REZUMAT

Turnarea structurală în formă, în special prin procesul cunoscut sub numele de turnare mega, transformă fabricația auto permițând realizarea unor secțiuni mari și complexe ale caroseriei albe (BIW) ca o singură piesă. Această inovație reduce drastic numărul de componente, ceea ce simplifică liniile de asamblare, scade costurile de producție și sporește rigiditatea structurală a vehiculului. Prin consolidarea numeroaselor componente mai mici, constructorii auto pot produce vehicule mai ușoare, mai puternice și mai durabile, mai rapid ca oricând.

Schimbarea de paradigmă în fabricația auto: de la ansamblurile stampilate la turnările mega

De-a lungul deceniilor, fundația unui vehicul, caroseria sa în alb (BIW), a fost un puzzle complex asamblat din sute de piese individuale din metal ștanțat. BIW este structura de bază a unei mașini înainte ca părțile mobile, cum ar fi ușile, motorul sau garniturile, să fie adăugate. Această metodă tradițională implică lanțuri de aprovizionare complexe, linii de asamblare robotizate extinse și investiții semnificative în echipamente pentru fiecare componentă mică. Cu toate acestea, industria trece printr-o schimbare fundamentală, îndepărtându-se de această abordare fragmentată către o metodă consolidată și mult mai eficientă: turnarea structurală prin matrice, adesea denumită turnare mare (mega casting) sau turnare uriașă (giga casting).

Acest proces transformator înlocuiește o mulțime de piese stampilate cu o singură turnare din aluminiu, mare și complexă. Avantajul strategic al acestei abordări este profund. Constructorii auto pot elimina întregi etape de logistică, sudură și asamblare, ceea ce duce la o amprentă mai redusă în fabricație. Un exemplu emblematic al acestei evoluții este trecerea strategică a Volvo Cars la turnarea mega pentru viitoarele sale modele. După cum este detaliat într-un studiu de caz realizat de ESI Group , Volvo a reușit să înlocuiască un cadru posterior al caroseriei format din aproximativ 100 de piese individuale cu un singur component turnat mare. Pentru a realiza acest lucru, compania a instalat mașini uriașe de turnare sub presiune de 8400 de tone, adesea numite Giga Presses, direct în interiorul unităților sale de asamblare, pentru a eficientiza producția.

Aceasta nu este o tendință izolată. Alți producători auto de top au adoptat această tehnologie pentru componente structurale esențiale. De exemplu, Audi A8 Space Frame utilizează un element lateral posterior turnat în formă mare, o piesă de conectare crucială care oferă rezistență și rigiditate. Potrivit GF Casting Solutions , această singură piesă înlocuiește o mulțime de componente care ar forma altfel un ansamblu complex, reducând atât greutatea vehiculului, cât și timpul de asamblare. Trecerea la turnarea mega reprezintă o schimbare clară de paradigmă, determinată de urmărirea eficienței, performanței și sustenabilității în producția modernă de vehicule.

Diferențele dintre aceste două filozofii de producție sunt evidente. Deși ștanțarea tradițională oferă flexibilitate în cazul unor modificări minore ale designului, complexitatea sa la scară largă creează provocări semnificative în ceea ce privește costurile, timpul și controlul calității. Turnarea structurală (turnarea mare), dimpotrivă, necesită o investiție inițială mai mare în utilaje și proiectare, dar aduce economii exponențiale și îmbunătățiri ale performanței în producția de masă. Tabelul de mai jos ilustrează diferențele principale.

Tehnologii și procese cheie în turnarea structurală modernă

Atinsul scării și preciziei necesare pentru turnarea mare relyează pe un set de tehnologii avansate, de la mașinării colosale la știința materialelor specializată. Procesul este mult mai sofisticat decât turnarea tradițională, necesitând presiuni imense, condiții de vid și o control riguros al procesului pentru a crea componente mari care să respecte standardele stricte de siguranță și performanță auto. Aceste inovații sunt ceea ce permit constructorilor auto să toarne întregi caroserii ale vehiculelor într-o singură operație.

Inima acestei tehnologii o formează mașinile mari de turnare prin matrita și procesele specifice de turnare. Companii precum Bühler au dezvoltat soluții precum seria Carat, care pot genera forțe de închidere de 84.000 kilonewtoni (kN) sau mai mult. Această forță imensă este necesară pentru a menține împreună matrițele masive în timp ce aluminiul topit este injectat la presiune ridicată, asigurând o precizie dimensională pe piese foarte mari. În plus, procesul de turnare în sine este foarte specializat. Așa cum a explicat Magna International , o metodă importantă este turnarea sub vid înalt, care elimină aerul din cavitatea matriței înainte ca metalul să fie injectat. Acest lucru previne porozitatea și permite aliajului topit să umple fiecare detaliu al unei matrițe complexe, rezultând o piesă finală mai rezistentă și mai fiabilă.

