Tesla Gigacasting, a soha nem látott technológia, ami forradalmasítja az autógyártást? Első rész

 Bevezetés

      2019-ben robbant be a sajtóba, és terjedt el hirtelen mindenfelé, hogy a Tesla bejegyzett egy első pillantásra zseniálisnak tűnő szabadalmat. A szabadalom, röviden összefoglalva, egy olyan gyártási eljárást ír le, amivel egy jármű vázát, vagy annak egy részét egy darabból lehet előállítani. Az újdonságok iránt affinitást mutató újságírók persze azonnal lelkesen értelmezni próbálták amit láttak: ez egy új présgép, fröccsöntő gép... Volt jó pár különféle tipp, de abban mindannyian egyetértettek, hogy ez  egy soha nem látott technológiai újdonság, amivel a Tesla  forradalmasítja az autóipart. Már megint.

    Idővel aztán Musk is rákapcsolt a kommunikációra. Beszélt arról, hogy ez az új innovatív technológia csökkenti majd az összeszerelési időt, nagyobb szabadságot ad majd a tervezőknek, gyorsabb fejlesztést tesz majd lehetővé, csökkenti a gyártási költségeket.  Szinte túl szép, hogy igaz legyen. Valóban itt egy soha nem látott, egyedi technológia?

    Ezt a témát fogjuk bővebben körüljárni. 

Tesla Gigacast

Mi is valójában a Gigacasting?

    A Gigacasting valójában nem új gyártási eljárás. A magyar műszaki szaknyelv nyomásos öntésként ismeri. (németül Druckguss, angolul die casting). A présöntés elnevezés is helyes, de sokkal ritkábban használják. Én személy szerint a présöntés megnevezést nem tartom szerencsésnek, mert egy tájékozatlanabb olvasóban azt a téves elképzelést keltheti, hogy az alkatrészt valamilyen módon préselik, például berakják az alumíniumot egy szerszámba, majd formára nyomják. Van ilyen eljárás is, úgy hívják hogy hidegfolyatás, de az egy teljesen más kávéház. Úgyhogy én a precíz fogalmazás kedvéért nyomásos öntésként fogom emlegetni, és mindenki másnak is ezt javasolom. 

    A nyomásos öntés, mint gyártási eljárás létezik már durván 150 éve, és az iparban is használják már legalább száz éve, de lehet hogy régebben. Az autóipar is ősidők óta használja, főleg alumíniumötvözet komponensek gyártására.

Néhány szó a különféle öntészeti eljárásokról

    A téma alapos feldolgozásához érdemes néhány szót ejteni a különféle öntészeti technológiákról. Az olvadék szerszámba jutását vizsgálva három nagy csoportot lehet meghatározni: a gravitációs öntést, a nyomásos öntést és a vákuumöntést. Gravitációs öntésnél a folyékony fémet egy nyitott edényből öntik  és a saját súlyánál fogva kerül a formába, nyomásos öntésnél egy zárt térből, nagy nyomással kényszerítik (préselik) az olvadékot a formába, vákuumos öntésnél a formát vákuum alá helyezik. Autóipari szempontból az első kettőnek van komolyabb jelentősége, ezekkel foglalkozunk tovább. 

    A gravitációs öntésnél az olvadt alumíniumot egy nyitott edényből öntik a formába. Mivel az olvadék önállóan tölti ki a formát, ez a folyamat sokkal lassabb mint a nyomásos öntésnél. Az olvadék a szerszám hideg felületeivel érintkezve gyorsan hűlni kezd, a viszkozitása nő, egyre lassabban ér el a szerszám belépési pontjától távolabb eső részekre. Ezen jelenség miatt gravitációs öntéssel nem lehet egy adott méretnél vékonyabb falvastagságokat elérni, ez például merevítőbordás geometriák öntésénél lehet probléma,  mert egyszerűen hamarabb szilárdul meg a fém, minthogy teljesen kitöltené a formát. 

