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一体化压铸正处爆发前夜:从预期走向兑现未来市场空间广阔

来源:环球体育苹果版 作者:环球体育网站怎么了 时间:2022-07-29

  在我国提出“碳达峰,碳中和”战略的背景下,汽车行业迎来史上最严格的油耗及排放标准。

  根据《节能与新能源汽车技术路线年我国传统能源乘用车油耗需降至4.0L/km;乘用车(含新能源)油耗需降至2.0L/km;货车及客车油耗需较2019年分别下降至少15%及20%。

  根据“布勒中国”数据,汽车整备质量每减少100kg,百公里油耗可降低0.3-0.6L,严格的油耗及排放标准将催生巨大的轻量化应用市场。

  新能源车渗透率持续提升,轻量化上车加速。整车轻量化可有效提升新能源汽车续航能力,根据第十三届国际汽车轻量化大会公布的数据,纯电动车每减重10%,平均续航里程提升5%-8%;插电式车型每减重10%,平均续航里程提升10%-11%。当前汽车行业正加速“新能源化”,新能源汽车渗透率迅速攀升,汽车轻量化市场将加速扩张。

  目前主流的汽车轻量化材料包括高强度钢、铝合金、镁合金及碳纤维,其中铝合金具有轻质、抗拉强度高、回收性好、耐腐蚀、可塑性强、工艺相对成熟等特点,材料密度显著低于高强度钢,成本及工艺难度优于镁合金和碳纤维,是现行技术工艺下最具性价比及可行性的轻量化材料。

  目前铝合金已广泛应用于转向节、控制臂、副车架、电机壳、电池盒、制动系统、雨刮电机等汽车零部件,预计在汽车轻量化大趋势下,更多铝合金零部件将替代传统钢制零部件,单车铝合金用量持续提升。

  根据中国汽车工程学会数据,2020年、2025年、2030年我国单车重量需较2015年分别减重 10%、20%、35%,对应单车用铝量将达到190kg、250kg、350kg。

  纵观汽车铝合金发展史,铝合金应用范围由最初的各类壳体延伸至结构更复杂,力学性能要求更高的底盘结构件,2000年后铝合金又向技术要求更高的车身结构件渗透。

  目前铝合金件在汽车中的应用已覆盖电池箱体、液冷板、汽车前后防撞梁、减震件、新能源汽车电器支架、CCB 仪表盘支架等,部分车型为追求极致的轻量化效果甚至采用了全铝车身设计,如奥迪 A8、R8、劳斯莱斯幻影、奔驰 SLS、本田 NSX、捷豹 XFL、蔚来 ES8 等。

  其中防撞梁、发罩应用铝合金材料的门槛最低,其次为行李箱盖、翼子板及其它覆盖件,白车身本体包括 B 柱、纵梁等应用铝合金的难度最大,对设备成本、节拍、连接工艺质量控制等都有较高要求。

  目前市场上仅有少量中高端车型采用了铝合金车身,渗透率较低,主要原因包括:

  1.技术壁垒高。车身结构件具有体积大、结构复杂、壁厚薄等特点,对生产设备、制备工艺、连接方式均有较高要求,实现高良率批量生产的难度大。

  2.应用成本高。铝合金结构件无法点焊,需要用到特殊的连接工艺(弧焊、高速射钉铆、SPR、FDS等),预计铝制车身的连接成本是钢制车身的 2-3 倍。此外,铝制车身的原材料成本也高于钢制车身。

  传统乘用车钢制车身的重量约为 350-450kg,假设全部由高强度钢制成,普通高强度钢、先进强度钢、高强度钢用料比为 2:3:5,估算出钢制车身的材料成本为 2716-3492 元,若以白车身 3000 个焊接当量估算,连接成本为 609 元,合计成本为 3325-4101 元。

  以奥迪 D5 车身为参考,假设钢铝混合车身重量为 280kg,铝合金含量为 60%,估算出钢铝混合车身的材料成本为 5674 元,对应连接成本 1414 元,合计成本为 7088 元。全铝车身重量约为 200-250kg,假设 5/6/7 系铝合金用料比为 2:7:1,预计全铝车身的材料成本为 5720-7150 元,连接成本为 1950 元,合计成本为 7670-9100 元。

  若采用一体化压铸工艺制造全铝车身,白车身连接点将大幅减少,预计连接成本缩减至原先十分之一,假设其材料成本与传统“冲焊”工艺下的铝车身相同,合计成本将降至 5915-7345 元。

  一体化压铸工艺助力铝合金车身向中低端车型渗透,2025年市场空间有望突破千亿。

  我们认为随着大型高压铸造设备成熟,加之一体化集成制造浪潮兴起,全铝合金车身将更具吸引力,未来有望向中低端车型渗透。

  根据美国市场研究机构 Ducker 预测,目前采用全球全铝车身渗透率仅为 1%,2025 年全铝车身渗透率将提升至 18%,若假设全铝车身均采用一体化压铸工艺制造,预计 2025 年全铝车身全球市场规模将达 1091.4 亿 元。

