汽車一體化壓鑄行業(yè)研究降本增效行業(yè)浪潮將至

汽車一體化壓鑄行業(yè)研究-降本增效行業(yè)浪潮將至核心觀點：新能源續(xù)航需求加速輕量化，打開鋁合金市場空間。新能源三電增加車重、降低續(xù)航，帶來輕量化需求。鋁合金的性能、密度、成本和可加工性等綜合優(yōu)勢突出，是現(xiàn)階段最佳的輕量化材料之一。車用鋁合金以壓鑄工藝為主，目前底盤、車身、剎車系統(tǒng)等用鋁轉化比率較低，2030年單車鋁合金用量相較于2021年有望翻倍增長，假設用鋁單價不變，結合我們的汽車銷量測算，得到2025年國內(nèi)汽車用鋁量有望達653萬噸，汽車鋁合金市場規(guī)模有望達2610億元，較2021年增長67%，新能源滲透率提升拉動鋁合金市場規(guī)?？焖僭鲩L。一體化壓鑄浪潮將至，整車廠加速入局。一體化壓鑄降本增效明顯，特斯拉ModelY采用一體式壓鑄后底板總成，可將下車體總成重量降低30%，制造成本下降40%；2022年3月末，特斯拉表示柏林超級工廠一輛ModelY的完整生產(chǎn)周期僅10小時，生產(chǎn)效率大幅提升。未來一體壓鑄產(chǎn)品有望從后底板拓展至前艙、前底板+電池托盤（三電殼體有望通過CTC車身一體化等技術進一步減重）等零部件，單車價值量有望提升至萬元。除特斯拉外，布局一體化壓鑄的企業(yè)包括：1）蔚來、小鵬、理想、華為小康、小米、高合等新勢力車企；2）沃爾沃、大眾、奔馳、福特等國際車企；3）長城、長安、一汽、吉利、東風等自主品牌。結合壓機引進時間及20萬以上車型一體化壓鑄技術布局情況來看，我們預計2024年有望迎來一體化壓鑄車型上市熱潮，行業(yè)滲透率有望快速提升。一體化壓鑄上游壁壘較強，中游先行者先發(fā)優(yōu)勢明顯。一體化壓鑄件相比普通壓鑄件體積更大、形狀更復雜，需采用超大型壓鑄機、定制化模具、免熱處理鋁合金材料，同時在生產(chǎn)中需對真空環(huán)境、壓射、冷卻等環(huán)節(jié)嚴格把控，全流程品控與穩(wěn)定性要求較高的knowhow，具有較高的技術壁壘。短期來看，各壓鑄企業(yè)前期持續(xù)投入，資本開支較大，良率受材料、模具、壓機設備等因素限制，文燦作為先發(fā)企業(yè)，不斷積累經(jīng)驗，迭代工藝，具備較強的先發(fā)優(yōu)勢；中期來看，隨著一體化壓鑄產(chǎn)業(yè)鏈中游標的的激增，行業(yè)競爭逐步加劇，技術/客戶有望助力壓鑄企業(yè)破局，利好瑞鵠模具等壓鑄企業(yè)；長期來看，一體化壓鑄技術較為成熟，頭部壓鑄企業(yè)全球市場份額進一步提升，部分自主品牌整車廠有望參與中游生產(chǎn)，行業(yè)形成千億市場規(guī)模。1、新能源續(xù)航需求加速輕量化，打開鋁合金市場空間新能源三電增加車重、降低續(xù)航，帶來輕量化需求從燃油車角度來看，汽車的平均油耗與整車質(zhì)量呈正相關，據(jù)研究數(shù)據(jù)，汽車重量每減輕10%，最多可實現(xiàn)節(jié)油5-10%；汽車整備質(zhì)量每減少100千克，百公里油耗可降低0.3-0.6升。從新能源車角度來看，續(xù)航能力是限制當前新能源汽車發(fā)展的重要因素，三電增加車重影響續(xù)航里程，帶來輕量化需求。鋁合金是現(xiàn)階段最佳的輕量化材料之一，車用鋁合金以鑄造工藝為主鋁合金的性能、密度、成本和可加工性等綜合優(yōu)勢突出，是現(xiàn)階段最佳的輕量化材料之一。車用鋁合金以鑄造工藝為主，占比達77%，壓鑄工藝效率高且適用于復雜結構零件，應用較為廣泛，壓鑄鋁合金制品在汽車用鋁中約占54%～70%。