De ce este esențială o mașină de turnare sub presiune din aluminiu cu tonaj ridicat pentru carcasele bateriilor vehiculelor electrice?

Problema dimensiunii care a schimbat industria

Carcasele bateriilor pentru vehicule electrice nu sunt piese mici. O carcasă tipică pentru un pachet de baterii EV are dimensiuni de peste un metru atât în lungime, cât și în lățime, cu nervuri interne complexe, puncte de montare și canale de răcire. Turnarea unei astfel de geometrii într-o singură bucată necesită o mașină care face mai mult decât doar închiderea unei matrițe cu forță suficientă. Este necesară o capacitate de strângere măsurată în mii de tone, sisteme de injectare capabile să umple cavitați masive înainte ca aluminiul să înceapă să se solidifice și un sistem de gestionare termică care menține întregul proces stabil.

Trecerea către mașini de turnat prin injecție din aluminiu de mare tonaj pentru carcasele bateriilor vehiculelor electrice nu este o tendință. Este o reacție directă la cerințele fizice ale piesei în sine. Orice capacitate sub aproximativ 2500 de tone pur și simplu nu poate menține închisă o matriță de această dimensiune sub presiunile de injectare necesare pentru umplerea acesteia.

Ce înseamnă, de fapt, «mare tonaj» în acest context

În domeniul turnării sub presiune din aluminiu, tonajul ridicat începe în jur de 2000 de tone și crește ulterior. Mașinile utilizate pentru carcasele bateriilor vehiculelor electrice (EV) se încadrează, de obicei, în intervalul de la 2500 de tone până la 6000 de tone, iar unele dintre cele mai mari operațiuni integrate de turnare ajung chiar la 10.000 de tone și peste.

Numărul de tone se referă la forța de închidere – adică la presiunea pe care mașina o aplică pentru a menține închise cele două jumătăți ale matriței în timpul injectării. Aluminiul este injectat la presiuni de 100–200 MPa . Această presiune acționează asupra suprafețelor matriței, încercând să le deschidă. Dacă forța de închidere este insuficientă, matrița se deschide ușor, generând buruieni, erori dimensionale și, în cazuri severe, defectarea completă a piesei.

Pentru o carcasă de baterie care poate avea o suprafață proiectată de 1,5 metri pătrați sau mai mult, forța totală care încearcă să deschidă matrița în timpul injectării este enormă. O mașină de 2500 de tone oferă o forță de închidere de 25.000 kN . Acest lucru este suficient pentru a menține închisă o matriță de această dimensiune, dar abia cu greu. Pe măsură ce carcasele devin mai mari și mai integrate, cerința de forță de strângere crește proporțional.

De ce carcasele pentru baterii necesită mai mult decât celelalte turnări auto

Turnările auto, cum ar fi blocurile de motoare și carcasele de transmisie, au fost produse de ani de zile pe mașini de 1500 de tone și 2000 de tone. Carcasele pentru baterii sunt diferite. Ele sunt mai mari, mai subțiri și au o geometrie internă mai complexă. Grosimea pereților unei carcase tipice pentru baterii EV este adesea de 2,0 mm sau mai mică. . Aceasta este semnificativ mai mică decât grosimea pereților unui bloc de motor, care poate fi de 3 mm sau mai mare.

Pereții subțiri înseamnă că aluminiul se răcește mai repede. Răcirea mai rapidă implică faptul că turnarea trebuie finalizată mai repede, înainte ca metalul să se solidifice în canalele de alimentare sau la capătul îndepărtat al cavității. Pentru a umple rapid o cavitate mare și subțire este necesară o viteză ridicată de injectare și o presiune ridicată de injectare. Ambele necesită o forță de strângere ridicată pentru a menține matrița închisă.

Tendința de integrare agravează problema. Producătorii tind spre turnări într-o singură piesă care consolidează zeci de piese separate realizate prin ambutisare și extrudare într-un singur component. Un carcasă unică pentru baterie ar putea înlocui 50 sau mai multe piese separate, eliminând operațiile de sudură, fixare și asamblare. Totuși, această piesă unică este mai mare și mai complexă decât oricare dintre piesele individuale pe care le înlocuiește, ceea ce înseamnă că necesită o forță de strângere și mai mare și un control al injectării și mai precis.

Problema porozității, care poate fi rezolvată doar cu o tonaj ridicat

Porozitatea reprezintă dușmanul oricărei turnări în matriță, dar este deosebit de dăunătoare în carcasele pentru baterii. Porozitatea creează puncte slabe care pot compromite integritatea structurală în cazul unei coliziuni. De asemenea, creează căi de acces pentru umiditate și contaminanți către celulele bateriei.

