Инновации компании Tesla в алюминий

Хорошо известно, что компания Илона Маска Tesla постоянно вводит много инноваций во все, чем она занимается, от программного обеспечения своих автомобилей до химии электрических батарей, которые приводят их в движение. Это касается также и металлов, из которых изготавливают автомобили, а также методов их обработки.

Инновационные алюминиевые сплавы

Прочные алюминиевые отливки без термической обработки

Буквально пару недель назад, в конце июля 2021 года, компания Tesla оформила патент на новые литейные алюминиевые сплавы [1]. Он описывает алюминиевые сплавы, которые являются одновременно прочными и пластичными. Отливки из этих сплавов не требуют дальнейшей термической обработки и поэтому позволяют снизить производственные расходы.

В описании патента Tesla отмечается, что промышленные литейные сплавы, такие какие применяются для изготовления кузовов электрических автомобилей, должны быть одновременно и прочными, и пластичными. Эти алюминиевые детали автомобилей обычно изготавливаются методом литья. Хорошие алюминиевые отливки отличаются тем, что они изготавливаются быстро и надежно, а их химический состав и структура обеспечивают им необходимые конструкционные характеристики. Однако, если сплавы имеют низкие литейные свойства, то это приводит к горячему растрескиванию отливок, что создает для них проблемы с качеством.

Tesla особо отмечает, что многочисленные конструкционные элементы, которые изготавливаются из алюминиевых сплавов в настоящее время, обычно требуют дополнительной обработки, такой как термическая обработка, которая повышает прочность, твердость, пластичность и коррозионную стойкость. Эти дополнительные обработки повышают качество этих деталей, но они также требуют больших капитальных затрат, удлиняют процесс производства и снижают производительность. Поэтому было бы разумно производить отливки из алюминиевых сплавов, которые обладают высоким пределом текучести и достаточно высокой пластичностью без выполнения дополнительной термической обработки.

Одной из таких задач, которые решает этот патент, является следующая. Алюминиевый сплав должен иметь предел текучести не менее 130 МПа и угол гибки не менее 20 градусов при толщине поперечного сечения 3 мм в литейном состоянии и без дополнительной обработки. Эта задача решается различными комбинациями легирующих элементов и упрочняющих выделений при содержании кремния от 6 до 11 %.

Прочные алюминиевые отливки с высокой электрической проводимостью

В другом патенте [2] отмечается, что стандартные промышленные алюминиевые сплавы не всегда позволяют конструкторам эффективно решать поставленные задачи. Например, литейный алюминиевый сплав А356 имеет предел текучести не менее 175 Мпа, но его электрическая проводимость составляет всего 40 % от медного эталона (IACS). И напротив, алюминиевый сплав 100.1 имеет электрическую проводимость не меньше, чем 48 % от медного эталона, но его предел текучести составляет всего 50 Мпа (рисунок 1).

Рисунок 1 – Известные литейные алюминиевые сплавы,
медный сплав 10100-О и деформируемый алюминиевый сплав 6061
в координатах «предел текучести – электрическая проводимость»,
а также заданное поле для разработки новых сплавов [2]

Для некоторых изделий, например, таких агрегатов электроавтомобиля как ротор или инвертор очень желательно иметь высокие показатели для обеих этих характеристик – предела текучести и электрической проводимости. Эти задачи решаются особым подбором химического состава литейных алюминиевых сплавов.

Машины для литья под высоким давлением

Принцип литья под высоким давлением

Обычное литье под высокими давлением – это технология литья металлов, которая обычно включает «заталкивание» или впрыскивание расплавленного металла под действием высокого давления внутрь полости металлической литейной формы, которая состоит из двух разъемных частей (рисунок 2).

Рисунок 2 – Принцип литья алюминия под высоким давлением [3]

 

Литейные машины Giga Press

В настоящее время при изготовлении автомобильного кузова применяют большое количество различных алюминиевых деталей, которые отливают под высоким давлением на отдельных литейных машинах. Затем эти детали от каждой литейной машины собираются вместе рабочими или роботами, например, с помощью сварки, что образовать кузов автомобиля.

Тесла объявила, что ее огромные литейные машины Giga Press будут производить для ее автомобилей Model Y заднюю и переднюю нижние части кузова c ячейками для электрических батарей в виде цельных алюминиевых отливок (рисунок 3).