鋁壓鑄件廣泛分布在汽車的動力、傳動、三電、底盤等系統(tǒng)。與燃油車相比，電動車在車身、底盤結構件上更加積極采用鋁合金壓鑄件。車身結構件涉及產(chǎn)品主要包括后縱梁，A、B、C、D柱，前、后減震器，左、右底大邊梁和防火墻、后備箱底板等。底盤、車身目前用鋁轉化比率較低，2030年單車鋁合金用量有望翻倍增長目前底盤、車身、剎車系統(tǒng)等用鋁轉化比率較低，據(jù)CMGROUP分析，2021年燃油車與新能源車的單車用鋁量分別為145kg和173kg，工信部《節(jié)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。新能源滲透率提升拉動鋁合金市場規(guī)?？焖僭鲩L假設用鋁單價不變，結合我們的汽車銷量測算，得到2025年國內(nèi)汽車用鋁量有望達653萬噸，汽車鋁合金市場規(guī)模有望達2610億元，較2021年增長67%，新能源滲透率提升拉動鋁合金市場規(guī)?？焖僭鲩L。2、一體化壓鑄浪潮將至，整車廠加速入局白車身通常包含400~600個具有復雜型面的沖壓件、4500~5500個焊點整車制造分為沖壓、焊裝、涂裝、總裝四大工藝，白車身（整個轎車零部件的安裝載體，是汽車的基本骨架，其生產(chǎn)成本約占整車的45%~65%）由車身結構件和覆蓋件（四門兩蓋等）焊接而成，通常包含400~600個具有復雜型面的沖壓件4500~5500個焊點。大尺寸鋁合金壓鑄件催生一體化壓鑄工藝輕量化提升鋁合金用量，順應趨勢，鋁合金壓鑄件尺寸越做越大。但由于鋁合金具有熱膨脹系數(shù)較高、熔點低、易氧化等特點，采用傳統(tǒng)沖焊工藝存在的熱輸入過大引起的變形、氣孔、焊接接頭系數(shù)低等問題被放大，舊工藝下鋁合金成本高效率低，一體化壓鑄應時而生。一體化壓鑄將大型結構件中原本需要組裝的多個獨立的零件重新設計，并使用超大型壓鑄機一次壓鑄成型，直接獲得完整的零部件，大幅減少沖壓及焊接流程，優(yōu)化了結構件性能，有望加快鋁合金滲透。特斯拉一體化壓鑄降本增效優(yōu)勢明顯，生產(chǎn)效率大幅提升2020年9月22日，馬斯克在特斯拉電池日發(fā)布會上提出了一體化壓鑄的概念，表明特斯拉ModelY將采用一體式壓鑄后底板總成，可將下車體總成重量降低30%，制造成本下降40%。2021年10月柏林超級工廠開放日上，特斯拉表示每隔45秒即可生產(chǎn)一輛ModelY車身，2022年3月末，特斯拉表示柏林超級工廠一輛ModelY的完整生產(chǎn)周期僅10小時，生產(chǎn)效率大幅提升。一體化壓鑄應用范圍持續(xù)拓寬，ASP有望提升至萬元特斯拉得州奧斯汀工廠2022年一季度財報顯示，該工廠在后底板的基礎上，增加了前地板（前縱梁）的一體化壓鑄，將前后底板的零部件數(shù)量從171個減少至2個，焊點數(shù)量減少了1600+個。2021年特斯拉在德國柏林工廠開放日上表示：計劃用2-3個大型壓鑄件取代原有的370個單體零件，組成下車體總成，重量將進一步降低10%，續(xù)航將增加14%。隨著一體壓鑄工藝的成熟，一體壓鑄產(chǎn)品將從后底板產(chǎn)品拓展到前艙、中底板、電池托盤等相關零部件，單車價值量有望提升至萬元。三電殼體有望通過CTC車身一體化等技術進一步減重與傳統(tǒng)汽車相比，三電系統(tǒng)（電池、電驅(qū)、電控）將導致整車額外增加200kg-300kg的重量，電池重量占整車比重在26%左右?？