Što je CNC obrada u proizvodnji električnih vozila?
Primarni CNC strojevi koji se koriste u proizvodnji električnih vozila su vlaknasti laserski rezači za kućišta baterija i karoserijske ploče, robotski laserski zavarivači za međusobne spojeve ćelija i sabirnice, precizne CNC glodalice za komponente motora i kućišta pretvarača te ATC usmjerivači za aluminijske konstrukcijske dijelove. Svaki proces obrađuje specifične materijale i geometrije dijelova unutar lanca opskrbe električnih vozila.
Proizvodnja električnih vozila nalazi se na sjecištu automobilske proizvodnje i preciznosti zrakoplovne razine. Jedan baterijski paket sadrži tisuće pojedinačnih zavarenih spojeva. Jedan motor zahtijeva precizno izrezane lamele od silicijskog čelika, aluminijska kućišta obrađena u strogim tolerancijama i bakrene namote koji se moraju spojiti bez oštećenja od topline.
Rezultat je proizvodno okruženje u kojem se CNC strojevi koriste u svakoj fazi: izrada sirovina, izrada komponenti, zavarivanje podsklopova, završna strojna obrada kućišta i označavanje gotovih proizvoda. Volumeni se kreću od količina prototipova u istraživanju i razvoju do milijuna dijelova godišnje u proizvodnji. Kombinacija procesa razlikuje se od tradicionalne automobilske industrije jer električna vozila zamjenjuju motor s unutarnjim izgaranjem i mjenjač baterijskim paketima, elektromotorima i energetskom elektronikom, a svaki od njih zahtijeva drugačiji CNC set alata.
Katalog dijelova električnih vozila: Što se obrađuje i kako
Donja tablica prikazuje glavne komponente električnih vozila s CNC strojevima koji ih proizvode. Osmišljena je kao referenca za kupce koji istražuju strojnu obradu u lancu opskrbe električnih vozila.
| Komponenta električnog vozila | funkcija | Materijal | CNC proces |
|---|---|---|---|
| Kućište baterijskog paketa | Strukturne zaštitne ćelije kućišta | Aluminij 6061 ili lijevani ADC12 | Rezanje vlaknastim laserom + CNC glodanje |
| Kućište baterijskog modula | Grupira ćelije u module | Aluminijski lim, 1 do 3 mm | Fiber lasersko rezanje |
| Sabirnice | Međusobne veze koje prenose struju između ćelija | Bakar ili aluminij, 1 do 5 mm | Rezanje vlaknima laserom + lasersko zavarivanje |
| Ploče za hlađenje | Upravljanje toplinom baterije | Aluminij s lemljenim kanalima | Rezanje vlaknastim laserom + CNC glodanje |
| Međusobne veze ćelija | Spajanje ćelije na sabirnicu | Jezičci od niklovanog čelika ili bakra | Robotsko lasersko zavarivanje |
| Lamele statora motora | Elektromagnetski jezgreni snop | Silikonski čelik, 0.2 do 0.5 mm | Fiber lasersko rezanje |
| Kućište motora | Strukturni + toplinski ogradni prostor | Lijevani aluminij | CNC glodanje + ATC glodalica |
| Rotor motora | Rotirajuća magnetska jezgra | Čelik s rijetkim zemnim magnetima | Precizno CNC glodanje |
| Kućište invertera | Kućište energetske elektronike | Aluminij | Rezanje vlaknastim laserom + CNC glodanje |
| Sklop priključka za punjenje | Vanjsko sučelje za punjenje | Aluminij ili inženjerska plastika | CNC glodanje + alati za brizganje |
| Paneli u bijeloj boji | Konstrukcijski dijelovi karoserije vozila | Aluminijski lim + napredni čelici | Rezanje vlaknima laserom + robotsko zavarivanje |
| Poklopac baterijskog paketa | Hermetički gornji poklopac za pakiranje | Aluminijski lim, utisnut ili izrezan | Rezanje i zavarivanje vlaknima laserom |
Jedno električno vozilo zahtijeva otprilike 20 do 40 različitih CNC obrađenih komponenti, ovisno o arhitekturi i razini opreme. Dijelovi usmjereni na baterije dominiraju po volumenu. Dijelovi motora i pretvarača dominiraju po zahtjevima za preciznošću. Karoserija u bijelom dominira po kapitalnim ulaganjima u uključene strojeve.
