云廷投资 | 汽车一体化压铸,渐成趋势

发表时间: 2022-06-27 18:12:32

作者: 魏磊

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在传统燃油车赛道中,国内汽车产业已经颓废了几十年,自主品牌汽车始终难以迈过那道坎。但在新能源汽车时代,随着以比亚迪为代表的中国品牌在电动化、智能化领域的变道超车,中国汽车产业复制手机、家电、高铁等行业实现赶欧超美正在逐步成为现实。未来,随着一体化压铸技术渐趋成熟和新能源汽车的迅速普及,汽车行业一体化压铸应用渐成趋势,国内汽车厂商需要积极关注与把握。

随着特斯拉在中国市场的高歌猛进和新能源汽车市场的快速崛起,与新能源汽车密切相关的压铸一体化迅速火爆汽车圈。2020922日,特斯拉压铸一体化一经问世便立即成为了新能源汽车行业的焦点,震动了整个汽车圈和相关零部件企业,引领并推进车身制造集成变革的最新潮流。随后,国内外众多新老汽车制造企业、零部件相关企业尤其是新能源造车新势力纷纷积极谋划,迅速跟进压铸一体化的行业发展大方向,汽车压铸一体化造车的新时代已经蓄势待发,即将成为现实了。

 

压铸一体化,简单又复杂

 

压铸一体化(或一体化压铸),这个听起来甚至还有点生僻的技术名词,其实并不是什么新概念,它是指采用特大吨位压铸机将多个单独、分散的零部件高度集成集中压铸一次成型为几个大型铝铸件,从而替代多个零部件先冲压再焊接或铆接组合的一种铸造方式。

 

从原理上看,压铸一体化是简单的。即将金属加热熔化成液态,用动力挤压浇入模具中,等金属冷却固化就得到了符合模具形状的零件,这就是所谓的“一体成型”。与传统的铸造技术相比,这只是一种新工艺技术的改进,其中并无太大的或者根本性的技术突破或技术发明,因为铸造技术本身在人类技术发展史上已经非常成熟,甚至从青铜器时代开始就已经出现;压铸作为铸造技术的一种,无非是形成了一种标准化、系统化和规模化的打压过程,能够一次性制造出更多、更复杂、更立体的部件而已。

 

换句话说,压铸一体化就是用单个大型铸件代替多个小型组装零件。相比于以前多个小型零件流水化生产线,压铸一体化的优势主要体现在三个方面:一是简化了生产流程。如以前的汽车生产流程需要将几十个、几百个零部件进行组装焊接,而零部件种类复杂、且数量多,不仅生产这些零部件需要较高的成本和更多的时间,而且零部件组装流程复杂且耗时,需要多达上百台机器人来完成焊接组装和涂胶;而采用一体化压铸后,只要通过压铸机和模具就可以一次成型的实现指定部件的铸造,进而大大简化了生产流程的复杂性。二是提升了硬件可靠性。相比于多零件组装来说,一体化压铸密封性更强,甚至可以实现无间隙;同时,铸件具有更高的抗扭刚度,在抗击打能力方面也具备更好的效果,并且这种一体化铸件也减少了零部件在长期使用过程中由于磨损老化而需要不断维修和替换的麻烦,省时省力,而且成本低。三是降低了整车的重量。这主要得益于轻量化材料(主要是铝合金相关材料)的广泛应用,相对于钢板钢材的结构件来说,一台以铝合金材料为基础材料的汽车可大致减重20%-30%,这对汽车的经济性和降低汽车使用成本来说绝对是个重大利好,对于燃油车来说可以因此节省10%左右的油耗,电动车可以因此而减少20%左右的电能消耗。

 

