فناوری تولید Mega Casting در شرکت خودروسازی ولوو

در سال‌های اخیر، خودروسازان به‌ویژه در حوزه خودروهای الکتریکی به‌دنبال کاهش وزن و پیچیدگی ساختار بدنه هستند. یکی از فناوری‌های برجسته در این زمینه «مگا کستینگ» (ریخته‌گری عظیم) است که طی آن صدها قطعه کوچک فولادی و آلومینیومی در یک قطعه بزرگ یکپارچه جایگزین می‌شوند. به زبان ساده، مگا کستینگ به‌معنای جایگزینی «مجموعه‌ای از قطعات پرس‌شده با یک قالب بزرگ آلومینیومی» است. این روش که برای نخستین‌بار توسط تسلا (با نام «گیگاکستینگ») به کار گرفته شد، موجب کاهش چشمگیر وزن خودرو و بهبود بازه حرکتی می‌شود و هم‌زمان پیچیدگی تولید را کاهش می‌دهد. خودروسازی ولوو نیز به‌تازگی با سرمایه‌گذاری قابل توجهی در کارخانه تورشلاندا سوئد، این فناوری را برای نسل بعدی خودروهای تمام الکتریکی خود به‌کار گرفته است.

تجهیزات و مواد مصرفی

برای اجرای مگا کستینگ، استفاده از تجهیزات بسیار سنگین و آلیاژهای خاص ضروری است. در کارخانه تورشلاندا، ولوو از یک دستگاه پرس ریخته‌گری تحت فشار ۸۴۰۰ تنی ساخت شرکت بوهلر (مدل Carat 840) بهره می‌برد که قادر است قطعات یکپارچه شاسی را در قالب‌های عظیم تولید کند. قالب‌های مورد استفاده هم بسیار بزرگ و حجیم‌اند؛ هر قالب حدود ۱۳۰ تن وزن دارد و با طراحی ماژولار (اجزای قابل تعویض) ساخته می‌شود تا تغییرات طراحی سریع‌تر انجام شود. همچنین ولوو در محل کارخانه یک کارگاه ریخته‌گری آلومینیوم دایمی با ظرفیت سالیانه حدود ۵۵۰۰۰ تن تأسیس کرده است. این کارگاه شامل تجهیزاتی به ابعاد تقریبی ۲۰ متر طول، ۶ متر عرض و ۶ متر ارتفاع است و سیکل تولید هر کف شاسی حدود ۱۴۰ ثانیه طول می‌کشد

از لحاظ مواد اولیه، ولوو به آلیاژهای آلومینیوم خاصی نیاز دارد که بتوانند پس از تزریق در ابعاد بزرگ بدون تغییر شکل مورد نظر قرار گیرند. مهندسان ولوو برای این منظور آلیاژ جدیدی به نام «F-تمپر» را توسعه داده‌اند که خواص مکانیکی کافی را بدون نیاز به عملیات حرارتی پس از ریختگی فراهم می‌کند. این آلیاژِ خاص به گونه‌ای طراحی شده تا دفرم‌شدن (warp) قطعه بزرگ هنگام سرد شدن به حداقل برسد. علاوه بر این، ولوو به منظور کاهش ردپای کربنی تولید، در تلاش است تا آلومینیومی با محتوای بازیافتی بالا و همچنین کربن کمتر از ۴ کیلوگرم CO₂ به ازای هر کیلوگرم ماده اولیه به کار گیرد

مراحل فرآیند مگا کستینگ

فرآیند تولید قطعات یکپارچه در مگا کستینگ چند مرحله اصلی دارد. ابتدا شمش‌های آلومینیوم در کوره گازی ذوب می‌شوند و سپس مذاب حاصل با دقت در کوره اندازه‌گیری دُز می‌شود. این آلومینیوم داغ به داخل قالب‌های عظیم تزریق می‌گردد. پس از پایان تزریق، قطعه در داخل یک وان آب خنک‌کننده قرار می‌گیرد تا دمای آن کاهش یابد و ساختار آن تثبیت شود. در ادامه، با استفاده از پرس‌های مخصوص، بخش‌های اضافه مانند «سپرها» (sprues) و کانال‌های سرریز جدا می‌شوند و ضایعات آلومینیوم به‌دست‌آمده مستقیم به چرخه بازیافت بازگردانده می‌شود در نهایت قطعه ریخته‌گری‌شده به دقت ابعادی نهایی دست می‌یابد و آماده فرایندهای بعدی در خط مونتاژ می‌شود.

