НОВЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

Исследования в области автомобилестроения должны найти ответы на вопросы, позволяющие улучшить качество продукции, гибкость предприятия и сети цепочек поставок, управлять сложностью технологий и опций и поддерживать конкурентоспособность даже в странах с высокой заработной платой в целом. Автомобильную промышленность можно охарактеризовать как основу многих развитых стран, таких как Япония, Корея, США и Германия, и одновременно создать возможности для экономического процветания в развивающихся странах, таких как Китай, Бразилия, Восточная Европа и Россия. Однако динамика и неопределенность рыночных изменений, правил, поведения клиентов и новых продуктовых технологий резко возрастают. В статье рассматриваются основные технологические вопросы и современное состояние технологий производства и исследований. Кроме того, для каждой технологической и организационной области выделяются будущие производственные и исследовательские задачи.

ABSTRACT

Automotive research must answer questions to improve product quality, enterprise agility and supply chain agility, manage technology and option complexity, and maintain competitiveness, even in high-wage countries in general. The automotive industry can be characterized as the backbone of many developed countries such as Japan, Korea, the United States and Germany, while simultaneously creating opportunities for economic prosperity in developing countries such as China, Brazil, Eastern Europe and Russia. However, the dynamics and uncertainty of market changes, regulations, customer behavior and new product technologies are increasing dramatically. The article discusses the main technological issues and the current state of production technologies and research. In addition, future production and research objectives are identified for each technology and organizational area.

Ключевые слова: автомобильная промышленность, производственные технологии, устойчивая мобильность.

Keywords: automotive industry, production technologies, sustainable mobility.

Автомобили, как ничто другое, олицетворяют стремление к свободе каждого человека. Значимость автомобильной промышленности для экономического благосостояния и ее влияние на рабочие места можно увидеть на всех основных рынках и в странах. Интересно, что как развитые, так и развивающиеся страны видят в этом секторе свою опору. В странах TRIAD (США, Япония и ЕС) промышленность превратилась в высокотехнологичную сеть, а в странах БРИК (Бразилия, Россия, Индия и Китай) она началась с простых продуктов. ЕС производит около 16 миллионов автомобилей в год, что составляет 26% мирового производства в год. Таким образом, автомобили являются одним из важнейших продуктов с годовым оборотом около 700 миллиардов евро [1]. В автомобильной промышленности ЕС имеется около 2 миллионов прямых рабочих мест (включая грузовые автомобили, поставщиков и т. Д.) И около 10 миллионов рабочих мест в смежных отраслях промышленности и других отраслях. Автомобильная промышленность, располагающая 210 заводами в Европе, экспортирует чистый объем продаж в 75 миллиардов евро в год. Это также самый крупный сектор инвестиций в частные исследования, с более чем 5 800 патентами в год. Германия, крупнейший игрок европейской автомобильной промышленности, насчитывает более 750 000 человек непосредственно в автомобильной промышленности на более чем 45 заводах [1]. В США автомобильная промышленность составляет 4-5 процентов валового внутреннего продукта США, и в 2011 году в ней работало 716 900 человек [2]. В Японии почти 790 000 человек работают непосредственно в автомобильной промышленности [3].

Ожидается, что к 2025 году доля мировых продаж автомобилей в странах БРИК приблизится к 50%, а рынки TRIAD и BRIC, как ожидается, объединятся в течение следующих 5-6 лет с точки зрения потребительского спроса и поведения [4]. Фактически, с 2009 года Китай стал крупнейшим в мире производителем автомобилей и рынком [5]. Текущий пятилетний план китайской администрации состоит в том, чтобы предоставить Китаю 30% -ную долю всех автомобилей в мире [6], и китайское правительство уделяет приоритетное внимание развитию автомобильной промышленности на новой энергии [4].