  生产形状复杂的零件时,铸造工艺具有较高的经济性及适用性,铸造零件的耐磨、耐腐蚀、吸震等性能也优于其他成型工艺产品;铸造工艺的缺点为铸件质量不稳定、工序多,影响因素复杂,易产生缺陷。

  1)重力浇铸即依靠地球重力将熔融金属液浇入型腔,待自然冷却凝固后形成铸件的铸造工艺。重力浇铸对设备要求低,前期投资小,但生产效率较低,在汽车中的应用包括转向节、控制臂、副车架等轻量化底盘结构件。

  2)压力铸造即依靠额外施加的外力将熔融金属注入型腔,并在压力下冷却凝固后形成铸件的铸造工艺。

  压力铸造又可分为低压压铸、高压压铸、真空高压铸造、差压铸造、挤压铸造等。低压铸造是将型腔安置在密封的坩埚上方,再将坩埚中通入压缩空气,形成 0.06-0.15MPa 压力后助推熔融金属上升填充型腔,并冷却凝固形成成品的铸造工艺。

  低压铸造具有铸件成型好,组织致密,表面光洁,金属利用率高等优点,主要应用于副车架、轮毂、气缸体、气缸盖、活塞、悬架系统及转向系统的轻量化构件。

  差压铸造又称反压铸造,是在低压铸造的基础上派生出来的一种铸造方法,其原理是在低压铸造的甚础上,铸型外罩一个密封套,同时向坩锅和罩内通入压缩空气(一般约 0.2~0.5MPa),但坩锅内的压力略高,使坩锅内的液态金属在压差作用下经升液管进入铸型,并在压力下进行结晶。

  差压铸造可提升铸件的力学性能和致密度,主要应用汽车零部件包括转向节、连杆、车轮支架等。

  高压铸造的原理是将熔融金属浇入压射套筒后封闭,再通过压射杆将其快速高压的注入型腔中,并在高压下冷却凝固形成铸件。

  高压铸造的铸件具有生产效率高、尺寸精密、壁厚薄等优点,缺点为易产生气孔,力学性能低,主要应用于缸体、缸盖、变速箱箱体、发动机罩等壁薄件。

  真空高压铸造即在普通高压铸造的基础上加设高真空控制系统、真空阀等装置,在熔融金属填充前将型腔内的气体抽出,使模具型腔中形成真空,并保持到填充结束。

  相较于普通高压铸造,真空高压铸造能消除或显著减少压铸件内的气孔和溶解气体,进而提高压铸件力学性能和表面质量,但所需模具的密封结构更复杂,生产及设备安装成本更高。真空高压铸造工艺主要应用于尺寸大、结构复杂、对力学性能要求较高的车身结构件。

  挤压铸造即采用较低的充型速度和最小扰动,使液态或半固态金属在高压下凝固,以获得可热处理的高致密度铸件的成型工艺。

  挤压铸造具有模具结构简单、加工费用低、力学性能高(可达到同类锻件水平)等优点,但不适用于制造壁薄零部件,主要应用于高强度结构件、发动机活塞、汽车空调系统部件等。

  2.锻造:对金属胚料施加压力,使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的成型工艺。

  通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷,优化微观组织结构,并保存完整的金属流线,赋予锻件较强的力学性能。目前锻造工艺多用于机械中负载高、工作条件严峻的重要零部件,常见的汽车锻件包括发动机连杆和曲轴、转向节、传动轴、轮毂、悬架控制臂等。

  3.冲压:通过压力机和模具对原材料施加外力,使之产生塑性变形或分离,从而获得所需形状和尺寸的成型工艺。

  冲压工艺具有生产效率高、产品质量稳定等特点。冲压产品的刚度好,易于实现机械化与自动化,产出效率可达到每分钟数百件;此外,冲压产品的尺寸与形状精度高,不同冲压件可做到品质如一。

  冲压工艺在汽车零部件制备中应用广泛,包括各类覆盖件、横纵梁、车内支撑件、油箱底壳、弹簧座等。

  汽车铝合金零部件成型工艺以压力铸造为主。根据盖世汽车数据,目前压铸铝(不含挤压工艺)在汽车铝合金中的应用占比为 77%,轧制铝与挤压铝的应用占比均为 10%,锻压铝的应用占比为 3%。

  真空高压铸造工艺能有效消除高压铸造工艺下的气孔现象,与其他铸造工艺相比,其塑形也更为精准,可实现较薄壁厚(最薄可达 0.5mm),具有较强的力学性能与较高的生产效率,最能满足车身结构件体积大、结构复杂、强度高等特点。未来随着车身结构件铝合金用量增加,真空高压铸造工艺在汽车制造中的应用比例将持续提升。

  一体化压铸技术的本质即通过先进的真空高压压铸工艺实现多个铝合金零部件件的一体化成型,省去了散件的制备及焊接工作,可实现对传统汽车制造中“冲焊”工艺的替代。

  1.冲压:通过冲压车间将钢材板材成型为各类零部件,其中主机厂的冲压车间主要负责生产高质量要求的大型外覆盖件(侧围、发动机盖、翼子板、门外板等),内部的结构件则由分布在全国的供应商负责制造,主机厂进行采购;