Mașinile de mare tonaj abordează porozitatea în două moduri. În primul rând, forța mai mare de închidere menține matrița închisă mai strâns, împiedicând intrarea aerului în cavitate în timpul injectării. În al doilea rând, sistemele de injectare ale mașinilor de mare tonaj sunt concepute pentru a atinge viteze mai mari de umplere, ceea ce reduce timpul disponibil pentru închiderea aerului.

O mașină de 4000 de tone poate umple o matriță pentru carcasă de baterie cu milisecunde mai rapid decât o mașină de 2500 de tone, pur și simplu deoarece sistemul său hidraulic este mai mare și acumulatorul de injectare este mai puternic. Această diferență de timp de umplere se traduce direct într-o porozitate mai scăzută și în proprietăți mecanice superioare.

Un important producător de vehicule electrice (EV) a raportat că trecerea de la o mașină de 2500 de tone la una de 4400 de tone în cadrul unui program de carcase pentru baterii a redus rebuturile legate de porozitate cu 40% și a îmbunătățit rezistența la tracțiune a turnării cu 12%. Tonajul mai mare nu a avut ca efect doar menținerea matriței închise — ci a permis o umplere mai rapidă și mai controlată, care a produs o piesă mai densă și mai rezistentă.

Provocarea gestionării termice

Carcasele bateriilor nu sunt doar învelișuri structurale. Ele sunt, de asemenea, componente pentru gestionarea termică. Multe proiecte includ canale de răcire integrate, care circulă un fluid pentru reglarea temperaturii bateriei. Aceste canale sunt turnate în piesă, ceea ce înseamnă că matrița are miezuri și glisieri complicate, care trebuie umplute complet.

Umplerea acestor canale fără porozitate sau umplere incompletă necesită un control precis al temperaturii metalului, al vitezei de umplere și al presiunii. Mașinile cu tonaj ridicat sunt, de obicei, echipate cu sisteme mai sofisticate de control al injecției — profiluri de umplere în mai multe etape, monitorizare în timp real a presiunii și cilindri de injectare comandați servo, care pot efectua ajustări în timp real.

Masa termică a unei forme mari pentru carcasă de baterie este considerabilă. Propria formă poate cântări 20 de tone sau mai mult. Încălzirea unei cantități atât de mari de oțel până la temperatura de funcționare și menținerea acesteia la acea temperatură necesită o mașină dotată cu sisteme puternice de încălzire și răcire. Mașinile de mare capacitate sunt concepute pentru a suporta acest tip de sarcină termică, într-un mod în care mașinile de capacitate mai mică nu sunt.

Când o capacitate mare NU este soluția

Capacitatea mare nu reprezintă o soluție universală. Pentru turnări mai mici — de exemplu, sub 5 kilograme, cu suprafețe proiectate sub 0,5 metri pătrați — o mașină de 2500 de tone este excesivă. Costul echipamentului, consumul de energie și spațiul ocupat pe podea o fac nepractică pentru piese care nu necesită această capacitate.

Există, de asemenea, o curbă de învățare. Exploatarea unei mașini de 4000 de tone diferă de cea a unei mașini de 1500 de tone. Parametrii de injectare sunt mai sensibili, gestionarea termică este mai complexă, iar cerințele de siguranță sunt mai riguroase. Nu fiecare turnătorie este pregătită pentru această tranziție.

Dar pentru carcasele bateriilor vehiculelor electrice (EV), nu există cu adevărat nicio alternativă. Această piesă este prea mare, prea subțire și prea complexă pentru a fi turnată pe echipamente mai mici și totuși pentru a îndeplini cerințele de calitate și performanță ale industriei auto.

Concluzia privind mașinile de turnare sub presiune cu forță mare pentru carcasele bateriilor vehiculelor electrice (EV)

Natura esențială a unei mașini de turnare sub presiune din aluminiu cu forță mare pentru carcasele bateriilor vehiculelor electrice (EV) se datorează fizicii. Piesa este mare, pereții sunt subțiri, umplerea trebuie să fie rapidă, iar matrița trebuie să rămână închisă. Orice forță de închidere sub 2500 de tone nu poate îndeplini simultan toate aceste cerințe.

Producători precum Zhenli au recunoscut această schimbare, oferind mașini cu baie rece având forțe de închidere cuprinse între 1000 și 4500 de tone, pentru a satisface nevoile producției de componente pentru vehicule electrice (EV) tehnologia evoluează rapid, iar cerințele de tonaj nu fac decât să crească pe măsură ce carcasele devin mai mari și mai integrate. Pentru orice operațiune care intră în lanțul de aprovizionare al vehiculelor electrice (EV), întrebarea nu este dacă să investească în prese de mare tonaj, ci cât de curând.