2022年汽车行业一体化压铸研究报告.docx
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1、2022年汽车行业一体化压铸研究报告1. 轻量化是必由之路,一体化压铸应时而生1.1. 节能减排促进轻量化趋势,铝轻量化渗透率不断提高轻量化是一种有效的节能减排技术。全球汽车行业的节能减排政策逐渐趋严,油耗、 排放标准不断提高。轻量化技术作为一种重要的汽车节能减排途径,在满足汽车安 全性和成本控制的条件下实现汽车减重。同时,降低车重可以减少动力系统载荷, 提高汽车动力性能,降低刹车距离,提高驾驶稳定性。有研究表明,汽车每减重10%, 在节能方面,汽油车油耗可以下降约 3.3%、纯电动车电耗下降约 6.3%;在减排方 面,尾气排放量可降低 5%6%;在安全性方面,制动距离缩短约 5%,转向力减少
2、 6%。 此外,轻量化有利于新能源车的成本控制。燃油车常见的 4 缸、6 缸发动机平均重 量在 75-250kg(165-550 磅),变速箱平均重量在 45-181kg(100-400 磅)。而新能源 车尤其是纯电动车中电池包自重大,导致整车重量高于同级别燃油车。以特斯拉 Model 3 为例,续航 556km,整车整备质量 1761kg,其中 60kWh 的动力电池包重量 达到 480kg,假设电池包度电成本 800 元,则电池成本达到 4.8 万元,轻量化使能耗 下降,达到相同续航所需电池包能量更低,电池包重量、成本可以进一步降低。因 此,轻量化不论对于传统燃油车还是新能源汽车都是必然需
3、求。铝合金材料是常用的轻量化材料之一,相比钢材密度低、吸能效果好,但成本高、 连接工艺复杂。轻量化技术路线主要包括材料轻量化、结构轻量化、工艺轻量化。 常用的轻量化材料包括高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金等金属材料及碳纤维增 强复合材料等非金属材料。钢铁材料目前是汽车车身用量最高的材料,在车身用材 占比约 70%。铝合金是一种较成熟的轻量化材料,其密度是钢的 1/3,比吸能是钢的 2 倍,碰撞时对能量的吸收效果更好,且易于加工成型。铝合金的比强度、比刚度 高,耐腐蚀性、耐磨性好,且铝制品回收再利用率高达 90%。与此同时,铝合金材料的力学性能、承载能力与钢相比存在差距,且铝合金的价格约为钢材的
4、 3 倍,连 接工艺也更复杂,成本高于钢材。汽车单车含铝量逐年增加,覆盖品类不断拓宽。铝合金目前主要应用在汽车发动机、 变速箱、传动系统、防撞梁以及轮毂等组件零部件上,其中铝质发动机可减重 30%, 铝质散热器比铜质轻 20%40%,铝质轮毂重量减少 30%。此外,铝合金材料在车 身、底盘等平台部件上的应用也逐渐增加,如奥迪 A8、蔚来 ES8、奇瑞小蚂蚁等车 型采用了全铝车身。根据 Ducker Frontier,2020 年北美轻型汽车平均单车含铝量为 208kg,预计到 2026 年将提升为 233kg,其中车身零部件贡献增长较多,预计引擎 盖、车门、挡泥板、行李箱盖等车身覆盖件的铝合金
5、渗透率将有 10pct 以上的提升。纯电动车含铝量更高。相比于非纯电动车(包含传统燃油车、混动车、燃料电池车), 纯电动车虽然不包含内燃机和变速箱等铝合金渗透率较高的零部件,但电机、逆变 器、动力电池等电气单元的封装外壳以及平台零部件对铝合金的需求更高,2020 年 纯电动车单车含铝量达到 292kg,比非纯电动车高出 42%。纯电动车市场处于高速 发展阶段,将带动单车铝需求量增长。在汽车节能减排需求下,轻量化将成为必然趋势,铝合金作为一种有效的汽车轻量 化材料,需求量与渗透率有望不断提高,其中铝合金在新能源车领域以及车身的应 用前景广阔。1.2. 一体化压铸提高生产效率、降低成本传统的汽车制
