Perché una macchina per la pressofusione in alluminio ad alta tonnellata è essenziale per gli alloggiamenti delle batterie dei veicoli elettrici?

Il problema delle dimensioni che ha cambiato l’industria

Gli alloggiamenti per batterie di veicoli elettrici non sono componenti di piccole dimensioni. Un tipico involucro per pacco batteria EV misura ben oltre un metro di lunghezza e larghezza, con una complessa nervatura interna, punti di fissaggio e canali di raffreddamento. Fondere una geometria di queste dimensioni in un unico pezzo richiede una macchina capace di fare molto più che semplicemente chiudere uno stampo con forza sufficiente. È necessaria una capacità di chiusura misurata in migliaia di tonnellate, sistemi di iniezione in grado di riempire cavità enormi prima che l’alluminio inizi a solidificarsi e un sistema di gestione termica che mantenga stabile l’intero processo.

La transizione verso macchine ad alta tonnellata per la pressofusione in alluminio destinate agli alloggiamenti delle batterie per veicoli elettrici non è una semplice tendenza. Si tratta di una risposta diretta ai requisiti fisici imposti dal componente stesso. Qualsiasi macchina con capacità inferiore a circa 2500 tonnellate non è in grado di mantenere chiuso uno stampo di tali dimensioni alle pressioni di iniezione necessarie per riempirlo.

Cosa significa concretamente "alta tonnellata" in questo contesto

Nel mondo della pressofusione dell'alluminio, le macchine ad alta tonnellata iniziano a partire da circa 2000 tonnellate e aumentano da quel valore in poi. Le macchine utilizzate per gli alloggiamenti delle batterie dei veicoli elettrici (EV) rientrano tipicamente nella gamma da 2500 a 6000 tonnellate, mentre alcune delle più grandi operazioni di fonderia integrata raggiungono e superano le 10.000 tonnellate.

Il valore espresso in tonnellate indica la forza di chiusura, ovvero la pressione esercitata dalla macchina per mantenere chiuse le due metà dello stampo durante l'iniezione. L'alluminio viene iniettato a pressioni comprese tra 100 e 200 MPa . Tale pressione agisce sulle superfici dello stampo, tentando di separarle. Se la forza di chiusura non è sufficiente, le due metà dello stampo si separano leggermente, generando sbavature, errori dimensionali e, nei casi più gravi, un completo fallimento del pezzo.

Per un alloggiamento della batteria con un’area proiettata pari a 1,5 metri quadrati o superiore, la forza totale che tende ad aprire lo stampo durante l’iniezione è enorme. Una macchina da 2500 tonnellate fornisce una forza di chiusura pari a 25.000 kN . Ciò è sufficiente per mantenere chiuso uno stampo di quelle dimensioni, ma appena appena. Man mano che gli alloggiamenti diventano più grandi e più integrati, la richiesta di forza di chiusura aumenta di pari passo.

Perché gli alloggiamenti per batterie richiedono una forza superiore rispetto ad altre fusioni automobilistiche

Le fusioni automobilistiche, come i blocchi motore e le scatole del cambio, vengono prodotte da anni su macchine da 1500 e 2000 tonnellate. Gli alloggiamenti per batterie sono diversi: sono più grandi, più sottili e presentano una geometria interna più complessa. Lo spessore delle pareti di un tipico alloggiamento per batteria EV è spesso pari o inferiore a 2,0 mm . Ciò è significativamente più sottile rispetto a un blocco motore, il cui spessore delle pareti può essere di 3 mm o superiore.

Pareti sottili significano un raffreddamento più rapido dell’alluminio. Un raffreddamento più rapido implica che l’iniezione deve essere completata più velocemente, prima che il metallo solidifichi nel canale di alimentazione o nell’estremità più lontana della cavità. Per riempire rapidamente una cavità grande e a pareti sottili sono necessarie elevate velocità di iniezione e alte pressioni di iniezione. Entrambe richiedono una notevole forza di chiusura per mantenere chiuso lo stampo.

La tendenza all’integrazione peggiora il problema. I produttori stanno passando a fusioni monopezzo che integrano decine di singoli componenti stampati ed estrusi in un unico elemento. Un alloggiamento monopezzo per batteria potrebbe sostituire 50 o più parti separate, eliminando le operazioni di saldatura, fissaggio e assemblaggio. Tuttavia, questo singolo componente è più grande e complesso rispetto a ciascuna delle parti che sostituisce, il che significa che richiede una forza di chiusura ancora maggiore e un controllo dell’iniezione ancora più preciso.

Il problema della porosità, risolvibile soltanto con presse ad alta tonnellata

La porosità è il nemico di qualsiasi fusione in pressione, ma risulta particolarmente dannosa negli alloggiamenti per batterie. La porosità crea punti deboli che possono compromettere l’integrità strutturale in caso di impatto. Inoltre, genera vie di penetrazione per umidità e contaminanti che possono raggiungere le celle della batteria.

