Reuters lijkt uitstekende bronnen binnen Tesla te hebben. In een rapport van 14 september 2023 staat dat maar liefst vijf mensen hebben aangegeven dat het bedrijf bijna zijn doel heeft bereikt om de onderkant van zijn auto's in één stuk te gieten. Spuitgieten is in principe een vrij eenvoudig proces. Maak een mal, vul deze met gesmolten metaal, laat het afkoelen, verwijder de mal en voilà! Een instant auto. Het werkt goed als je Tinkertoys of Matchbox-auto's maakt, maar het is extreem lastig als je het probeert te gebruiken voor voertuigen op ware grootte.
Conestoga-wagens werden gebouwd op houten frames. Vroege auto's gebruikten ook houten frames. Toen Henry Ford de eerste assemblagelijn creëerde, was het gebruikelijk om voertuigen te bouwen op een ladderframe – twee ijzeren rails met dwarsbalken aan elkaar verbonden. De eerste zelfdragende productieauto was de Citroën Traction Avant in 1934, gevolgd door de Chrysler Airflow het jaar daarop.
Zelfdragende auto's hebben geen frame. In plaats daarvan is de metalen carrosserie zo gevormd en vormgegeven dat deze het gewicht van de aandrijflijn kan dragen en de inzittenden kan beschermen bij een botsing. Vanaf de jaren 50 schakelden autofabrikanten, gestimuleerd door productie-innovaties van Japanse bedrijven zoals Honda en Toyota, over op de productie van zelfdragende auto's met voorwielaandrijving.
De complete aandrijflijn, compleet met motor, transmissie, differentieel, aandrijfassen, veerpoten en remmen, werd op een apart platform gemonteerd dat van onderaf op de assemblagelijn werd gehesen, in plaats van de motor en transmissie van bovenaf te plaatsen zoals bij auto's die op een chassis werden gebouwd. De reden voor deze verandering? Snellere assemblagetijden, wat leidde tot lagere productiekosten per eenheid.
Lange tijd werd de voorkeur gegeven aan zelfdragende carrosserieën voor zogenaamde zuinige auto's, terwijl ladderchassis de voorkeur genoot voor grotere sedans en stationwagons. Er werden ook enkele hybrides toegepast – auto's met chassisbalken aan de voorkant die aan het passagierscompartiment van de zelfdragende carrosserie waren vastgeschroefd. De Chevy Nova en MGB waren voorbeelden van deze trend, die echter niet lang standhield.
Tesla stapt over op hogedrukgieten
Tesla, dat er een gewoonte van heeft gemaakt om de manier waarop auto's worden gemaakt te veranderen, begon enkele jaren geleden te experimenteren met hogedrukgieten. Eerst richtte het zich op de constructie van de achterkant. Toen dat eenmaal onder de knie was, schakelde het over op de constructie van de voorkant. Volgens bronnen richt Tesla zich nu op het onder hogedruk gieten van de voor-, midden- en achterkant in één bewerking.
Waarom? Omdat traditionele productietechnieken tot wel 400 individuele stempels gebruiken die vervolgens aan elkaar gelast, gebout, geschroefd of gelijmd moeten worden om een complete zelfdragende carrosserie te maken. Als Tesla dit voor elkaar krijgt, kunnen de productiekosten met wel 50 procent worden verlaagd. Dat zal op zijn beurt een enorme druk leggen op elke andere fabrikant om te reageren, anders kunnen ze niet concurreren.
Het spreekt voor zich dat de fabrikanten zich van alle kanten aangevallen voelen, omdat vakbondsleden op de poorten staan te dringen en een groter deel van de winst die nog wordt gemaakt, eisen.
Terry Woychowsk, die dertig jaar bij General Motors werkte, weet het een en ander over autoproductie. Hij is nu president van het Amerikaanse ingenieursbureau Caresoft Global. Hij vertelt Reuters dat als Tesla erin slaagt om het grootste deel van de onderkant van een elektrische auto te gigacasten, dit de manier waarop auto's worden ontworpen en geproduceerd verder zal veranderen. "Het is een enorme stimulans. Het heeft enorme gevolgen voor de industrie, maar het is een zeer uitdagende taak. Gietstukken zijn erg moeilijk te maken, vooral de grotere en complexere."
Twee van de bronnen zeiden dat Tesla's nieuwe ontwerp- en productietechnieken betekenen dat het bedrijf in 18 tot 24 maanden een auto vanaf nul kan ontwikkelen, terwijl de meeste concurrenten er momenteel drie tot vier jaar over doen. Eén groot frame – dat de voor- en achterkant combineert met de middelste onderkant waar de accu is ondergebracht – zou kunnen worden gebruikt om een nieuwe, kleinere elektrische auto te produceren die ongeveer $ 25.000 kost. Tesla zou naar verwachting al deze maand beslissen of het een eendelig platform wil gieten, aldus drie van de bronnen.
Grote uitdagingen voor de toekomst
Een van de grootste uitdagingen voor Tesla bij het gebruik van hogedrukgietwerk is het ontwerpen van subframes die hol zijn, maar wel de interne ribben hebben die nodig zijn om de krachten die tijdens een botsing ontstaan, te kunnen afvoeren. Volgens bronnen maken innovaties van ontwerp- en gietspecialisten in Groot-Brittannië, Duitsland, Japan en de Verenigde Staten gebruik van 3D-printen en industrieel zand.
