2025-09-02
汽車產業中的一體化壓鑄:最新評述 [出處:Light Metal Age]
汽車產業中的一體化壓鑄 (Giga-Castings):最新評述
原文發布時間:2025年8月20日,下午12:38
原文出處:https://www.lightmetalage.com/news/industry-news/automotive/giga-castings-in-the-automotive-industry-an-updated-review/
作者:Alicia Hartlieb 與 Martin Hartlieb,Viami International Inc.
用於車身結構的壓鑄件已問世超過30年,並且其尺寸和複雜性不斷增長。現今許多汽車的避震塔、橫樑和/或長側樑等部件已採用鋁合金結構壓鑄件製造。有時,車輛中甚至可以找到一些如尾門等鎂合金結構壓鑄件。同樣地,電動車 (EV) 或油電混合車的大型電池外殼也常採用壓鑄方式製作。這些部件大多是由鎖模力高達4,500噸的壓鑄機 (DCM) 生產。
自2020年由特斯拉 (Tesla) 首度採用鎖模力6,000噸的壓鑄機開創一體化壓鑄的產業趨勢以來,越來越多的原始設備製造商 (OEM) 紛紛跟進。如今,市面上已有9,000噸、12,000噸 (甚至具備雙射出系統) 和16,000噸的壓鑄機投入運作,且已宣布將推出20,000噸的壓鑄機。這項最初被許多業界內部人士和專家視為利基市場並抱持懷疑態度的技術,如今已成為許多鑄造與車身相關會議及研討會的焦點,甚至今年三月在德國舉辦了首屆專門針對一體化壓鑄的大會。
目前對於「巨型壓鑄」(mega-casting) 或「一體化壓鑄」(giga-casting) 沒有普遍公認的定義(且這兩個術語的使用與尺寸無關,而是公司偏好),但通常指的是鎖模力超過6,000噸的壓鑄機。使用超大型壓鑄機製造的主要產品是汽車的前後車身底板、電動車 (BEV) 的電池外殼(而20,000噸的壓鑄機則可製作完整的汽車底板)。較大的車身主體 (BIW) 和電池外殼壓鑄件通常是在3,000至6,000噸的壓鑄機上生產,而一些較小或單腔的壓鑄件(如避震塔或支柱)則是在鎖模力小於3,000噸的壓鑄機上製造。
根據Schlegel und Partner分析和樂觀估計,一體化壓鑄產業預計在2024年至2030年間,每年市場成長率約為33%¹。然而,另一個消息來源Ducker-Carlisle則預計2023年至2030年間,每年成長率僅為13-14%²。總體而言,這項成長主要由電動車 (BEV) 和市場競爭加劇所推動。據估計,到2030年,約有70%的較大型汽車結構鑄件(需使用鎖模力超過3,000噸壓鑄機)將會是一體化壓鑄件,其中中國公司佔據大部分市場份額 (44%),其次是北美 (35%) 和歐洲 (21%) 公司¹。在中國以外,一體化壓鑄件主要由原始設備製造商 (OEM) 生產,只有極少數的一級供應商 (Tier 1) 開始投資這項技術。
世界各地的一體化壓鑄概況
北美
特斯拉是2020年引進一體化壓鑄技術的公司,最初使用鎖模力6,000噸的超大型壓鑄機,為Model Y生產單一鑄件,作為其前後車身底板³。此後,該公司曾致力於將整個Model Y車身整合為一個鑄件⁴,但最近已放棄此計劃,甚至據傳已完全停產Model Y的前部一體化壓鑄件¹。儘管如此,特斯拉仍堅定地致力於一體化壓鑄技術,他們正在採購更多超大型壓鑄機以繼續生產。例如,Cybertruck的一體化壓鑄件(圖一)是在其德州工廠製造的,經發現僅需6,500噸的機器,低於最初預期的8,000噸⁵。