赏ㄟ^改變?nèi)娊Y構減重：1）電驅(qū)+電控輕量化：目前電機、電控、BCU、PDU、DCDC、OBC、減速器等多個部件集成化趨勢催生多合一電驅(qū)殼體，節(jié)省空間的同時實現(xiàn)減重，例如比亞迪海豚的八合一、華為的DriveOne七合一、上汽變速器＆威邁斯七合一等。采用一體化壓鑄可高效生產(chǎn)較為復雜的多合一殼體，在保障結構件性能的同時實現(xiàn)減重；2）電池輕量化：動力電池系統(tǒng)由電池盒、電芯和電池管理系統(tǒng)構成，CTC車身一體化技術的應用有望大幅減少電池包上殼體重量。電池結構的演變可分為模組標準化（電芯-模組-電池包）、CTP（大模組、去模組化）、CTC/CTB（電池底盤、車身一體化）三個階段。電池結構集成化、一體化成為必然趨勢，一體化壓鑄技術可將前車身、底盤電池包和后車身等多個部分直接壓鑄成車身。馬斯克曾表示，采用了CTC電池技術后，配合一體化壓鑄技術，可以節(jié)省370個零部件，為車身減重10%，每千瓦時電池成本降低7%，也能做到更強的密封性。一體化壓鑄有望助力CTC技術落地，大幅降低電池包重量。特斯拉引領行業(yè)發(fā)展，整車廠加速入局特斯拉引領行業(yè)發(fā)展，整車廠加速布局一體化壓鑄。除特斯拉外，布局一體化壓鑄的企業(yè)包括：1）新勢力車企：蔚來、小鵬、理想、華為小康、小米、高合等；2）國際品牌車企：沃爾沃、大眾、奔馳、福特等；3）自主品牌：長城、長安、一汽、吉利、東風等。結合壓鑄機引進時間來看，我們預計2024年市場有望迎來一體化壓鑄車型上市熱潮。特斯拉是最早提出并進行一體化壓鑄的整車廠企業(yè)，處于領先地位ModelY后底板和前艙已落地，計劃實現(xiàn)下車體零部件全替換。2020年4月，馬斯克宣布將從意大利工程公司IDRA（IDRA自2009年起，就將發(fā)展方向鎖定為向更大型整車一體化壓鑄解決方案布局）購買當時世界上最大的兩臺鑄造機，用來制造ModelY后車底部分，同年10月，特斯拉公布上海正在安裝3臺超級大型壓鑄機。目前Cybertruck后底板9000T設備已到位，12000噸的壓鑄機正在研發(fā)。3、一體化壓鑄上游壁壘較強，中游先行者先發(fā)優(yōu)勢明顯壓鑄企業(yè)及整車廠紛紛采購上游設備及材料，一體化壓鑄產(chǎn)業(yè)鏈逐步擴大一體化壓鑄產(chǎn)業(yè)鏈較長，上游由免熱處理鋁合金材料廠商、壓鑄機和壓鑄模具廠商組成，中游為第三方壓鑄廠和自建產(chǎn)線的整車廠，下游直接對接主機廠。跟進特斯拉一體化壓鑄技術的主機廠一般有兩種模式，一種是購置壓鑄島、設計產(chǎn)線自己生產(chǎn)，另一種是和鑄造廠合作。隨著行業(yè)需求迸發(fā)，較多壓鑄甚至沖壓企業(yè)購入大型壓鑄機布局一體化壓鑄，部分整車廠自購壓鑄機進行試生產(chǎn)，產(chǎn)業(yè)鏈逐步擴大。一體化壓鑄上游壁壘較強，壓鑄企業(yè)良率提升需積累較高knowhow受上游設備、材料，以及中游壓鑄工藝等多方面技術限制，一體化壓鑄大型結構件產(chǎn)品的良率提升難度較大。一體化壓鑄件相比普通壓鑄件體積更大、形狀更復雜，需采用超大型壓鑄機、定制化模具、免熱處理鋁合金材料，同時在生產(chǎn)中需對真空環(huán)境、壓射、冷卻等環(huán)節(jié)嚴格把控，全流程品控與穩(wěn)定性要求較高的knowhow，具有較高的技術壁壘。材料：免熱合金延展率大幅影響良率，國內(nèi)企業(yè)加速突破傳統(tǒng)壓鑄工藝中，需要使用到熱處理來提高零部件的力學性能、耐腐蝕性能等。