Proizvodnja baterijskih sustava: kućišta, moduli i sabirnice
Proizvodnja baterijskih paketa je područje gdje proizvodnja električnih vozila troši najviše CNC strojeva. Teslin baterijski paket Model Y, na primjer, koristi aluminijske sabirnice s jednostranom prevlakom na zavarenoj površini, raspoređene preko 4 modula od 4680 cilindričnih ćelija u konfiguraciji 92s9p. Svaki modul sadrži 107 ćelija i predstavlja desetke laserski rezanih i laserski zavarenih sučelja.
Kućišta paketa i strukturna kućišta
Kućišta paketa obično se izrađuju od aluminijskog lima ili tlačno lijevanog aluminija. Rezanje je dominantno korištenjem vlaknastih lasera zbog debljine lima (1 do 5 mm) i geometrijske složenosti otvora, kanala za hlađenje i elemenata montaže. Obrada nakon rezanja na CNC glodalicama dodaje navojne rupe za montažu, brtvene površine i sučelja tlačnih otvora.
Izrada i zavarivanje sabirnica
Sabirnice su električne autoceste baterijskog sklopa. Obično su od bakra ili aluminija, debljine od 1 do 5 mm, a oblikovane su tako da se provlače kroz arhitekturu modula. Rezanje se vrši laserskim rezačima s vlaknima jer je materijal visoko reflektirajući i tanak. Zavarivanje sabirnica na terminale ćelija najzahtjevnija je operacija u proizvodnji električnih vozila: uključuje različite materijale (bakar na aluminij ili poniklani čelik na bakar), uske geometrijske tolerancije i količine mjerene u milijunima spojeva godišnje po tvornici.
Ćelijske međusobne veze i hlađenje
Međuspojevi ćelija i sabirnica zahtijevaju robotsko lasersko zavarivanje s tehnikama oscilacije snopa kako bi se prevladala visoka reflektivnost bakra na standardnoj valnoj duljini vlaknastog lasera od 1064 nm. Moderni uređaji za zavarivanje vlaknastim laserima s dva snopa mogu raditi do deset puta brže od prethodnika s jednim snopom na ovim spojevima. Rashladne ploče utkane kroz paket za upravljanje toplinom koriste aluminijski lim s lemljenim ili laserski zavarenim kanalima.
Proizvodnja elektromotora i pogonskih sklopova
Elektromotori u serijskim električnim vozilima dominiraju sinkroni motori s permanentnim magnetima (PMSM) i sve više aksijalno-fluksni dizajni. Obje arhitekture uvelike ovise o preciznoj CNC obradi.
Statorske lamele i kućišta
Statorske lamele izrezuju se od silicijskog čeličnog lima debljine 0.2 do 0.5 mm. Precizno rezanje vlaknastim laserom uvelike je zamijenilo štancanje za prototipove i male serije jer eliminira troškove alata i omogućuje brzu iteraciju dizajna. Velikoserijska proizvodnja još uvijek koristi progresivne alate, ali čak i oni ovise o žičanoj erozi i laserskom rezanju za izradu alata. Kućišta statora su obično lijevani aluminijski dijelovi koji se završno obrađuju na CNC glodalicama za provrte ležajeva, montažne površine i prolaze za rashladnu tekućinu.
Zavarivanje ukosnicama za motor
Namoti motora s ukosnicama, sada standardni u mnogim pogonskim jedinicama električnih vozila, koriste pravokutnu bakrenu žicu savijenu i zavarenu u kontinuirani namot statora. Vrhovi spojeva između krajeva ukosnica zavareni su robotskim sustavima optičkih lasera, često tisućama spojeva po motoru. Kvaliteta snopa i geometrija spoja određuju električni otpor motora, što izravno utječe na domet vozila.