此外,本田 (Honda) 宣布已在其俄亥俄州安娜引擎廠投資六台6,100噸的一體化壓鑄機,用於生產電動車零組件。⁶ 本田在加拿大的另一項投資目前已延後。對於不適用高壓壓鑄 (HPDC) 的小批量生產,通用汽車 (General Motors) 則利用其所謂的「巨型精密砂模鑄造」技術,將凱迪拉克 CELESTIQ 車身底部的多個部件整合在一起,減少了約40個零件。⁵ 另一方面,福特 (Ford) 已經投資了一台一體化壓鑄機,並似乎承諾在未來幾年內進行生產。同時,日產 (Nissan) 和豐田 (Toyota) 也明確表示,他們正在研發一體化壓鑄件,並計畫在未來幾年內推出的車款中採用。¹ Linamar 是北美首家投資一體化壓鑄技術的一級供應商,而喬治費舍爾 (Georg Fischer) 也宣布其首台6,100噸的壓鑄機將於2026年投入使用。
圖一:
歐洲
富豪汽車 (Volvo) (吉利集團旗下) 是第一家於2022年在其瑞典托斯蘭達(Torslanda)工廠承諾採用一體化壓鑄技術的歐洲原始設備製造商 (OEM)。⁷,⁸ 他們使用兩台8,400噸的一體化壓鑄機,生產電動車的後車底板一體化壓鑄件,取代了33個零件,並將車重減輕了約15%。⁵ 如今,富豪汽車也開始在斯洛伐克科希策(Košice)使用兩台9,000噸的壓鑄機。⁹
與其他市場不同,一些歐洲汽車公司選擇不全面轉向一體化壓鑄,而是使用鎖模力小於6,000噸的壓鑄機,來生產較大型的高壓壓鑄車身主體零件。這其中包括賓士 (Mercedes Benz) 或寶馬 (BMW) 等公司,他們目前對一體化壓鑄技術在其實際應用上的可行性和效益存疑。另一方面,福斯汽車 (Volkswagen) 已展現出對一體化壓鑄的濃厚興趣,但同時也開始使用一台4,400噸的機器來製造一個通常需要更大壓鑄機才能完成的零件(這歸功於其三板模具設計),將其即將推出的電動車電池框架中的30個獨立零件整合為一。¹,⁵
值得注意的是,一級供應商也開始參與歐洲的一體化壓鑄生產,其中Handtmann 是第一家投資此技術的公司,在德國購置了一台6,100噸的一體化壓鑄機。⁵ 奧地利的 GF Altenmarkt 也擁有一台6,100噸的壓鑄機,並預計在2026/27年再添購一台。然而,迄今為止,歐洲市場約80%的一體化壓鑄技術投資者仍為原始設備製造商 (OEM),與北美市場的75%為原始設備製造商相似。¹⁰
亞洲
目前,這種對大型鑄件的興趣轉變已使得亞洲公司在一體化壓鑄產業中佔據重要地位。在日本,豐田 (Toyota)、本田 (Honda) 和日產 (Nissan) 已承諾採用一體化壓鑄技術。現代汽車 (Hyundai) 也已準備推出其所謂的「超級鑄造」(hypercasting)(圖二),這是一種受特斯拉啟發的鑄造生產方法,將作為車輛底盤,原定於2026年開始,但現已延後兩年。日本汽車供應商、豐田集團旗下的 Aisin 則計畫在未來三年內投資34億美元,轉向一體化壓鑄件的生產。
圖二:
中國