  4.总装:将内外饰、电子电器系统、底盘系统、动力总成系统等装配在白车身总成上,形成整车,并通过一系列测试检验车辆合格性。

  铝合金车身在焊接过程中存一定质量隐患,易导致热影响区强度不足,特殊的连接工艺又将大幅提升生产成本,若不考虑汽车轻量化因素,铝合金车身与钢制车身相比不具有明显优势。

  一体化压铸通过集成化制造的方式实现多个零部件的一次性成型,可替代传统汽车制造中的冲焊环节,弥补了铝合金结构件在传统汽车生产工艺下的诸多弊端,是未来汽车提升用铝量,追逐轻量化的绝佳选择。

  一体化压铸适应于高强度的车身结构件,难以应用于对延展性要求较高的外覆盖件。

  此外,悬架件中的前横梁、摆臂等件若采用铝合金材料,通常应用低压铸造工艺。

  理论上除外覆盖件、部分悬架件以外的白车身部分均可应用一体化压铸,包括车身结构件、座椅骨架、车门/尾门框架等。

  目前率先实现一体化压铸的部件为底盘结构部分,其中后地板总成与前车身总成已由特斯拉实现量产,中地板总成是下一步延伸目标,核心难点在于 CTC 技术的实现,预计将于 1-2 年内实现。

  此后,一体化压铸技术有望向 A 柱、B 柱、座椅骨架等延伸,预计实现时间在 3 年以后。整个白车身的一体化压铸预计需 5-8 年。

  新能源壳体趋于一体化,技术成熟度优于车身结构件。除白车身以外。新能源车壳体产品亦可实现一体化压铸,包括电驱壳体、电池壳体(托盘或盖板)等。

  电驱壳体一体化:电驱动系统设计经历了独立式、二合一、三合一和多合一的发展阶段。电驱系统集成更多功能是大势所趋,电驱动壳体的设计也将从独立式走向集成式设计:从分体式简单集成,即减速器、电机和电控有各自独立的壳体设计,到电机、减速器壳体一体化和三大件壳体一体化。

  随着更多功能集成到电驱动中,壳体也将叠加更多的功能设计,此外,电机、电控及减速器都需要冷却系统,壳体的设计需要考虑冷却管路的设计和布局,这对壳体供应商的产品开发和设计能力提出较高要求。

  电池壳体一体化:电池壳体的一体化设计可实现减重和增加抗扭刚性的效果,未来将成主流趋势。与整个白车身的一体化压铸相比,新能源壳体一体化的技术难度更低,产业链更完善,未来渗透率提升的速度更快,确定性更强。

  与传统“冲焊”工艺相比,一体化压铸技术的优势主要体现在生产成本、生产效率、造车精度、安全性能、轻量化效果五个方面。

  生产线成本下降:在传统“冲焊”工艺下,白车身总成中需要进行单独加工的零部件达数百个,需要大量的冲压机、模具、焊接夹具、检测机等设备做支持,全套生产线规模大,成本高,相比之下,一体化压铸工艺将需要制备的零部件数量大幅削减,整个白车身的制备仅通过 3-5 台大型压铸机,少量辅机及模具实现,产线建设成本大幅下降。

  此外, 等产能下,一体化压铸产线更节省厂房面积,根据特斯拉 CEO 马斯克透露,采用大型压铸机后,工厂占地面积可以减少 30%。

  材料成本下降:在冲压过程中,原材料受挤压成型后将不可避免的产生边角料,而一体化压铸时注入的液态金属一比一等同于铸件用料,材料利用率更高。

  此外,传统车身用料复杂,不同零部件通常对应不同种类及材料型号,回收后仅可用于原材料生产,回收利用率约为 70%,而一体化压铸件仅使用单一铝合金,车身回收后可直接融化重制,回收利用率在 95%以上。

  一体化压铸下的铝合金车身重量约为 200-250kg,预计同级别传统钢铝混合车身的重量在 280kg 左右,尽管铝合金材料单价高于钢材单价,但考虑到一体化全铝车身用料更少,且具有材料利用率与回收率优势,一体化铝合金车身的全周期综合材料成本将低于传统“冲焊”工艺全铝车身及大部分钢铝混合车身。

  人力成本下降:在一体化压铸下,车身焊接点大量减少,对于焊接技术工人的需求下降。目前国内主流焊装工厂通常配备 200-300 个工人,采用一体压铸技术后,所需的技术工人至少可缩减到原来的十分之一。

  在传统车身制造中,需要进行单独制造的零部件达 500 余种,涉及的冲压及焊接工序繁多,而一体化压铸技术将其大幅简化,工作量大幅下降。

  以 Model Y 为例,一体化压铸技术将原本 70 多个零部件组成的后底板简化为 2 个大件,焊接点由 700-800 个减少至 50 个,同时由于应用了新的合金材料,特斯拉一体压铸的后地板总成不需要再进行热处理,进一步节省了加工时间。