Kućišta za invertere i energetsku elektroniku
Kućišta invertera drže silicij-karbidne module za napajanje koji pretvaraju istosmjernu struju baterije u trofaznu izmjeničnu struju za motor. Obično su od aluminija s integriranim rashladnim prolazima, proizvedenim laserskim rezanjem dijelova nakon čega slijedi CNC glodanje brtvenih površina, montažnih pločica i završna obrada rashladnih kanala.
Proizvodne količine za motorne komponente su niže nego za komponente baterija, ali su tolerancije manje. Motor s jednim namotom ukosnice može zahtijevati između 2,000 i 5,000 pojedinačnih laserskih zavarenih spojeva. Svaki spoj s povećanim otporom pokazuje se kao gubitak topline tijekom radnog vijeka motora, stoga je kontrola kvalitete pri brzini proizvodnje ključna.
Materijali u CNC proizvodnji električnih vozila
Proizvodnja električnih vozila koristi specifičnu mješavinu materijala u usporedbi s tradicionalnom automobilskom industrijom. Aluminij dominira konstrukcijskom stranom zbog težine, bakar dominira električnom stranom zbog vodljivosti, a specijalni čelici pojavljuju se u jezgrama motora i strukturama karoserije.
| Materijal | Gdje se koristi | CNC proces | Posebna razmatranja |
|---|---|---|---|
| Aluminij 6061 / 6082 | Kućišta baterija, kućišta motora, kućišta invertera | Rezanje vlaknastim laserom, CNC glodanje | Izvrsna obradivost, mala težina, visoka toplinska vodljivost |
| Lijevani ADC12 | Kućišta motora, poklopci baterijskih paketa | CNC glodanje, završna obrada | Poroznost lijevanog materijala zahtijeva sporo rezanje, a površine za brtvljenje su ključne |
| Bakar (C110, C102) | Sabirnice, namoti motora, ukosnice | Rezanje i zavarivanje vlaknima laserom | Visoka refleksija na 1064 nm, potrebno je titranje snopa ili laser s dvostrukim snopom |
| Silicijski čelik (elektrotehnički čelik) | Lamele statora i rotora | Rezanje vlaknastim laserom, žičana erozija | Precizni rezovi potrebni za poravnanje snopa |
| Niklani čelik | Terminali za ćelije, jezičci za ćelije | Robotsko lasersko zavarivanje | Niklanje sprječava stvaranje intermetalnih spojeva |
| Nehrđajući čelik 304 / 316 | Cijevi rashladne tekućine, kućišta senzora | Rezanje vlaknastim laserom, CNC glodanje | Otpornost na koroziju, dobra za izložene dijelove |
| Napredni čelik visoke čvrstoće | Bijele strukturne ploče karoserije | Rezanje vlaknima laserom, robotsko zavarivanje | Vrlo visoka vlačna čvrstoća, zahtijeva veću snagu lasera |
| Neodimijski magneti | Rotori motora (PMSM) | Precizno brušenje | Krhko, teško se obrađuje, magnetizira se nakon rezanja |
Problem različitih materijala predstavlja ključni tehnički izazov u proizvodnji električnih vozila. Spojevi bakra i aluminija, željeza i aluminija te poniklanog čelika i bakra tvore krhke intermetalne spojeve kada se zavaruju konvencionalnim laserima s jednim snopom. Zavarivanje vlaknastim laserom s dva snopa, oblikovanje snopa u prstenastom modu i lasersko zavarivanje kvazikontinuiranim valom (QCW) su standardna rješenja u industriji.
Rezanje vlaknima laserom: Okosnica izrade metala za električna vozila
Rezanje vlaknima lasera je glavni proces u proizvodnji električnih vozila. Obrađuje kućišta baterija, kućišta modula, sabirnice, laminate statora, ploče za hlađenje, kućišta invertera i bijele panele karoserije. STYLECNC katalog strojeva za lasersko rezanje vlaknima pokriva konfiguracije od rezača prototipova malog formata do industrijskih proizvodnih platformi za kontinuiranu upotrebu u lancu opskrbe.
