汽车一体化压铸专题研究降本增效，一体化压铸方兴未艾

　　（报告出品方/作者：东吴证券，黄细里、谭行悦）车身结构件是铝合金压铸领域蓝海
　　政策推动，节能减排标准不断提升。＂节能减排＂成为我国经济发展的主旋律。汽车领域是推进 节能减排的重点。2020年中国汽车工程学会组织全行业专家修订编制的《节能与新能源汽车技术 路线2.0》发布，对于乘用车新车的油耗做了具体的要求，2025/2030/2035年乘用车新车的平均 油耗需要达到4.6、3.2、2.0L/100km，节能减排标准持续升级。
　　新能源渗透率持续提升，里程焦虑成为消费者核心关注。在政策+市场的双重助推下，国内新能 源车渗透率快速提升，从2020年1月的2.7%提升到2021年11月份的20%，随着新能源车份额的 不断扩大，相关的问题也逐渐突出。 2021年2月，＂中国汽车流通协会＂发布文章《如何破解新 能源车里程焦虑？》，提及根据协会对于新能源车主用车体验的面访调研结果，用户购买时最关 心的问题就是＂电池续航能力＂，占比达到31.8%，里程焦虑成为消费者购买新能源车的核心关 注内容。
　　新能源车三电系统质量增加，续航里程诉求带来轻量化需求。新能源车相较于燃油车虽然减少了 发动机和变速箱，但是增加了三电（电机、电控、电池）系统，电池动力系统的能量密度低于燃 油系统，因此新能源整车的质量高于传统燃油车。而新能源车对于续航里程的述求，增加了对于 整车轻量化的需求。
　　轻量化助力节能减排，铝合金材料性价比最佳。根据＂布勒中国＂的数据，汽车重量每减轻10%， 最多可实现节油5-10%，整备质量每减少100kg，百公里油耗可以降低0.3-0.6L，减少CO2排放 8.5g/km，因此轻量化成为节能减排领域的重点发展技术。同时在不同的轻量化材料中，对比多 种金属合金和碳纤维，铝合金的性能、密度以及价格等多方面具备优势，是最具有性价比的轻量 化材料。
　　底盘->三电系统->中小件，车用铝合金零部件渗透率不断提升。在新能源渗透率提升+节能减排 标准升级的双重助推下，车用铝合金零部件的渗透率持续提升，底盘系统（转向节/控制臂/前后 副车架）轻量化因为能够有效提升汽车的操控特性，最先实现钢->铝的升级。随后，三电系统 （电机/电控/电池外壳）和中小件铝合金产品（雨刮电机/转向器壳体/空调系统/制动系统）等渗 透率持续增长。
　　车身结构件升级，带来单车价值量提升。车身结构件铝合金渗透率相对较低，主要原因包括：1） 零部件体积较大，对于设备/工艺/模具等技术要求门槛高；2）产品价值量高，增加整车制造成 本；3）铝合金车身拼接难度高，焊接复杂度高于钢车身。随着轻量化进程的持续进行以及新的 制造工艺出现，铝合金车身结构件渗透率有望持续提升，带来整车铝合金产品价值量的提升。
　　铝合金四大基础工艺+后续处理工艺，构成铝合金加工体系。 轧制/锻造/挤压/铸造四大基础工艺：1）轧制：锭坯借助轧辊施加的压力，使其横断面减小，厚 度变薄而长度增加的一种塑性变形过程；2）锻造：利用材料的可塑性，借助外力产生塑性变形； 3）挤压：对模具型腔内的金属坯施加强大的压力，获得所需断面形状、尺寸的塑性加工办法；4） 压铸：将金属溶液压入模具内，在压力下冷却成型的一种精密铸造方法。在基础铝材上进一步加工工艺：1）冲压：压力机和模具对材料施加外力，使之塑性变形或变形； 2）焊接：通过加热/加压的方式使得工件之间产生原子间结合的加工工艺。
　　车身结构件用铝逐步增长，型材占据较大比例。随着车身轻量化进程的逐步推进，车身结构件的 铝合金占比在逐步提升，以奥迪A8为例，铝合金材料占比达到58%，受到结构件加工方法惯性影 响，冷加工工艺的铝合金型材和挤压成型占比较高，压铸成型车身结构件占比相对较少。
　　车用铝合金整体加工工艺压铸占比最高。虽然车身结构件中间铝合金铸造工艺占比相对较低，但 是整车铝合金零部件加工工艺中，铸造因为生产效率以及便于复杂零部件成型等优势占据最大比 例。根据2018年发布的《 铝合金在新能源汽车工业的应用现状及展望》中的内容，目前各类铝 合金工艺在汽车上的使用比例大约为：铸造77%，轧制10%，挤压10%，锻压3%。
