Stampaggio di precisione dei metalli per componenti di veicoli elettrici: materiali, tolleranze e requisiti di qualità

Elettrico   I veicoli sono composti da centinaia di minuscoli componenti metallici che facilitano il trasferimento di energia, realizzano i collegamenti elettronici e resistono a temperature estreme e sollecitazioni meccaniche per anni. La maggior parte di questi sono componenti stampati di precisione , come terminali e connettori di ricarica, prodotti in grandi volumi che possono facilmente raggiungere milioni di unità all'anno. Una singola tolleranza errata di una piccola barra di trasmissione di potenza o di un punto di contatto può causare una caduta di tensione, una dissipazione di calore locale o generalizzata, o un guasto a un collegamento interno in un pacco batterie. La stampatura di qualità automobilistica oggigiorno è conforme ai requisiti ISO/IATF 16949.

Molti fornitori di componenti per veicoli elettrici impongono tolleranze rigorose, fino a ±0,001 pollici, sulle principali superfici di contatto. Questo articolo descrive la selezione dei materiali appropriati, la definizione degli obiettivi di tolleranza, i controlli di qualità e altri elementi chiave a cui prestare attenzione quando si acquistano componenti stampati per progetti di veicoli elettrici.

Componenti della batteria e contatti elettrici

I pacchi batteria rappresentano forse uno dei componenti più difficili da realizzare correttamente nelle auto elettriche. Connettori delle celle, terminali, molle di contatto: tutto si trova all'interno di un involucro sigillato dove la temperatura e le sollecitazioni meccaniche continuano ad aumentare per tutta la durata di vita del veicolo. Un componente allentato o ossidato all'interno di una batteria può causare un surriscaldamento locale o un guasto del veicolo, quindi la tolleranza e la scelta dei materiali sono più importanti in questa zona che in quasi qualsiasi altra parte del veicolo.

Terminali in rame e il loro ruolo

I terminali in rame fungono da percorsi per l'elettricità da un componente all'altro, come celle, moduli e persino fino al cablaggio del veicolo.

Con rame puro e leghe di rame come C1100,C5191,C7025,C18160,C18150 Non vi è molta perdita di energia. I loro valori di conduttività possono addirittura avvicinarsi al 100% IACS, il che consente una bassa generazione di calore sotto lo stress di carichi elettrici elevati. Lo spessore dei terminali di solito va da 0,2 mm a 1,5 mm, mentre i bordi stampati devono essere privi di bave, quindi un bordo ruvido non farebbe altro che aumentare la resistenza della corrente e di conseguenza la sua temperatura all'interfaccia con un materiale.

La placcatura fornisce un rivestimento protettivo:

• La stagnatura è di grande aiuto contro la corrosione ordinaria, poiché uno strato protettivo previene ulteriore corrosione e consente una saldatura molto liscia.
• Le superfici argentate danno origine a contatti a bassissima resistenza, ed è proprio per questo che vengono utilizzate in terminali ad alta potenza come questo.
• Le parti nichelate sono resistenti alla corrosione in ambienti interni dove la temperatura è relativamente elevata, il che le rende adatte all'esposizione prolungata all'esterno.

Contatti elettrici e design della molla

Il collegamento elettrico realizzato tramite contatti a molla è un aspetto fondamentale per la riuscita e la durata di un dispositivo. I contatti a molla stampati prendono il nome dalla loro somiglianza con le schegge di un proiettile, e i proiettili stessi sono noti per la loro capacità di mantenere la forma anche dopo innumerevoli cicli di inserimento e rimozione. Per questo motivo, il rame al berillio e il bronzo fosforoso sono considerati i materiali migliori per questa applicazione, in quanto conservano le loro proprietà elastiche anche dopo continue operazioni di flessione.

Un contatto a molla che non funziona correttamente provoca una connessione intermittente. In pratica, questo significa che gli indicatori sul cruscotto si accenderanno e spegneranno a intermittenza, oppure la ricarica non avverrà correttamente, un problema che verrà notato in seguito e causerà molti inconvenienti.

Sbarre collettrici   e connettori di ricarica

L'utilizzo di sbarre collettrici per trasportare grandi quantità di corrente tra i pacchi batteria, l'inverter e il motore è piuttosto comune. Le sbarre collettrici stampate, a differenza dei cablaggi, forniscono un percorso fisso a bassissima resistenza che può trasportare correnti più elevate in un'area molto più piccola.