Za strukturna kućišta baterija i velike panele karoserije, Stroj za rezanje metala laserskim vlaknima velike snage obrađuje deblje aluminijske i čelične ploče u konfiguracijama koje odgovaraju volumenu automobilskog lanca opskrbe. Za proizvodnju ravnih dijelova velikih količina, linija za lasersko rezanje s napajanjem zavojnicom Zamjenjuje tradicionalne preše za štancanje poklopaca baterijskih paketa, rashladnih ploča i strukturnih panela gdje se trošak alata ne može amortizirati.
Za kompleks 3D geometrija u produkciji tjelesnog rada u bijelom, 3D robotski stroj za rezanje metala vlaknastim laserom Omogućuje višeosni doseg na sastavljenim podokvirima, strukturnim čvorovima i prešanim hidroformiranim dijelovima kojima rezači s ravnom površinom ne mogu pristupiti.
Debljina lima u proizvodnji električnih vozila kreće se od 0.2 mm laminata silicijskog čelika na tankom kraju do 8 mm strukturnog aluminija na debelom kraju. Platforma s jednim vlaknastim laserom rijetko učinkovito pokriva cijeli ovaj raspon, zbog čega većina trgovina opskrbnim lancima električnih vozila koristi 2 ili 3 konfiguracije vlaknastih lasera podešene za različite pojaseve debljine.
Softver za gniježđenje je ključan u proizvodnji. Moderni program za poklopce baterijskih paketa ili kućišta modula uključuje stotine malih elemenata po listu, a optimizacija redoslijeda rezanja izravno određuje koliko dijelova proizvodi jedna smjena. Svaki laserski rezač vlaknima STYLECNC raspoređuje brodove s CAM-om koji podržava ugniježđivanje kao dio standardne konfiguracije.
Robotsko lasersko zavarivanje: Međusobno povezivanje ćelija i karoserija u bijelom
Lasersko zavarivanje je proces koji omogućuje sastavljanje baterijskih paketa električnih vozila, a sve više i proizvodnju karoserije u bijelom stanju. Aparati za zavarivanje vlaknima lasera obrađuju milijune spojeva ćelija i sabirnica u svakoj tvornici baterija, a robotski laserski zavarivači obrađuju višeosne zavare koji drže strukturne ploče karoserije zajedno. Industrijski roboti za lasersko zavarivanje vlaknima za proizvodnju automobila Članak detaljno opisuje obrazac implementacije u modernim postrojenjima električnih vozila.
Za proizvodnju baterijskih ćelija, konkretno, Sustavi za lasersko rezanje i zavarivanje za proizvodnju litij-ionskih baterija Referenca pokriva konfiguracije integriranih proizvodnih linija koje kombiniraju zavarivanje jezičaka ćelija, pričvršćivanje sabirnica i brtvljenje paketa na jednoj liniji. 3D industrijski robot za lasersko zavarivanje vlaknima je uobičajeni gradivni blok za stanice tipa "tijelo u bijelim" kojima je potrebno praćenje putanje po više osi.
Za rad na prototipovima manjeg obima i popravke u proizvodnji, automatski CNC stroj za lasersko zavarivanje pruža istu preciznost kao robotski sustavi, a zauzima manje prostora, primjereno za istraživačko-razvojne radionice i specijalizirane montažere električnih vozila.
STYLECNC u lancu opskrbe električnih vozila: od prototipa do proizvodnje
Proizvodnja električnih vozila je višeslojni lanac opskrbe. Dobavljači prve razine isporučuju gotove baterijske pakete, motore i pretvarače proizvođačima originalne opreme (OEM). Dobavljači druge razine isporučuju kućišta, sabirnice i laminate statora prvim razinama. Dobavljači materijala treće razine isporučuju aluminijske limove, bakrene limove i silicijske čelike drugim razinama. CNC strojevi se koriste na svakoj razini.
