanțul larg de aprovizionare sunt competitive, ceea ce face ca producția să fie economică.
3. Avansuri tehnologice - Majoritatea producătorilor chinezi au adoptat turnarea sub presiune de înaltă presiune (HPDC), turnarea sub vid și turnarea semi-solidă, în încercarea de a produce produse de calitate mai bună și mai puține produse defecte.
4. Dispoziții guvernamentale - Politicile care promovează vehiculele ușoare și mobilitatea electrică au crescut cererea de piese turnate din aluminiu.

Procesul de turnare sub presiune a aluminiului

Turnarea sub presiune a aluminiului este una dintre cele mai specializate tehnici de fabricație care permite crearea de componente auto complexe și precise, cu proprietăți mecanice deosebite. Aceasta include mai multe etape bine reglementate, iar fiecare dintre ele poate fi văzută ca un pas către calitatea, rezistența și durabilitatea unui produs final. În cele ce urmează este prezentată o discuție despre fiecare dintre etape:

1. Pregătirea formei

Matrița de oțel, de obicei din oțel pentru scule călit, este complet curățată și verificată înainte de începerea producției și nu trebuie să prezinte uzură sau deteriorări. Apoi, în cavitatea matriței se aplică agentul de eliberare sau lubrifiantul, care are o varietate de scopuri importante. Acesta evită lipirea aluminiului topit de matriță, asigură ejecția lină a pieselor și ajută la menținerea temperaturii matriței în ciclurile succesive de turnare. Este important să se pregătească corect matrița, deoarece acest lucru are o legătură directă cu calitatea suprafeței și precizia dimensională a componentei finite.

2. Topirea și prepararea aliajelor

Aceasta începe cu topirea lingourilor de aluminiu sau a deșeurilor reciclate într-un cuptor cu temperatură ridicată care poate fi alimentat cu gaz, electric sau indus. În această fază, aluminiul topit este supravegheat cu atenție pentru a menține o temperatură optimă de aproximativ 660-700 °C, pentru a obține o masă fluidă și a reduce defectele. Elemente precum siliciul, magneziul și cuprul sunt aliate pentru a îmbunătăți anumite proprietăți precum rezistența, rezistența la coroziune sau conductivitatea termică. Este important ca compoziția chimică să fie exactă, deoarece o ușoară modificare a acesteia ar putea afecta în mare măsură funcționalitatea elementelor de automobile.

3. Turnare sub presiune înaltă (injecție)

După ce aluminiul topit atinge starea dorită, acesta este turnat în matrița de turnare din oțel pregătită de o mașină de turnare sub presiune înaltă (HPDC). Presiunea de injecție este de obicei între 110 și 175 MPa, ceea ce face ca metalul lichid să umple cu precizie chiar și cele mai complexe cavități de turnare. De asemenea, presiunea ridicată ajută la reducerea porozității și a defectelor de contracție pentru a produce piese cu rezistență ridicată și dense. Acesta este considerat punctul central al procesului, deoarece determină calitatea piesei turnate și dacă se pot produce forme complicate fără a afecta integritatea structurală.

4. Răcirea și solidificarea

Aluminiul topit este apoi injectat și se răcește rapid și se întărește în matrița de oțel. Rata de răcire este menținută pe tot parcursul procesului pentru a se asigura că cristalizarea este uniformă și că tensiunile interne sau deformările sunt reduse la minimum. Timpul de răcire variază foarte mult în funcție de grosimea și complexitatea componentei turnate; o componentă cu pereți subțiri ar putea fi solidificată în câteva secunde, în timp ce o piesă mai complexă ar putea necesita un ciclu mai lung pentru a se solidifica. Circuitele de răcire bine organizate (canale de apă sau circuite de ulei încorporate în matriță) sunt obișnuite, cu scopul de a asigura consecvența pe parcursul ciclurilor de producție. Este esențial să se obțină un echilibru între rezistență, ductilitate și precizie dimensională prin solidificarea corespunzătoare.

5. Ejecție

După ce piesa s-a întărit, știfturile ejectoare din matriță forțează ieșirea piesei turnate. În această etapă, este nevoie de precizie pentru a preveni arderea zonelor sensibile sau a pereților subțiri ai piesei. Producția auto la scară largă se bazează adesea pe sisteme automate de ejecție, care garantează consecvența timpilor de ciclu și minimizează munca manuală. Procesul de ejecție poate părea ușor, însă, în cazul unei aplicări necorespunzătoare, ar putea provoca defecte de suprafață, fisuri sau nealiniere, care vor afecta negativ capacitatea de utilizare a produsului final.

