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        新能源驅動汽車輕量化深入發展,一體化壓鑄成為輕量化的重要抓手

        輕量化是汽車長期趨勢,新能源里程焦慮加速輕量化發展

        2020 年 10 月,中國汽車工程學會牽頭組織編制的《節能與新能源汽車技術路線圖 2.0》發布,對各種類型的汽車每百公里油耗提出了要求,預計在 2030 年,我國新能源汽車占到總銷量 40%,乘用車百公里油耗達 3.2L,響應“雙碳”目標。從燃油車角度來看,汽車的平均油耗與整車質量呈正相關,汽車輕量化對于降低傳統車油耗具有積極促進作用。根據研究,汽車重量每減輕 10%,最多可實現節油 5-10%;汽車整備質量每減少 100 千克,百公里油耗可降低 0.3-0.6 升。

        近幾年,我國新能源汽車滲透率持續走高,但“里程焦慮”仍限制消費者購買新能源汽車。一般來說,傳統燃油車加滿油可以行駛 500 公里以上,而大部分電動車的續航里程在 300-500 公里左右,仍然存在差距。

        新能源汽車解決里程焦慮包括以下方式:

        (1)提升電池能力密度?!段覈圃?2025》明確了動力鋰電池的展開規劃:2020 年,電池能量密度抵達 300Wh/kg;2025 年,電池能量密度抵達400Wh/kg;2030 年,電池能量密度抵達 500Wh/kg。

        (2)增加電池組數量并減重。與傳統能源汽車相比,新能源汽車由于搭載三電系統,往往比燃油車重 10%,增加電池組數量可提升續航里程,但是電池組總重達 900Kg,已占總車質量的 42.7%。因此,可以看到提升續航里程中很重要的一個方式就是汽車減重。

        汽車輕量化是汽車工業發展的大趨勢,輕量化實現路徑主要包括材料、工藝、結構三個方面,可從動力、車身、底盤、內外飾等多個部位減重。

        根據觀研報告網發布的《中國汽車輕量化行業發展趨勢分析與投資前景預測報告(2023-2030年)》顯示,目前來看,車企輕量化方向包括:1)在汽車底盤、動力、車身、電池盒等部件上用鋁合金代替鋼;2)內外飾件使用塑料代替鋼;3)使用一體化壓鑄工藝。汽車零部件每個環節都能實現輕量化制造,國內外主流零部件公司均在致力于輕量化制造。

        汽車輕量化的可實現零部件方向

        資料來源:公開資料整理

        鋁合金、鎂合金等是汽車輕量化的關鍵材料。

        1、鋁合金

        鋁合金是現階段較好的輕量化材料之一。當前眾多主流車型均采用全鋁車身,前后懸架大部分材料也采用鋁合金,用鋁化程度越來越高,最大程度實現輕量化制造。

        目前底盤、車身、剎車系統等用鋁轉化比率較低,未來十年內汽車的多個主要部件用鋁滲透率都將明顯提高。工信部《節能與新能源技術路線圖》提出我國 2025/2030 年單車用鋁量目標為250kg/輛和 350kg/輛,2030 年單車鋁合金用量相較于 2021 年有望翻倍增長。

        汽車各部位用鋁量kg

        部位 2018年 2025年E 2030年E
        底盤和懸架 11.6 39.5 59.4
        輪轂和剎車系統 24.6 44.7 49.7
        電池系統 42.2 53.3 59.3
        傳動系統 9.8 17.4 19.4
        熱交換系統 11.1 14.9 16.6
        車身結構 9.9 18.5 25.3
        車身開閉件 8 23.3 36.3
        碰撞管理系統 6.9 9.4 11.1
        其他部件 4.4 5.8 6.4
        合計 128.5 226.8 283.5

        資料來源:工信部,公開資料整理

        2、鎂合金

        鎂合金有著減震等獨特的優勢:1)密度較低但強度高,在主要金屬中,鎂的密度相較于鋁降低 35%,是目前商用最輕的金屬結構材料;2)韌性好、阻尼衰減能力強,可以有效減少振動和噪聲;3)熱容量低、凝固速度快,壓鑄性能好;4)具有優異的切削加工性能;5)資源豐富且易于回收再生。綜上,鎂合金可滿足軍民多領域對輕質、高強、抗沖擊、防輻射等要求,目前鎂合金壓鑄工藝處于高速成長階段。

