电动汽车崛起引领机床产业新布局,打造新一代汽车零部件-不锈钢3D打印工厂

电动汽车崛起引领机床产业新布局,打造新一代汽车零部件-不锈钢3D打印工厂插图

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在国际减排共识下,电动汽车浪潮席卷全球,成为各界关注的焦点。预计到2040年全球电动汽车占比将大幅提升,达到全球汽车市场的55%,超过传统燃油汽车占比。值得关注的是,未来电动汽车时代将间接引领机床行业发展新布局。

减排共识驱动电动汽车市场发展

在国际减排共识下,电动汽车浪潮席卷全球,成为各界关注的焦点。2020年全球电动汽车销量创下324万辆的新高,较2019年增长43%,其中中国(占比41.3%)为最大单一市场,德国(12.3%)、美国(10.1%)是第二和第三大市场。引领电动汽车崛起的厂商——特斯拉是目前市场份额最大的电动汽车厂商(24.5%),传统汽车厂商纷纷投入电动汽车发展。大众和RNM联盟的电动车车型均取得了不错的销售成绩。世界各国已经明确制定了碳排放标准。例如,欧盟的碳排放标准规定在2025年比2021年降低15%,到2030年降低37.5%,这促使各国制定了禁止销售燃油汽车的时间表。到2050年,各先进国家将全面转向电动汽车。加拿大、新西兰、挪威、英国等国家都制定了到2050年净零排放承诺,将电动汽车产业确立为各国未来的首要发展目标。

电动汽车行业影响机床发展

机床行业在汽车领域的应用约占35~40%,电动汽车的发展趋势将给机床行业带来变革。电动汽车与燃油汽车相同的是,整体架构由动力、车身和底盘系统组成。两者最大的区别在于动力系统。虽然电动车对发动机和进排气相关零部件的需求逐渐减少,但对被替换的三电系统(电机、电池、电控)的需求却大大增加,为机床创造了新的发展机遇。在从燃油汽车、混合动力汽车、插电式混合动力汽车向电动汽车发展的过程中,对功率部件——电机的加工需求将逐渐增加,其中车床、冲床、铣床应用最多。电机所需的绕线工艺将为相关机械设备创造机会。预计绕线工艺相关机械设备的资本支出将从2020年的2亿美元增长到2030年的6亿美元。对电池的需求增加,车床和铣床主要用于加工。电池芯所需的堆叠(层压)工艺是一个新的加工商机。据估计,与层压工艺相关的机械设备的资本支出将从2020年的5亿美元增长到2030年的每年14亿美元。在将传动部件部分转换为电动汽车的过程中,变速箱、齿轮等相关部件仍然存在,加工需求主要是铣床、车床、磨床/镗床。

电动汽车零部件加工要求

1.电机和传动

电动汽车的动力系统比燃油汽车简单。与传统的发动机结合变速箱的车型不同,电动汽车即使没有变速箱,也只需单速传动比结合电机变速即可完成动力传递和高低速转换要求。其中,作为电机的动力源,内部定子和转子的硅钢片数量有所增加。硅钢片采用的工艺是冲压。冲压模具需要相关的刀具加工工艺,以及传动部分所需的齿轮和外壳。这会创造一系列相关行业需求商机。随着电动汽车的日益普及,多速传动比的应用可能让变速箱的应用再次得到发展。通过变速箱的多档传动比变化,动力传递效率优于单档传动比,使电机保持高速运转。转速的能耗和高低速不同场景的需求,有望提升电动汽车的高低速性能和更好的续航能力。

2.电池

电池组是电动汽车的关键核心部件,约占整车成本的35%-40%。搭载在车辆上的电池组在续航要求下体积庞大,上盖、外壳、底座、保护罩都是高加工要求。部件由铝合金和高强度钢板制成,重量轻。预计到2030年,锂离子电池的年需求量将超过2.8TWh(太瓦时),相当于80家TESLA超级工厂的年总产量,是目前需求量的7倍。综合加工机、冲床等应用将同步推广。

3.车身

零部件的简化是电动汽车发展的另一个趋势。实现消除车辆异常噪音、提高安全性、增加续航里程、节约生产资源等附加价值。另一个发展重点——模块化底盘是目前主要汽车制造商实施的车型。通过共享模块化机箱,可以达到提高产能、降低成本的目的。集成部件铸造机和成型工具机可以借此机会增加部件生产和使用的数量。