但同时,从实现过程上看,压铸一体化又是复杂的。压铸一体化实现的技术难度和工艺壁垒主要体现材料、工艺和一体化压铸设备三个方面。从材料方面来看,铝合金材料是目前实现一体化压铸的最常见和使用最多的材料,这是一种不需要涂层和热处理的高强度合金,特斯拉所采用的即是这种材料;这种材料从提取到制作再到大规模标准化一体化应用,需要较高的技术积累和较强的技术应用能力,否则极易出现焊接变现、裂纹的严重缺陷和问题。从工艺方面来看,由于生产工艺会影响产品的成品率,因此需要压铸厂在生产工艺上有较好的经验和技术积累才能保证量产的良品率,否则难以实现市场所需的规模化生产。从一体化压铸设备方面来看,由于产品多样化和客户需求的差异化,因此不同汽车厂商对软硬件的要求和定制化开发也具有很高的技术难度和壁垒,导致一体化压铸机价格往往较高,增加了增加了汽车厂商的初始投资成本,变相提高了新能源车的生产成本。目前,能体现压铸一体化最高技术水平的产品是德国汉特曼金属铸造公司(Handtmann)2022年生产的一体式压铸后副车架,它代表了一体式压铸创新的最新技术成果,是通过采用铝合金材料,使用特殊的模具技术,通过整体压铸实现了以性能为导向的成本效益,在最大限度上实现功能集成、高性能和较低的制造成本。

 

一体化压铸带来的经济效益提升是巨大的。在采用一体化压铸技术生产后,最直接的变化就是零件集成和铸铝减重,缩短了生产线,减少了零部件数量,不再需要那么多机器和工人,大大缩短了制造时间,材料也能更好回收利用。如特斯拉车架后底板采用一体化压铸技术后,原来的80个冲压焊接零件可以直接集成为一个部件,生产的后底板可以实现减重10%,成本下降40%Model Y的制造时间从1-2小时缩短至不到2分钟,占地面积节省了30%,生产工人减少200多个,这给Model Y节省了约20%的制造成本。未来,特斯拉还计划采用一体化铸造工艺生产前底板、电池壳等部件,这将可以替代原来的370多个零部件,实现整车再减重10%,续航再提升14%;特斯拉的终极目标则是通过一体化压铸,将整个车辆的结构简化为前舱一体化压铸总成、乘员舱结构压铸总成、一体化电池结构压铸总成和后底板一体化压铸总成四个部分。



可以说,压铸一体化的出现是汽车设计优化升级的必然结果,也是新能源车智能化发展的必然结果。近年来,随着车身设计的不断集成与简化,整体车身制造与底盘制造正在不断朝向高度一体化集成的方向发展,而一体化压铸作为实现集成的基础与核心技术日益受到越来越多车企的重视。一体化压铸既有利于新能源汽车轻量化,提高新能源汽车的经济性,又能在很大程度上降低新能源汽车制造成本,既有利于新能源汽车厂商降低制造成本,又能提高新能源车市场占有率让利于消费者,一举两得,受追捧不无道理。其实早在汽车之前,电子消费品行业尤其是高端手机早就开始一体化压铸的尝试,如现如今的苹果、华为等中高端手机中已经很少见用户能够拆换电池打开后盖的手机,取而代之的是电池和手机外壳不可分拆的一体化成型工艺手机。

 

压铸一体化,有利也有弊

 

一体化铸造毫无疑问推动了汽车制造工艺的革新。但任何一个事物都会有正反两面,一体化压铸技术也是如此。在带来了技术进步、成本降低,让汽车工业又往前迈进一大步的同时,也带来一些难以回避的问题。

 

首先,对于汽车制造商来说,一体化铸造意味着一笔不小的固定资产开支。工厂里布置一体化铸造设备,需要重新规划产线,高昂的全新设备投入、新材料技术应用以及经验积累,前期投资巨大,一旦产品销量不佳,将意味着前期巨大的固定资产更新投入都有可能打了水漂,这对整车厂而言自然是个不小的压力。除了压铸机,还有压铸模具、熔炼炉、喷涂设备、拾取设备、冷却设备、修边机、输送带、油温机、高真空设备等周边设备,运维成本也不低,相较于传统冲压-焊接工艺,全部采用一体压铸工艺总投入成本至少要高出10-20%。除此之外,同样不容忽视的成本还有大铸件售后维修成本,传统的冲压焊接工艺虽然流程分散,工种较多,但零件独立,灵活性高,可以在不同车型之间自由组合,维修和拆卸收十分方便,成本也低;而一体化压铸由于是一体成型,通用性很差,只能应用于特定车型上,即使局部出现损坏需要维修也需要花费较大的成本或新的技术,甚至整体更换,在这一点上经济性反而不如传统工艺更为灵活和实用。