        鎂合金壓鑄處于高速成長期

        資料來源:公開資料整理

        據《節能與新能源汽車技術路線圖 2.0》規劃,未來 10 年汽車輕量化發展趨勢不變,鋁、鎂等輕量化材料在車身的應用比例有望不斷上升。2020 年、2025 年、2030 年,單車用鎂量計劃達到15kg、25kg、45kg,鎂合金整車占比分別為 1.2%、2%、4%,發展空間廣闊。

        資料來源:工信部,招股說明書,觀研天下數據中心整理

        一體化壓鑄是輕量化的前沿技術,先發企業將構筑高壁壘

        傳統汽車生產制造由沖壓、焊裝、涂裝、總裝四大工藝組成。其中,沖壓就是將金屬板材壓制成車身所需的各個組成部件,而后再采用焊接或鉚接組合的方式制造出大型鋁制件。而一體化壓鑄則是采用特大噸位壓鑄機,把沖壓與焊裝改為壓鑄,前兩步合成一步,將多個單獨、分散的零部件高度集成,直接鑄造出大部件。

        汽車一體化壓鑄的優勢

        資料來源:公開資料整理

        一體化壓鑄有兩種業務模式,一種是自研模式:主機廠直接采購壓鑄機、材料和模具等物料,自建工廠生產壓鑄件,代表車企有特斯拉、小鵬和沃爾沃。另一種為采購模式:主機廠直接向壓鑄廠商采購壓鑄件,由壓鑄廠商采購相關的物料,生產壓鑄件后交付給主機廠,代表車企有蔚來、理想。長期來看,由于主機廠自建廠房與產線成本較高,并且汽車銷量可能會成為產能利用率的壓制因素,因此采購模式有望成為長期主流。

        從產業鏈來看,一體化壓鑄產業鏈的上游為壓鑄機、材料與模具廠商,中游為鋁合金壓鑄廠和自研主機廠,下游為采購主機廠。

        一體化壓鑄產業鏈結構

        資料來源:公開資料整理

        從進入壁壘來看,一體化壓鑄也有著較高的技術壁壘,使得廠商先發優勢會被放大。

        1、材料壁壘

        材料配方和專利為免熱處理鋁合金的核心競爭壁壘,構筑產業有較高的客戶粘性和進入門檻。免熱處理鋁合金的設計思路是以鋁為基礎金屬元素,控制硅、鎂、鐵、銅、錳、鋅等元素的含量和配比關系,不同合金元素的加入會直接影響鋁合金的機械性能。對于一體化壓鑄件來說,鋁合金的機械性能要求更高,復雜的材料配方大幅提升了廠商進入一體化壓鑄市場的技術門檻,已掌握合金原料配方和專利的企業更具優勢。同時材料的專利會鎖定鋁合金材料配方,包括重要元素的種類和含量,也為材料廠商的重要競爭點。

        免熱處理鋁合金是一體化壓鑄的重要環節,涉及零件、模具設計以及后續工藝優化等環節,為避免專利糾紛,整車廠一般會指定材料廠商,并更傾向于選擇有專利保護的廠商,因此材料專利一般為主機廠與材料廠商合作的前提。同時已授權專利廠商會對新進入者形成較大阻礙,后來者即使在現有專利基礎上進行元素微調也可能屬于專利侵權。

        2、設備壁壘

        (1)高技術門檻

        一體化壓鑄件對壓鑄設備的鎖模力提出更高的新要求,由于壓鑄機的鎖模單元需要提供足夠的鎖模力以確保合金溶液注入模具時模具不被撐開,因此越大型的壓鑄機要求越大的鎖模力。特斯拉布局一體化壓鑄之前,業內壓鑄機最大鎖模力在 4400 噸,而壓鑄機的鎖模力每提升 500 噸一般需要 1-2 年,有較大噸位的壓鑄機廠商更有先發優勢。同時,由于一體化壓鑄件為多個零部件壓鑄而成,降低了汽車零部件的通用性,壓鑄設備需主機廠與壓鑄商定制開發,如特斯拉與全球知名壓鑄廠商 IDRA Group 合作開發大型一體化壓鑄機 Giga Press。壓鑄設備的高度定制化屬性使得產業有較高的定制開發技術壁壘。

