Kwa kuendeshwa na lengo la kimataifa la kutopendelea upande wowote wa kaboni, uzani mwepesi umekuwa pendekezo kuu la mabadiliko na uboreshaji wa tasnia ya utengenezaji. Alumini, pamoja na mali yake ya kipekee ya kimwili na kemikali, imeongezeka kutoka "jukumu la kusaidia" katika sekta ya jadi hadi "nyenzo za kimkakati" kwa ajili ya viwanda vya juu. Makala haya yatatenganisha thamani ya ubunifu ya nyenzo nyepesi za alumini kutoka kwa vipimo vinne: kanuni za kiufundi, faida za utendakazi, vikwazo vya programu na maelekezo ya siku zijazo.

I. Msingi wa kiufundi wa vifaa vya alumini nyepesi

Alumini nyepesi sio tu "nyenzo ya kupunguza uzito", lakini kiwango kikubwa cha utendakazi kilichopatikana kupitia tatu katika mfumo mmoja wa kiteknolojia wa muundo wa aloi, udhibiti mdogo, na uvumbuzi wa mchakato:

Uimarishaji wa kipengele cha doping: Kuongeza magnesiamu, silicon, shaba na vipengele vingine kuunda awamu za kuimarisha kama vile Mg ₂ Si, Al ₂ Cu, n.k., ili kuvunja kizingiti cha nguvu cha 500MPa (kama vileAloi ya alumini 6061-T6).

Udhibiti Usio na muundo: Kwa kutumia teknolojia ya uimarishaji wa haraka au aloyi ya mitambo, mvua za nano huletwa kwenye tumbo la alumini ili kufikia uboreshaji wa usawazishaji wa nguvu na ukakamavu.

Mchakato wa matibabu ya joto deformation: Kuchanganya deformation ya plastiki na michakato ya matibabu ya joto kama vile rolling na forging, ukubwa wa nafaka husafishwa hadi kiwango cha micrometer, kwa kiasi kikubwa kuboresha sifa za kina za mitambo.

Tukichukua alumini iliyojumuishwa ya Tesla kama mfano, inachukua teknolojia kubwa ya Gigacasting kuunganisha sehemu 70 za jadi katika sehemu moja, kupunguza uzito kwa 20% huku ikiboresha ufanisi wa utengenezaji kwa 90%, ambayo inathibitisha thamani ya usumbufu ya uvumbuzi wa ushirikiano wa mchakato wa nyenzo.

Ⅱ. Faida kuu za vifaa vya alumini nyepesi

Ufanisi usioweza kubadilishwa wa uzani mwepesi

Faida ya msongamano: Uzito wa alumini ni theluthi moja tu ya ile ya chuma (2.7g/cm ³ dhidi ya 7.8g/cm ³), na inaweza kufikia madoido ya kupunguza uzito ya zaidi ya 60% katika hali sawa za kubadilisha ujazo. Gari la umeme la BMW i3 lina mwili wote wa alumini, kupunguza uzito wa ukingo kwa 300kg na kuongeza masafa kwa 15%.

Uwiano bora wa nguvu: Unapozingatia uwiano wa nguvu na uzito, nguvu mahususi (nguvu/wiani) ya aloi ya mfululizo 6 inaweza kufikia 400MPa/(g/cm ³), na kuzidi 200MPa/(g/cm ³) ya chuma cha kawaida cha kaboni kidogo.

Ufanisi wa utendaji wa pande nyingi

Upinzani wa kutu: Safu mnene ya oksidi ya alumini (Al ₂ O3) huweka nyenzo na upinzani wa kutu wa asili, na maisha ya huduma ya madaraja katika maeneo ya pwani yanaweza kufikia zaidi ya miaka 50.

Uendeshaji wa joto: Mgawo wa upitishaji wa joto hufikia 237W/(m · K), ambayo ni mara tatu ya ile ya chuma, na hutumiwa sana katika ganda la kusambaza joto la vituo vya msingi vya 5G.

Urejelezaji tena: Matumizi ya nishati ya uzalishaji wa alumini iliyorejeshwa ni 5% tu ya ile ya alumini ya msingi, na uzalishaji wa kaboni hupunguzwa kwa 95%, ambayo inakidhi mahitaji ya uchumi wa duara.

Utangamano wa mchakato

Unyumbuaji wa kuunda: Inafaa kwa michakato mbalimbali kama vile kukanyaga, kutolea nje, kughushi, uchapishaji wa 3D, n.k. Tesla Cybertruck inachukua mwili wa kukanyaga bamba la alumini iliyoviringishwa baridi, nguvu ya kusawazisha na uhuru wa kuigwa.

Teknolojia ya uunganisho wa kukomaa: kulehemu kwa CMT, kulehemu kwa kuchochea msuguano na teknolojia nyingine za kukomaa huhakikisha kuegemea kwa miundo tata.

Ⅲ. Upungufu wa matumizi ya vifaa vya alumini nyepesi

Changamoto za kiuchumi

Gharama kubwa za nyenzo: Bei za alumini zimehifadhiwa kwa mara 3-4 ya bei ya chuma kwa muda mrefu (wastani wa bei ya ingot ya alumini ya $ 2500 / tani dhidi ya bei ya chuma ya $ 800 / tani mwaka 2023), ambayo inazuia umaarufu mkubwa.