طراحی یکپارچه و مزایای ساختاری

یکی از مهم‌ترین دستاوردهای مگا کستینگ، ادغام تعداد زیادی قطعه کوچک در یک قطعه ساختاری واحد است. به عنوان مثال، در نسل جدید خودروهای الکتریکی ولوو (مانند مدل آینده EX60)، بیش از ۱۰۰ قطعه پرس‌شده سنتی موجود در بخش زیرین خودرو توسط یک قطعه آلومینیومی بزرگ جایگزین می‌شود. این کاهش بیش از ۹۹ درصدی تعداد قطعات موجب حذف صدها جوش و پیچ اتصال می‌شود. در نتیجه ساختار شاسی به دلیل عدم وجود نقاط اتصال جوش‌خورده پیاپی، سختی و پایداری بیشتری دارد که به بهبود ایمنی در تصادف و کاهش وزن کلی خودرو می‌انجامد

نکته مهم دیگر، صرفه‌جویی در مصرف مواد است. در روش‌های سنتی پرس و جوشکاری، تقریباً نیمی از ماده خام (در حدود ۴۵–۵۵ درصد) تبدیل به ضایعات می‌شود که معمولاً به صورت برش شده به چرخه‌ بیرونی بازمی‌گردد اما در مگا کستینگ، تقریباً کل ضایعات آلومینیوم در محل کارگاه ذوب شده و مجدداً در ریخته‌گری استفاده می‌شود، به نحوی که تا ۹۵ درصد ماده اولیه در قطعه نهایی به کار می‌رود. این امر علاوه بر صرفه‌جویی اقتصادی، ردپای کربنی تولید را به میزان چشمگیری کاهش می‌دهد.

مزایای تولیدی و زیست‌محیطی

اجرای مگا کستینگ در خط تولید ولوو مزایای تولیدی متعددی دارد. کاهش تعداد قطعات به معنای ساده‌تر شدن زنجیره تأمین، انبارداری و مونتاژ است. به گفته مقام‌های ولوو، کاهش پیچیدگی تولید در طول چرخه عمر خودرو منجر به صرفه‌جویی در هزینه‌ها و کاهش مواد مصرفی می‌شود همچنین حذف زیرمجموعه‌ها و جوشکاری‌های متعدد، نیاز به برخی تجهیزات خطوط بدنه‌سازی را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد. برای مثال، تسلا پس از پیاده‌سازی گیگاکستینگ در خط تولید مدل 3 خود توانست صدها ربات جوشکار را حذف کند. در ولوو نیز با یکپارچه‌سازی بیش از ۱۰۰ قطعه در یک قالب، عملیات مونتاژ به مراتب سریع‌تر و قابل پیش‌بینی‌تر شده است. در مجموع، وزن بخش عقب کف خودرو تا ۱۵–۲۰٪ کاهش یافته است که خود به بهبود بهره‌وری انرژی و افزایش برد خودرو منجر می‌شود

از منظر زیست‌محیطی، مگا کستینگ ضمن سبک‌سازی وزن خودرو (که مصرف انرژی را کاهش می‌دهد)، با کاهش مراحل تولید و تعداد قطعات، انتشار گازهای گلخانه‌ای تولید را نیز پایین می‌آورد. در نهایت، لازم به ذکر است که هزینه بالای اولیه این فناوری (به عنوان نمونه، ساخت هر قالب مگا کستینگ می‌تواند بیش از ۱۲ میلیون دلار هزینه داشته باشد) با فواید بلندمدت آن جبران می‌شود. در واقع، پس از پرداخت هزینه یک‌باره قالب‌ها، خودروها برای نسل‌های متعددی با همان هزینه تا حد زیادی تولید خواهند شد

دقت ابعادی و خنک‌کاری

ریخته‌گری تحت فشار در مگا کستینگ به دلیل تزریق یکنواخت مذاب، دقت ابعادی بسیار بالاتری نسبت به مونتاژ قطعات جوشکاری‌شده ارائه می‌دهد. در روش سنتی، تلرانس‌های انباشته شده از چندین مرحله پرس و جوشکاری می‌تواند منجر به نیاز به اصلاحات گران‌قیمت شود، اما در مگا کستینگ قطعه نهایی مستقیماً از قالب با تلرانس‌های نزدیک به ایده‌آل خارج می‌شود. این دقت بالا، پیچیدگی کار بازرسی‌های ابعادی را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، کنترل فرآیند خنک‌کاری اهمیت بالایی دارد: در خط ولوو پس از تزریق آلومینیوم، قطعه در وان آب خنک می‌شود تا ضمن تثبیت ساختار، احتمال تنش و اعوجاج کاهش یابد. روند برش ضایعات نیز دقیق برنامه‌ریزی شده است تا عملیات بعدی مانند مونتاژ آسان‌تر انجام گیرد.