        (2)高資金儲備要求

        主機廠布局一體化壓鑄需設立壓鑄島,其由壓鑄機、模具、其他周邊配合設備構成,具有較高的價值量,同時由于一體化壓鑄技術對壓鑄機性能要求較高,有較高的研發成本,根據力勁集團的公告,其研發大噸位壓鑄設備的設備投入約 8000 萬元資本能力為壓鑄設備產業的重要競爭壁壘,且要求廠商有能力規?;a以分攤較高投資成本。

        在主機廠紛紛跟進布局一體化壓鑄的需求驅動下,壓鑄機大型化發展趨勢基本確立,5000 噸以上的鎖模能力有望成為廠商的重要競爭要素。目前力勁集團在 5000 噸以上機型市場先發優勢明顯,同時國內外壓鑄機廠商紛紛加快布局,布勒 2023 年下線了 9200 噸壓鑄機,海天金屬推出了 8800 噸機型,伊之密推出了 9000 噸機型。

        3、模具壁壘

        壓鑄技術是一種通過將鋁液在高速高壓下射入緊縮的模具空腔內結晶凝固的方法來生產鋁合金件的工藝。壓鑄工程中模具的可靠性對于壓鑄件的良品率至關重要,具體而言,壓鑄模具的質量決定了鑄件的形狀和尺寸公差級別,澆注系統決定了金屬液的填充情況,而模具的強度限制則決定了最大壓射比壓等。隨著壓鑄模具的不斷升級,模具的制造難度也在逐漸增加。模具的精度越高,就需要更復雜的熱平衡設計、更高難度的機械加工和更多的脫模設計考慮因素,技術難度也就越大。

        由于當前超大型模具技術壁壘較高,較少模具廠商具有超大型一體化模具生產能力,近乎所有 Tier1 廠商采用外購模具模式,因此當前模具市場呈現高端缺乏、低端競爭激烈的格局,同時大型一體模具市場的集中度更高,目前我國中高端模具廠商主要有賽維達、廣東型腔、臻至等,旭升股份從模具起家,也具有模具設計能力,在2022 年 10 月戰略投資科佳模架后,模具設計能跟市面上的大型壓鑄機的噸位進行匹配。一體化壓鑄件需要設備、模具、材料等產業配合,要求極強的產業 know-how積累,其中模具結構復雜、大型化生產能力稀缺、且具有強定制化水平,大型壓鑄模具市場有更強的競爭壁壘,當前模具廠商與 Tier1 合作為主要商業模式,頭部有望受益產業鏈擴張,得以迅速成長。

        4、生產經驗壁壘

        實際壓鑄過程面臨復雜多變的作業環境,模擬仿真分析或有效補充第三方壓鑄廠的工藝 know-how 能力。壓鑄前進行的仿真模擬分析可充分預測壓鑄過程中可能發生的缺陷,并對工藝設計做出相應改良措施,有望提高產品良品率、加快生產節拍。一體化壓鑄產業方興未艾,壓鑄廠對大型一體化壓鑄件的工藝積累尚且不足,往后看,具備強大軟件分析能力的壓鑄廠可結合模擬仿真結果與實際工藝經驗,有望快速補充行業 know-how 短板,調整到相對最優的工藝參數。

        第三方壓鑄廠前期固定資產布局包括廠房和大噸位壓鑄機,一方面一體化壓鑄廠房一般需較大面積滿足較高的生產需求,一方面大噸位壓鑄機單機價值量較高,導致整體資金投入水平較高。同時由于一體壓鑄結構件尺寸和重量較大,運輸成本較高,壓鑄廠一般需要在主機廠附近建廠就近供貨,以快速響應主機廠需求、降低運輸成本。搶占了產能布局先機的廠商有望在中短期內維持競爭優勢,可憑借現有或規劃產能獲得更多訂單,率先享受產業發展紅利。(YM)

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