Het maken van de mallen die nodig zijn voor het hogedrukgieten van grote componenten kan behoorlijk duur zijn en brengt aanzienlijke risico's met zich mee. Nadat een grote metalen testmal is gemaakt, kunnen bewerkingsaanpassingen tijdens het ontwerpproces $ 100.000 per keer kosten, of kan het volledig opnieuw maken van de mal oplopen tot $ 1,5 miljoen, aldus een gietspecialist. Een ander zei dat het hele ontwerpproces voor een grote metalen mal doorgaans ongeveer $ 4 miljoen kost.
Veel autofabrikanten vinden de kosten en de risico's te hoog, vooral omdat een ontwerp wel een half dozijn of meer aanpassingen nodig kan hebben om een perfecte matrijs te krijgen vanuit het oogpunt van geluid en trillingen, pasvorm en afwerking, ergonomie en botsbestendigheid. Maar risico is iets waar Elon Musk, de eerste die raketten achteruit liet vliegen, zelden last van heeft.
Industrieel zand en 3D-printen
Tesla zou zich hebben gewend tot bedrijven die met 3D-printers testmallen maken van industrieel zand. Met behulp van een digitaal ontwerpbestand brengen printers, zogenaamde binder jets, een vloeibaar bindmiddel aan op een dunne laag zand en bouwen ze geleidelijk, laag voor laag, een mal op die gesmolten legeringen kan spuitgieten. Volgens één bron bedragen de kosten van het ontwerpvalidatieproces met zandgieten ongeveer 3% van die van een metalen prototype.
Dat betekent dat Tesla prototypes zo vaak als nodig kan aanpassen en binnen enkele uren een nieuw prototype kan printen met machines van bedrijven zoals Desktop Metal en de ExOne-eenheid. De ontwerpvalidatiecyclus met zandgieten duurt slechts twee tot drie maanden, aldus twee van de bronnen, vergeleken met zes maanden tot een jaar voor een metalen mal.
Ondanks die grotere flexibiliteit was er echter nog één grote hindernis te overwinnen voordat grootschalige gietstukken succesvol konden worden gemaakt. De aluminiumlegeringen die voor de gietstukken werden gebruikt, gedroegen zich anders in mallen van zand dan in mallen van metaal. Vroege prototypes voldeden vaak niet aan Tesla's specificaties.
De gietspecialisten overwonnen dit probleem door speciale legeringen te formuleren, het koelproces van de gesmolten legering te verfijnen en een warmtebehandeling na de productie te bedenken, aldus drie van de bronnen. Zodra Tesla tevreden is met de prototype zandmal, kan het bedrijf investeren in een definitieve metalen mal voor massaproductie.
Volgens de bronnen biedt Tesla's aankomende kleine auto/robotaxi een perfecte kans om een EV-platform in één stuk te gieten, vooral omdat de onderkant eenvoudiger is. Kleine auto's hebben geen grote "overhang" aan de voor- en achterkant. "Het lijkt in zekere zin op een boot, een accubak met kleine vleugels aan beide uiteinden. Dat zou logisch zijn om in één stuk te maken", aldus een persoon.
De bronnen beweerden dat Tesla nog moet beslissen welk type pers het gaat gebruiken als het besluit de onderkant in één stuk te gieten. Om grote carrosseriedelen snel te produceren, zijn grotere gietmachines nodig met een klemkracht van 16.000 ton of meer. Zulke machines zijn duur en vereisen mogelijk grotere fabriekshallen.
Persen met een hoge klemkracht zijn niet geschikt voor de 3D-geprinte zandkernen die nodig zijn om holle subframes te maken. Om dat probleem op te lossen, gebruikt Tesla een ander type pers waarin de gesmolten legering langzaam kan worden geïnjecteerd – een methode die doorgaans gietstukken van hogere kwaliteit oplevert en geschikt is voor de zandkernen.
Het probleem is: dat proces duurt langer. "Tesla zou nog steeds kunnen kiezen voor hoge druk voor productiviteit, of voor langzame aluminiuminjectie voor kwaliteit en veelzijdigheid", zei een van de mensen. "Het is op dit moment nog een kwestie van muntje opgooien."
De afhaalmaaltijd
Welke beslissing Tesla ook neemt, het zal gevolgen hebben voor de auto-industrie wereldwijd. Tesla maakt, ondanks aanzienlijke prijsverlagingen, nog steeds winstgevende elektrische auto's – iets waar traditionele autofabrikanten het enorm moeilijk mee hebben.
Als Tesla zijn productiekosten aanzienlijk kan verlagen door gebruik te maken van hogedrukgietstukken, komen die bedrijven economisch nog verder onder druk te staan. Het is niet moeilijk voor te stellen wat Kodak en Nokia is overkomen. Waar dat de wereldeconomie en alle werknemers die momenteel conventionele auto's maken, zal brengen, is een raadsel.
Auteur: Steve Hanley
Bewerkt door May Jiang van MAT Aluminum
Plaatsingstijd: 05-06-2024