    A formakitöltés problémáinak megoldására született a nyomásos öntés technológiája. Az alapötlet az volt, hogy nem hagyjuk az alumíniumot kényelmesen magától folydogálni, hanem erővel belekényszerítjük a zárt formába. Ekkor az olvadék sokkal gyorsabban mozog, hamarabb ki tudja tölteni a formát mint ahogy megszilárdulna. Lehetővé vált komplex geometriák öntése, vékonyabb falvastagságokkal. Az idők során folyamatosan ott volt az igény, hogy egyre nagyobb méretű és nehezebb alkatrészeket tudjanak nyomásos öntéssel készíteni, ehhez viszont egyre nagyobb nyomásra és egyre nagyobb gépekre volt szükség. Apropó, gépek. Egy nyomásos öntőgépnek sok paramétere van, de jellemzően egyet szoktak emlegetni a médiában, amikor szóba kerülnek: ez pedig a szerszámfeleket összeszorító maximális erő. Az Idra legnagyobb gépe 9.000 tonnás, ennyivel tudja szorítani a szerszámot, hogy a 685 baron bepréselt olvadt alumínium nyomásásnak ellent tudjon állni, és ne nyíljon ki a szerszám idő előtt. 

    Az autóipar is előszeretettel használja már sok-sok évtizede a nyomásos öntéssel előállított komponenseket. Motor-, váltó-, futómű-alkatrészeket gyártottak és gyártanak így. Az igény olyan nagy volt, hogy a legtöbb nagy gyártónak saját tulajdonú alumíniumöntödéje van, néhánynak több is világszerte. A Volkswagennek például Kasselben 1962 óta, a Mercedesnek Mettingenben már vagy száz éve, a BMW-nek Landshutban 1967 óta, a Toyotának Toyotavárosban a nyolcvanas évek óta. Mindenhol csúcstechnológiát használnak, aktívan végeznek anyagtudományi és gyártástechnológiai kutatásokat, minden szempontból a világ élvonalában vannak.

    Ha már karosszéria, akkor megemlíteném, hogy nagyméretű, nyomásos öntéssel készült alumínium karosszéria csomópontokat már jó pár éve használ az autóipar. Egy példa a sokból a Mercedes C-Klasse 2014-ből, ahol több ilyen elemet is alkalmaztak.

  

Mercedes W205, az első és hátsó rugótornyok nyomásos öntéssel készültek

Nyomásos öntéssel készült rugótorony

A nyomásos öntés előnyei és hátrányai

    Előnyök:

• Nagy komplexitású geometriák is megvalósíthatóak
• Nagy pontosságú (öntött alkatrészhez képest!), és jó felületi minőségű alkatrészek gyárthatóak, amik minimális utólagos mechanikus megmunkálást igényelnek
• A gyártási folyamat gyors, öntészeti relációban magas termelékenységű

    Hátrányok:

• Az öntőszerszámok erősen kopnak, a nagy nyomású, magas hőmérsékletű folyékony alumínium abrazív hatása miatt. Egy szerszámmal körülbelül 100.000-150.000 alkatrész gyártható, utána a szerszámot fel kell újítani, vagy ha ez nem lehetséges, akkor újat kell készíteni.
• Porozitásra való hajlam. A nyomásos öntés során a kész darabban apró gázbuborékok, porozitások maradnak. Ez gyakorlatilag elkerülhetetlen. A porozitás csökkenti a mechanikai szilárdságot. A porozitást a gyártás tervezése során próbálják egy adott határérték alatt tartani. Befolyásolni a technológiai paraméterek, a felhasznált ötvözet, a szerszámgeometria, a szerszám kitöltés módjának megfelelő megválasztásával lehet. Kritikus helyen felhasznált alkatrészek esetében nem ritka, hogy az összes legyártott öntvényt röntgennel ellenőrzik, mivel nagy a kockázata annak, hogy még a megfelelően megválasztott és gondosan ellenőrzött gyártási paraméterek is ingadozhatnak, megváltozhatnak. Az állandó minőség elérése tömeggyártásban nagyon komoly minőségbiztosítási képességeket igényel. 
• Magas szerszámköltségek, magas beruházási igény.  A nyomásos öntéshez használt gépek és szerszámok is nagyon drágák. Már egy kisebb méretű öntőszerszám legyártása is több százezer eurós tétel, a méret növekedésével pedig a költségek is exponenciálisan nőnek, mert egyre kevesebb cég lesz, aki képes legyártani azokat. Nagyobb méret esetén (tíz)millió eurós nagyságrendekről beszélünk, és akkor ez csak 1 darab szerszám. 