6. Tundere și finisare

După ejecție, piesele turnate brute pot conține cantități mari de materiale străine, cum ar fi bavuri, canale sau chiar porți, iar acestea trebuie îndepărtate. O presă hidraulică sau o mașină CNC este de obicei utilizată pentru a obține o linie de margine precisă. Alte procese de finisare, cum ar fi sablarea, îmbunătățesc textura suprafeței, iar prelucrarea asigură toleranța dimensională ridicată necesară componentelor motorului sau ale transmisiei. Acestea pot fi tratate termic pentru a crește rezistența și duritatea, iar acoperirea sau anodizarea pot crește rezistența la coroziune. Acestea sunt procesele secundare necesare, deoarece prin intermediul lor turnarea brută este dusă la nivelul următor, unde este transformată într-o componentă auto funcțională și fiabilă.

7. Inspecția și controlul calității

Ultima etapă este inspecția intensivă, prin care toate piesele turnate vor fi de calitate auto. Verificările dimensionale sunt inspectate cu ajutorul mașinilor de măsurat în coordonate (CMM), porozitatea și defectele interne sunt evidențiate cu ajutorul inspecției cu raze X sau al mijloacelor de testare nedistructivă (NDT), precum scanările cu ultrasunete. Finisajul suprafeței și rezistența mecanică sunt, de asemenea, supuse unor teste pentru a determina conformitatea cu specificațiile. Controlul statistic al proceselor (SPC) și sistemele moderne de monitorizare electronică pot fi, de asemenea, introduse în producția pe scară largă pentru a asigura calitatea constantă a mii de materiale. Având în vedere importanța acestor piese atât pentru siguranța vehiculului, cât și pentru performanța acestuia, aceste piese necesită un control strict al calității.

Surse de materiale pentru utilizarea în turnarea sub presiune a aluminiului pentru automobile

În China, turnarea sub presiune a automobilelor utilizează în principal aliaje de aluminiu, care sunt selectate datorită raportului lor de rezistență la greutate, coroziune și reciclabilitate.

Aliaje comune de aluminiu

ADC12 (aliaj Al-Si-Cu)

• Piesele auto de mari dimensiuni sunt utilizate în mod obișnuit în China datorită capacității lor ridicate de turnare și rezistenței la coroziune.
• Utilizări: Blocul motor, carcasele cutiilor de viteze, piese structurale.

A380

• Rezistență bună, conductivitate termică și rezistență la coroziune.
• Utilizări: Carcase de transmisie, suporturi și sisteme de gestionare a căldurii.

AlSi9Cu3

• Componentele cu pereți subțiri pot fi utilizate cu fluiditate ridicată și etanșeitate la presiune.
• Utilizări: (în motoare) capace de motor, capete de cilindru.

AlSi10Mg

• Proprietăți mecanice bune la tratament termic.
• Utilizări: Componente structurale EV de importanță pentru siguranță.

Considerații cheie privind materialele

1. Controlul impurităților: Cantitatea de fier trebuie să fie la scară mică pentru a preveni fragilitatea.
2. Reciclabilitate: Aluminiul secundar (reciclat) este utilizat pe scară largă pentru a economisi bani și energie.
3. Cerințe de performanță: Aliajele sunt selectate în funcție de cerințele mecanice (rezistență la tracțiune, rezistență la oboseală, conductivitate termică).
4. Compatibilitatea tratamentului de suprafață: Materialele trebuie să fie compatibile cu anodizarea, acoperirea cu pulbere sau placarea pentru rezistență la coroziune.

Aplicații în sectorul automobilelor

Vehicule electrice (EV)

Componentele ușoare din aluminiu turnat sub presiune sunt acum neprețuite în sectorul vehiculelor electrice, unde reducerea greutății totale a vehiculului este direct proporțională cu eficiența energetică și autonomia vehiculului. Carcasele bateriilor, carcasele motoarelor și componentele mari ale caroseriei devin din ce în ce mai fabricate prin turnare sub presiune de înaltă presiune. Utilizarea aluminiului nu numai că maximizează siguranța datorită integrității sale structurale, dar va permite producătorilor de automobile să optimizeze performanța termică a bateriilor, deoarece aceasta este esențială pentru performanță și ciclurile de viață. Turnarea sub presiune este o tehnologie fundamentală a trecerii rapide la mobilitatea curată la nivel național în China, unde producția de vehicule electrice este liderul categoriei sale la nivel mondial.

