Procesy formowania aluminium w przemyśle motoryzacyjnym: tłoczenie na gorąco, hydromechaniczne głębokie tłoczenie, odlewanie metodą Gigacasting

Tłoczenie na gorąco stopów aluminium

Niedobory energii i pogarszający się stan środowiska naturalnego powodują poważne zmiany w przemyśle motoryzacyjnym. Badania wskazują, że zmniejszenie całkowitej masy pojazdu o 10% może poprawić oszczędność paliwa o 6% do 8% oraz zmniejszyć emisje o 4%. W związku z tym zmniejszenie masy pojazdów stało się głównym tematem badań w Stanach Zjednoczonych, Niemczech, Japonii i innych krajach produkujących samochody. Trzy główne podejścia to: lekkie materiały o wysokiej wytrzymałości, optymalizacja konstrukcji oraz zaawansowane procesy formowania.

Stopy aluminium są powszechnie stosowanymi materiałami lekkimi w przemyśle lotniczym i kosmicznym. Wraz ze spadkiem kosztów tych materiałów ich zalety w zakresie redukcji masy sprawiły, że stały się one jednym z najszybciej zyskujących na popularności materiałów lekkich w pojazdach spalinowych klasy średniej i wyższej oraz w pojazdach elektrycznych wykorzystujących nowe źródła energii. Aluminium można formować na zimno lub na gorąco. W temperaturze pokojowej charakteryzuje się niską plastycznością i formowalnością, trudnym do kontrolowania sprężystym powrotem oraz niepewną dokładnością wymiarową. W podwyższonych temperaturach, zazwyczaj od 200 do 450°C, plastyczność blachy poprawia się wraz ze wzrostem temperatury, co sprzyja produkcji paneli karoserii samochodowych. Dlatego w przypadku złożonych paneli o wysokiej wytrzymałości i dużej dokładności często stosuje się formowanie na gorąco.

Tłoczenie na gorąco stało się ważnym obszarem badań naukowych i przemysłowych. Elementy aluminiowe wytwarzane metodą tłoczenia na gorąco zastąpiły niektóre tradycyjne części stalowe w słupkach A, słupkach B, maskach silnika i innych kluczowych miejscach karoserii. Firma Austria Metall AG wyprodukowała belkę zderzeniową do modelu BMW i8 z aluminium AA7075 metodą tłoczenia na gorąco. W modelu Land Rover L405 wykorzystano aluminium serii 6xxx oraz tłoczenie na gorąco do wyprodukowania największego – według stanu na rok 2015 – jednoczęściowego panelu bocznego nadwozia. Firma Aston Martin wykorzystała zintegrowane rozwiązanie obejmujące obróbkę cieplną, formowanie i hartowanie na zimno (HFQ) do wyprodukowania złożonego wzmocnienia słupka A dla modelu DB11. Firma Morgan zastosowała technologię HFQ do wykonania pierwszej maski silnika uformowanej tą metodą dla modelu Aero 8. Naukowcy z Uniwersytetu Technologicznego w Wuhan poddali tłoczeniu na gorąco spawane metodą mieszania ciernego, indywidualnie spawane półfabrykaty, aby wyprodukować słupek B do samochodu o wysokiej dokładności wymiarowej i dobrych właściwościach mechanicznych.

Głębokie tłoczenie hydromechaniczne

Głębokie tłoczenie hydromechaniczne to niedawno opracowana metoda obróbki blach, w której sztywną matrycę zastępuje ciecz pod wysokim ciśnieniem. Ciśnienie cieczy dociska blachę do stempla, co pozwala na uformowanie elementu. Metoda ta nadaje się do produkcji skomplikowanych elementów oraz materiałów o niskiej plastyczności, takich jak stopy aluminium, i zapewnia wysoką granicę plastyczności, dobrą jakość powierzchni oraz wysoką dokładność wymiarową.

Typowy układ składa się z stempla, matrycy, dociskacza blachy, komory hydraulicznej oraz hydraulicznego zaworu nadmiarowego. Komora jest wypełniona cieczą, blacha jest umieszczana w odpowiednim położeniu, a dociskacz przyciska ją do matrycy. Gdy stempel wpycha blachę do komory, ciśnienie regulowane przez zawór nadmiarowy mocno dociska blachę do stempla. Pomiędzy blachą a stemplem powstaje korzystne tarcie utrzymujące, natomiast smarowanie cieczą pomiędzy blachą a matrycą zmniejsza tarcie oraz poprawia jakość powierzchni i granicę formowalności.

Na poniższym rysunku przedstawiono porównanie tradycyjnego i hydromechanicznego głębokiego tłoczenia.

[MIEJSCE NA OBRAZ: Porównanie tradycyjnego i hydromechanicznego głębokiego tłoczenia]

1. Niższe koszty matryc i krótszy cykl produkcyjny. Ciecz pod wysokim ciśnieniem zastępuje albo stempel, albo matrycę, dzięki czemu potrzebne jest tylko jedno sztywne narzędzie.
2. Wysoka dokładność wymiarowa i dobra jakość powierzchni. Smarowanie cieczą między kołnierzem a matrycą znacznie ogranicza powstawanie zadrapań podczas formowania.
3. Wyższa granica plastyczności. Ograniczenie tarcia, smarowanie przelotowe oraz początkowe wybrzuszenie w kierunku przeciwnym do kierunku ciągnienia zmniejszają powstawanie pęknięć na promieniu stempla oraz marszczenie w obszarach niepodpartych. Zwiększa się stopień ciągnienia, zmniejsza się liczba etapów formowania, a koszty maleją.
4. Nadaje się do skomplikowanych elementów. Elementy o skomplikowanej budowie lub geometrii można wycinać w jednym cyklu, co pozwala zaoszczędzić czas i zwiększyć wykorzystanie materiału.
5. Bardziej jednolita grubość. Korzystne utrzymywanie tarcia zmniejsza promieniowe naprężenie rozciągające, sprzyja równomiernemu przepływowi blachy, ogranicza jej ścieńczenie i koncentrację naprężeń oraz poprawia równomierność grubości ścianek.
6. Oszczędności związane z materiałami i procesami produkcyjnymi. Proces ten pozwala zmniejszyć zużycie materiału i koszty obróbki.

Zintegrowane odlewanie ciśnieniowe

Od 2020 roku firma Tesla stosuje technologię zintegrowanego odlewania ciśnieniowego, dzięki czemu udało się połączyć ponad 70 elementów tylnej części nadwozia w jeden odlew, co stanowi wyzwanie dla tradycyjnych metod tłoczenia i spawania oraz zmienia sposób produkcji nadwozi. Odlewanie ciśnieniowe zapewnia wysoką wydajność, dokładność wymiarową, właściwości mechaniczne, optymalne wykorzystanie materiału oraz korzystną opłacalność w produkcji seryjnej. Jednoczęściowy odlew eliminuje skomplikowaną sekwencję tłoczenia i spawania, zmniejsza wymagania dotyczące oprzyrządowania oraz konieczność przeprowadzania kontroli poszczególnych części, a także pozwala uniknąć kumulacji błędów montażowych. Ponieważ element jest wykonany z jednego materiału, odpady można bezpośrednio przetopić na inne produkty.

Model Y był pierwszym pojazdem Tesli, w którym zastosowano tę technologię – jego tylna część podwozia została wykonana jako jednolity odlew. W porównaniu z Modelem 3 w Modelu Y zmniejszono liczbę części o 79, zredukowano liczbę punktów spawania z 700–800 do 50 oraz skrócono czas produkcji z 1–2 godzin do 3–5 minut.