La maggior parte delle barre collettrici per veicoli elettrici sono realizzate in lamiera di rame o alluminio con uno spessore compreso tra 1 mm e 4 mm. Dopo essere state stampate, vengono rimodellate per allinearsi perfettamente alla configurazione del pacco batterie.

Un connettore di ricarica presenta requisiti diversi per il suo cablaggio.

A volte, un connettore di ricarica rapida in corrente continua può trasferire oltre 350 kW tramite pin delle dimensioni della punta di una matita; solo in questi casi si comprende la necessità di un terminale in rame o in metallo stampato, con una superficie liscia e un accoppiamento interno estremamente preciso, per evitare archi elettrici o surriscaldamenti durante la ricarica.

Tra le parti che Fortuna Metals produce per le pistole di ricarica ci sono i terminali in rame realizzati per i programmi di veicoli a nuova energia, che l'azienda deve sopportare con tolleranze ristrette poiché i nostri cicli di inserimento e disinserimento continuano.

Specifiche chiave da verificare sulle barre collettrici

Quando si desidera procedere con l'approvazione del progetto delle sbarre collettrici, è importante richiedere al fornitore le seguenti specifiche:

Verificate che la capacità attuale non si basi solo sul consumo medio; è necessario considerare anche le effettive condizioni di funzionamento.

• Spessore della placcatura delle superfici di contatto, tipicamente misurato in micron
• Uniformità lungo tutta la lunghezza della barra conduttrice, poiché un pezzo piegato comporterà pressioni di contatto diverse
• Rivestimento isolante quando un pezzo della barra conduttrice si avvicina ad altre parti conduttive

Selezione dei materiali in base alla conduttività e alla resistenza alla corrosione

Avrete probabilmente sentito dire che i materiali utilizzati per i vari componenti dei veicoli elettrici sono esposti alle sostanze chimiche delle batterie, al sale stradale e al liquido di raffreddamento, per non parlare del costante movimento dovuto alle vibrazioni che accompagnano la guida di queste auto.

La scelta dei materiali deve quindi includere considerazioni sulla conduttività, oltre alla resistenza e alla resistenza alla corrosione nel lungo periodo. Qualsiasi componente che si guasti prima della sua durata utile rappresenta un costo enorme in termini di sostituzione in garanzia e, se si tratta di componenti relativi alla sicurezza, può persino mettere a rischio la vita.

Rame   Il conduttore ha la migliore conduttività elettrica, ma deve essere placcato o rivestito per proteggerlo dall'umidità all'interno del pacco batterie. L'alluminio è meno conduttivo ma molto più leggero, una caratteristica apprezzata nei veicoli elettrici dove il peso della batteria incide direttamente sull'autonomia. Spesso si possono notare staffe strutturali in acciaio inossidabile che contengono i moduli batteria, poiché la resistenza meccanica e la resistenza alla corrosione sono i fattori chiave, non la conduttività elettrica.

Coerenza dimensionale nella produzione

I veicoli per il ride-sharing devono essere piuttosto resistenti e, naturalmente, la produzione di batterie avviene contemporaneamente, quindi è necessaria uniformità nella produzione dei componenti. In altre parole, un fornitore deve garantire che la tolleranza dimensionale rimanga invariata sia per il primo che per il milionesimo pezzo. L'uniformità dimensionale si basa sul controllo dell'usura degli stampi, sulla manutenzione delle presse e sull'ispezione durante il processo produttivo. Quando si valuta un fornitore, è importante tenere a mente queste attività.

• Utilizzare i diagrammi di controllo di processo solo per le dimensioni critiche.
• Utilizzare una macchina di misura a coordinate per i controlli di qualità su ogni lotto prodotto.
• La manutenzione degli stampi dovrebbe essere effettuata in base al numero di cicli di lavorazione, piuttosto che tramite la sola ispezione visiva.
• I fornitori di moduli batteria devono fornire rapporti di ispezione del primo articolo di tutti i nuovi strumenti sviluppati dopo la fase di campionamento e prima della produzione in serie.

Un fornitore privo di tali controlli potrebbe consegnare componenti che soddisfano le specifiche il primo giorno, ma che gradualmente iniziano a discostarsi dalle specifiche entro sei mesi, causando problemi sulla linea di assemblaggio che si manifestano ben oltre la pressa di stampaggio.