  根据特斯拉数据,Model Y 一体化压铸后地板的制造时间仅为 3-5 分钟,较传统工艺的 1-2 小时缩减明显。

  在传统汽车制造中,点焊钢板间存在缝隙,需通过涂胶工艺实现密封防水、增加车体强度、降低钣金件间的摩擦和震动等效果。改为一体压铸车体后,零件成型后即为总成,不再需要繁琐的涂胶流程,生产工序再次简化。

  在传统车身制造中,零部件为做到精度固化,通常需经过 MB1、MB2、MB3 三轮匹配调试,总耗时近 6 个月,而一体化压铸技术凭借零部件数量的减少,可将 MB 匹配中车身所需要的周期缩短至 1-2 轮,节省匹配时间 3-4 个月。

  一体化压铸技术可将车身匹配的尺寸链缩短至 2 到 3 环,尺寸链环越少,车身精度的影响因素越少,车身精度就越可控,预计在数控加工技术的加持下,一体化压铸车身的精度可达到微米级别。

  在自动驾驶领域,车辆需通过激光雷达、毫米波雷达、高清摄像头等高精度测量仪器实现对 路况的探测和感知,为保证测量的准确性,测量仪器的偏航角、俯仰角、滚转角均需要严格把控。

  一体化压铸技术的高精度优势可以将车身对测量仪器安装的影响因素降到最低,利于自动驾驶技术开发。

  一体化压铸技术以压铸成型替代了焊接工艺,避免了铝合金焊接易出现的热影响区强度下降问题,提升了连接强度。此外,设计一体化压铸件时无需考虑安装孔的大小及位置,更易实现最优的工程学结构,进而赋予车身更强的抗冲击能力。

  根据建约车评数据,传统钢制车身重量在 350kg-450kg,而一体化压铸车身的原材料为铝合金,车身重量约为 200-250kg,,更具轻量化优势。根据特斯拉数据,Model Y 一体化压铸后车身总重 66kg,比尺寸更小的 Model3 同部位轻了 10-20kg。

  一体化压铸尚处于发展初期,生产过程中存在众多技术难点,主要体现在设备与模具、材料及工艺设计三方面。

  在压铸时,材料流动性不足将导致液流无法填满整个模具,进而产生缺陷。与传统压铸件相比,一体化压铸件具有体积大、壁薄、结构复杂等特点,对于材料流动性的要求更高。在保证材料流动性的同时,材料的力学性能也要得到满足,两者兼顾为一体化压铸铝合金的研发带来不小挑战。

  为提升力学性能(如强度、耐久性、抗冲击性),传统汽车铝合金件通常需要在铸造后进行热处理加工,但由于一体化压铸件拥有较大的投影面积,热处理导致的尺寸变形及表面缺陷问题将被放大,进而影响产品塑形,因此为保证一体化压铸件力学性能达标,需采用特殊的免热处理铝合金材料生产。免热处理铝合金材料的研发需要通过长期的成分调试与性能验证来实现,开发周期时间较长,技术壁垒高。

  锁模力是指注射时为克服型腔内熔体对模具的涨开力,注射机施加给模具的锁紧力,投影面积越大的铸件需要越大的锁模力。

  对于传统汽车结构件而言,1000T-4000T 锁模力的压铸机即可满足生产需求,而一体化压铸件的投影面积更大,需要配置更大锁模力的压铸机,如生产前/后地板总成的压铸机的锁模力需要在 6000T 以上,生产中地板总成或 A\B\C 柱及顶盖总成的压铸机的锁模力需要在 8000T 以上,全车身底盘的一体化压铸则需要 15000T 以上压铸机。同时,一体化压铸技术也对压铸机的注射压力控制系统、伺服控制系统等提出更高要求。

  一体化压铸件体积大且结构复杂,压铸过程中易出现金属液流紊乱、排气困难、冷却回缩、强度难协调等问题,产品良率难以保障,需以更精密的工艺设计做支撑。

  工艺设计的改良与进步并非一蹴而就,需通过大量的缺陷识别与试错修正工作来实现,因此在一体化压铸领域具有先发布局优势的厂商有望依托自身在工艺设计端的积累建立起深厚行业护城河。需合理规划金属液流动路径,避免出现紊流及夹杂现象。

  在一体化压铸中,复杂的流动管道使边角结构增多,易导致熔融金属在充型时无法良好填充,甚至引发紊流现象,导致内部严重缺陷。此外,在复杂的流动管道中,金属液流容易产生流动性不足及流动进度不统一等问题,造成多处金属液面冲击融合,进而导致零件失效。

  在压铸过程中,除对铝合金液进行前期排气处理外,压铸模具也需结合仿真技术和生产过程控制进行合理的排气结构设计,若压铸时模具中空气排出不充分,产品内部将产生气孔,进而影响材料强度及表面质量。