　　轻量化车身拼接难度提升，生产效率下降&成本提升。以2019年奥迪A8车型为例，车身分为铝合金、钢、碳 纤维复合材料、镁合金等多种材料，其中铝合金占比58%，钢占比40.5%，碳纤维1%，镁合金0.5%。虽然整 个白车身带来了很好的轻量化和强度效果，但是奥迪A8一共采用了14种连接方式来进行整车的组合，包括点 焊、MIG焊、激光焊等8种热连接技术和铆接、卷边、螺丝连接、胶水连接等6种连接技术，提升了生产的难度， 并且提升了整车的制造成本。
　　分拼线工艺占比更高，生产工艺有待优化。车身在车身车间的制造过程中，各种散件连接成前/后底板、侧框、 前围总成等分拼工艺占比达到60%以上，通过一体化成型工艺能够有效提升铝合金车身制造效率。特斯拉率先推进一体化压铸进程
　　提升生产效率，特斯拉推动一体化压铸进程。经历了2018年的＂产能地狱＂之后，为了提升车身 的生产效率，特斯拉从材料、设备、工艺等多方面推动一体化压铸的进程。1）2018年宣布多向车 身的铸造专利；2）2019年发布免加热铝合金专利；3）2020年宣布采购2台大型压铸机；4） 2021年Model Y采用一体化压铸技术下线；5）Model Y的前舱总成完成一体化压铸实验；6）发 布下车体一体化压铸专利。
　　加州工厂率先试点，全球四大超级工厂全面布局。 2020年8月，特斯拉加州＂弗里蒙特＂工厂率先 安装意德拉旗下的6000T超级压铸机，通过一体化压铸工艺对Model Y车型的后底板部位进行制造。在试制成功之后，特斯拉开始在全球四大超级工厂进行一体化压铸机布置，目前已经到位的压铸机 合计18台。2022年10月，德州工厂为CyberTruck准备的9000T压铸机已经完成建造及测试，未来 柏林工厂还计划引进6台超级压铸机，完成前舱及后底板的压铸工作。
　　公布多向车身压铸专利，初步提出技术逻辑。2018年特斯拉公布＂汽车车架的多向车身一体成型铸 造机和相关铸造方法＂（Multi-Directional Unibody Casting Machine for a Vehicle Frame and Associated Methods）的专利，提出可以在一台机器上完成绝大部分车架铸造工作的技术构 想，这是一体化压铸技术的雏形。
　　发布高性能免热合金专利，提供符合工艺材料。2019年特斯拉发布专利＂CN112567059- Aluminum alloys for die casting＂，具备高屈服强度和高导电性，并且在压铸时还具有高流动性 和低热裂敏感性的高性能铝合金，并且无需经过热处理，避免了大型压铸件在热处理过程中易出现 的变形或者产生表面缺陷的问题。
　　全球知名压铸设备企业，发力大型一体化压铸赛道。意大利IDRA公司成立于1946年，是全球高科技 压铸机领域的明星企业。2007年在金融危机的影响下，公司财务陷入困境，被香港压铸企业力劲科 技以350万欧元现金收购70%的股份。力劲因此成为世界最大的压铸设备生产商。随着技术进步和 材料价格下降，力劲集团的战略向大型压铸设备设计转变。
　　大吨位压铸设备突破业界瓶颈，助力特斯拉开启一体化压铸进程。IDRA开发的OL6200CS设备，尺寸 19.5*5.9*5.3m，能够提供最大6218吨的锁模力，突破之前行业最大锁模力仅为4400T的极限，确保 模具内腔在高压下的合模稳定性。凭借IDRA的超级压铸机设备，特斯拉具备了一体化压铸设备维度 的硬件准备。
　　后底板一体化->前舱总成一体化，产品集成度逐步提升。2020年特斯拉率先在上海工厂Model Y上 运用一体化压铸技术，核心是对后底板总成+轮罩部分进行压铸。根据公司披露，整体是由71个零 部件集成为一个零部件，减少了约700+个焊点。2022年根据特斯拉一季度财报披露，德州奥斯汀 工厂在后底板一体化压铸的基础上，尝试进行前舱总成的一体化压铸，将前后底板零部件数量从 171个减少到2个，减少焊点超过1600个。
　　有效提升生产节拍+降低成本。新的一体化压铸技术让特斯拉白车身的连接点大大减少，零部件制 造时间大大缩短从数小时下降到数十分钟，大幅度的精简了制造流程，提升了生产效率，相比传统 车身制造的＂冲压+焊接＂工艺，一体化压铸具有轻量化、零件数量及焊接工序步骤减少、人员及 土地节约等优势，能极大地节约造车成本。全产业链技术环节及格局梳理
　　压铸件工艺开发过程中间关键节点。 高韧性结构件铝合金：免加热处理，高强韧性铝合金材料；高真空压铸：模具密封（主分型面、模芯侧面、镶块侧面、型芯密封、顶针密封、压室密封）等 ；可制造型分析：壁厚分析、分型面分析、拔模角度、顶杆位置分析 ； 模流分析：流动分析（流动前沿形态、卷气情况、渣包分布、充型温度）、凝固分析等 ；模温控制：影响冷隔、缩孔、气孔、变形等缺陷。