نرخ تولید و ادغام در خط تولید ولوو

یکی از شاخص‌های کلیدی هر فناوری تولید، سرعت و تکرارپذیری آن است. در سیستم مگا کستینگ ولوو، هر سیکل ریخته‌گری حدود ۱۲۰–۱۴۰ ثانیه طول می‌کشد (معادل تولید یک قطعه در حدود دو دقیقه). به عبارت دیگر، این فناوری قادر است به‌طور مداوم قطعات یکپارچه را با سرعت بالا در حجم‌های انبوه تولید کند. برای تضمین عدم وقفه در تولید، هر دستگاه با سه قالب در گردش کار می‌کند: یکی در مرحله تزریق، یکی در خنک‌کاری یا آماده به کار و یکی در حال تعمیر و نگهداری

ادغام مگا کستینگ در خط تولید ولوو نیازمند تغییرات زیرساختی گسترده‌ای بوده است. برای مثال، تأسیس کارگاه ریخته‌گری در محل و آموزش پرسنل (چیدن قالب‌های چند ده تُنی، ایمنی و خنک‌کاری کارآمد) ضروری بود. همچنین مراحل مونتاژ بدن و بخش باتری خودرو مطابق با ساختار جدید بازطراحی شدند تا قطعه یکپارچه بتواند به‌راحتی در بدنه خودرو جای گیرد به گزارش ولوو، پروژه مگا کستینگ در تورشلاندا با هدف ایجاد یک فناوری «طولانی‌مدت» سرمایه‌گذاری شده است؛ به این معنی که پس از راه‌اندازی اولیه، تنها قالب‌های جدید برای مدل‌های بعدی ساخته می‌شود و خط تولید کلی تغییرات کمتری نیاز دارد.

مگا کستینگ در سایر خودروسازان و مقایسه رویکردها

مگا کستینگ صرفاً منحصر به ولوو نیست. مهم‌ترین پیشگام این فناوری خودروسازی تسلا است که با استفاده از ماشین‌های غول‌پیکر «گیگا پرس» (ساخت شرکت ایدرا یا بوهلر) کل بخش‌های جلو و عقب شاسی خودرو را به‌صورت یکپارچه ریخته‌گری می‌کند. در خودروی مدل 3 تسلا، تغییر به گیگا کستینگ به حذف حدود ۳۷۰ قطعه مستقل منجر شد؛ برای مثال بخش عقب خودرو که قبلاً از حدود ۷۰ قطعه تشکیل می‌شد، اکنون با یک قطعه ریختگی واحد جایگزین شده است. در نتیجه خط تولید تسلا از چند صد ربات جوشکاری خلاص شد و سرعت مونتاژ بسیار افزایش یافت ولوو رویکرد مشابهی را با مقیاسی متناسب پیاده می‌کند و در مدل جدید EX60 بیش از صد قطعه را در یک کف شاسی ادغام کرده است

خودروسازان دیگری نیز وارد این عرصه شده‌اند. برای مثال، برخی شرکت‌های چینی نظیر NIO و XPeng نیز دستگاه‌های ۱۲۰۰۰ تنی بزرگ را برای مگا کستینگ به‌کار گرفته‌اند  در غرب، شرکت‌هایی مانند مرسدس بنز و تویوتا نیز در حال مطالعه کاربردهای این فناوری هستند از سوی دیگر، فورد با رویکردی تحت عنوان «Unicasting» در حال توسعه فرایندهای مشابه مگا کستینگ است که در آن کل بخش جلو، عقب و بدنه باتری به‌طور جداگانه و هم‌زمان ریخته‌گری می‌شوند. نکته قابل توجه این است که همه خودروسازان به‌طور یکسان وارد این مسیر نشده‌اند؛ به عنوان مثال، گروه استلانتیس تاکنون مگا کستینگ را برای خود اقتصادی ندانسته و آن را به‌صورت محدود پیگیری کرده است

نتیجه گیری

در مجموع، فناوری مگا کستینگ نویدبخش کاهش پیچیدگی تولید و بهبود عملکرد ساختاری خودروهای الکتریکی است. ولوو با به‌کارگیری این فناوری در خط تولید اصلی خود، در کنار تسلا و چند خودروساز دیگر، سعی دارد تولید خودرو را در نسل جدید بر پایه سازوکارهای ریخته‌گری بسیار پیشرفته استوار کند. این تحولات تا حد زیادی شکل معماری تولید خودرو را تغییر داده و نوید خودروهایی سبک‌تر و قوی‌تر را در آینده نزدیک می‌دهند.

منابع: اطلاعات فوق برگرفته از گزارش‌ها و مقالات معتبر صنعتی درباره مگا کستینگ در شرکت ولوو و سایر خودروسازان است.

volvocars.comgreencarreports.com

volvocars.comdesignnews.com

automotivemanufacturingsolutions.com

designnews.com

industryarsenal.com.