Gammel metode kutter antall bildeler drastisk

Den nye trenden vil redusere antall deler betraktelig, og bidra til å øke bruken av aluminium. Blant bilprodusentene var Tesla først ute, starten gikk i 2020, med Model Y. Hydro har forberedt seg på endringene i flere år.

Det er snakk om store strukturelle komponenter laget med høytrykksstøping, HPDC, High Pressure Die Casting, som Tesla har døpt om til gigacasting, andre bruker begrepet megacasting. Nå kommer flere etter. Volvo har bestilt fire maskiner og er i ferd med å ferdigstille et nytt produksjonsanlegg for megacasting utenfor Göteborg. De har også planlagt ett til i Slovakia. Toyota har varslet at elbil-plattformen som kommer i produksjon i 2026 blir basert på megacasting. Flere kinesiske bilprodusenter, deriblant Huawei, er også godt i gang.

Færre deler

Høytrykkstøpning er ingen ny prosess. Til produksjon av strukturelle deler har det vært brukt i mange år, men da kun til mindre deler. I dag er motorhus, batterikasser og mindre strukturelle komponenter ofte høytrykkstøpt. Nyheten er at nå støpes svært store deler. Tesla har patentert en løsning der hele bunnplaten støpes som én del. Om, eller når, de tar det i bruk er det ingen som vet.

– Det er en voldsom vekst både i størrelse på det som kan støpes, og i interesse. Vi følger godt med, sier Stig Tjøtta, teknologidirektør i Hydro Aluminium.

I dag brukes høytrykkstøpning til å støpe hele front og bakdel (megacasting). Disse to store komponentene som kan veie 100 kg erstatter opp mot 100 deler med dagens produksjonsmåte. Tjøtta velger å gå litt forsiktig ut, og tror at gevinstene ved å bruke megacastings for bilindustrien vil kunne erstatte 50-100 deler i produksjonen.

I dag lages disse komponentene ofte med å sammenføye ulike stansede stålplater. La oss tenke oss at den består av 5 stålplater som hver krever 3 stempleverktøy. Totalt altså 15 verktøy. I tillegg kommer alle de mindre delene. Det gir mange operasjoner og deler, verktøy som skal vedlikeholdes, lagres og skiftes.

– Det er åpenbart lønnsomt å bruke megacasting, som krever én operasjon med en sykeltid på 1-2 minutter. En no-brainer, mener Tjøtta.

Det startet i Italia og i Sunndal

Utviklingen ble mulig da italienske IDRA presenterte den første støpemaskinen for megacasting i 2019. Da hadde Tjøtta, og hans kolleger, allerede forberedt seg.

– Vi oppgraderte blant annet en HPDC-maskin vi hadde stående i Sunndal i 2018. Den var opprinnelig brukt til magnesium. Med den kan vi ikke støpe store deler, men vi bruker den til testing, optimalisering av aluminiumslegeringer og kompetansebygging, sier Tjøtta.

Til nå er 100 forskjellige legeringer testet ut siden starten i 2019.

En legering for høytrykksstøping inneholder, i tillegg til aluminium, typisk 7-10 prosent silisium, og ofte litt kobber, magnesium og mangan. Silisiumet gir her gode flytegenskaper, mens magnesium bidrar til styrken.

I de største maskinene presses flytende aluminium inn i formene med et trykk på over 4300kN, og de to delene av formen presses mot hverandre med 90.000kN, eller 9000 tonn.

Seks millioner tonn

Tjøtta viser tall fra analyseselskapet Ducker. De viser at i 1990 var det 50 kilo aluminium i en gjennomsnittlig europeisk bil, hovedsakelig felger. Så kom motorblokker, topplokk, støtfangere og etter hvert dører, pansere og bagasjeromslokk. Ved årtusenskiftet var det fortsatt ikke mer enn 100 kg aluminium i hver bil, nå nærmer det seg 200 kilo.

– Jeg tror at om mega/giga-castings blir en suksess, så vil vi passere 250 kg og beveg oss mot 300 kg aluminium per bil når det kun lages elbiler, sier Tjøtta.

I 2022 ble det produsert 61.6 millioner personbiler. Da vil behovet for aluminium øke med 3 til 6 millioner tonn. Tallene er fra europeisk bilindustri, i Asia og Amerika brukes noe mindre aluminium.

Nye strukturer

Det gir rom for langt mer kompleks design enn hva bilindustrien til nå har brukt, ikke ulikt fordelene 3D-print gir. Men mens printing er egnet for småskala produksjon er høytrykkstøping godt egnet for store volumer.