在中國,一體化壓鑄已成為原始設備製造商 (OEM) 電動車的關鍵零組件,且中國在2024年的電動車銷量佔全球一半以上,使其成為全球最大的電動車市場。¹⁰ 例如,中國的滁州多利汽車科技公司最近向布勒集團 (Bühler Group) 的一體化壓鑄業務部門採購了有史以來最大訂單之一的壓鑄機,這將使他們有望成為全球最大的一體化壓鑄零件供應商之一。同樣受到特斯拉啟發,小米已購入兩台9,100噸的一體化壓鑄機,準備生產將72個零件整合為一的車身底板一體化壓鑄件,並在前部採用大型車身主體 (BIW)。此外,小鵬汽車也將一體化壓鑄技術用於車身前後底板,聲稱這兩件鑄件總共整合了超過300個零件(圖三)。其他公司還包括蔚來、奇瑞、廣汽和一汽,這些公司都已制定一體化壓鑄件的生產策略,並正在積極實施中。¹,⁵
自那時起,意特拉 (IDRA)(由中國的力勁集團 (L.K. Holdings) 所擁有)已簽署超過25台一體化壓鑄機訂單,其中許多正交付給一級零件製造商。⁵ 中國是最多一級供應商投資一體化壓鑄的市場,約有70%的投資者是一級供應商¹⁰,而在歐洲和北美,這項趨勢到目前為止主要由原始設備製造商 (OEM) 所主導。
對於一級供應商而言,對一體化壓鑄進行鉅額投資是一個困難的決定,因為這些大型鑄件不適合長途運輸,這會造成非常強烈的依賴性。然而,它們也意味著巨大的營收增長或損失,因為它們取代了許多過去由一級供應商和其他業者製造的零件。因此,如果一級供應商投資一體化壓鑄,他們將獲得新零件而增加營收;反之,如果他們不投資,則會面臨將現有零件(營收)流失給擁有內部生產(或競爭對手)能力的原始設備製造商的風險。
圖三:
對一體化壓鑄的質疑
儘管一體化壓鑄的生產趨勢自幾年前開始以來持續且不斷增長,但仍有多家汽車公司對這種鑄造形式提出質疑和批評,而其他公司則明確地反對它。例如,麥格納 (Magna) 對一體化壓鑄表達了一些質疑,並對朝這個方向發展保持謹慎,因為生產如此大型的鑄件會伴隨複雜性和困難。⁵,¹¹ 此外,斯泰蘭蒂斯 (Stellantis) 表示他們不會投資一體化壓鑄技術,並維持其可行性低的立場。¹
然而,一些對「真正」一體化壓鑄持懷疑態度的公司,正在或已投資大型鑄造機(鎖模力介於3,000至5,000噸)。同時,一體化壓鑄早期的一些主要挑戰,例如發生碰撞時難以修復的問題,也正在找到解決方案(例如,使用螺栓連接車身和框架,或可拆卸的後端結構)。
一體化壓鑄的挑戰
儘管一體化壓鑄獲得許多公司的廣泛投資,但這種鑄造形式的生產仍然存在各種缺點和困難,其中大部分自問世以來就存在。首先,這種鑄件的模具壽命仍約為10萬次,遠短於沖壓模具,這使得一體化壓鑄件成本高昂,且不太適合用於產量非常高的車輛。³,⁵ 此外,生產一體化壓鑄件與任何其他大型結構鑄件面臨同樣的困難,只不過它們尺寸更大、設計更複雜、壁厚變化更多,且需要更長的流動路徑。這使得生產出具有高均勻機械性能、符合嚴格公差和低報廢率的一體化壓鑄件變得更加困難。通常,鑄造業者會發現,同一個一體化壓鑄件在不同位置的性能差異很大(圖四)。儘管這些性能是在同一個一體化壓鑄件(不同位置)上測量的,但其性能仍存在顯著差異。¹²
一體化壓鑄件的尺寸越大,其受變形的影響也越大,如果沒有足夠的支撐,甚至會因為鑄件本身的重量而變形。一體化壓鑄件的生產所使用的合金,其目標是在不經(固溶)熱處理和淬火的情況下,盡可能減少變形,但事實上,變形是由許多其他因素造成的。然而,許多鑄造業者希望避免變形,這樣他們就不需要投資適應性校直系統。他們通常選擇簡單的解決方案,例如在修邊機中校直鑄件,但後來通常會為此感到後悔。適應性校直系統雖然投資高昂,但已被證明極其有用,因為它們還能100%偵測零件品質問題(製程變異),並適應鑄件中不同的變形情況。
