Dlaczego wysokotonowa maszyna do odlewania pod ciśnieniem aluminium jest niezbędna do obudów akumulatorów pojazdów elektrycznych?

Problem skali, który zmienił branżę

Obudowy akumulatorów dla pojazdów elektrycznych nie są małymi elementami. Typowa obudowa zestawu akumulatorów w EV mierzy ponad metr długości i szerokości, a jej złożona konstrukcja wewnętrzna obejmuje żeberkowanie, punkty mocowania oraz kanały chłodzenia. Odlewanie takiej geometrii w jednej części wymaga maszyny, która potrafi zrobić więcej niż tylko zamknąć formę z wystarczającą siłą. Wymaga to pojemności zaciskowej mierzonej w tysiącach ton, systemów wtrysku zdolnych do wypełnienia ogromnych wnęk przed rozpoczęciem krzepnięcia aluminium oraz zarządzania ciepłem zapewniającego stabilność całego procesu.

Przesunięcie w kierunku wysokotonażowych maszyn do odlewania pod ciśnieniem aluminium przeznaczonych na obudowy akumulatorów dla pojazdów elektrycznych nie jest trendem. Jest to bezpośredni odpowiedzią na fizyczne wymagania stawiane samemu elementowi. Maszyna o pojemności mniejszej niż około 2500 ton po prostu nie jest w stanie utrzymać zamkniętej formy tej wielkości przy ciśnieniach wtrysku niezbędnych do jej wypełnienia.

Co właściwie oznacza termin „wysokotonażowy” w tym kontekście

W świecie odlewnictwa aluminium metodą prasowania pod ciśnieniem wysoka siła zaciskania zaczyna się od około 2000 ton i rośnie w górę. Maszyny stosowane do produkcji obudów akumulatorów dla pojazdów elektrycznych (EV) zwykle mają siłę zaciskania w zakresie od 2500 do 6000 ton, przy czym niektóre z największych zintegrowanych operacji odlewniczych osiągają nawet 10 000 ton i więcej.

Wartość wyrażona w tonach oznacza siłę zaciskania – czyli wielkość ciśnienia, jakie maszyna wywiera, aby utrzymać obie połowy formy zamknięte podczas wtrysku. Aluminium jest wstrzykiwane pod ciśnieniem od 100 do 200 MPa . To ciśnienie działa na powierzchnie formy, próbując je rozsunąć. Jeśli siła zaciskania jest niewystarczająca, połówki formy lekko się rozchodzą, co prowadzi do powstawania nadlewów, błędów wymiarowych, a w ciężkich przypadkach – do całkowitego uszkodzenia odlewu.

Dla obudowy akumulatora, której powierzchnia rzutu może wynosić 1,5 m² lub więcej, całkowita siła próbująca otworzyć formę podczas wtrysku jest ogromna. Maszyna o sile zaciskania 2500 ton zapewnia siłę zaciskania wynoszącą 25 000 kN . To wystarcza, aby utrzymać formę o takich wymiarach zamkniętą, ale jedynie z niewielkim zapasem. Wraz ze wzrostem rozmiarów obudów i ich większą integracją wymagana siła zamykania formy również rośnie.

Dlaczego obudowy akumulatorów wymagają większej siły zamykania niż inne odlewy samochodowe

Odlewy samochodowe, takie jak bloki silników czy obudowy skrzyń biegów, produkowane są od lat na maszynach o nośności 1500 ton i 2000 ton. Obudowy akumulatorów są inne: są większe, cieńsze i mają bardziej złożoną geometrię wewnętrzną. Grubość ścianek typowej obudowy akumulatora pojazdu elektrycznego (EV) wynosi często 2,0 mm lub mniej. . Jest to znacznie mniejsza grubość niż w przypadku bloku silnika, którego ścianki mogą mieć grubość 3 mm lub więcej.

Cienkie ścianki oznaczają szybsze ochładzanie się aluminium. Szybsze ochładzanie wymaga ukończenia wtrysku w krótszym czasie, zanim metal zakrzepnie w kanałach wlewowych lub w dalszym końcu jamy formy. Szybkie wypełnienie dużej jamy o cienkich ściankach wymaga wysokiej prędkości wtrysku oraz wysokiego ciśnienia wtrysku. Oba te czynniki wymagają dużej siły zamykania formy, aby utrzymać ją zamkniętą.

Tendencja do integracji pogarsza ten problem. Producenci przechodzą na odlewy pojedyncze, które łączą dziesiątki osobnych blach i profili wytłaczanych w jeden element. Pojedynczy odlew obudowy baterii może zastąpić 50 lub więcej oddzielnych części, eliminując operacje spawania, mocowania i montażu. Jednak ten pojedynczy element jest większy i bardziej skomplikowany niż którekolwiek z poszczególnych elementów, które zastępuje, co oznacza, że wymaga jeszcze większej siły zacisku oraz jeszcze dokładniejszej kontroli wtrysku.

Problem porowatości, który można rozwiązać wyłącznie przy użyciu maszyn o dużej nośności

Porowatość stanowi zagrożenie dla każdego odlewu ciśnieniowego, ale szczególnie szkodliwa jest w obudowach baterii. Porowatość powoduje osłabienie materiału, co może zagrozić integralności konstrukcyjnej w przypadku kolizji. Powoduje również powstanie kanałów, przez które wilgoć i zanieczyszczenia mogą przedostać się do komórek baterii.