  与传统压铸相比,一体化压铸时熔融金属的注入速度更快,内部结构也更复杂,排气难度更高,因此模具需具备更精密的排气结构设计,并引入先进的惰性气体保护及真空技术。

  压铸工艺是金属由热变冷的过程,冷却充型完毕的液态金属将不可避免的产生产品尺寸收 缩。一体化压铸件体积大,冷却收缩时产生的形变尤为明显,也更容易出现缩孔现象。

  为防止上述问题产生,工艺设计之初需在铸造腔内装配最晚冷却材料池实现补缩。

  最晚冷却材料池的设置与补缩路径的设计需结合大量模具开发经验和仿真模拟的参数,技术壁垒较高。

  车身不同位置对于强度的要求不一,因此传统车企会分别通过不同的材料及加工工艺满足不同部位上零部件的要求;而一体化压铸件由单一铝合金材料制成,不同部位的强度只能通过微调形态与厚度来实现,大幅提升了工艺设计难度。

  在压铸过程中,模具只有保持一定的温度(取决于铸件的形状、大小和结构特点以及合金的性质等),压铸件才能实现最佳的质量和生产率,但在每次压铸循环中,模具都将从合金液中吸收热量,同时经过热传导向外界散发热量,因此需通过合理的模具设计方案使每次散发的热量等于吸收的热量,实现模具的热平衡。

  在实际生产中,影响模具热平衡的因素包括浇注温度、模具预热温度、合金液的容量、模具结构设计、浇注排溢系统的位置及数量以及操作循环时间等,因此要做到良好的模具热平衡,还必须考虑压铸工艺参数的调整,包括压射比压、冲头速度、留模与出模时间及喷涂等互相影响和制约的因素才能实现。

  此外,大型压铸机所需要的模温控温设备数量较多,单台控制会增加工艺调试工作量,不利于快速生产。(报告来源:远瞻智库)

  特斯拉率先量产一体化压铸后地板。2020年 9 月 22 日,马斯克宣布特斯拉 Model Y 将采用一体式压铸后地板总成,开启了一体化压铸先河。后地板的零件数量比 Model3 减少 79 个,焊点由大约 700-800 个减少至 50 个,下车体总成重量降低 30%,制造成本降低 40%,制造时间由传统工艺的 1-2 小时缩减至 3-5 分钟。

  2015年 12 月,特斯拉聘请世界顶级铝合金材料专家查尔斯•柯伊曼担任材料工程团队负责人,为自主研发一体化压铸专用铝合金材料打下坚实基础。

  特斯拉采用的一体化压铸材料为独家配方,具有强度高、流动性好、导电性强等优点,不需要涂层和热处理,可大幅提升压铸效率。目前特斯拉已将自研的免加热铝合金材料申请专利,在一体化压铸材料端建立起深厚护城河。

  IDRA 是一家拥有 60 余年历史的世界顶级压铸机制造厂商,也是全球压铸技术的引领者,其 产品的技术、性能和质量均居世界领先水平。

  特斯拉用于一体化后底板生产的压铸机为 IDRA 生产的 Giga Press,该压铸机长 19.5 米、高 5.3 米,重量为 410 吨,最大锁模力达 6000T 以上。

  目前特斯拉的全球各大工厂均已配备 Giga Press 压铸机,其中加州工厂、上海工厂、柏林工厂共配置 14 台,德州工厂配置台数不明,预计多于 4 台。

  2021年 3 月,特斯拉向 IDRA 订购了首台 8000T 大型压铸机,计划用于生产电动皮卡 Cybertruck 的车体后部。

  2019年 7 月,特斯拉发布专利“汽车车架的多向车身一体成型铸造机和相关铸造方法”。

  根据该专利内容,一体化压铸时共需用到五套模具,其中一套固定在中心,其余四套可移动的模具放置在四个不同方向,可移动的模具通过液压设备分别与中心固定好的模具贴合,共同形成一个封闭的空腔。

  熔融状态的铝合金将分别从四个移动模具上的浇筑口压入模具空腔,后在空腔内流动、汇合,最终形成大型的一体式压铸结构零件。

  根据特斯拉的压铸机专利显示,未来特斯拉的白车身将由 5 块大型压铸件组成、底盘由 3 块压铸件组成,一辆车共 8 块构件。

  2020年 9 月,特斯拉在电池日上展示了新型底盘结构,整个底盘结构将由前、后两部分的单体压铸车身构件,和一体式的底盘集成电池包组成,零部件数量将由 370 个减少至 2-3 个大型压铸件,重量降低 10%,续航里程增加 14%。

  2022年 4 月,特斯拉德州工厂正式投产,根据特斯拉规划,德州工厂将在未来实现新一代底盘结构的生产(目前已具备一体化压铸后地板总成与前车身总成量产能力)。

  此外,特斯拉将在未来持续拓展白车身以外的一体化压铸使用场景,包括车顶、车仪表盘和座位骨架等。

  一体化压铸产业链主要由上游免热处理铝合金材料供应商及大型压铸机供应商、中游第三方压铸厂、下游整车厂组成:

  目前市场上拥有免加热合金材料技术的厂商较少,市场集中度较高,主要供应份额由美国铝业与德国莱茵菲尔德占据,国内厂商正努力寻求国产替代,主要参与者包括立中集团、华人运通与上海交大、湖北新金洋、广东鸿图等。