STYLECNC Industrijski strojevi raspoređeni su na svim razinama opskrbnog lanca električnih vozila. Rezači vlaknastim laserom izrađuju blankete za kućišta baterija na razini 2 i 3. Robotski laserski zavarivači zavaruju jezičke ćelija i spajaju sabirnice kod proizvođača baterija razine 1. ATC usmjerivači, uključujući aluminijski CNC glodalica s diskom ATC sustavom, baviti se strojnom obradom konstrukcijskog aluminija za prototipove i izradu električnih vozila malog obima gdje je cijena alata previsoka.
Za programe prototipova električnih vozila, isti vlaknasti laserski rezač koji će na kraju izvoditi proizvodne sabirnice može prototipirati početne dizajne s istom točnošću. Ovaj kontinuitet između prototipa i proizvodnje smanjuje rizik od promjena dizajna u kasnoj fazi programa. Također smanjuje broj zasebnih dobavljača koje voditelj programa mora koordinirati.
Za proizvodne programe, STYLECNC linije za štancanje s napajanjem zavojnicom, visokosnažni laserski rezači vlakana i 3D Robotski sustavi za zavarivanje dizajnirani su za kontinuirani rad i integraciju s MES sustavima u postrojenju koje zahtijeva proizvodnja električnih vozila. Integracija s nizovima senzora koje postavljaju kupci, sljedivost dijelova i kontrola kvalitete standardna je, a ne opcionalna.
Glosar: Pojmovi za proizvodnju električnih CNC strojeva
Koristite ovu referencu prilikom usporedbe proizvodnih procesa električnih vozila, procjene dobavljača ili pregleda tehničke dokumentacije u industriji.
| Termin | Definicija |
|---|---|
| sabirnica | Kruti električni vodič, obično bakar ili aluminij, koji spaja baterijske ćelije ili module. |
| Kartica ćelije | Tanki vodič koji se proteže iz pojedinačne baterijske ćelije za vanjski priključak. |
| Tijelo u bijelom (BIW) | Sastavljena karoserijska konstrukcija vozila prije bojanja ili dorade, s dominantno zavarenim čeličnim i aluminijskim pločama. |
| Navijanje ukosnicama | Namotavanje motora pomoću pravokutne bakrene žice savijene u obliku ukosnica i zavarene na vrhovima. |
| Silicijski čelik | Željezna legura s dodatkom silicija za smanjenje električnih gubitaka; koristi se u jezgrama statora i rotora motora. |
| Zavarivanje s vibracijama | Tehnika laserskog zavarivanja koja oscilira snop u kružnom uzorku kako bi proširila bazen taline. |
| Dvostruki laser | Vlaknasti laser s 2 koaksijalna snopa (jezgra plus prsten) za stabilno zavarivanje reflektirajućih metala. |
| QCW laser | Kvazikontinuirani laserski valni sustav koji kombinira pulsirajući i kontinuirani izlaz za precizno zavarivanje. |
| Intermetalni spoj | Krhka metalna faza formirana na zavarenim površinama različitih materijala; mora se kontrolirati kako bi se spriječio lom spoja. |
| Zatvaranje s napajanjem zavojnicom | Proces izrezivanja lima s kontinuiranim punjenjem iz čelične zavojnice, koristi se za automobilske dijelove velikih količina. |
Često postavljana pitanja
Koji se CNC strojevi koriste za proizvodnju električnih vozila?
Osnovni paket čine vlaknasti laserski rezači za kućišta baterija, kućišta modula, sabirnice i lameliranje statora; robotski laserski zavarivači za spojeve ćelija i sabirnica te spojeve kućišta u bijelom; CNC glodalice za kućišta motora, kućišta pretvarača i komponente rotora; te ATC usmjerivači za aluminijske konstrukcijske dijelove. Svaki veći proizvođač originalne opreme i dobavljač prve klase za električna vozila koristi neku kombinaciju sva četiri.
Zašto je lasersko zavarivanje toliko važno u proizvodnji baterija za električna vozila?