6、造流程主要包含冲压、焊装、涂装、总装四大工艺。其中冲压是对板 料施加压力进行塑性或分离加工得到冲压件;焊装是将冲压件通过焊接等方式形成 车身总成(即白车身);涂装是对白车身进行喷涂得到防腐、美观的涂层;总装将发 动机等零部件装配到车身上生产出整车。压铸是车用铝合金部件重要加工工艺。传统汽车制造工艺中冲压常用于钢材的成型, 而铝合金常见制造工艺包括钣金、铸造、挤压、锻造等,车用零部件中 60%以上为 铸造而成。在铸造工艺的各类方法中,压铸技术最先进、效率最高。压铸,即压力 铸造,其工艺原理是利用高压将熔融的金属液压入并填充铸型模具,并在高压下冷 却成型的铸造方法。压铸件具有材质轻、精密、表面质量
7、好等优点,且能够制造形 状复杂、薄壁深腔的金属零件。此外,压铸件只需少量或无需机械加工即可装配使 用,材料利用率约 60%-80%,毛坯利用率可达 90%。过去,压铸机锁模力和模具等因素限制了铝压铸零部件尺寸,铝合金车身的制造也 局限于传统制造工艺,其工艺流程仍通常为先制造车身零部件、再进行车身连接工 艺。由于铝合金材料热导率和线膨胀系数高、电阻率和熔点低、表面易形成氧化膜 等物理特性,铝合金难以形成高质量的焊接头,而铝合金与钢材的性能差异进一步 增加了车身连接难度。以奥迪 A8(D5)为例,车身材料中 58%的结构是铝合金, 还包括超高强钢、碳纤维、镁合金等。对此奥迪采用了 14 种连接工艺
8、来实现多种材 料的连接,复杂的连接工艺大幅提高了技术难度和制造成本。特斯拉率先提出一体化压铸概念,先后实现后地板、前纵梁一体化压铸件量产。2020 年 9 月,马斯克在特斯拉电池日上介绍了一体化压铸的计划,并首先应用于 Model Y 后地板总成的制造。一体化压铸指的是利用大吨位压铸机将多个零部件一次压铸 成型。从工艺角度看,一体化压铸打破了传统的汽车制造工艺模式,零部件一次压 铸成型,数量大幅降低,同时也避免了大量复杂的连接工艺。Model 3 的后地板需要 70 多个冲压件、挤压件和铸件,而 Model Y 仅需 2 个一体成型的部件,焊点数量由 700-800 个减少到 50 个。根据特
9、斯拉 2022 年一季报,奥斯汀工厂生产的 Model Y 后地板仅需 1 个零部件,且进一步实现了车身前部前纵梁位置的一体化压铸,Model Y 前后车身零部件数量相比 Model 3 的 171 个减少到 2 个,焊点/焊缝数量减少超 1600 个。从效率角度看,零部件数量、焊接工序的减少提高了生产效率,传统制造工艺下冲 压、焊装如 Model Y 后地板总成的部件需要 2 个小时,而采用一体化压铸有望在 2 分钟内加工完成。从成本角度看,传统制造方式下,每种零部件需要其对应的模具、 夹具等产线配套成本,焊接工艺的简化也降低了焊装工厂的投资成本,大型压铸机约 100 平米的占地面积也比传统
10、产线更少,特斯拉采用大型压铸机后,工厂占地面 积减少了 30%,相关自动化产线的人力成本节省了 20%,采用一体化压铸后 Model Y 后地板生产成本降低了 40%。 特斯拉目前实现了 ModelY 一体化压铸后地板及前纵梁,未来有望实现整个下车体、 车身结构件乃至整体车身的一体化压铸。特斯拉掀起了车身一体成型的热潮,新势 力车企如小鹏、蔚来等也在积极布局。一体化压铸凭借其生产效率高、成本低等优 点,为汽车轻量化与铝合金的应用提供了新的模式,或将颠覆传统汽车制造工艺。2. 壁垒高筑刺激产业链发展,玩家布局打开市场空间2.1. 一体化压铸提升铝铸件行业壁垒铝合金压铸件在生产过程中会出现如内部气
11、孔、疏松等缺陷,这是因为充型时腔内 气体没有完全排出,铸件凝固收缩时得不到补缩。缺陷的存在对压铸件性能、精度、 应用范围都有不利影响。为解决此类问题,目前已经开发出真空压铸技术、局部挤 压技术等工艺。随着铝轻量化不断推进,汽车对结构件等铝合金零部件的强度、耐 磨度等方面的要求愈加严格,进而需要深入研发更先进的材料工艺以及更高真空度 的压铸技术。一体化压铸的部件相比普通压铸件体积更大、形状更复杂,对于压铸工艺也提出了 更高的要求。 设备方面:一体化压铸需要更大型的压铸设备,其中压铸机锁模力的参数设计十分 重要,锁模力是为了防止施压注入熔融金属液时模具被压力顶开、而向模具施加的 力。通常情况下,用