此外,相較於其他結構鑄件,一體化壓鑄件巨大的尺寸也進一步增加了生產後的搬運、儲存和運輸難度。³
隨著一體化壓鑄件變得越來越普及,人們發現,用於汽車前底板(FUB)的一體化壓鑄件,其減重和成本節約效果遠低於後底板(RUB)。此外,前底板一體化壓鑄件在碰撞情況下的表現也較不理想,尤其是在車輛損壞修復方面。這些因素導致了特斯拉等一些公司停止在其部分車輛上使用前底板一體化壓鑄件。一個常見問題是,一體化壓鑄件難以適應不同的車型/變體,但通常汽車前部在不同車型間的標準化程度高於後部,使得前部更容易適應。
在今年稍早舉行的首屆一體化壓鑄大會上,所有這些挑戰都得到了提出和討論。主辦該大會的卡塞爾大學 (University of Kassel) 鑄造技術中心 (GTK) 展示並介紹了他們的半固態射出鑄造技術 (Comptech Process),許多業界人士認為這是一種潛在的解決方案,可以解決一體化壓鑄件的許多技術挑戰(長流動路徑、均勻的高性能、薄厚截面、模具壽命以及降低所需的壓鑄機尺寸)。另一種被提出的解決一體化壓鑄件相關問題的方法是重新設計車身以適應大型鑄件,而不是簡單地用一體化壓鑄件取代現有的車身主體設計。一些公司也認為,一體化壓鑄只有在達到特定尺寸之前才具備效率,這就是為什麼許多人預計,超大型壓鑄機的長期趨勢將會維持在5,000至8,000噸的範圍內。超過此尺寸的鑄造機有時採用雙射出系統,這可能會面臨輕微錯位的風險,從而導致報廢零件的產生。因此,一體化壓鑄的未來方向實際上可能會是遠離這些超大型壓鑄機。
圖四:
預期與現實
目前,全球已安裝了大量的一體化壓鑄產能,但其利用率卻不高。主要原因是,大多數一體化壓鑄件用於沒有現有組裝線的新款電動車,因此相比於將現有車身組裝線改造成整合一體化壓鑄(只需閒置現有的機器人等),其節省潛力更大(透過避免對機器人等的投資)。去年和今年的電動車銷售成長低於最初預期,因此對這些電動車所需的一體化壓鑄件需求減少,或者某些車型的標準生產日期(SOP)被延遲。
永續性
對於許多汽車原始設備製造商 (OEM) 而言,永續性仍然是一個重大考量——在採用一體化壓鑄生產時也是如此。然而,目前大多數結構鑄件仍由原鋁製成,而原鋁通常具有高碳足跡。相反地,鈑金件通常使用非常高的回收料含量生產,儘管其中很大一部分是生產前廢料。提高一體化壓鑄永續性的最有效方法仍然是增加再生鋁含量,這也是大多數原始設備製造商目前正在積極推行的。¹³ 在目前的合金中,鋁製輪圈仍然是主要的消費後廢料來源,但一些研發專案正致力於開發新的合金,使其能夠接受典型的現有鋁密集型車身廢料,或從其他混合廢料流中去除雜質。
結論
一體化壓鑄是鑄造和車身製造產業中一個不斷發展的趨勢。這項最初由特斯拉開創的技術,現已在亞洲(主要是中國)、北美和歐洲被多家原始設備製造商 (OEM) 所採用。儘管一體化壓鑄仍有許多技術挑戰,但解決方案正在被開發,使得在更大、更大型的壓鑄機中生產越來越大型的鑄件成為可能。由於這項技術最適合用於新車型(沒有現有組裝線),因此首批應用多為電動車,而目前電動車的市場成長正在放緩。因此,這也影響了一體化壓鑄的成長,甚至在市場上造成了一定的產能過剩。然而,這種情況很可能不會持續太久,因為越來越多的參與者正在尋找更多的應用。一體化壓鑄趨勢並非在一夜之間徹底改變產業,而是一個緩慢的過程,且它肯定會持續推動車輛中鑄件和鋁含量的增加。