Maszyny o dużej siłę zaciskową eliminują porowatość na dwa sposoby. Po pierwsze, wyższa siła zaciskowa utrzymuje formę bardziej szczelnie zamkniętą, zapobiegając wprowadzaniu powietrza do wnętrza jamy podczas wtrysku. Po drugie, systemy wtryskowe maszyn o dużej siłę zaciskową są zaprojektowane tak, aby osiągać wyższe prędkości wypełniania, co skraca czas, w którym może dojść do uwięzienia powietrza.

Maszyna o siłę zaciskowej 4000 ton wypełnia formę obudowy akumulatora w ciągu milisekund szybciej niż maszyna o siłę zaciskowej 2500 ton – wyłącznie dlatego, że jej układ hydrauliczny jest większy, a akumulator strzału bardziej wydajny. Różnica w czasie wypełniania przekłada się bezpośrednio na niższą porowatość oraz lepsze właściwości mechaniczne.

Jeden z głównych producentów pojazdów elektrycznych (EV) poinformował, że przejście z maszyny o siłę zaciskowej 2500 ton na maszynę o siłę zaciskowej 4400 ton w programie produkcji obudów akumulatorów zmniejszyło odpad spowodowany porowatością o 40%, a wytrzymałość na rozciąganie odlewu poprawiła się o 12%. Wyższa siła zaciskowa nie tylko zapewniła stałe utrzymywanie formy w stanie zamkniętym – umożliwiła także szybsze i bardziej kontrolowane wypełnianie jamy, co dało gęstszy i wytrzymałszy detal.

Wyzwanie związane z zarządzaniem temperaturą

Obudowy akumulatorów to nie tylko elementy konstrukcyjne. Są także komponentami systemu zarządzania temperaturą. W wielu projektach zintegrowano kanały chłodzące, przez które przepływa ciecz regulująca temperaturę akumulatora. Te kanały są odlewane razem z częścią, co oznacza, że forma musi zawierać złożone rdzenie i suwaki, które należy wypełnić w całości.

Wypełnienie tych kanałów bez występowania porowatości ani niepełnego wypełnienia wymaga precyzyjnej kontroli temperatury metalu, prędkości wypełniania oraz ciśnienia. Maszyny o dużej nośności są zwykle wyposażone w bardziej zaawansowane systemy sterowania wtryskiem – wielostopniowe profile wypełniania, monitorowanie ciśnienia w czasie rzeczywistym oraz cylinder wtryskowy z serwonapędem, który może dostosowywać się w locie.

Masa cieplna dużej formy do odlewania baterii jest znaczna. Samej formy może ważyć 20 ton lub więcej. Podniesienie takiej ilości stali do temperatury roboczej i utrzymanie jej w tym stanie wymaga maszyny wyposażonej w wydajne systemy grzewcze i chłodzące. Maszyny o dużej nośności są zaprojektowane tak, aby radzić sobie z takim obciążeniem cieplnym – czego nie można powiedzieć o mniejszych maszynach.

Gdy duża nośność nie jest rozwiązaniem

Duża nośność nie jest uniwersalnym rozwiązaniem. W przypadku mniejszych odlewów – np. o masie poniżej 5 kg i powierzchni rzutu mniejszej niż 0,5 m² – maszyna o nośności 2500 ton jest nadmiernie przewymiarowana. Koszt sprzętu, zużycie energii oraz wymagana powierzchnia podłogi czynią ją niewykonalną w przypadku elementów, które nie wymagają takiej nośności.

Istnieje również krzywa uczenia się. Obsługa maszyny o nośności 4000 ton różni się od obsługi maszyny o nośności 1500 ton. Parametry wtrysku są bardziej czułe, zarządzanie temperaturą jest bardziej skomplikowane, a wymagania dotyczące bezpieczeństwa są surowsze. Nie każda odlewnia jest przygotowana na taki przejście.

Jednak w przypadku obudów akumulatorów dla pojazdów elektrycznych nie ma prawdziwej alternatywy. Część ta jest zbyt duża, zbyt cienka i zbyt skomplikowana, aby można ją było odlać na mniejszych urządzeniach i jednocześnie spełnić wymagania jakościowe oraz wydajnościowe przemysłu motocyklowego.

Podsumowanie dotyczące maszyn o dużej siły zamknięcia do produkcji obudów akumulatorów dla pojazdów elektrycznych

Niezbędna natura maszyn do odlewania pod ciśnieniem aluminium o dużej sile zamknięcia w przypadku obudów akumulatorów dla pojazdów elektrycznych wynika z praw fizyki. Część jest duża, ścianki są cienkie, wypełnienie formy musi być szybkie, a forma musi pozostawać zamknięta. Żadna maszyna o sile zamknięcia mniejszej niż 2500 ton nie jest w stanie jednoczesnego spełnienia wszystkich tych wymagań.

Producentom takim jak Zhenli uświadomiono ten przeskok, oferując maszyny komorowe zimne o sile zamknięcia w zakresie od 1000 do 4500 ton, aby spełnić potrzeby produkcji komponentów dla pojazdów elektrycznych technologia rozwija się bardzo szybko, a wymagania dotyczące nośności rosną wraz z powiększaniem się i zwiększaniem stopnia integracji obudów. Dla każdej firmy wchodzącej w łańcuch dostaw pojazdów elektrycznych (EV) pytanie nie brzmi: czy inwestować w prasy o dużej nośności, lecz jak najszybciej.