12、于生产燃油车驱动系统压铸件的压铸机锁模力在 2000T3500T, 电驱系统压铸机所需锁模力在 2500T 以下,电池包由于尺寸较大,通常需要 3500T 锁模力。目前市面上的压铸机锁模力主要在 5000T 以下,而特斯拉采用的一体化压 铸带动了大型压铸机的升级。特斯拉用于压铸后地板的大型压铸设备来自于力劲科 技旗下 IDRA 制造的 Giga Press 压铸机,锁模力达到 6000T 级别。随着后续更多部 件一体化成型的推进,压铸件锁模力的需求也会不断提高。材料方面:热处理是铸造铝合金比较重要的一项工艺,通过热处理可以进一步提高 铸件的力学性能和耐腐蚀性能、稳定尺寸、改善加工性能。然而对于
13、铝合金一体化 压铸件,由于尺寸更大、壁厚不均匀、形状复杂,热处理带来的热胀冷缩等因素可能引起零部件尺寸变形或表面裂纹等缺陷,导致产品报废、良率下降、成本上升。 面对需求与工艺的矛盾,特斯拉在 ModelY 后地板的一体化压铸中采用了免热处理 铝合金材料。模具方面:在铝合金压铸件生产过程中,模具不但要承受来自压铸机的锁模力,还 要面对高温熔融金属液注入以及冷却过程中反复膨胀收缩的恶劣工作环境,对模具 的可靠性和使用寿命要求很高。另外,模具的设计对于压铸件也有重要意义,模具 浇道形状、浇口与排溢口的位置等参数选择不当会导致压铸件缩孔、产生气孔等缺 陷,模具的精度也直接影响着压铸件的精度。良好的模具
14、性能有助于提高产品良率, 寿命周期长有助于模具成本的摊销。而尺寸大、形状复杂的一体化压铸件,对模具 的设计和制造提出了更高的要求。2.2. 产业链与竞争格局一体化压铸市场形成了“上游设备、材料供应商中游压铸件生产商下游整车厂” 的产业链。大型压铸设备研发制造难度大,市场上仅少数企业实现了高吨位压铸机的突破。力 劲科技位于行业龙头,全球已销售超 3.3 台压铸机,在国内市场占据约 50%的份额, 不但率先实现特斯拉 6000T 压铸设备的交付,还将大型压铸单元的应用领域拓展至 9000T,并于 2022 年 9 月与广东鸿图联合发布 12000T 智能压铸单元。除力劲外, 布勒公司在大型压铸机领
15、域也具备雄厚的技术储备,旗下产品型号 Carat 920 的压 铸机实现了 92000kN(换算约 9388T)锁模力的突破。国产企业中,伊之密、海天 金属等在大型压铸机领域也有所进展,其中伊之密 7000T 压铸机完成装配、9000T 压铸机完成研发,海天金属 8800T 压铸机完成交付。免热处理材料对铸件力学性能和生产良率有重要意义,一体化压铸玩家积极布局免 热处理材料。材料供应商如立中集团、美铝 Alcoa、帅翼驰(主要是引进美铝的专利 技术)、德国莱茵等均有免热处理材料产品并开始投产,整车厂中特斯拉首先实现了 免热处理材料在一体化压铸领域的量产,蔚来、沃尔沃等也各自开发出了免热处理 材
16、料,华人运通与上海交大合作研发了超大铸件用低碳铝合金材料。后地板等承压 件对部件的强度要求不高,若推广至下车体总成,更大的零部件体积对流动性等参 数要求更高,若推广至车身结构件,则要求材料的强度、吸能效果等参数满足安全 性指标。随着一体化压铸的普及,需要针对各部件不同功能研发出更高性能的免热 处理材料。我国压铸行业集中度较低,汽车行业铝压铸件供应商主要包括文灿股份、爱柯迪、 旭升股份、广东鸿图、拓普集团、泉峰汽车等。随着一体化趋势的发展,各家压铸 件供应商开始跟进一体化压铸业务,采购大吨位压铸机,并通过子公司或与第三方 模具供应商合作提升模具设计和制造能力以满足一体化压铸对模具的需求。目前,
17、文灿股份 9000T 一体化压铸后底板成功下线,拓普集团/华人运通实现了 7200T 一 体化超大压铸后舱的成功量产,广东鸿图的 6800T 超大型一体化铝合金压铸结构件 试制成功。车企方面,特斯拉率先实现一体化压铸零部件的量产交付,由最初的两片式后地板 发展到目前的单片式后地板及一体化前纵梁,蔚来 ET5 的后底板也采用了一体化压 铸工艺。其他新势力如小鹏、高合以及传统车企如沃尔沃、大众也随之推进一体化 压铸的布局,其中小鹏、沃尔沃、大众等计划在工厂引入一体化产线进行自制。另 外,采用电池-底盘一体化的车企也有望采取一体化压铸的方式进行生产。2.3. 研判与市场空间我们认为,特斯拉出于产能、
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