Staffe e componenti di supporto strutturale

Non tutte le parti stampate in un veicolo elettrico sono attraversate da corrente. Le staffe vengono utilizzate principalmente per supportare i moduli batteria, i cablaggi e le tubazioni di raffreddamento all'interno del veicolo durante tutto il suo utilizzo. Queste parti sono soggette a continue vibrazioni provenienti dalla strada e a variazioni di temperatura dovute alla vicinanza dei pacchi batteria. Pertanto, la resistenza alla fatica del materiale è importante quanto la resistenza meccanica. Sia l'acciaio inossidabile che l'acciaio al carbonio rivestito sono spesso utilizzati nelle applicazioni per le staffe; la loro scelta si basa solitamente sui limiti di peso e sul potenziale rischio di corrosione del punto di montaggio.

Requisiti di qualità che contano di più

IATF 16949 è un insieme di standard di qualità utilizzati specificamente dai fornitori nella catena di fornitura del settore automobilistico o dei componenti. I fornitori accreditati per i sistemi di gestione ambientale IATF 16949, ISO 9001 e ISO 14001 hanno superato diversi audit che includevano il controllo dei processi, la tracciabilità e il miglioramento continuo. Fortuna Metals è certificata IATF 16949:2016, ISO 9001:2015 e ISO 14001:2015. È un'azienda di stampaggio certificata che si avvale di oltre 80 presse per operazioni di stampaggio che vanno dalle 25 alle 300 tonnellate e di oltre 40 macchine CNC per altre lavorazioni.

Oltre alla certificazione, ecco un elenco di aspetti relativi ai fornitori che vale la pena approfondire:

• Tracciabilità del materiale tramite certificato di fabbrica per ogni bobina o rocchetto
• Conformità e rendicontazione ambientale, compreso il CBAM per i componenti spediti nell'UE
• Potrebbe non essere necessario attendere a lungo se uno stampo necessita di regolazioni; pertanto, la capacità di eseguire la progettazione e la riparazione degli utensili in loco potrebbe essere essenziale.
• Se un componente di un veicolo elettrico viene esportato da diversi paesi e poi assemblato nella fase finale, probabilmente sarà necessaria un'azienda con esperienza nell'esportazione internazionale.

Considerazioni finali

Parti   La produzione di componenti per veicoli elettrici richiede in genere un metodo di stampaggio dei metalli estremamente preciso, necessario per realizzare prodotti così delicati. Mantenere la costanza di conduttività, resistenza alla corrosione e proprietà dimensionali su un elevato numero di componenti per un lungo periodo di tempo è un compito arduo ma fondamentale per qualsiasi azienda di stampaggio dei metalli. Collaborare con un fornitore in possesso delle certificazioni automotive pertinenti, dotato di capacità di stampaggio interne e con una solida esperienza nella produzione di componenti come terminali in rame, barre collettrici e connettori di ricarica, garantirà sicuramente una base più solida al vostro progetto, dalla fase di prototipo fino alla produzione su larga scala.

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FAQ

1. Quali tolleranze sono generalmente richieste per i componenti stampati per veicoli elettrici?

Le parti più importanti, come i contatti, sono realizzate con tolleranze molto più strette, da ±0,001 a ±0,003 pollici. I componenti industriali generici di solito non hanno tolleranze così ristrette!

2. Perché si utilizza il rame per i terminali e le sbarre collettrici dei veicoli elettrici?

Per mantenere una resistenza molto bassa durante carichi di corrente elevati, il rame con conduttività del 100% è la soluzione ideale.

3. Quali certificazioni dovrebbe possedere un fornitore di componenti per veicoli elettrici?

Certificazione IATF 16949:2016, nonché certificazioni ISO 9001:2015 e ISO 14001:2015 per i sistemi di gestione della qualità e di gestione ambientale.

4. Qual è lo spessore tipico delle barre collettrici utilizzate nei pacchi batteria dei veicoli elettrici?

La maggior parte di questi ha uno spessore compreso tra 1 mm e 4 mm, e varia in base allo spazio disponibile e al carico di corrente che il componente dovrà sopportare.

5. Perché la coerenza dimensionale è più importante nella produzione di veicoli elettrici?

Poiché i cicli di produzione dei veicoli elettrici sono molto lunghi e i componenti sono necessari in volumi molto elevati, anche lievi variazioni che si accumulano nel tempo potrebbero portare a problemi di assemblaggio e a gravi rischi per la sicurezza a lungo termine.