Știința materialelor are un rol la fel de important. Aliajele de aluminiu utilizate nu sunt tipuri standard; sunt formulări avansate concepute pentru o rezistență mare, ductilitate și o absorbție excelentă a energiei în timpul unui accident. Pentru bara laterală din spate a Audi A8, a fost dezvoltat un aliaj specific cunoscut sub numele de Castasil-37 (AlSi9MnMoZr) pentru a satisface cerințele stricte privind proprietățile mecanice. Totuși, există compromisuri. De exemplu, aliajul de aluminiu A360 este cunoscut pentru rezistența sa excepțională la temperaturi ridicate, dar este mai dificil de turnat. Alegerea aliajului potrivit reprezintă un echilibru atent între cerințele de performanță, turnabilitate și cost.

Deși turnarea structurală la scară largă este revoluționară pentru aplicațiile BIW, alte procese de fabricație, cum ar fi forjarea de precizie, rămân esențiale pentru diferite componente auto. Pentru piese care necesită rezistență maximă la oboseală și rezistență, cum ar fi în sistemele de transmisie și suspensie, forjarea avansată la cald este adesea metoda superioară. Specialiștii din industrie, cum ar fi Shaoyi (Ningbo) Metal Technology furnizează aceste piese forjate auto certificate IATF16949, demonstrând modul în care diferite tehnici avansate de fabricație se completează reciproc în construcția unui vehicul modern.

Implementarea cu succes a turnării structurale este imposibilă fără o bază digitală. Costul pur și simplu al echipamentelor — adesea depășind un milion de euro — face ca încercarea prin metoda încercare-eroare fizică să fie inviabilă. Prin urmare, simularea predictivă este un pas esențial, obligatoriu. Software-ul avansat, cum ar fi ProCAST al grupului ESI, permite inginerilor să modeleze virtual întregul proces, de la încălzirea matriței și curgerea metalului topit până la solidificare și eventualele deformări ale piesei. Această prototipare virtuală reduce riscurile investiției, optimizează proiectarea pentru fabricabilitate și asigură faptul că componenta finală va funcționa conform așteptărilor.

Avantaje strategice ale structurilor BIW turnate

Adoptarea rapidă a turnării structurale în industria auto este condusă de un set convingător de avantaje strategice care afectează totul, de la linia de producție până la performanța vehiculului pe drum. Aceste beneficii merg cu mult dincolo de simpla reducere a numărului de piese; ele creează un efect în cascadă de eficiență, economii de costuri și inovație inginerească, oferind constructorilor auto un avantaj competitiv semnificativ. Prin reevaluarea fundamentală a modului în care este construită caroseria unui automobil, producătorii deblochează noi posibilități în design și producție.

Cel mai imediat avantaj este simplificarea radicală a procesului de fabricație. Prin consolidarea a aproape 100 de piese într-un singur component, așa cum este exemplul Volvo, constructorii auto pot reduce în mod semnificativ complexitatea atelierelor de caroserie. Acest lucru se traduce prin câștiguri operaționale tangibile. Potrivit liderului din industrie Bühler, această abordare poate elimina necesitatea utilizării a până la 300 de roboți pe o linie de asamblare și poate reduce spațiul necesar pe suprafața fabricii cu 30%. Aceasta nu doar că scade cheltuielile de capital, dar reduce și consumul curent de energie și costurile de întreținere, contribuind la un mediu de producție mai durabil.

Din punctul de vedere al performanței vehiculului, turnăsurile structurale oferă caracteristici superioare. Construcția dintr-o singură bucată elimină inconsistențele și punctele potențiale de cedare ale sutelor de suduri și îmbinări, rezultând un șasiu mai rigid și mai puternic. Această rigiditate structurală sporită îmbunătățește manevrabilitatea, siguranța și durabilitatea vehiculului. În plus, turnăsurile realizate din aliaje avansate de aluminiu oferă un raport excepțional între greutate și absorbția energiei, esențial pentru standardele moderne de siguranță în caz de coliziune. Reducerea greutății totale a vehiculului este un alt avantaj important, în special pentru vehiculele electrice (EV), unde fiecare kilogram economisit poate extinde autonomia bateriei și poate îmbunătăți eficiența.

În cele din urmă, aceste beneficii inginericești și de producție se traduc în câștiguri financiare și strategice semnificative. Un rezumat al avantajelor principale include:

• Consolidarea pieselor: Înlocuirea zecilor sau chiar sutelor de piese mai mici tanțate cu o singură piesă turnată integrată.
• Simplificarea producției: Reducerea numărului de pași de asamblare, a roboților de sudură și a complexității logistice, ceea ce duce la o producție mai rapidă a vehiculelor.
• Reducerea costurilor: Reducerea cheltuielilor legate de echipamente, forța de muncă pentru asamblare, gestionarea lanțului de aprovizionare și amprenta fabricii.
• Performanță structurală îmbunătățită: Obținerea unei rigidități torsionale și precizii dimensionale mai mari pentru o dinamică și siguranță superioară a vehiculului.
• Economie de greutate: Utilizarea aliajelor ușoare de aluminiu pentru reducerea masei totale a vehiculului, lucru esențial pentru creșterea razelor de acțiune și eficienței autovehiculelor electrice (EV).
• Avantaje de durabilitate: Reducerea consumului de energie în atelierul de caroserie și facilitarea reciclării componentului dintr-un singur material la sfârșitul vieții vehiculului.