A Gigacast eljárásban felhasznált ötvözet

    Pár éve szaladt körbe a hír a sajtóban, hogy a Tesla egy teljesen új alumíniumötvözetet talált fel, be is adtak egy szabadalmi kérelmet. A sajtómunkások most sem fukarkodtak a lelkesedéssel, az új ötvözet soha nem látott tulajdonságokat mutat fel a kérvény alapján. Azt a tényt tegyük most félre, hogy ez egy 150 éve erősen kutatott terület, gyakorlatilag az összes lehetséges variációt kipróbálta már valaki, mindent tudunk a különféle ötvözők és ezek kombinációjának a hatásairól. Szerencsére nem kell a sötétben tapogatózni, hogy mit használnak valójában, Munroék csináltak egy analízist, és közzé is tették az eredményt. Nos, ez az anyag nem más, mint egy szabvány EN AC-46000 (AlSi9Cu3(Fe)) ötvözet, csökkentett réztartalommal. A réztartalmat azért csökkentették, hogy ne korrodálódjon olyan könnyen a kész öntvény, és könnyebben legyen önthető, cserébe alacsonyabb a szilárdsága, és nem lehet hőkezelni. Igaz, hogy a kommunikáció az volt, hogy ezt nem is kell, de ilyen apróságokon ne akadjunk fenn.

    Az öntészetben felhasznált ötvözeteknek nagyon sok fontos tulajdonsága van, ami alapján kiválasztják a tervezők az alapanyagot a tervezendő alkatrészhez. Ezek közül jó pár nem javítható anélkül, hogy más fontos paraméterek romlásával ne járna. Példa erre a mechanikai szilárdság és az önthetőség. Nem lehet javítani az egyiket anélkül hogy a másik ne romoljon. Tipikus tervezési célkonfliktus, és ezen nem segít semmiféle csoda űrötvözet sem. 

A Gigacast eljárásban felhasznált szerszám

    Ha a médiában a Gigacast eljárásról beszélnek, akkor kizárólag az Idra által gyártott öntőgépet emlegetik, pedig az eljárásnak van egy másik nagyon lényeges kelléke: a szerszám, amibe az olvadékot préseljük. A szerszám nem része a gépnek, azt külön tervezik és gyártják. Az öntőszerszám egy nyitható acél szerkezet, aminek a belsejében lévő üreg a munkadarab geometriai negatívja. Rendelkezik hűtéssel is. A Tesla által gyártott gigacast munkadarabok geometriája miatt az alkalmazott szerszámok biztosan több irányban nyílnak. A szerszám súlya becslések szerint 80-100 tonna, az öntőgép átszerszámozása, azaz a szerszámcsere 10-12 óra.

 Az öntészeti eljárásnak megfelelő tervezés

    Ha egy alkatrészt nyomásos öntéssel akarunk legyártani, akkor nem tudjuk megkerülni a technológia jelentette korlátokat és kényszereket. A megcélzott geometria kihat a szerszám tervezésére, az osztófelületek, a különféle mozgó elemek, a kidobók, az anyag belépési pontjának, a szerszámhűtésnek stb. meghatározására, és ezek visszahatnak magának az alkatrésznek a tervezésére. Ez egy nagyon hosszú és többszörösen iteratív folyamat, ahol sok ember dolgozik együtt: az alkatrész tervezője, a szerszámtervezők, gyártástechnológusok, anyagtudományi szakemberek, öntészeti szimulációkat készítő szakemberek. Az egyik legfontosabb geometriai feltétel az, hogy a munkadarabot mindig ki kell tudni venni a szerszámból, ezért a minimális formaferdeséget (~2 fok) minden érintett helyre be kell tervezni. Egy konstruktőrt ki lehet kergetni a világból az "alámetszés" kifejezéssel...

    A szerszámnak megfelelő alkatrészdizájn egy megkerülhetetlen követelmény. A következményei pedig szerteágazók, de a legfontosabb talán az, hogy sokkal több anyagot kell felhasználni, mint amit a funkcionális követelmények és az igénybevétel megkövetelne. Ezzel a tervezők jellemzően akkor szembesülnek, amikor végeselemes topológia-optimalizációs szimulációk eredményeit nézegetik, és nem tudják "kivenni" az alkatrészből a felesleges anyagot a gyártástechnológia korlátai és viszonylagos rugalmatlansága miatt.