 

其次,对设备制造商来说,技术实现难度大。一体化压铸过程中需要处理的一个关键技术问题就是如何通过热处理减少气泡。从理论上看,热处理中由于热胀冷缩的存在材料极易发生变形,进而导致机械性能降低影响产品质量和性能;而且铸铝件体积越大,热处理难度就越大。而一体化压铸加剧了这一技术难题。目前从特斯拉等企业的生产实践来看,解决这一问题的办法是从材料着手,通过开发出新的铝合金配方来解决免热处理的问题。新的思路和解决办法固然很好,但对科研的投入和要求也比以前高得多,不仅要求整个工艺流程非常稳定,还要对整个制造的各个环节精益求精才能达到要求,否则压铸出来的产品不达标可能就是一堆废铝,意味着前期巨大投入归零,因此对技术和研发的投入不是一般小企业能够承担的。

 

第三,对于消费者来说,一体成型的汽车意味着消费者有可能会成为天价维修费用的买单者。如特斯拉Model Y国产化之后,价格一降再降,消费者自然享受到了一体化铸造带来的成本下降红利,但同时车更难维修了,维修费更贵了。一体成型的车架,在遭遇碰撞后很难维修,本来只是换个零部件的事,一体化压铸成型的零部件只要坏了一点就要整个换掉,甚至可能会变成整体报废,如一辆价值30万的特斯拉,如果不慎导致后减震包或者车身被撞坏,维修费或许要高达20万以上,这对购买使用新能源车的消费者来说绝对不会是一个好消息。

 

在传统燃油车赛道中,国内汽车产业已经颓废了几十年,自主品牌汽车始终难以迈过那道坎。但在新能源汽车时代,随着以比亚迪为代表的中国品牌在电动化、智能化领域的变道超车,中国汽车产业复制手机、家电、高铁等行业实现赶欧超美正在逐步成为现实。

 

压铸一体化产业链,机会难得

 

2021年全球新能源汽车销量已经达到631万辆,同比增长119%2022 年一季度全球新能源汽车市场累计销量约203万辆,同比增长87%,其中中国实现新能源汽车销量119.96万辆,取代欧洲成为新能源汽车最大市场;1-5月份中国新能源汽车销量达200.3万辆,实现翻番。预计2022-2025年,中国新能源汽车销量的复合年均增长率将超过200%,到2025年国内市场新能源车销量将达到800-900万辆,这将极大带动压铸一体化产业链相关的投资规模,市场前景值得期待。

 

目前,随着铝材、铝合金等新材料的广泛应用和大型压铸机设备和工艺技术的提升,国内压铸一体化产业链正在迎来行业爆发的春天,尤其是中上游领域的压铸设备和铝合金材料细分领域。预计从2023年开始一体化压铸的市场空间将迎来快速提升,尤其是6000T以上的大型压铸机需求未来十年内将呈现高成长态势。预计到2025年,国内一体化压铸行业整体渗透率也将从目前的12%左右迅速攀升到20%-25%,一体压铸加速渗透免热合金市场规模将达到150亿元,到2030年国内乘用车整体免热合金市场规模将超过500亿元,压铸机及相关设备市场规模将达到800亿元。

 

上游,材料端尤其是铝合金复合材料最为受益。在材料方面,目前在这一领域走在国内研发和市场前列的企业包括立中集团(2014开始研发免热处理铝合金材料,自主研发的 LDHM-02 免热处理材料已于2021年上半年申请专利,打破国外专利封锁,产品可在大尺寸、薄壁结构件上使用)、帅翼驰(2020年获得美国铝业EZCAST系列在国内的独家代理权,2021年10月与蔚来联合开发出免热处理材料)、华人运通&上海交大(2021年底共同研发出免热处理材料TechCast)和广东鸿图&中铝苏州研究院,它们都在积极开发和研究免热铝合金材料,。在冷室压铸机方面,国内市场中实力最强的力劲科技(具有40年压铸机研发和生产经验,大吨位压铸机全球处于绝对领先优势,是全球首家6000T以上的压铸机供应商;2020年8月交付特斯拉6000T压铸机,目前9000T压铸机已经交付,12000T压铸机正在研制中)和伊之密(具有10多年压铸机研发和生产经验,2021年开始大吨位压铸机的研制工作,目前7000T 压铸机已进入总装调试阶段,8000T和9000T正在研制中)分别以50%和14%的市场份额排名前两位,占据了绝大部分市场份额,海天金属、布勒、东芝等公司在紧随其后。在压铸模具方面,由于制造难度大,目前具备规模化开发能力的模具厂不多,国内规模较大的主要有广州型腔(已承接8800T一体化压铸模具,成功试制出6800T一体化压铸模具,目前正同广东鸿图、力劲科技联合开发12000T超级智能压铸单元)、宁波赛维达(已开发全球首套6000T大型一体式后地板结构件模具,目前正在开发首款9000T大型一体式车身结构件模具,12000T-20000T一体式车身结构件模具研发中)和宁波合力等企业。

