Защо високотонажната алуминиева машина за леене под налягане е задължителна за корпусите на батерии за електромобили?

Мащабният проблем, който промени индустрията

Корпусите на батерии за електромобили не са малки части. Типичният корпус на батерия за електромобил има дължина и ширина, които надвишават метър, и включва сложни вътрешни ребра, монтажни точки и канали за охлаждане. Отливането на такава геометрия като една цяла част изисква машина, която може да прави повече от просто затваряне на формата с достатъчна сила. Това изисква зажимна мощност, измервана в хиляди тона, инжекционни системи, способни да изпълнят масивни кухини преди алуминият да започне да се замръзва, и термичен контрол, който поддържа целия процес стабилен.

Преходът към алуминиеви машини за леене под налягане с висока тонажност за корпуси на батерии за електромобили не е модна тенденция. Това е директен отговор на физическите изисквания, налагани от самата част. Всичко по-малко от около 2500 тона просто не може да удържи формата с такива размери затворена при налягането при инжекцията, необходимо за нейното изпълване.

Какво всъщност означава „висока тонажност“ в този контекст

В света на алуминиевото леене под налягане високата тонажност започва от около 2000 тона и по-нататък се увеличава. Машините, използвани за корпуси на батерии за електромобили (EV), обикновено имат тонаж от 2500 до 6000 тона, като някои от най-големите интегрирани леярски операции достигат 10 000 тона и повече.

Числото за тонаж се отнася до силата за стягане — т.е. количеството налягане, което машината прилага, за да задържи двете половини на формата затворени по време на инжекцията. Алуминият се инжектира при налягане от 100 до 200 MPa . Това налягане действа върху повърхностите на формата и се опитва да ги раздели. Ако силата за стягане е недостатъчна, двете половини на формата се разделят леко, което води до образуване на фланел (излишни материали по ръбовете), грешки в размерите и в тежки случаи — до пълно повредяване на детайла.

За корпус на батерия, който може да има проекционна площ от 1,5 квадратни метра или повече, общата сила, която се опитва да отвори формата по време на инжекцията, е огромна. Машина с тонаж 2500 тона осигурява сила за стягане от 25 000 kN . Това е достатъчно, за да се удържи формата с тези размери затворена, но едва-едва. Когато корпусите стават по-големи и по-интегрирани, необходимата мощност на пресата също нараства.

Защо корпусите на батерии изискват повече от другите автомобилни отливки

Автомобилните отливки като блокове на двигатели и картери на скоростни кутии се произвеждат на преси с номинална мощност 1500 и 2000 тона от години. Корпусите на батерии са различни. Те са по-големи, по-тънки и имат по-сложна вътрешна геометрия. Дебелината на стените при типичен корпус на батерия за ЕП (електромобил) често е 2,0 мм или по-малко. . Това е значително по-тънко от блока на двигател, чиято дебелина на стените може да е 3 мм или повече.

Тънките стени означават, че алуминият се охлажда по-бързо. По-бързото охлаждане означава, че инжекцията трябва да бъде завършена по-бързо, преди метала да се втвърди в каналите или в далечния край на формовъчната кухина. За бързо запълване на голяма, тънкостенна кухина са необходими висока скорост на инжекция и високо инжекционно налягане. И двете изискват висока сила за затваряне, за да се удържи формата затворена.

Тенденцията към интеграция влошава проблема. Производителите преминават към отливки на една част, които обединяват десетки отделни шампиране и екструзии в един компонент. Една отливка за батерийно корпус може да замени 50 или повече отделни части, като елиминира операциите по заваряване, фиксиране и сглобяване. Но тази една част е по-голяма и по-сложна от всяка от отделните части, които заменя, което означава, че изисква още по-голяма сила за стягане и още по-точен контрол на инжекционното леене.

Проблемът с порозитетта, който може да бъде решен само чрез висока тонажност

Порозитетта е враг на всяко леене в матрица, но е особено пагубна за батерийните корпуси. Порозитетта създава слаби точки, които могат да компрометират структурната цялост при сблъсък. Тя също така създава пътища, по които влага и замърсяващи вещества могат да достигнат до батерийните клетки.