Kiwango cha juu cha uwekezaji wa vifaa: Utoaji uliounganishwa wa kufa unahitaji usakinishaji wa mashine kubwa zaidi za kutupwa zenye uzito wa zaidi ya tani 6000, na kifaa kimoja kinagharimu zaidi ya yuan milioni 30, ambayo ni ngumu kwa biashara ndogo na za kati kumudu.

Vikwazo vya utendaji

Dari ya uimara: Ingawa inaweza kufikia 600MPa kupitia mbinu za uimarishaji, bado iko chini kuliko chuma chenye nguvu ya juu (1500MPa) na aloi ya titanium (1000MPa), ikizuia matumizi yake katika hali za kazi nzito.

Uwepesi wa halijoto ya chini: Katika mazingira chini ya -20 ℃, uthabiti wa athari wa alumini hupungua kwa 40%, ambayo inahitaji kushinda kupitia urekebishaji wa aloi.

Vizuizi vya kiteknolojia kwa processing

Changamoto ya udhibiti wa kurudi nyuma: Asili ya kukanyaga sahani ya alumini ni mara 2-3 ya sahani ya chuma, inayohitaji muundo wa fidia wa ukungu kwa usahihi.

Utata wa matibabu ya uso: Ni vigumu kudhibiti usawa wa unene wa filamu isiyo na anodized, ambayo huathiri aesthetics na upinzani wa kutu.

Ⅳ. Hali ya maombi ya sekta na matarajio

Maeneo ya maombi yaliyokomaa

Magari mapya ya nishati: NIO ES8 mwili wote wa alumini hupunguza uzito kwa 30%, na ugumu wa torsional wa 44900Nm / deg; Trei ya betri ya Ningde Times CTP imetengenezwa kwa alumini, ambayo huongeza msongamano wa nishati kwa 15%.

Anga: 40% ya muundo wa fuselage ya Airbus A380 imeundwa na aloi ya lithiamu ya alumini, kupunguza uzito kwa tani 1.2; Tangi za mafuta za meli za anga za SpaceX zimeundwa kwa chuma cha pua 301, lakini muundo wa mwili wa roketi bado unatumia sana aloi ya alumini ya 2024-T3.

Usafiri wa Reli: Bogi ya N700S ya Shinkansen ya Japani inachukua vifaa vya kughushi vya alumini, kupunguza uzito kwa 11% na kupanua maisha ya uchovu kwa 30%.

Wimbo unaowezekana

Tangi ya kuhifadhi haidrojeni: Tangi ya hifadhi ya aluminiamu ya magnesiamu ya mfululizo wa 5000 inaweza kuhimili shinikizo la juu la 70MPa na imekuwa sehemu muhimu ya magari ya seli za mafuta.

Elektroniki za Mtumiaji: MacBook Pro ina kifaa cha alumini cha kipande kimoja ambacho hudumisha skrini ya 90% kwa uwiano wa mwili katika unene wa 1.2mm.

Mwelekeo wa mafanikio ya baadaye

Ubunifu wa mchanganyiko: Nyenzo ya mchanganyiko wa nyuzi za kaboni inayotokana na Alumini (6061/CFRP) inafanikisha mafanikio mawili katika nguvu na uzani mwepesi, na mrengo wa Boeing 777X hutumia nyenzo hii kupunguza uzito kwa 10%.

Utengenezaji wa akili: Mfumo wa uboreshaji wa parameta inayoendeshwa na AI hupunguza kiwango cha chakavu kutoka 8% hadi 1.5%.

Ⅴ. Hitimisho: "Kuvunja" na "kusimama" kwa nyenzo nyepesi za alumini

Nyenzo za alumini nyepesi zimesimama kwenye makutano ya mapinduzi ya kiteknolojia na mabadiliko ya viwanda:

Kutoka kwa uingizwaji wa nyenzo hadi uvumbuzi wa mfumo: Thamani yake haipo tu katika kupunguza uzito, lakini pia katika kukuza urekebishaji wa utaratibu wa michakato ya utengenezaji (kama vile utupaji wa kufa uliojumuishwa) na usanifu wa bidhaa (muundo wa kawaida).

Usawa unaobadilika kati ya gharama na utendakazi: Pamoja na maendeleo ya teknolojia ya kuchakata tena (idadi ya alumini iliyorejeshwa inazidi 50%) na uzalishaji wa kiwango kikubwa (uwezo wa uzalishaji wa kiwanda cha kutengeneza mitambo ya Tesla huongezeka), mabadiliko ya kiuchumi yanaweza kuharakisha.

Mabadiliko ya dhana ya utengenezaji wa kijani kibichi: Alama ya kaboni ya kila tani ya alumini katika mzunguko wake wote wa maisha imepunguzwa kwa 85% ikilinganishwa na chuma, ambayo inakidhi mahitaji ya mabadiliko ya kaboni ya chini ya mnyororo wa usambazaji wa kimataifa.

Ikiendeshwa na sera kama vile kiwango cha kupenya cha magari mapya ya nishati kinachozidi 40% na utekelezaji wa ushuru wa kaboni katika sekta ya anga, sekta ya alumini nyepesi inabadilika kutoka "teknolojia ya hiari" hadi "chaguo la lazima". Mapinduzi haya ya kiviwanda yanayozingatia uvumbuzi wa nyenzo hatimaye yataunda upya mipaka ya uelewa wa binadamu wa "uzito" na kuanzisha enzi mpya ya tasnia bora na safi.