Motor și transmisie

Turnarea sub presiune a aluminiului se aplică în mod obișnuit la fabricarea carcasei, a capetelor de cilindru și a carcasei cutiei de viteze în cazul vehiculelor tradiționale cu motor cu combustie internă (ICE). Toate aceste piese trebuie să suporte temperaturi ridicate, vibrații și solicitări mecanice, motiv pentru care raportul greutate/rezistență al aluminiului este un punct forte. Prin înlocuirea fontei mai grele cu aluminiu, producătorii de automobile pot obține schimbări semnificative în masa totală a vehiculului, fără a compromite longevitatea. Acest lucru va contribui la îmbunătățirea economiei de combustibil și la reducerea emisiilor. Producătorii chinezi de piese turnate sub presiune furnizează, de asemenea, producătorilor de vehicule hibride piese de motor și transmisie mai ușoare, dar de înaltă performanță, pentru a umple golul dintre mobilitatea tradițională și cea electrică.

Părți structurale

Există o înlocuire din ce în ce mai mare a ansamblurilor din oțel sudate sau cu șuruburi multiple cu componente mari din aluminiu turnat sub presiune. Această schimbare simplifică asamblarea unui vehicul, minimizează numărul de piese și crește rigiditatea structurală. Caracteristicile de absorbție a energiei de impact ale aluminiului îl fac deosebit de interesant pentru aplicațiile relevante în caz de coliziune, cum ar fi turnurile de șoc, subcadrele și traversele. Pentru a produce caroserii complete din spate sau din față ale vehiculului dintr-o singură bucată de aluminiu, unii producători chinezi utilizează tehnologia giga casting. Acest lucru îmbunătățește nu numai rezistența la impact, ci și reduce costurile de producție și asamblare și este în conformitate cu tendința globală de a crea autovehicule ușoare, sigure și eficiente.

Sisteme de gestionare a căldurii

Conductivitatea termică a aluminiului este mai bună și, prin urmare, acesta este materialul preferat pentru sistemele de gestionare din cadrul unui vehicul convențional și al unui vehicul electric. Radiatoarele, carcasele intercooler și carcasele bateriilor depind de o turnare sub presiune a aluminiului pentru a asigura o reglare termică adecvată. În cazul vehiculelor electrice, temperaturile optime ale bateriei sunt importante pentru performanță, rata de încărcare și siguranță. Cu ajutorul carcaselor din aluminiu turnat sub presiune, producătorii auto pot realiza un compromis între designul ușor și performanța termică ridicată. Producătorii chinezi fac, de asemenea, investiții importante în turnarea sub presiune de precizie pentru a satisface cererea în creștere de soluții de management termic high-end pe piața în creștere rapidă a vehiculelor electrice.

Provocări și tendințe

Standarde de calitate

Certificarea internațională strictă a calității, cum ar fi IATF 16949 și ISO 9001, este o condiție prealabilă pentru furnizorii care doresc să concureze pe piețele auto mondiale. Aceste standarde se aplică la toate nivelurile de producție, de la aprovizionarea cu materii prime până la inspecția finală, ceea ce face ca piesele să fie fiabile și uniforme. În cazul întreprinderilor chineze de turnare sub presiune, aceste standarde nu sunt doar o condiție prealabilă pentru a putea exporta în Europa și America de Nord, ci și o cale de a câștiga încrederea producătorilor locali de automobile. Tehnologiile de inspecție de nivel înalt, controlul statistic al proceselor și monitorizarea automatizată a calității sunt utilizate pe scară largă pentru a îndeplini astfel de cerințe dificile.

Presiunea asupra mediului

Procesul de turnare sub presiune a aluminiului este foarte consumator de energie, în special în timpul topiturii și topirii. Pe măsură ce mediul a devenit mai preocupat și reglementările guvernamentale au devenit mai stricte, producătorii din China sunt supuși unei presiuni tot mai mari pentru a fi mai ecologici. Ei introduc cuptoare eficiente din punct de vedere energetic, recuperarea căldurii reziduale și integrarea energiei regenerabile pentru a reduce emisiile de carbon. În plus, presiunea de a atinge obiectivele de vârf al emisiilor de dioxid de carbon până în 2030 și de neutralitate a emisiilor de dioxid de carbon până în 2060, așa cum se propune în obiectivele Chinei, cunoscute sub denumirea de "carbon dual", a crescut ritmul în care se investește în tehnologii de turnare durabile. Companiile care nu se adaptează ar putea să nu fie suficient de competitive, deoarece producătorii mondiali de automobile acordă mai multă atenție lanțului de aprovizionare responsabil din punct de vedere ecologic.

