Tesla innoviert bei Aluminium

Sehr bekannt, dass Elon Musks Firma Tesla ständig viele Innovationen einführt, was macht Sie, von der Software ihrer Autos bis zur Chemie der Elektrobatterien, die sie in Bewegung gesetzt haben. Dies gilt auch für Metalle., aus denen Autos gemacht werden, sowie Methoden ihrer Verarbeitung.

Innovative Aluminiumlegierungen

Langlebige Aluminiumgussteile ohne Wärmebehandlung

Noch vor ein paar Wochen, Ende Juli 2021 des Jahres, Tesla hat ein Patent für neue Aluminiumgusslegierungen angemeldet [1]. Er beschreibt Aluminiumlegierungen, die sowohl stark als auch flexibel sind. Gussteile aus diesen Legierungen erfordern keine weitere Wärmebehandlung und reduzieren daher die Produktionskosten..

Anmerkungen zur Patentbeschreibung von Tesla, dass industrielle Gusslegierungen, wie sie zur Herstellung von Karosserien für Elektroautos verwendet werden, muss gleichzeitig stark sein, und Plastik. Diese Aluminium-Autoteile werden normalerweise durch Gießen hergestellt. Darin unterscheiden sich gute Aluminiumgussteile, dass sie schnell und zuverlässig produziert werden, und ihre chemische Zusammensetzung und Struktur verleihen ihnen die notwendigen strukturellen Eigenschaften. aber, wenn Legierungen geringe Gusseigenschaften haben, dies führt dann zu Heißrissen der Gussteile, das schafft Qualitätsprobleme für sie.

Tesla-Highlights, dass zahlreiche Strukturelemente, die derzeit aus Aluminiumlegierungen hergestellt werden, erfordern in der Regel zusätzliche Verarbeitung, wie Wärmebehandlung, was die Kraft steigert, Härte, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit. Diese zusätzlichen Behandlungen verbessern die Qualität dieser Teile., aber sie erfordern auch hohe Investitionen, verlängern den Produktionsprozess und reduzieren die Produktivität. Daher ist es ratsam, Gussteile aus Aluminiumlegierungen herzustellen, die ohne zusätzliche Wärmebehandlung eine hohe Streckgrenze und ausreichend hohe Plastizität aufweisen.

Eine dieser Aufgaben, die dieses Patent löst, ist das Folgende. Aluminiumlegierung muss eine Streckgrenze von mindestens . haben 130 MPa und Biegewinkel nicht weniger 20 Grad bei Querschnittsdicke 3 mm wie gegossen und ohne zusätzliche Bearbeitung. Dieses Problem wird durch verschiedene Kombinationen von Legierungselementen und Härteausscheidungen mit Siliziumanteilen von 6 zu 11 %.

Langlebige Aluminiumgussteile mit hoher elektrischer Leitfähigkeit

Ein weiteres Patent [2] Hinweise, dass industrielle Standardlegierungen aus Aluminium den Konstrukteuren nicht immer erlauben, die gestellten Aufgaben effektiv zu lösen. beispielsweise, Aluminiumgusslegierung A356 hat eine Streckgrenze von mindestens 175 MPa, aber seine elektrische Leitfähigkeit ist nur 40 % ab Kupferstandard (IACS). Und umgekehrt, Aluminiumlegierung 100.1 hat elektrische Leitfähigkeit nicht weniger, als 48 % ab Kupferstandard, aber seine Streckgrenze ist nur 50 MPa (Zeichnung 1).

Bild 1 - Berühmte Aluminiumgusslegierungen,
Kupferlegierung 10100-O und Aluminiumknetlegierung 6061
in Koordinaten "Streckgrenze - elektrische Leitfähigkeit",
sowie ein vorgegebenes Feld für die Entwicklung neuer Legierungen [2]

Für einige Produkte, z.B, Bei solchen Einheiten eines Elektroautos wie einem Rotor oder einem Wechselrichter ist es sehr wünschenswert, eine hohe Leistung für beide dieser Eigenschaften zu haben - Streckgrenze und elektrische Leitfähigkeit. Diese Aufgaben werden durch eine spezielle Auswahl der chemischen Zusammensetzung von Aluminiumgusslegierungen gelöst..

Hochdruck-Druckgussmaschinen

Hochdruckgussprinzip

Konventioneller Hochdruckguss ist eine Metallgusstechnologie, Dies beinhaltet typischerweise das "Schießen" oder Einspritzen von geschmolzenem Metall unter hohem Druck in einen Hohlraum einer Metallform, die aus zwei abnehmbaren Teilen besteht (Abbildung 2).

Bild 2 - Prinzip des Aluminium-Hochdruckgusses [3]

 

Giga Pressgussmaschinen

Derzeit werden bei der Herstellung von Automobilkarosserien eine Vielzahl unterschiedlicher Aluminiumteile verwendet., die auf separaten Gießmaschinen unter hohem Druck gegossen werden. Diese Teile aus jeder Gießmaschine werden dann von Arbeitern oder Robotern zusammengebaut, z.B, durch Schweißen, was soll man eine autokarosserie formen.

Tesla angekündigt, dass seine riesigen Giga Press Gießereien für seine Model Y Fahrzeuge die hinteren und vorderen Unterbodenkäfige mit elektrischen Batteriezellen aus einteiligen Aluminiumgussteilen produzieren werden (Bild 3).