 

中游,一体化压铸厂机会最大,但壁垒也最高,也最具挑战性。首先,前期所需一次性资金投入较大,如新建1条10万吨产能的产线所需资金不低于1亿元,还有后续生产维持所需的运营资金等,这会对大部分中小零部件或资金压力比较大的零部件厂商构成较大压力。其次,对制造工艺要求较高,如大型车身结构件,一般整车厂对产品精度要求十分严格,如果良品率较低将会导致较大的浪费和亏损,对人员和运营能力提出了较高的考验。三是对产业集群的要求较高,大型压铸件尤其是车身由于体积较大,所以做适合零部件厂商在整车厂周边就近设厂或合作生产线,否则运输成本就会比较高,进而推高整车的制造成本,达不到降本增效的结果。目前,国内一体化铸造厂商正在快速跟进布局,上市公司中文灿股份、广东鸿图、拓普集团等进展较快,已取得一体化压铸项目定点并实现产品试制成功下线,在国内市场中已经取得了先发优势,爱柯迪、 泉峰汽车、嵘泰股份等企业也紧随其后。其中,文灿股份目前已经取得了国内两家新势力头部车企的一体化后地板、前总成和一体化CD柱产品定点,广东鸿图已进入小鹏配套体系,拓普集团已与高合汽车在一体化压铸领域形成合作。



下游整车厂领域,特斯拉居于市场领先地位,国内造车新势力进展也很快。目前,特斯拉4大超级工厂生产的 Model Y 车型后底板总成均已应用一体化压铸工艺,未来特斯拉计划使用一体化压铸技术制造完整的下车体总成,将约370个零部件压铸为2-3个大型铸件。在特斯拉的强大示范效应带动下,国内车企尤其是造车新势力正在积极布局一体化压铸领域,蔚来、小鹏、理想、高合等国内新势力积极开展一体化压铸布局,部分一体化压铸项目已完成试制下线,预计将很快进入量产阶段,如蔚来在ET5中使用了一体化压铸用于生产车身后地板,减重30%,后备箱空间增加7L,小鹏汽车也开始引入一体化压铸工艺生产线,并开始建设一系列一体压铸工艺车间,预计将用于2023年发布的新车型生产中,上汽集团也于近日宣布压铸技术进入立项阶段,开始积极推动固态电池集成技术、零部件一体化等技术的研发应用。



一体化压铸,渐成趋势。目前特斯拉已经提出能完成整体车身由单一压铸机一体成型的专利,有望完全取消原有的组装生产线,并将进一步降低车身制造成本。未来,随着一体化压铸技术渐趋成熟和新能源汽车的迅速普及,汽车行业一体化压铸应用程度将进一步提升,一体化压铸技术应用也将逐渐从后底板、后车舱等单一车身部位扩展至多部位,甚至完全取消组装生产线,车身完全由一体化压铸而成新能源汽车相信离我们已经不远了。


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在传统燃油车赛道中,国内汽车产业已经颓废了几十年,自主品牌汽车始终难以迈过那道坎。但在新能源汽车时代,随着以比亚迪为代表的中国品牌在电动化、智能化领域的变道超车,中国汽车产业复制手机、家电、高铁等行业实现赶欧超美正在逐步成为现实。未来,随着一体化压铸技术渐趋成熟和新能源汽车的迅速普及,汽车行业一体化压铸应用渐成趋势,国内汽车厂商需要积极关注与把握。
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