电动汽车崛起引领机床行业新布局

由于世界各国政府大力推动碳中和和燃油车禁售相关政策法规,以及国际汽车制造商产品规划的变化,全球电动汽车行业应用加速.传统燃油车已向纯电动车发展。最大的不同是电机代替了发动机(包括变速箱),电池系统代替了燃料作为能源。尽管不再需要发动机、变速箱和进气和排气系统的加工需求,但电机、电池外壳和齿轮的加工需求仍然很高。此外,未来的机床行业还需要采用冲压、压铸、层压等加工方式。电动汽车零部件的制造趋势,包括电机零部件的高效自动化生产、电池和功率模块的自动化生产、减速机制造等,铝合金零部件和复合材料零部件的应用加工电动汽车轻量化需求的增加将增加非传统加工技术(水射流、超声波、激光、层压制造等)的应用,开发机床装备新技术,带动相关制造自动化和模块化生产需要。展望未来,全球机床行业的市场发展趋势瞬息万变,已经从大批量生产模式转变为小批量、多样化、柔性化生产。满足定制化生产需求。因此,随着电动车的兴起,机床装备将向复合化、多任务化、大型化发展。通过智能技术增值,并结合虚实融合,抖动抑制、热位移控制、3D实时仿制、干涉检测功能、语音界面、机器加工状态监控、生产数据可视化和预测性维护监控系统的最新技术。

汽车产业解构与重构,把握电动汽车零部件新商机

1998年以来,欧盟开始提倡减少碳排放。当时仅限于口头协议,没有强制性约束。2014年,欧盟正式确立了世界上最严格的汽车碳排放控制目标,从法律上强制汽车制造商减少碳排放。2021年,所有在欧盟销售的新车都必须被新法规覆盖。汽车制造商如果无法满足上述标准,超过碳排放标准的车辆将被罚款。该汽车碳排放控制适用于在欧盟成员国销售的所有汽车。为避免罚款促使主要汽车制造商做出回应,最简单的是生产电动汽车。减少碳排放(汽车油耗)是全球主要汽车制造商最重要的研发课题。通过将传统的汽车零部件电气化,减轻电子零部件的重量,使发动机小型化,提高了运行效率。例如,为了节省能源,设计了集成的启动电机和发电机,以配合停车时的自动启动/停止系统。通过高压元件的设计,IC半导体等匹配元件可以承受更低的电流。降低系统成本,简化外围辅助部件,集成启动电机和发电机可在怠速和制动时进行能量回收动作,有效降低能耗。顺应节能减排趋势,新能源汽车和电动汽车是未来汽车发展趋势。无论是新能源汽车还是电动汽车,车身中都必须用到很多电力电子元件,对各种元件的电力要求也比以往更高。甚至传统的基于机械的组件也已开发为由电子组件控制,以实现高效率和精度。在这种趋势下,电力系统的电气化程度日益提高。必须重新设计/开发某些组件以满足车辆电气化的需求,并应对车载系统功耗的增加。电动汽车通过电气化部件改善污染排放,电控或电力电子部件的创新设计提高了运行效率并延长了行驶距离。车辆根据动力电池比例的电气化程度分为电动汽车、全混合动力和轻度混合动力,带有微型混合动力的动力总成。简单地说,就是电池电量和电动机对电力系统负责的比例不同。纯电动汽车表示完全使用动力电池作为电动化动力。

汽车产业结构调整与零部件产业转型

电动汽车使用电动机和动力电池代替原来的(汽油或柴油)发动机和燃油系统作为电动汽车的动力来源。进气/排气系统或供油系统、变速箱、液压装置、倍增器、主缸和转向系统等部件都属于传统的内燃机。两者均由电子元件代替,控制启动、运行、停止、加减速等。电动汽车在传统汽车现有的悬挂系统、车身、轮胎等装置上增加了减震弹簧、减震器、悬挂臂、电动空调系统、高压线组等部件。汽车系统随着电子化趋势的发展向电动化方向发展,动力电池、电动机等电子元器件在汽车总成本中的占比显著提升。并且原厂发动机、变速箱等燃油系统在整车成本中的比重逐渐下降。动力电池在电动汽车成本中占比最高(40~50%),其次是驱动系统。成本比例由原来传统内燃机的22~24%降低到10~20%。其中,电动汽车使用电动机、电动机驱动器、车辆控制器、传动机构和传动轴、冷却系统来替代现有的发动机、辅助设备、传动机构和排气系统。电动汽车的其他成本包括车身外壳、底盘和其他部件。由于电动汽车从传统(内燃机)汽车中衍生出许多新的控制器、动力电池、动力元件或动力转换模块,形成了整车及零部件产业结构调整的现象。