Acțiunea de inovare

Odată cu introducerea Tesla Giga Casting, industria de turnare sub presiune a automobilelor a fost redefinită, deoarece a demonstrat că o mașină poate fi turnată într-un singur bloc mare și că poate fi produs un vehicul întreg. Inovația reduce numărul de piese, asamblarea și costul de producție, precum și creșterea rigidității vehiculelor. Firmele chineze nu sunt lăsate în urmă și investesc în echipamente de turnare sub presiune de înaltă presiune de dimensiuni foarte mari, cu forțe de strângere de peste 10 000 de tone. Companii precum LK Group și Yizumi proiectează și comercializează în prezent aceste mașini, care plasează China în fruntea competiției mondiale a mega turnării. Această tendință reprezintă o tranziție între turnarea tradițională a componentelor și inovarea producției în masă, la nivel structural.

Sustenabilitate

Una dintre cele mai semnificative tendințe în turnarea sub presiune a aluminiului este sustenabilitatea. Reciclarea aluminiului este atractivă din punct de vedere economic și, de asemenea, consumă mai puțină energie, până la 95 % din producția primară de aluminiu. Capacitățile de reciclare ale producătorilor chinezi sunt, de asemenea, în creștere rapidă, pentru a avea o aprovizionare constantă cu aluminiu secundar care să fie utilizat în turnarea sub presiune. De asemenea, producătorii de automobile colaborează mai mult cu furnizorii de piese turnate pentru a realiza reciclarea în circuit închis, prin care deșeurile de fabricație sunt colectate și refolosite pentru a fi din nou utilizate. Această trecere la o economie circulară nu numai că reduce costurile, dar ajută, de asemenea, întreprinderile să își reducă amprenta de carbon, satisfăcând nu numai cerințele de reglementare, dar și cererile clienților pentru o mașină mai ecologică.

Mărimea și creșterea pieței

China contribuie cu peste 50 % la producția de aluminiu turnat sub presiune din lume, fiind astfel cea mai mare putere regională de producție. Industria estimează că piața chineză de aluminiu turnat sub presiune va ajunge la 25 de miliarde USD și va crește cu 7-9% pe an până în 2030. Creșterea producției de vehicule electrice, nevoia accelerată de soluții auto ușoare pentru a respecta reglementările privind combustibilul și emisiile, precum și proliferarea producătorilor chinezi de automobile la nivel mondial sunt factorii determinanți ai acestei creșteri.

Principalele regiuni de producție din China

Unele dintre provincii domină turnarea sub presiune a aluminiului pentru automobile. Provincia Guangdong a apărut ca un centru foarte mare care se ocupă cu turnarea sub presiune a automobilelor și a componentelor electronice, având o rețea puternică de export. Provincia Zhejiang este regiunea care și-a făcut un nume în ceea ce privește turnarea de precizie și are relații strânse cu producătorii auto străini. Shandong și Jiangsu, în același timp, au concentrații de unități mari de turnătorii de mare capacitate care deservesc nu numai producătorii locali, ci și piețele străine, ceea ce devine și mai puternic deoarece China este principalul producător mondial de turnare sub presiune.

Inovații tehnologice

Firmele chineze de turnare sub presiune adoptă noi tehnologii în efortul de a rămâne competitive:

• Giga Casting: Pentru a urma Tesla, unele companii precum LK Group și Yizumi produc unități de turnare sub presiune de peste 10.000 de tone de componente BIW (body-in-white) mari.
• Vaccum Die Casting: Porii din piesele de aluminiu sunt minimizați, iar metalele sunt apoi utilizate în piesele de siguranță ale automobilelor.
• Automatizare și robotică: Brațe robotizate utilizate pentru pulverizare, extragere și tăiere pentru a spori regularitatea și optimizarea.
• Software de simulare: Aceasta este analiza avansată a fluxului matriței care va ajuta la minimizarea defectelor înainte de producție.

Rolul în fabricarea vehiculelor electrice

Piața automobilelor electrice este o zonă de creștere primară în China în industria turnării sub presiune a aluminiului. Aluminiul turnat sub presiune este comun în carcasele bateriilor, în carcasele motoarelor și în șasiuri și îmbunătățește performanța termică, rezistența și eficiența. Aluminiul facilitează o autonomie mare și reducerea costurilor prin scăderea greutății și a numărului de piese ale oricărui vehicul. Întrucât China produce mai mult de 60 % din vehiculele electrice din lume, cererea este în continuă creștere.