Представленные цифры показывают важность автомобильной промышленности для всех основных экономик. Однако эта ведущая отрасль сталкивается с серьезными проблемами из-за ограничений инвестиций и общественного мнения [7], неустойчивого роста потребления нефти, высокой волатильности и (временной) недостаточной загрузки производственных мощностей. Рабочие места в автомобильной промышленности в значительной степени зависят от объема производства, поэтому, когда благосостояние экономики сталкивается с этими проблемами, это замедляет технологический прогресс в продукции и производстве. Ниже обсуждаются выбранные технологические подходы, рассматривается текущее состояние технологий производства и исследований. Кроме того, обсуждаются будущие производственные и исследовательские задачи для каждой технологической и организационной области.

Сегодня аккумуляторы для электромобилей с батарейным питанием (BEV- battery electric vehicles) и гибридных автомобилей, как правило, основаны на литий-ионной технологии. Однако существует несколько различных конструкций, таких как ячейки мешков (называемые кофейными мешками), призматические ячейки и круглые ячейки. Круглые ячейки в обертке требуют внедрения определенных технологических технологий, и их производство можно ускорить, превратив их в рулоны. Производство, обработка и автоматизация ячеек в мешках относительно сложны, но позволяют легко отделить одну несовершенную деталь, которую можно обнаружить с помощью оптического контроля во время интегрированной сборки сотен деталей с покрытием. Долговременное поведение батарей («дыхательных камер») зависит от их химических характеристик, управления батареями, количества и формы циклов (например, быстрая зарядка) и климатических условий. Улучшенные электрохимические и тепловые модели литий-ионных аккумуляторов необходимы для повышения достоверности прогнозов и определения действительно важных характеристик качества.

Открытие материалов для покрытий следующего поколения также потребует дальнейшей адаптации процессов производства компаундов и электролитов. Поэтому время на поиск очень дорогого оборудования ограничено. Кроме того, очень высоки переменные затраты, например, на сухие камеры с кондиционированием воздуха. Однако ожидается, что объем продаж электромобилей в ближайшие 10 лет не достигнет объема производства автомобилей. Кроме того, с 2020 по 2025 год альтернативой станут Li-Sulphur и Li-Polymer [10]. Li-Air - перспективный вариант, который находится в центре внимания Volkswagen и IBM[11]. Министерство энергетики США даже ожидает, что технология Li-Air будет готова к 2020 году. Альтернативные подходы касаются, в частности, литий-магния (например, Samsung, LG, Toyota). Продвинутые батареи однажды могут составить конкуренцию топливным элементам или помочь им.

Транспортные средства на топливных элементах (FCV - Fuel cell vehicles) в качестве энергоносителя водорода могут значительно снизить зависимость от ископаемого топлива и уменьшить вредные выбросы. Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC - Proton exchange Membran Fuel Cells) являются наиболее многообещающим кандидатом для FCV с быстрым запуском, выбросами токсичных газов и высокой эффективностью. Однако существует ряд проблем, которые необходимо преодолеть, чтобы эти автомобили не могли конкурировать с традиционными автомобилями. С технологической точки зрения стоимость и долговечность - два самых больших препятствия на пути коммерциализации FCV. С одной стороны, стоимость топливных элементов для массового производства была снижена с 275 долларов за киловатт-час в 2002 году до 73 долларов за киловатт-час в 2008 году. Это стоит почти 6000 долларов за систему мощностью 80 кВт, что вдвое дороже. как система двигателей внутреннего сгорания. В 2011 году стоимость интегрированной транспортной системы для топливных элементов мощностью 80 кВт упала до 49 долларов за киловатт, но к 2020 году она достигнет 30 долларов за киловатт, согласно целевому показателю Министерства энергетики США (DOE). мембранные электроды, состоящие из мембраны и катализатора на основе платины. За последнее десятилетие загрузка Pt была уменьшена до двухуровневого порядка, и еще есть возможности для снижения нагрузки. Еще одним важным фактором является совершенствование технологии производства биполярных пластин (БПП - биполярные пластины), на которые приходится 40% общих затрат на сборку. Металлические BPP с пластинами из нержавеющей стали толщиной 0,1 мм в качестве сырья и процессом штамповки в качестве метода массового производства могут снизить затраты по сравнению с традиционными графитовыми BPP. Еще одна цель Министерства энергетики - достичь к 2020 году наработки 5000 часов при снижении производительности менее чем на 10% для FCV. И MEA, и BPP деградируют во время длительной эксплуатации. В настоящее время характеристики большинства топливных элементов резко снижаются после примерно 1000 часов использования. Однако недавно было обнаружено, что 3M достигла срока службы более 7500 часов для сборки мембранных электродов (MEA) при одноэлементных испытаниях в лаборатории, что позволило достичь цели DOE на 2015 год. Кроме того, многослойная углеродная пленка с поверхностным покрытием позволяет металлическим BPP соответствовать требованиям к долговечности. Следует также отметить, что производство, хранение, конечное использование и инфраструктура водорода по-прежнему остаются проблемами, которые необходимо решить перед коммерциализацией. Разработка топливных элементов в основном направлена ​​на снижение материальных затрат и увеличение срока службы. Основные направления - технологии производства дешевых платиновых катализаторов, металлических биполярных пластин и дальнейшая автоматизация производства.