Depășirea provocărilor și viitorul proiectării caroseriei în alb

În ciuda potențialului său transformator, calea către implementarea turnării structurale nu este lipsită de provocări semnificative. Dimensiunea imensă și complexitatea producerii turnărilor mari introduc obstacole inginerești care necesită un nou nivel de precizie, planificare și investiții. Acestea nu sunt simple modernizări ale proceselor existente, ci o reînnoire fundamentală a proiectării și fabricării vehiculelor. Depășirea cu succes a acestor complexități este cheia pentru deblocarea beneficiilor complete ale acestei tehnologii.

Provocarea principală constă în faza inițială de proiectare și validare. Având în vedere că utilajele fizice pentru o singură turnare mare costă peste 1 milion EUR, nu există practic loc pentru erori. Proiectarea trebuie perfectată în domeniul digital cu mult înainte ca metalul să fie prelucrat. Acest lucru face ca simularea avansată să devină un instrument indispensabil. Inginerii trebuie să prevadă și să atenueze virtual probleme potențiale, cum ar fi încălzirea neuniformă a matriței, curgerea turbulentă a metalului în timpul umplerii sau deformarea piesei după răcire. Această dependență de prototiparea virtuală reprezintă o schimbare majoră, care necesită competențe noi și o încredere deplasată în acuratețea software-ului de simulare pentru a reduce riscurile legate de investițiile masive de capital.

O altă provocare semnificativă o reprezintă asigurarea unei calități constante și a proprietăților mecanice în timpul producției în serie. Menținerea unor toleranțe dimensionale strânse pe o piesă foarte mare și complexă, turnată după turnată, este o realizare tehnică majoră. Reglarea fină a parametrilor procesului — de la temperatura aliajului până la viteza de injectare și ratele de răcire — este esențială pentru evitarea defectelor și pentru a se asigura că fiecare componentă îndeplinește standardele necesare de rezistență și durabilitate. Aceasta necesită o integrare profundă a controlului procesului, a tehnologiei senzorilor și a asigurării calității pe întregul ciclu de producție.

Viitorul proiectării caroseriei în stare albă (Body-in-White) este strâns legat de evoluția acestor instrumente digitale. Următoarea frontieră o reprezintă crearea unui fir digital continuu care să lege simularea inițială a turnării de simulările finale ale performanței vehiculului. Aceasta înseamnă că datele privind proprietățile „așa cum sunt fabricate” ale unui component turnat — inclusiv eventualele tensiuni reziduale sau variațiile microscopice — pot fi introduse direct în modelele de analiză a ciocnirii, obosealii și a zgomotului, vibrațiilor și rigidității (NVH). Acest flux de lucru holistc și virtualizat va permite inginerilor să optimizeze proiectarea vehiculului cu un nivel fără precedent de precizie, asigurându-se că beneficiile teoretice ale turnării mari (mega casting) sunt pe deplin realizate în cele mai sigure și eficiente vehicule de pe șosea.

Întrebări frecvente

1. Ce este caroseria în stare albă (BIW)?

Body-in-White (BIW) se referă la etapa din fabricarea autovehiculelor în care caroseria și componentele din tablă ale mașinii au fost asamblate, dar înainte ca părțile mobile (uși, capotă, portbagaj), garniturile, componentele de șasiu și grupul motopropulsor să fie adăugate. Reprezintă carcasa structurală principală a vehiculului, formând fundația pentru toate celelalte sisteme.

2. Ce este turnarea structurală?

Turnarea structurală este un proces de fabricație utilizat pentru a crea componente mari, complexe și portante prin injectarea unui metal topit, în mod obișnuit un aliaj de aluminiu, într-o matriță sub presiune ridicată. În industria auto, este folosită pentru producerea unor piese critice ale BIW și șasiului care necesită o rezistență, rigiditate și precizie dimensională ridicate, înlocuind adesea ansambluri compuse din multe piese mai mici.

3. Care este cel mai puternic aluminiu pentru turnarea sub presiune?

Aliajul de aluminiu 'cel mai puternic' depinde adesea de cerințele specifice ale aplicației, cum ar fi rezistența la temperatură, ductilitatea și rezistența la coroziune. Aliajele precum A360 sunt cunoscute pentru rezistența lor excelentă, în special la temperaturi ridicate, precum și pentru rezistența bună la coroziune. Cu toate acestea, aceste aliaje de înaltă rezistență pot fi și mai dificil de turnat, ceea ce creează un compromis între performanța materialului și posibilitatea de fabricație, compromis pe care inginerii trebuie să-l echilibreze.