加熱冷卻過程中產(chǎn)生的熱脹冷縮效應易帶來零部件的形變誤差并產(chǎn)生氣孔，大型薄壁化壓鑄結構件后續(xù)整形難度以及報廢率大幅提升，需承擔較大的成本風險。因此，免熱處理鋁合金成為一體化壓鑄最佳的材料。材料在模具中的流動對免熱合金延展率要求較高，目前免熱合金研發(fā)及量產(chǎn)以海外企業(yè)為主，國內(nèi)加速技術突破，立中集團已實現(xiàn)批量供貨。設備：超大型壓鑄機稀缺，力勁引領大噸位壓機趨勢一體化壓鑄對壓鑄機的鎖模力、模板尺寸、壓射量、壓射壓力以及速度控制等有更高要求，大噸位壓鑄機設備是實現(xiàn)一體化壓鑄的關鍵。大型汽車結構件的特征決定了其生產(chǎn)工藝為真空壓鑄，真空技術需要利用大噸位壓鑄機高速高壓推動鋁湯完成充型，一般要求壓鑄機具有大噸位和合模力、高壓射重復性（CPK大于1.66）、短的填允時間、高的壓射速度(10m/s)、合模和壓射端的穩(wěn)定和牢固設計等特點，以保障一次性壓鑄成型結構件的強度和量產(chǎn)效率。大型壓鑄機還需要在快速的大規(guī)模生產(chǎn)過程中保持高良率，實現(xiàn)生產(chǎn)部件的一致性和穩(wěn)定性，壓射過程中的壓力及速度控制較為關鍵，需要較高的know-how。設備：定制化模具流態(tài)、排氣等設計要求較高，壓鑄廠/整車廠深度參與一體化壓鑄的大尺寸、高密封性、定制化、流動性等特點對模具提出了較高的要求。一體化壓鑄的零件，結構復雜、制造費用高、準備周期長，壓鑄模具設計難度較大，設計關鍵點主要在于1）澆注系統(tǒng)設計，保證良好的充型順序和流態(tài)；2）排氣與密封性設計，保證真空性，減少氣泡；3）熱平衡，保障冷卻均勻等。目前，一體壓鑄的壓鑄模具主要有兩種設計模式，最常見的是由專業(yè)模具商設計，設計期間專業(yè)模具商將與壓鑄廠、整車廠深入溝通需求，如廣州型腔、賽維達；另一種是壓鑄廠商自有模具廠進行設計，如文燦雄邦。超大型壓鑄模具具有較高的壁壘，目前可供應的模具廠商較為稀缺。工藝：排氣+冷卻為核心，高良率要求高know-how壓鑄工藝效率高，但易產(chǎn)生氣泡。傳統(tǒng)的壓鑄工藝由四個步驟組成，包括模具準備、填充、注射以及落砂，使液態(tài)金屬在加壓條件下注入模具，模具可以重復利用。壓鑄將液態(tài)金屬澆注到模具中成型，效率高且適用于復雜結構零件，但容易產(chǎn)生氣泡。一體化壓鑄過程中出現(xiàn)的氣泡易導致壓鑄件塑性低、強度降低、抗沖擊性下降等，降低良率，因此要求壓鑄環(huán)境為30mbar以下的超高真空。真空壓鑄通過抽取壓鑄模具型腔內(nèi)的氣體使得：1）氣孔率大大降低；2）鑄件硬度高，微觀組織細小，從而保障壓鑄件力學性能。利用真空壓鑄技術，氣泡在熱處理過程中引起的氣泡缺陷問題可得到控制。真空壓鑄技術分為普通真空壓鑄（100-250mbar）、高真空壓鑄（50-100mbar）、超真空壓鑄（<50mbar）。真空壓鑄通常包括鋁材熔融、澆注、型腔真空排氣、壓射、冷卻、成型脫模、去毛刺、噴涂、模具清理、合模等多個步驟，其中真空排氣、壓射、冷卻是壓鑄工藝的關鍵。為了保證一體化壓鑄產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)過程中的高良品率﹑鑄件一致性與穩(wěn)定性，必須精準控制鋁液充型溫度、壓鑄速度和壓力，維持模具溫度場的穩(wěn)定，避免凝固過程中發(fā)生變形等缺陷。除排氣、壓射外，模具溫度控制及冷卻過程對產(chǎn)品定型、力學性能平衡、降低次品率較為關