  早在上世纪90年代,美国铝业开发的 EZCAST™ 系列合金就已具备免热处理特性,并成功应用于奥迪 A8 的全铝车身结构件上,后经过10余年优化改进,EZCAST™系列合金已可满足不同客户对零件机械性能的定制化需求。

  2020年3月,帅翼驰与美国铝业签订中国独家铝合金新材料专利和专有技术授权许可协议,并完成免加热压铸铝合金材料试产。

  2021年10月,帅翼驰作为联合合作伙伴,帮助蔚来汽车成功开发出可用于制造大型压铸件的免热处理材料,未来将应用于蔚来第二代平台车型上。

  德国莱茵菲尔德开发的压铸铝合金材料 Magsimal-39、Castasil-37 均可省去压铸后的热处理工艺,且具有高韧性特点。目前 Magsimal-39 与 Castasil-37 已成为欧洲压铸结构件最常用的铝合金材料。

  公司从2014年开始致力于免热处理铝合金材料的研发,并于2020年获得发明专利授权(LDHM-02),专利号为:ZL17,成为国内唯一一家取得免热处理铝合金专利证书的企业。

  目前公司免热处理铝合金材料已在新能源汽车领域实现量产,华人运通高合与上海交大:

  2021年12月,华人运通高合汽车宣布与上海交通大学轻合金国家工程中心达成战略合作,并已在技术开发层面取得实质性进展,双方全球首发的 TechCastTM 超大铸件用低碳铝合金,将在高合汽车后续车型上大批量采用。

  据高合汽车表示,该材料性能指标优异,流动性高于同级别材料15%以上,强塑积高30%以上,达到了国际领先水平。

  目前采用 TechCastTM 铝合金材料的一体化压铸后地板产品已成功下线。

  2022年 1 月,公司发布公告称其在高强韧免热处理压铸铝合金的研发上取得重要突破。公司表示通过合金成分优化设计、原材料精细化预处理、熔体精炼纯净化和变质处理等全流程把控,该材料抗拉强度达到 280MPa、屈服强度达到 130MPa、延伸率为13%,各项性能指标优良。目前该材料在公司内部已完成多批次的稳定性验证,并交付客户小批量生产试用。

  2022年 1 月,公司通过与中铝苏州研究院合作研发的高强韧免热处理铝合金材料成功下线T 新能源汽车超大型一体化铝合金后地板。

  初期与先发布局厂商实现合作绑定的材料供应商将具备较强需求粘性。与特斯拉受益于Space X 在材料学的深厚积累不同,大多数车企在合金材料领域实力薄弱,研发一体化压铸专用铝合金需依托专业第三方的技术支持。

  一体化压铸的技术方案及模具需根据使用材料特性的不同进行针对性设计,因此对实现产品成功下线的布局厂商而言,研发/试产时的材料合作商具有较大需求粘性。我们认为具有先发合作优势的一体化压铸材料供应商,将随着一体化压铸渗透率不断提升,实现对广阔市场的收割。

  国内压铸机供应商快速响应一体化压铸技术,纷纷发布大型压铸机产品,订单份额优于海外厂商,主要包括力劲集团(IDRA)、海天金属、伊之密等。海外压铸机大厂相对保守,布局进度落后,仅瑞典布勒拥有大型压铸机产品。

  2008年,公司成功并购世界顶级压铸机制造商意大利 IDRA,成为全球压铸机行业领导者;2017年11月,力劲集团子公司 IDRA发布全球首款 5500T 压铸机,开启大型压铸机先河;2021年4月,力劲集团发布9000T 巨型压铸机;预计公司新一代 12000T 压铸机将在1-2年内下线T 压铸机亮相市场,并于12月实现首次交付,该压铸设备可实现新能源汽车在内的车身、底盘等大型结构的一体化。

  2022年3月,公司首台 7000T 超重型压铸机研发完毕并实现装配,目前正按计划进行调试、试模等工作。2022年6月,公司首发 LEAP 系列超大型压铸机7000T,并与一汽铸造建立9000T 压铸整体解决方案的战略合作关系。

  2020年12月,布勒发布锁模力为6100T 的Carat 610 压铸机。2021年7月,布勒在上海国际压铸展上发布全球最大 9200T 超大型两模板压铸机。

  根据特斯拉专利数据,Giga Press压铸机的节拍范围为60-120秒,假设设备有效工作时间为70%,一台设备每天可生产504-1008件,以每年350个工作日计算,预计单台压铸机的年产能为17.6-35.2万件(取中值26.4万件/年)。

  根据我们测算,2025年全球一体化压铸技术应用车型销量将达568万辆,假设2025年可实现一体化压铸的部件包括后地板、前机舱及中地板,行业平均产能利用率为60%,产品平均良率为 85%,测算出2025年全球一体化压铸机存量需超126台。