Budući da spojevi baterija moraju kombinirati različite materijale s izuzetno niskim električnim otporom, tisuće puta po paketu, pri proizvodnim brzinama, IPG Photonics and Tech Briefs iz industrije dokumentiraju da je zavarivanje vlaknastim laserom s tehnikama oscilacije ili dvostrukog snopa jedina tehnologija koja kombinira brzinu, preciznost i potrebnu sposobnost rada s različitim materijalima. Ultrazvučno zavarivanje koristi se uz specifične spojeve ćelija i jezičaka, ali ne može zamijeniti lasersko zavarivanje za potpunu montažu paketa.
Što otežava zavarivanje bakrenih sabirnica?
Bakar reflektira otprilike 95 posto standardne laserske zrake od 1064 nm, što uzrokuje nestabilno stvaranje rupica u vlaknima, prskanje i nedosljednu penetraciju kod sustava s jednim snopom. Industrijsko rješenje su vlaknasti laseri s dva snopa gdje prstenasti snop prethodno zagrijava bakar kako bi se povećala apsorpcija, nakon čega slijedi jezgreni snop koji izvodi stvarni zavar. To eliminira prskanje i postiže brzine zavarivanja do deset puta veće od prethodnika s jednim snopom.
Po čemu se proizvodnja električnih vozila razlikuje od tradicionalne automobilske strojne obrade?
Tradicionalni automobilski obradni centri za motore s unutarnjim izgaranjem, mjenjače i šasije. Proizvodnja električnih vozila zamjenjuje one s baterijskim paketima, elektromotorima i energetskom elektronikom, koji imaju potpuno drugačije zahtjeve za materijalima i procesima. Zavarivanje bakra postaje ključno. Rezanje laminata silicijskog čelika se povećava. Strojna obrada aluminijskih konstrukcija naglo se povećava jer električna vozila koriste više aluminija od vozila s motorima s unutarnjim izgaranjem kako bi nadoknadili težinu baterije.
Koje je materijale najteže obraditi u proizvodnji električnih vozila?
Tri su materijalna izazova koja dominiraju. Bakar je najteži za laserske procese zbog reflektivnosti. Silicijski čelik je najteži za preciznost jer se slojevi laminacije moraju mikrometarski savršeno poravnati preko tisuća slojeva. Neodimijski magneti su najteži za obradu jer su krhki, moraju se rukovati u određenim orijentacijama i obično se magnetiziraju tek nakon rezanja kako bi se izbjeglo oštećenje alata za rezanje zaostalim magnetizmom.
Može li postojeće CNC radionice preći na lanac opskrbe električnim vozilima?
Da, i mnogi jesu. Preklapanje opreme je značajno: svaka radionica koja već koristi laserske rezače vlaknima, robotske zavarivače ili CNC obradne centre ima osnovne mogućnosti. Ono što se mijenja je programiranje, pričvršćivanje i certifikacija kvalitete. Lanci opskrbe električnim vozilima obično zahtijevaju certifikaciju kvalitete automobilske industrije IATF 16949, sljedivost dijelova i MES integraciju. Ulaganje u strojeve često je manja prepreka od ulaganja u sustav kvalitete za radionice koje ulaze u taj prostor.
Bottom Line
Proizvodnja električnih vozila promijenila je CNC industriju jednako kao i bilo koju drugu vertikalu u desetljećima. Rezanje vlaknastim laserom postalo je zadani proces obrade lima. Robotsko lasersko zavarivanje prešlo je iz specijalnosti u standard. Precizna CNC obrada aluminijskih i bakrenih komponenti naglo je porasla, a svaka razina opskrbnog lanca električnih vozila sada ovisi o CNC mogućnostima kako bi se postigli ciljevi troškova i kvalitete.
STYLECNC Industrijski rezači vlaknastih lasera, robotski sustavi za lasersko zavarivanje i ATC usmjerivači primjenjuju se u lancima opskrbe električnih vozila diljem svijeta, od programa prototipa do proizvođača baterijskih paketa Tier 1. Za raspravu o konfiguracijama obrade komponenti električnih vozila, pregledajte katalog strojeva za lasersko rezanje vlaknima je katalog strojeva za lasersko zavarivanje, ili kontaktirajte STYLECNC tim za konfiguriranu ponudu prema vašem specifičnom popisu dijelova.