Sustenabilitate/ Reciclare

Majoritatea turnării sub presiune a aluminiului în China a devenit mai durabilă, aluminiul reciclat ocupând locul central. Acesta consumă doar un sfert din energia necesară pentru producerea topiturii primare și reduce costurile și emisiile. Topitoriile devin din ce în ce mai mult parteneri ai producătorilor de automobile pentru a facilita modelele de economie circulară. Urmând principiile obiectivelor chineze privind dublul carbon, reciclarea și procesele mai curate oferă beneficii pe termen lung producătorilor care doresc să obțină competitivitate și încredere internațională.

Peisajul concurențial

Industria de turnare sub presiune a aluminiului din China este destul de competitivă, iar actori importanți operează în acest sector, aprovizionând piețele interne și internaționale. Ningbo Tuopu Group este specializat în furnizarea de piese structurale pentru producătorii auto internaționali, iar Dynacast are fabrici de precizie în China. Guangdong Hongtu Technology este specializată în componente pentru baterii EV, în timp ce Wencan Group este specializat în piese ușoare pentru automobilele europene. Aceste companii subliniază poziția de lider în creștere a Chinei în domeniul turnării sub presiune avansate.

Perspective de viitor

Schimbările tehnologice și internaționale din industria automobilelor vor avea o legătură puternică cu viitorul aluminiu auto turnare sub presiune în China. Printre cele mai importante schimbări se numără adoptarea utilizării inteligenței artificiale (AI) și a producției inteligente în procesele de turnare. Prin întreținerea predictivă bazată pe inteligență artificială, detectarea defectelor și monitorizarea în timp real, producătorii vor putea minimiza timpii morți, îmbunătăți calitatea și maximiza eficiența, ceea ce face producția mai previzibilă și mai rentabilă.

Cealaltă tendință este creșterea întreprinderilor chineze de turnare sub presiune în rețelele internaționale de aprovizionare. Există o tendință a multor întreprinderi de a ieși de pe piețele interne pentru a deveni furnizori de nivel 1 ai principalilor producători de echipamente originale (OEM) din Europa și America de Nord. Acest lucru indică creșterea capacității tehnice a furnizorilor chinezi și dependența tot mai mare a producătorilor mondiali de automobile de capacitatea de producție chineză competitivă.

Industria capătă, de asemenea, o nouă formă datorită evoluției către mega turnare. Urmând conceptul de giga turnare dezvoltat de Tesla, producătorii chinezi investesc în mașini de turnare sub presiune de înaltă presiune de dimensiuni foarte mari, care pot turna părți ale caroseriei inferioare a vehiculelor într-o singură bucată. Inovația a produs o reducere a complexității asamblării, o creștere a integrității structurale și costuri de producție scăzute, ceea ce o face foarte de dorit în viitoarele platforme de vehicule, în special vehicule electrice.

În cele din urmă, leadership-ul în materie de durabilitate devine un indicator al competitivității pe termen lung. Companiile care vor practica tehnologiile de reciclare, vor utiliza aluminiu secundar și vor investi în metode de topire cu emisii reduse vor beneficia din punct de vedere economic și ecologic. Având în vedere că China se află pe calea atingerii neutralității carbonului, întreprinderile de turnare sub presiune care se încadrează în această agendă vor fi într-o poziție mai bună pentru a respecta reglementările, pentru a satisface cererile pieței internaționale și pentru a conduce industria către un viitor ecologic.

Concluzie

The industria de turnare sub presiune a aluminiului pentru automobile în China se află în faza de creștere ridicată, influențată de cererea mondială de a găsi un mijloc de transport ușor, eficient și ecologic. Odată cu orientarea producătorilor de automobile către producția de vehicule electrice, cererea de produse pe bază de aluminiu sau de carcase pentru baterii, carcase pentru motoare și piese structurale este, de asemenea, în creștere accelerată. Această tendință subliniază importanța tehnologiei de turnare sub presiune în minimizarea greutății vehiculului, creșterea eficienței și respectarea normelor stricte de mediu. Producătorii chinezi investesc, de asemenea, în procese moderne, inclusiv turnare sub presiune înaltă, turnare sub vid și giga turnare, rămânând astfel competitivi pe plan internațional. În același timp, o tranziție treptată către aluminiul reciclat și producția ecologică face ca industria să fie în concordanță cu nivelurile naționale de reducere a emisiilor de carbon. China își consolidează rolul de cel mai mare producător de automobile din lume, precum și de lider tehnologic în turnarea sub presiune a alumniului la nivel mondial.