  结合各大型压铸机供应商产能规划及已出货情况,预计一体化压铸设备供不应求的局面将长期存在。

  我们认为国内压铸设备龙头厂商在一体化压铸领域具有技术先发优势和地域优势,未来将尽享行业高增红利。

  国内压铸零部件厂商纷纷抢占一体化结构件市场高地,包括文灿股份、拓普集团、爱柯迪、旭升股份、广东鸿图、美利信、泉峰汽车、瑞立集团、华朔科技等在内的诸多厂商均已开启相关产线搭建或规划。

  公司于2021年 5 月向力劲集团采购 7 套大型压铸单元,其中 2 套 6000T、3 套 4500T、1 套 3500T、1 套 2800T,均为意德拉 X-PRESS 系列两板式压铸机,用于研发及生产车身结构件、一体化电池盒托盘、电机壳、变速箱壳体等,目前上述压铸机均已在南通生产基地完成安装调试,全部具备量产条件,其中 6000T 一体化后底板已于2021年 11 月 完成试产下线 月,公司再次向力劲集团采购 2 套 9000T 超级智能压铸单元,分别部署于天津生产基地与南通生产基地,其中天津基地于 2022 年 4 月成功试产下线T 一体化后地板,南通基地于2022年 6 月成功试产下线T 一体化后地板。

  2021年 9 月,公司与力劲集团签署战略协议采购 21 台压铸单元,包括 6 台 7200T、10 台 4500T、5 台 2000T 的压铸设备,用于新能源汽车超大型结构件、如前机舱、后车体及电池壳体等产品的生产。

  2022年 2 月,公司 7200T 一体化超大压铸后舱成功量产下线,成为国内首个拥有超大型一体化铝合金结构件量产技术的汽车零部件供应商。

  2021年 3 月,公司智能制造科技产业园项目正式开工建设,拟引入 45 台压铸机,包括 4 台 4400T 压铸机、2 台 6100T 压铸机和 2 台 8400T 压铸机。根据项目的产品方案,新能源汽车车身部件的规格为 40 千克,新能源汽车电池系统单元产品的规格为 10 千克,较公司现有的传统中小件产品的规格有较大幅度的提升。

  2021年 6 月,公司与海天金属签署战略合作协议,规划未来三年内向海天金属订购总价约 2 亿元的压铸岛设备,机型覆盖1300T-4500T、6600T(一台)和8800T(一台),并与海天金属建立战略合作伙伴关系,共同开发应用于一体化压铸领域的超大型压铸机。

  2021年 12 月,公司宣布此前采购的 6800T 压铸设备正处于设备安装阶段。2022年 1 月,公司 6800T 底盘一体化结构件正式下线,该底盘一体化结构件产品采用自主研发的高强韧免热处理铝合金材料,铸件尺寸大小约 1700X1500X700mm,浇注重量约 100Kg,是目前最大的铝合金高强韧压铸件之一。同时,公司与力劲集团、鸿劲铝业、广州型腔就 12000T 超级压铸单元研发项目举行了签约,并与力劲科技集团签订了 8 台包括 2 台 12000T 吨位机型在内的大型压铸岛采购协议。

  2021年 4 月,公司与海天金属签约 HDC8800T 压铸机,并于 12 月实现交付;2021 年 6 月,公司与海天金属签署战略合作协议,向海天金属再次订购 2 套 6600T 和 2 套 8800T 超大型压铸机,并计划在未来三年内再次采购 10 台 6600T 和 8800T 超大型压铸机。

  2020年公司启动安徽马鞍山汽车零部件智能制造项目建设,该项目计划首批将增设 2700T 两台,3000T、4200T、4400T、6000T、8000T 各 1 台大型压铸设备。

  2021年 11 月,公司向力劲集团订购 6800T、8000T 超大型智能压铸单元各 1 台,2000T 大型智能压铸单元 6 台,共计 8 台智能压铸装备。

  2021年 6 月,公司与海天金属签订战略合作协议,计划订购 4000T、4500T、6600T、8800T 压铸岛各一套,共同开拓汽车轻量化和一体化压铸市场。

  2021年 12 月,公司首件 6600T 压铸单元结构件下线,为一体化电池包产品,并规划在绍兴生产基地的现有厂房内安装 6 台 6600T 和 9000T 的大型压铸设备,主要用于新能源汽车超大型结构件包括前机舱、后车体及电池包箱体等产品的生产制造。

  发展趋势展望:短期整车厂与 Tier1 共同参与,中期 Tier1 主导,长期回归自建产线。

  短期来看,一体化压铸应用部件仅为后地板总成,整车厂自建产线的负担不大,并可节省大量物流成本,保证供应量,对于高销量车型具有一定性价比,供应格局将呈现外部采购模式与整车厂自建产线模式并存。

  中期来看,一体化压铸部件有望延伸至前后车体底部结构、中地板、座椅骨架、车门/尾门框架等,整车厂若分别搭建产线将大幅加重资产结构,整车厂参与意愿将降低;随着一体化压铸技术的完善,产品良率亦有望进一步提升,Tier1 将获得更高的投资回报率,预计第三方供应模式将成为市场主导。