Mercedes har utviklet et konsept de kaller BioniCast. Målet er å gå bort fra linjene og strukturene som nå er vanlige, og i større grad kopiere naturen. Det gir flere buer, dobbeltkrumme flater og varierende godstykkelse, men også økt styrke.

Dette alene vil kunne spare 20 prosent vekt, og kan brukes i en høytrykkstøpeprosess. Samtidig er det en rekke analysebyråer som spår kraftig vekst i bilproduksjonen frem mot 2050.

– Mercedes har ikke offentliggjort noe, men jeg er overbevist om de vurderer megacasting, det gjør de fleste bilprodusenter nå, sier Tjøtta.

Rammer av aluminium

Men ikke alle er like begeistret. I et intervju i tyske VDI Nachrichten peker professor Günther Schuh ved universitetet RWTH-Aachen på flere ulemper. Schuh har større tro på at selvbærende karosserier på sikt vil bli mindre brukt, og erstattet av rammer sveiset sammen av ekstruderte aluminiumprofiler.

– Det er en etablert teknologi som vi var med å utvikle i sin tid. Audi var pioneren med et helt aluminium karosseri på 90-tallet brukt i A8. Vi arbeidet med Lotus da de utviklet sin Elise roadster, og senere med blant annet Aston Martin. Også i de nyeste London-drosjene er det brukt. Jeg tror dette konseptet med rammeverk av profiler fortsatt vil bli brukt, men helst for biler i mindre serier. Også sammen med megacasting vil profiler bli brukt, og da spesielt for å beskytte batteriet og i støtfanger systemene, sier Tjøtta.

Schuh mener maskinene, og ikke minst formene, er så kostbare at megacasting ikke blir lønnsomt før man passerer 1 million produserte eksemplarer. Så reiser han tvil om reparerbarheten, og antyder at en bil med støpt karosseri kan måtte vrakes selv etter en mindre kollisjon.

Professoren er ikke alene om å stille spørsmål ved reparerbarhet, men Tjøtta tror ikke at det vil velte bruken av gigacasting.

– Fordi det ligger støtabsorberende elementer omkring de støpte delene. Dette er strukturelle deler som ikke skal skades. Også i dag må en bil vrakes om kollisjonen er så kraftig at den blir skjev. Ved mindre kollisjoner er ikke det noe problem.

Han legger til at det også har vært en frykt for at man ikke vil klare å fylle strenge toleransekrav godt nok til å sette sammen de tre komponentene front, midtparti med batteri og hekken. Men praksis viser at nøyaktigheten er god, og at mindre justeringer kan gjøres mekanisk eller ved maskinering av sammenføyningspunkter.

Kina ligger langt foran

For Hydro er det en utfordring av bilproduksjonen i økende grad skjer i Kina, og Kina er også landet som til nå har kjøpt flest maskiner for å lage megacastings.

– Kina ligger langt foran europeiske bilprodusenter når det gjelder megacasting.

Hydro har produksjonsanlegg for ekstruderte profiler i Kina, men ikke hverken salg eller produksjon av aluminium for stykk støping.

Deler av Kinas aluminiumproduksjon drives av kullkraft. Tjøtta venter at bilprodusentene i økende grad vil kreve aluminium med lave utslipp. Det betyr mer enn vannkraft, også gjenbruk av skrap.

– Til nå har det vært brukt mest primæraluminium til høytrykksstøping. I skrap er det oftest noe jern, som er uønsket, og også noe kobber.

Kutter utslipp

Produksjon av aluminium gir i dag et globalt gjennomsnitt på ca. 16,7 kilo CO₂ per kilo aluminium. Der kull er brukt blir utslippene høyere. Aluminium produsert fra vannkraft gir, ifølge Hydro, kun 4 kilo CO₂ per kilo produsert metall.

– Med 25 prosent skrapmetall får vi utslippene ned til under 3 kilo CO₂. Vi tror det finnes gode muligheter for å utnytte skrap.

I gjennomsnitt varer aluminiumprodukter 30 år. Det betyr at tilgangen på skrap er bestemt av produksjonen 30 år tidligere, som igjen betyr at tilgangen på skrap vil øke.

– Mitt inntrykk er at bilindustrien tror på megacasting. Riktignok har jeg ikke snakket veldig mye med kritikerne, derimot har jeg mye kontakt med de som tror på aluminium, sier Tjøtta.