FEM-Topológia optimalizáció

Lemezkonstrukciók tulajdonságai

    Az összehasonlíthatóság kedvéért röviden beszélnünk kell az autóiparban széles körben használt acéllemez konstrukciós karosszériagyártásról is. Ha a sajtót olvassa az ember, akkor az a benyomása támad, hogy ez már meghaladott gyártási eljárás, csak azért használják az autógyárak, mert nem tudnak mást. A valóságban a lemezkonstrukciós gyártási eljárás abszolút modern, és esetek túlnyomó részében ez az optimális megoldás.

    A lemezkarosszéria kialakítása során a a karosszériát több kisebb elemből állítják össze. Ezek a lemez elemek síklemezből méretre vágott, aztán formára sajtolt elemek. A formára sajtolást szintén acélszerszámokban végzik. A nagyobb méretű elemeket nem lehet egy lépésben a kész formára alakítani, ezekhez többlépcsős gyártási folyamat szükséges, néha 4-5 lépés is kell, hogy elkészüljön a végleges geometria. Maga az eljárás nagyon pontos, és nagy tisztaságot igényel, mivel még a legapróbb szennyeződés is látható hibát okoz a kész lemezfelületen, ami a fényezés után is megmaradhat. Egy nagyobb présgép 80+ tonnás nyomóerővel rendelkezik, és percenkét durván 20 alkatrészt képes elkészíteni. A folyamat jól párhuzamosítható és teljesen automatizálható. Egy présgép szerszámcserével nagyon gyorsan új darabok gyártására állítható át, a szerszámcsere pár perc alatt elvégezhető, köszönhetően a présgépek függőleges kialakításának: a szerszámokat vízszintesen lehet ki és betolni a présgépbe. A lemezalakító szerszámok magas darabszámokat képesek legyártani jelentősebb kopás nélkül: 5-6 millió darab is elérhető.

    Az egyes lemezdarabokat aztán jellemzően ponthegesztéssel rögzítik egymáshoz, de néha használnak ragasztást vagy szegecselést is, illetve ezek kombinációját. Ez az összeállítási folyamat is nagyon jól automatizálható.

    A felhasznált lemezek vastagsága 0,7-2,5 mm között tetszőlegesen választható, a szakítószilárdság a 200-1500 MPa tartományban mozog jellemzően. Ez azt jelenti, hogy a konstrukciót nagyon könnyen lehet a valódi terheléshez igazítani: a kevésbé igénybe vett helyeken vékony és alacsony szakítószilárdságú elemeket lehet tervezni, a komolyabb terhelés alatt álló helyekre pedig vastagabbat és magas szakítószilárdságút. Mivel a gyártási eljárásban nagyon könnyen el lehet hagyni a felesleges anyagot, ezért anyagtakarékos és könnyű, de nagy teherbírású szerkezetek hozhatók létre.

    Természetesen mint minden gyártási eljárásnak, ennek is vannak hátrányai. A gyártási folyamat soklépcsős, és ugyan teljesen automatizálható, de több présgépet, sok szerszámot, sok ipari robotot, és sok helyet igényel. A kezdeti beruházási igény hatalmas, ezt mérsékli az a tény, hogy ezeket a már meglévő berendezések nagyon könnyen és olcsón állíthatók át új típusok gyártására. A karosszéria gyártása során rengeteg hegesztési pontot alkalmaznak, ezek minőségbiztosítási kockázatot jelentenek. Mivel a karosszéria sok darabból áll, ezek legyártása és az összeállítás időigényes, a termelékenység növelése nehézkes és újabb beruházásokat igényel. 

Folyt. köv.

    A következő részben a két gyártástechnológia összehasonlítását kíséreljük meg majd elvégezni, és ezzel kapcsolatosan fogunk néhány megállapítást tenni. Továbbá meg fogjuk vizsgálni a Gigacastinggal kapcsolatban a sajtóban elhangzott állítások igazságtartalmát. 

A véleményeteket, megjegyzéseiteket, kritikáitokat írjátok le nyugodtan kommentben.