  长期来看,整个下车体/白车身将实现完全一体化压铸,产线大幅简化,整车厂为形成核心竞争力或提升产品自供比例;同时,随着应用一体化技术的车型占比提升,整车厂自建一体化压铸产线的规模效应将不弱于 Tier1,供应格局将向整车厂自建产线. 下游:

  整车厂除特斯拉外,蔚来、小鹏、理想、高合、沃尔沃、华为小康、大众等车企已开启一体化压铸布局,吉利、一汽、东风、小米等有望随后跟进,行业变革趋势已现。

  据力劲集团披露,2022年公司将向六家中国车企交付适用于一体化压铸的大型压铸机,国内前瞻布局一体化压铸势头正酣。

  2021年10月,蔚来正式宣布成功验证开发了可用于制造大型压铸件的免热处理材料,该材料为蔚来与帅翼驰联合开发,预计将应用在第二代平台的车型上。

  2021年12月,蔚来在 NIO Day 上宣布 ET5 的车身后地板相关部件将采用一体式铸造成型,称该技术将使整车抗扭刚度由 31 kNm/deg 增至 34 kNm/deg,车身后部重量减少 30%,并增加 11 升以上的后备箱空间。

  2022年 6 月,蔚来发布发布首款大五座 SUV ES7,该车采用了一体化铸造全铝后幅车架。

  2021年 10 月,小鹏提及武汉工程将加设一体化压铸工艺车间,引进一条以上超大型压铸岛及自动化生产线 月,小鹏与广东鸿途签约 12000T 一体压铸单元,以及新能源汽车一体化前舱总成、一体化后地板总成和一体化电池托盘等关键和核心轻量化部件等项目。

  小鹏 CEO 何小鹏曾表示,公司将在 2023 年推出两个全新车型平台及其首款车型,分别是 C 级车平台和 B 级车平台,新平台会使用超大型一体化压铸车身”。

  2022年 2 月,高合汽车与拓普集团联合宣布 7200T 巨型压铸机正向开发的一体化超大压铸车身后舱正式量产下线,压铸材料为高合汽车与上海交通大学共同研发的 TechCastTM 超大铸件用低碳铝合金。

  2022年1月,小康股份表示今年年底至明年上半年将实现一体化压铸车身,目前正处于全面研发阶段。

  2022年2月,沃尔沃宣布瑞典 Torslanda 工厂将引入铝合金一体铸造工艺、新的电池组装厂以及全面翻新的涂装和总装车间,其中关键一项是使用 8000T 的巨型压铸机生产一体化后底板,预计项目投产时间为2025年。

  公司将在德国沃尔夫斯堡建立一座全新工厂,预计于2026年起生产基于大众 SSP 平台的 Trinity 纯电动汽车,该车型将引入一体化压铸技术,提升生产效率。2022年 5 月,大众汽车后车身一体式铝压铸件样件下线 吨压铸机生产,取代约 30 多个零 部件,可以减重 10kg,后期将用于 Trinity 纯电动汽车的生产。

  特斯拉是目前唯一一家可实现一体化压铸产品批量生产的车企,在材料、设备、技术成熟度等方面均占有显著先发优势,未来仍将引领一体化技术发展。

  预计新势力将持续快速跟进特斯拉一体化压铸技术,传统车企短期内将保持观望态度,转型将相对滞后,主要原因为新势力车企追求创新,内部决策更灵活,应用新技术更为大胆;同时,新势力车企在冲压及焊接环节的固定资产投入相对较少,且不像传统主机厂受固有人际 关系束缚,转型负担更小。

  预计2022年-2030年全球及国内汽车销量均保持 3%的年增速,根据 EVTank 与中汽数据预测,全球及国内新能源汽车渗透率将稳步提升至 45% 及 60%。

  预计一体化技术在全球及国内新能源车上的渗透率均稳步提升至50%,一体化技术在全球及国内传统燃油车上的渗透率从2025年起逐步提升至25%,一体化压铸应用部件将由后地板逐步延伸至前车身下部、中地板、车门框架、副车架、下车体总成、A 柱及 B 柱、座椅骨架及整个白车身。

  根据以上假设,我们测算出2021年全球一体化压铸市场规模为8.2亿元,并预计2025年全球一体化压铸市场规模将提升至397.6亿元,2030年提升至8396.6亿元。

  预计2021年国内一体化压铸市场规模为4.0亿元,2025年提升至194.6亿元,2030年提升至3016.9亿元。

  在严格的“节油减排”政策与汽车“新能源化”趋势双重催化下,单车铝合金用量有望快速提升,助力一体化压铸工艺渗透。

  当前一体化压铸技术尚处于发展初期,产业链尚不完善,预计具有先发布局优势的上中下游厂商将持续加强合作,逐步搭建起稳定生态,建立深厚行业护城河。未来随着一体化压铸市场快速扩容,先发布局的上中下游厂商将共享红利。

  1)新能源汽车销量不及预期的风险;2)一体化压铸技术发展不及预期的风险;3)原材料涨价的风险。

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