Bild 3 - Solide Elemente der Karosserie des Elektrofahrzeugs Modell Y
Tesla-Unternehmen [4]

Diese Maschinen werden von der italienischen Firma IDRA . für Tesla hergestellt. Sie sind die größten Spritzgießmaschinen der Welt mit einer Schließkraft von 5500 zu 6100 Tonnen. Jede solche Maschine wiegt 410-430 Tonnen (Zahl 4).


Bild 4 - Giga Pressgussmaschine
im Tesla-Werk in Fremont, Kalifornien [5]

Ein Teil der geschmolzenen Aluminiummasse 80 kg wird mit einer Geschwindigkeit in die Form gespritzt 10 Meter pro Sekunde. Die Zykluszeit beträgt 80-90 Sekunden, die es ermöglicht zu produzieren 40-45 fertige Gussteile pro Stunde oder früher 1000 Stück pro Tag.

Spritzgießen erfolgt durch "Einspritzen" von geschmolzenem Aluminium in eine wiederverwendbare Form. Dann expandiert die Form, um das fertige Gussteil danach zu entfernen, wie wird es hart?. Die geöffnete Form wird abgekühlt auf 185 Grad Celsius, von Robotern geräumt und durch 1-2 Minuten nach dem vorherigen Zyklus wird eine neue Portion geschmolzenes Metall zugeführt. Jeder "frische" Guss wird auf die ungefähren angegebenen Abmessungen bearbeitet, auf Mängel geprüft und an eine CNC-Vorrichtung zur Bearbeitung auf Fertigmaß gesendet.

Die gesamte Technologie der Herstellung großer massiver Aluminiumteile

Aber selbst eine so riesige Maschine wie die Giga Press ist nur ein Teil einer allgemeineren Technologie zur Herstellung großer Aluminiumteile.. Zu den technologischen Stufen und Ausrüstungen, die für diese Technologie verwendet werden, gehören [5]:

  • Schmelzofen (850 Grad Celsius)
  • Dosierofen (750-850 Grad Celsius)
  • Giga Pressgussmaschine
  • Ölabschrecktank
  • Vorbearbeitungspresse (Trimmer)
  • Röntgengerät zur Porositätskontrolle
  • Laserbearbeitung
  • CNC-Bearbeitung
  • Laser-Koordinatenmessgerät
  • Montage von Befestigungselementen
  • Schredder von Bearbeitungsabfällen (Shredder) und deren Übergabe zum Umschmelzen
  • Vakuumsystem

Aluminiumlegierung für Giga-Pressgussmaschine

Nach [5], Aluminiumgusslegierung, die auf Giga Press-Maschinen zum Gießen großer Aluminiumteile verwendet wird, ist nah an der bekannten Aluminiumlegierung AA386. Diese Legierung hat einen nominalen Siliziumgehalt 8,5 %.

Mehrachsige Hochdruckgießmaschine

Selbst so riesige Gießmaschinen wie Giga Press Gießmaschinen passen nicht mehr zu Tesla. Deshalb hat Tesla ein Patent angemeldet [7], in dem er vorschlägt, Maschinen für das Hochdruckformen so zu verbessern, damit sie möglichst große Teile oder sogar die gesamte Karosserie als Ganzes gießen können (Bild 5).


Bild 5 - Gesamtansicht einer Mehrachs-Gießmaschine [7]:
108 - Bestandteile einer Gießform mit Injektoren;
110 - Führungsschienen;
114 - Formhohlraum;
116 - einteiliger Körper

Solche Maschinen werden die Anzahl der Gießmaschinen oder die Anzahl der Aluminiumgussteile reduzieren., die für die fertige Karosserie benötigt werden, wie zum Beispiel, zum sechsten, zu fünf, bis zu vier, bis zu drei, bis zu zwei oder eine Gießmaschine "[7].

Die Besonderheit dieser Maschinen ist, dass, dass sie eine große Anzahl von Injektoren zum Zuführen von geschmolzenem Aluminium in die Form enthalten, которые расположены по осям в различных плоскостях и под различными углами (рисунок 6).


Bild 6 - Mehrachsige Aluminium-Druckgusskarosserie
unter Hochdruck:
108a - Teil der Hochdruckgussform;
118 - mehrachsige Injektoren aus geschmolzenem Aluminium

Und das ist noch nicht alles

Tesla meldet weiterhin Patente an, die darauf abzielen, die Produktivität zu steigern und die Kosten des Herstellungsprozesses von Elektroautos zu senken. Wir werden diese weiterhin hervorheben, die sich auf Aluminium beziehen.

Quellen:

  1. Patent WO 2021/150604 – Druckguss-Aluminiumlegierungen für Strukturbauteile (Tesla)
  2. US-Patent 2019/0127824 – Gießen von Aluminiumlegierungen für Hochleistungsanwendungen (Tesla)
  3. TALAT-Lesung 3201 – Einführung in die Gießtechnik (1994)
  4. https://electrek.co/2020/10/07/elon-musk-tesla-structural-battery-cells-model-y-giga-berlin/
  5. https://en.wikipedia.org/wiki/Giga_Press
  6. Tesla Fremont Roadrunner & Gigacast – Batterietag, September 22, 2020 – Youtube
  7. US-Patent 2019/0217380 A1 – Multidirektionale Unibody-Gießmaschine für einen Fahrzeugrahmen und zugehörige Verfahren (Tesla)