Рисунок 3 – Цельнолитые элементы кузова электромобиля Model Y
компании Тесла [4]

Эти машины изготавливает для Теслы итальянская компания IDRA. Они являются самыми большими в мире машинами для литья под давлением с усилием прижатия от 5500 до 6100 тонн. Каждая такая машина весит 410-430 тонн (рисунок 4).


Рисунок 4 – Литейная машина Giga Press
на заводе компании Tesla во Фримонте (Калифорния) [5]

Порция расплавленного алюминия массой 80 кг впрыскивается в литейную форму со скоростью 10 метров в секунду. Длительность цикла составляет 80-90 секунд, что позволяет производить 40-45 готовых отливок в час или до 1000 штук в сутки.

Литье под давлением производится путем «впрыскивания» расплавленного алюминия внутрь литейной формы многократного использования. Затем форма раскрывается, чтобы извлечь готовую отливку после того, как она затвердеет. Открытая литейная форма охлаждается до 185 градусов Цельсия, очищается роботами и через 1-2 минуты после предыдущего цикла подается новая порция расплавленного метала. Каждая «свежая» отливка подвергается механической обработке до приблизительных заданных размеров, проверяется на наличие дефектов и направляется на устройство ЧПУ для механической обработки до готовых размеров.

Вся технология изготовления крупных цельнолитых алюминиевых деталей

Однако даже такая огромная машина как Giga Press является только частью более общей технологии изготовления крупных алюминиевых деталей. Технологические этапы и применяемое оборудование этой технологии включают [5]:

  • Плавильная печь (850 градусов Цельсия)
  • Раздаточная печь (750-850 градусов Цельсия)
  • Литейная машина Giga Press
  • Резервуар для закалки в масле
  • Пресс предварительной механической обработки (триммер)
  • Рентгеновская установка для контроля пористости
  • Лазерная механическая обработка
  • Механическая обработка с ЧПУ
  • Лазерное координатно-измерительная машина
  • Установка крепежных изделий
  • Измельчитель отходов мехобработки (шредер) и передача их на переплавку
  • Вакуумная система

Алюминиевый сплав для литейных машин Giga Press

Согласно данным [5] литейный алюминиевый сплав, который применяется на машинах Giga Press для отливки больших алюминиевых деталей, является близким к известному алюминиевому сплаву АА386. Этот сплав имеет номинальное содержание кремния 8,5 %.

Машина для многоосевого литья под высоким давлением

Даже такие огромные литейные машины как литейные машины Giga Press уже не устраивают компанию Тесла. Поэтому Тесла заявила патент [7], в котором предлагает усовершенствовать машины для литья под высоким давлением так, чтобы они могла отливать как можно более крупные детали или даже весь кузов автомобиля целиком (рисунок 5).


Рисунок 5 – Общий вид многоосевой литейной машины [7]:
108 – составные части литейной формы с инжекторами;
110 – направляющие рельсы;
114 – полость литейной формы;
116 – цельнолитой кузов

Такие машины позволят снизить количество литейных машин или количество алюминиевых отливок, которые требуются для готового кузова автомобиля, как «например, до шести, до пяти, до четырех, до трех, до двух или одной литейной машины» [7].

Особенностью этих машин является то, что они включают большое количество инжекторов для подачи расплавленного алюминия в литейную форму, которые расположены по осям в различных плоскостях и под различными углами (рисунок 6).


Рисунок 6 – Многоосевое литье алюминиевого кузова автомобиля
под высоким давлением:
108а – часть литейной формы для литья под высоким давлением;
118 – многоосевые инжекторы расплавленного алюминия

И это еще не все

Тесла продолжает заявлять патенты, которые направлены на повышение производительности и удешевления процесса изготовления электрических автомобилей. Мы будем продолжать освещать те из них, которые касаются алюминия.

Источники:

  1. Patent WO 2021/150604 – Die Cast Aluminum Alloys for Structural Components (Tesla)
  2. Patent US 2019/0127824 – Casting Aluminum Alloys for High-Performance Applications (Tesla)
  3. TALAT Lecture 3201 – Introduction to Casting Technology (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 – Battery Day, Sep 22, 2020 – YouTube
  7. Patent US 2019/0217380 A1 – Multi-Directional Unibody Casting Machine for a Vechicle Frame and Associated Methods (Tesla)