Машините с висока тонажност решават проблема с порестостта по два начина. Първо, по-високата сила за затваряне поддържа формата по-плътно затворена, предотвратявайки внасянето на въздух в кухината по време на инжектиране. Второ, системите за инжектиране на машините с висока тонажност са проектирани така, че да постигнат по-високи скорости на пълнене, което намалява времето, през което може да се образува въздушна уловка.

Машина с тонаж 4000 тона може да изпълни формата за батерийно корпус за милисекунди по-бързо от машина с тонаж 2500 тона, просто защото нейната хидравлична система е по-голяма и нейният акомулатор за инжектиране е по-мощен. Тази разлика във времето за пълнене се отразява директно в по-ниска порестост и по-добри механични свойства.

Голям производител на EV съобщи, че преминаването от машина с тонаж 2500 тона към машина с тонаж 4400 тона при производството на батерийни корпуси намалило брака, свързан с порестост, с 40 % и подобрило здравината при опън на отливката с 12 %. По-високият тонаж не само запазил формата затворена — той позволил по-бързо и по-контролирано пълнене, което довело до по-плътна и по-здрава детайл.

Проблемът с термичното управление

Батериите не са просто структурни корпуси. Те също така са компоненти за термичен мениджмънт. Много конструкции включват интегрирани охладителни канали, които циркулират течност, за да регулират температурата на батерията. Тези канали се отливат в детайла, което означава, че формата има сложни ядра и плъзгащи се части, които трябва напълно да се запълнят.

Запълването на тези канали без пори или непълно запълване изисква прецизен контрол върху температурата на метала, скоростта на запълване и налягането. Пресите с висока мощност обикновено са оборудвани с по-съвършени системи за контрол на инжекцията – профили на многостепенно запълване, мониторинг на налягането в реално време и сервоуправляеми цилиндри за инжекция, които могат да се коригират на летящо.

Топлинната маса на голяма батерийна кутия за леене е значителна. Самата кутия може да тежи 20 тона или повече. За да се нагрее толкова много стомана до работната температура и да се поддържа при нея, е необходима машина с мощни системи за загряване и охлаждане. Машините с висока номинална мощност са проектирани така, че да поемат такава топлинна товарност, което не е възможно за по-малките машини.

Когато високата номинална мощност не е решението

Високата номинална мощност не е универсално решение. За по-малки отливки — например под 5 кг с проекционна площ под 0,5 квадратни метра — машина с номинална мощност 2500 тона е прекалено голяма. Стоимостта на оборудването, енергийното потребление и необходимото производствено пространство правят използването ѝ непрактично за детайли, които не изискват такава мощност.

Съществува и крива на учене. Управлението на машина с номинална мощност 4000 тона се различава от управлението на машина с номинална мощност 1500 тона. Инжекционните параметри са по-чувствителни, топлинният контрол е по-сложен, а изискванията за безопасност са по-строги. Не всяка литейна цех е готова за такава преходна стъпка.

Но за корпусите на батерии за електромобили няма истинска алтернатива. Детайлът е твърде голям, твърде тънък и твърде сложен, за да се отлива на по-малки машини и все пак да отговаря на изискванията за качество и производителност на автомобилната индустрия.

Основният извод относно машините с висока тонажност за корпуси на батерии за електромобили

Необходимостта от машина за алуминиево леене под налягане с висока тонажност за корпуси на батерии за електромобили се дължи на физическите закони. Детайлът е голям, стените му са тънки, пълненето трябва да е бързо, а формата трябва да остане затворена. Нищо по-малко от 2500 тона не може едновременно да изпълни всички тези изисквания.

Производители като Zhenli са осъзнали този променен подход и предлагат машини с хладно легло със сила на стягане в диапазона от 1000 до 4500 тона, за да отговорят на нуждите от производство на компоненти за електромобили технологията се развива бързо, а изискванията за тонаж не правят нищо друго, освен да нарастват, докато корпусите стават по-големи и по-интегрирани. За всяка операция, която влизат в веригата за доставки на електромобили (EV), въпросът не е дали да инвестира в оборудване с висок тонаж, а колко скоро.