汽车轻量化和模块化组件

车辆轻量化可以通过生产小型车辆、改进车辆结构、使用轻质合金、高强度钢板或橡塑材料来实现。由于该车采用前置发动机和前轮驱动,省去了传动轴、差速器等零件,使结构更趋于流线型,从而使整车小型化。其他结构改进,如采用高强度钢板、中空结构、小型化等,已在欧美日汽车厂逐步实施。橡胶和塑料材料在汽车中的使用增长迅速。为响应汽车轻量化的实践,提高汽车轻量化材料的使用比例受到了相当大的关注。其中,橡胶和塑料材料在重量、可制造性和材料成本方面都具有很大优势。制造商通过生产小型车辆、简化车辆外观设计、小型化部件和使用轻质合金来实现减轻车辆重量的目标。近年来,考虑到乘坐空间和传动效率,很多制造商采用前置发动机和前轮传动,取消了后驱动轴、后桥差速器、齿轮组等部件,使结构更加流线型。车身钣金材料、制造方法及机构改进、中空结构设计及微型化零件应用等方面正在欧美日等汽车制造商中逐步普及。各汽车厂商争相提高轻合金在汽车零部件中的应用比例,其中高强度钢板、铝合金、镁合金、钛合金等轻合金最受关注。实现电动汽车轻量化有以下几种方式:

•使用轻质材料,如低密度铝及铝合金、镁铝合金、工程塑料或碳纤维复合材料等,并用高强度钢板代替普通钢材,以减少钢板的厚度

•优化轻量化结构设计,优化车身、底盘、发动机等部件结构

•采用激光拼焊、液压成型、铝合金低压铸造、半固态成型等先进制造技术。

电动汽车系统由车身、底盘、动力机构、悬架、轮胎、电池组、转向机构、制动机构、电动机、空调等系统部件或模块组成,其中车身和底盘占电动汽车。总重量约为总重量的2/3。轻量化电动汽车的重点在于车身和底盘部件的设计和制造。车身和底盘的轻量化有助于减轻电动汽车的重量。电动汽车的轻量化可以通过车身结构的设计、轻量化材料的应用以及制造技术来实现。轻型电动汽车专注于:

•轻量化基于提高电动汽车的功耗。

•轻量化基于提高电动汽车的性能和安全性。

越来越多的电动汽车部件使用CFRP(碳纤维增强聚合物/塑料)。由于重量轻、机械强度大等特点,全球各大汽车厂商都在争相开发试产。目前,碳纤维复合材料正在开发并应用于汽车零部件领域,包括:车身、底盘、车顶、车门、气缸盖、发动机罩、后扰流板、扰流板、中控台、装饰条、仪表板、传动轴、特殊传动系统、座椅、座垫、尾翼、后视镜壳、车架悬臂、导流罩、A柱、遮阳板、散热器护板、侧护板、踏板、辅助保险杠等车身、内饰件、外饰件等。汽车零部件行业已经发展成为跨国企业,参与全球化竞争。来自世界各地的消费者对汽车零部件的要求是多样化的,零部件的发展趋势是要求各方面的性能持续不断的创新。安全性、可靠性、污染物排放、油耗/碳排放、设计实用性等方面需要不断改进。汽车行业经过100多年的发展,开发创新产品的难度不断加大。制造商在汽车零部件的研发上投入了大量资金。车厂必须承受零部件制造、管理、营销、售后、库存等巨大的成本压力。零部件模块化的概念逐渐被汽车制造商开发和应用。产品平台衍生的组件模块化开发是应对激烈市场竞争的必要手段。大众提出模块化战略并实施MQB平台产品开发计划,汽车零部件的模块化开发将成为未来汽车行业研发制造的趋势。此外,电动汽车的集成技术展示了汽车产业的未来发展。由于电动汽车的结构省略了传统的发动机、变速箱、传动轴等复杂的机械部件或系统,因此更容易在整车设计中引入模块化的概念。

智能制造零部件行业进展

汽车已进入产品多样化、生命周期缩短的时代。主要汽车制造商很难提供多种车型。2017年以来,车型生命周期明显缩短。如何根据消费者需求调整产能,已成为汽车厂和汽车零部件厂商必须面对的严峻问题,包括对应的汽车零部件生产效率、研发制造成本、次品率、高价值,甚至零部件物流调度等挑战。未来汽车产业将朝着共享经济、高度定制化的趋势发展。针对共享经济汽车行业的需求,汽车行业将要求降低成本、稳健性要求、现场快速维护、支持大数据的可能性。数据与安全(数字平台嵌入式安全、H2M到M2H、M2M、售后市场增材制造、基于增强现实的售后服务应用程序)要满足汽车行业高度定制化的需求,未来,汽车行业将寻求销售/制造/服务一体化,可能支持的制造技术包括3D扫描、3D建模、增材制造、柔性生产系统、用于产品/服务开发的大数据等。为应对共享经济新商业模式的兴起,汽车行业的制造技术需求将发生变化。新的共享经济模式将导致汽车拥有量和使用方式发生变化。汽车保有量集中于运营商,汽车使用率将大幅提升。汽车零部件磨损率的增加加大了对车辆坚固性和即时维护的需求。汽车保有模式依然存在,但会出现定制化趋势,体现个人设计风格和品味,定制化服务和灵活的制造方式将应运而生。

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