Le macchine ad alta tonnellata affrontano la porosità in due modi. Innanzitutto, la maggiore forza di chiusura mantiene lo stampo sigillato più saldamente, impedendo l’ingresso di aria nella cavità durante l’iniezione. In secondo luogo, i sistemi di iniezione delle macchine ad alta tonnellata sono progettati per raggiungere velocità di riempimento superiori, riducendo così il tempo disponibile per l’intrappolamento d’aria.

Una macchina da 4000 tonnellate può riempire uno stampo per alloggiamenti di batterie in millisecondi più velocemente rispetto a una macchina da 2500 tonnellate, semplicemente perché il suo sistema idraulico è più grande e il suo accumulatore di getto è più potente. Questa differenza nei tempi di riempimento si traduce direttamente in una minore porosità e migliori proprietà meccaniche.

Un importante produttore di veicoli elettrici (EV) ha riferito che il passaggio da una macchina da 2500 tonnellate a una da 4400 tonnellate per un programma di alloggiamenti di batterie ha ridotto gli scarti legati alla porosità del 40% e migliorato la resistenza a trazione della fusione del 12%. La maggiore tonnellata non ha semplicemente mantenuto lo stampo chiuso: ha permesso un riempimento più rapido e controllato, producendo un componente più denso e resistente.

La sfida della gestione termica

Gli alloggiamenti per batterie non sono semplici involucri strutturali, ma anche componenti per la gestione termica. Molti progetti incorporano canali di raffreddamento integrati che circolano un fluido per regolare la temperatura della batteria. Tali canali vengono fusi direttamente nel componente, il che significa che lo stampo richiede nuclei e scivoli complessi che devono essere riempiti completamente.

Riempire tali canali senza porosità o riempimento incompleto richiede un controllo preciso della temperatura del metallo, della velocità di riempimento e della pressione. Le macchine ad alta tonnellata sono generalmente dotate di sistemi di controllo dell’iniezione più sofisticati: profili di riempimento a più stadi, monitoraggio in tempo reale della pressione e cilindri di iniezione controllati da servomotori in grado di effettuare aggiustamenti in tempo reale.

La massa termica di uno stampo per alloggiamenti di grandi batterie è notevole. Lo stampo stesso potrebbe pesare 20 tonnellate o più. Raggiungere e mantenere tale quantità di acciaio alla temperatura di esercizio richiede una macchina dotata di sistemi di riscaldamento e raffreddamento robusti. Le macchine ad alta tonnellata sono progettate per gestire questo tipo di carico termico, a differenza delle macchine di minori dimensioni.

Quando l'alta tonnellata non è la soluzione

L'alta tonnellata non è una soluzione universale. Per getti più piccoli — ad esempio, inferiori ai 5 chilogrammi con aree proiettate inferiori a 0,5 metri quadrati — una macchina da 2500 tonnellate è eccessiva. Il costo dell’attrezzatura, il consumo energetico e lo spazio occupato rendono tale soluzione impraticabile per componenti che non necessitano di tale capacità.

Esiste inoltre una curva di apprendimento. Gestire una macchina da 4000 tonnellate è diverso dal gestire una macchina da 1500 tonnellate. I parametri di iniezione sono più sensibili, la gestione termica è più complessa e le considerazioni sulla sicurezza sono più stringenti. Non tutte le fonderie sono pronte per questa transizione.

Tuttavia, per gli alloggiamenti delle batterie dei veicoli elettrici (EV), non esiste davvero alcuna alternativa. Il componente è troppo grande, troppo sottile e troppo complesso per essere fuso su attrezzature di dimensioni inferiori e, allo stesso tempo, soddisfare i requisiti di qualità e prestazioni del settore automobilistico.

Considerazioni conclusive sulle presse ad alta tonnellata per alloggiamenti di batterie EV

La necessità fondamentale di una pressa per fusione in sabbia in alluminio ad alta tonnellata per gli alloggiamenti di batterie EV deriva dalla fisica. Il componente è di grandi dimensioni, le pareti sono sottili, il riempimento deve essere rapido e lo stampo deve rimanere chiuso. Qualsiasi forza di chiusura inferiore a 2500 tonnellate non è in grado di soddisfare contemporaneamente tutti questi requisiti.

Produttori come Zhenli hanno riconosciuto questa evoluzione, offrendo presse a camera fredda con forze di chiusura comprese tra 1000 e 4500 tonnellate per rispondere alle esigenze della produzione di componenti per veicoli elettrici (EV) la tecnologia sta evolvendo rapidamente e i requisiti in termini di tonnellaggio continuano ad aumentare man mano che gli alloggiamenti diventano più grandi e più integrati. Per qualsiasi operazione che intende entrare nella catena di fornitura dei veicoli elettrici (EV), la domanda non è se investire in presse ad alta tonnellata, ma piuttosto entro quanto tempo.