Tesla innoviert bei Aluminium

Es ist bekannt, dass Elon Musks Firma Tesla ständig zahlreiche Neuerungen vorstellt, was macht Sie. Die Bandbreite dieser Innovationen reicht von der Software ihrer Autos bis zur Chemie elektrischer Batterien., 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

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

Industrielle Aluminium-Gusslegierungen, die für die 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.

Strukturelemente, die derzeit aus Aluminiumlegierungen hergestellt werden, erfordern in der Regel eine zusätzliche Wärmebehandlung. Diese Wärmebehandlung erhöht die Festigkeit, Härte, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit der Teile. Es erfordert jedoch zusätzliche Kapitalaufwendungen., verlängert den Produktionsprozess und verringert die Produktivität. Daher ist es sinnvoll, Gussteile aus Aluminiumlegierungen herzustellen, die ohne zusätzliche Wärmebehandlung sofort eine hohe Streckgrenze und eine ausreichend hohe Duktilität 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 (Abbildung 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 solche Einheiten eines Elektroautos wie einen Rotor oder einen Wechselrichter ist es sehr wünschenswert, hohe Raten für die Streckgrenze zu haben, und für die elektrische Leitfähigkeit. Dieses Problem wird durch eine spezielle Auswahl der chemischen Zusammensetzung von Aluminiumgusslegierungen gelöst..

Hochdruck-Druckgussmaschinen

Hochdruckgussprinzip

Druckguss ist eine Technologie, Dabei wird geschmolzenes Metall unter hohem Druck in den Hohlraum einer Metallform "gedrückt". Diese Form besteht aus zwei abnehmbaren Teilen (Abb 2).

Bild 2 - Prinzip des Aluminium-Hochdruckgusses [3]

 

Giga Pressgussmaschinen

Derzeit werden bei der Herstellung von Automobilkarosserien eine Vielzahl unterschiedlicher Aluminiumteile verwendet.. Diese Teile werden auf separaten Gießmaschinen unter hohem Druck gegossen.. Diese Teile werden dann von Arbeitern oder Robotern zusammengesetzt., 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 - Festkörperteile
Teslas Elektroauto Model Y [4]

Diese Maschinen werden von der italienischen Firma IDRA . für Tesla hergestellt. Sie sind die größten Spritzgießmaschinen der Welt.. 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?. Anschließend wird die geöffnete Form abgekühlt 185 Grad Celsius, von Robotern gereinigt und danach 1-2 Minuten nach dem vorherigen Zyklus wird eine neue Portion geschmolzenen Metalls zugeführt. Jedes „frische“ Gussteil wird auf die angegebenen Maße 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

Aluminiumgusslegierung, die auf Giga Press-Maschinen zum Gießen großer Aluminiumteile verwendet wird, ähnelt der bekannten Aluminiumlegierung AA386 [5]. 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, Hochdruckgießmaschinen zu verbessern. Mit diesen Gießmaschinen können sehr große Teile eines Autos oder sogar eine ganze Autokarosserie gegossen werden (Abb 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. beispielsweise, zum sechsten, zu fünf, bis zu vier, bis zu drei, bis zu zwei oder eine Gießmaschine [7].

Diese Maschinen umfassen eine große Anzahl von Injektoren, um geschmolzenes Aluminium in die Form einzuführen.. Diese Injektoren sind entlang der Achsen in unterschiedlichen Ebenen und in unterschiedlichen Winkeln angeordnet (Abb 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)