　　全产业链技术环节及格局梳理：材料
　　免热铝合金材料，为一体化压铸做好材料基础。传统铝合金材料Silafont-36(AlSi10MnMg)在压铸 完成之后需要通过热处理过程来提升机械性能，但是大型铝合金压铸件在热处理过程中易出现变形 或者产生气泡等表面缺陷，免热铝合金材料无需进行热处理能够达到更加优秀的机械性能，大幅降 低了产生废品的风险，提高良品率。
　　Al-Si&Al-Mg系列铝合金成为主流，各类合金元素协助改善机械特性。铝合金具备多种合金特性， 包括Al-Si、Al-Mg、Al-Cu、Al-Zn等大类，目前免加热合金主要集中在Al-Si、Al-Mg两种类型， 在这两种体系下，通过添加Si、Mg、Mn、Ti、Cu、Sr等微量元素，协助提升产品性能。
　　全产业链技术环节及格局梳理：设备
　　行业内压铸机锁模力存在上限，一体化压铸提出更大挑战。在特斯拉尝试一体化压铸之前，行业中 最大压铸机的锁模力只有4400吨，用于生产的产品主要是铝合金一体化车门（投影面积0.5平方米。 重量5.4kg）以及减震塔等车身零部件。一体化压铸件的投影面积超过1平米，重量达到30-40kg，对 于压铸设备锁模力的要求远大于原有4400T的压铸机设备，也给整个压铸机行业带来了新的挑战。
　　锁模力大幅增加，整套系统全面升级。随着锁模力的大幅增加，压铸机内部的机械、液压和电控系 统都需要完全重新开发，因此大型压铸机的先行者力劲集团（意德拉）在此过程中实现了完整的自 主知识产权。在力劲集团（意德拉）的支持下，全球首台6000T压铸机实现量产。
　　全产业链技术环节及格局梳理：模具
　　高压铸造产品结构复杂，需要精密的工艺设计。
　　金属液流需严格把控，避免出现零件失效。大型零部件高压铸造过程中，流动通道复杂，边角结 构越多越容易导致金属充型过程中无法良好填充，甚至出现紊流，从而导致内部严重的缺陷，甚 至会带来杂质和氧化皮风险。或者由于流动性不足或者多处流动进度不同，从而出现多处金属液 面冲击融合，从而导致零件失效。
　　排气结构需合理设计，仿真技术+过程控制防止气孔产生。模具中原有的气体+金属液流自身带 入的气体+包含金属中的气体需要排出，需要在设计之初通过合理的排气结构来排出气体，甚至 采用惰性更好的气体保护和一定的真空技术来实现模具中的气体排放，需要大量的仿真技术和生 产过程的控制接入，排气过程如果做不到位零件会有大量的气孔产生。
　　冷却过程需要液态补缩，避免热孤岛带来缺陷。完成铸造过程之后，零件的冷却过程会带来尺寸 的收缩，需要准确的仿真零部件完整的冷却过程，设置最晚冷却的金属液池来补充收缩部分的液 体，同时避免出现不合群的热孤岛，否则会在零部件冷却收缩的过程中产生新的缺陷。
　　全产业链技术环节及格局梳理：铸造工艺
　　高压压铸成型易产生气孔缺陷，真空压铸技术有效提升产品质量。压铸成型过程中因为金属液提高速填充型腔， 型腔中的气体来不及排出，不可避免会卷入到金属液中，并以气孔的形式残留在铸件中，影响铸件质量。通过 在压铸过程中抽除压铸模具型腔内的气体而消除或显著减少压铸件内的气孔和溶解气体，从而提高压铸件力学 性能和表面质量的先进压铸工艺，特别适合形状复杂但是生产要求高的零件，是目前一体化压铸关键的工艺技 术。真空压铸技术分为普通真空压铸（真空度100-250mbar）、高真空压铸（真空度50-100mbar）、超真空压铸 （真空度<50mbar），一体化压铸技术要求压铸环境为<30mbar的超高真空。
　　截止阀+密封是技术核心，确保抽气效果达到要求。高真空压铸技术中的截止阀是核心零部件，通过合金液体 的惯性冲击力实现排气通道的关闭。此外，密封技术也是达成抽气效果要求的关键，通过对于主分型面、模芯 侧面、镶块侧面、型芯、顶针和压室进行密封，同时对于模具需要在配模的时候进行加热，定期（每2万模次） 上合模机进行配模，防止因为变形导致的分型面贴合度不够，并且每次换模之后要对模具进行漏气点检，确保 整体密封性符合超真空压铸要求。报告节选：
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　　精选报告来源：【未来智库】。系统发生错误