В политическом плане правительства и компании во всем мире поддерживают дальнейшее развитие и коммерциализацию технологий водородных и топливных элементов с помощью политики и стимулов. Например, Германия запустила одну из крупнейших программ в мире: Национальную программу инноваций в области технологий водородных и топливных элементов (NIP). California Fuel Partnership Partnership анонсировала «Дорожную карту Калифорнии: привлечение водородных транспортных средств в Золотой штат», который включает в себя около 53 000 автомобилей. Японские производители автомобилей Toyota, Honda и Nissan пообещали в ближайшие годы выпустить на рынок автомобили, работающие на топливе, в четырех столицах. Кроме того, корейские и японские топливные элементы являются электрическими. работа на коммуникациях и коммуникационной инфраструктуре. Согласно пятилетнему плану экономического развития Китая, Министерство науки и технологий утвердило бюджет на разработки электромобилей, из которых 21% приходится на FCV. Шанхайская автомобильная промышленная корпорация, один из крупнейших автопроизводителей Китая, объявила о сборке почти 1000 автомобилей FCV. Кроме того, в 2013 году был сформирован ряд союзов для содействия коммерциализации FCV. General Motors и Honda Motor Co. сотрудничают в разработке общей системы для FCV, в то время как Toyota Motor Corp и BMW AG начали совместную работу по разработке общей системы для электромобилей. Кроме того, Daimler AG, Ford Motor Co. и Nissan Motor Co. объявили, что совместно будут производить ряд недорогих электромобилей, которые поступят в продажу в 2017 году. Технология топливных элементов и, в основном, инфраструктура все еще нуждаются в развитии. Ожидается, что коммерциализация FCV начнется в 2020 году, а общая популярность может достигнуть около 2050 года. Необходимо разработать стратегии облегчения для увеличения экономии топлива и скорости автомобиля - особенно для ограничения мощности и увеличения веса за счет дополнительных функций, таких как ограничения безопасности и развлекательные устройства. Однако требования зависят от сегмента и размера автомобиля. В будущем маловероятно, что многие современные автомобили будут использовать подход из нескольких материалов, который будет включать новое поколение (высокопрочная сталь AHSS) из высокопрочной стали, алюминия, магния, металлических матричных соединений, композитов и т. Д. .. может включать. Институт инноваций в производстве легких и современных металлов США уделяет особое внимание легкости новых инновационных металлов. Нанотехнологии будут играть важную роль в будущем развитии передовых металлов, а микротехнологии, например, позволят создать функциональные поверхности. В то же время формирование и формирование рядом с сетью постоянно совершенствуется, чтобы уменьшить количество отходов и дополнительных процессов в производстве и в то же время снизить вес.

Что касается композитных материалов, автоматизация технологических цепочек, включая гибридизацию металла и волокнистых пластиков, является важным условием для поточного производства. В частности, технологии и устройства обработки и соединения (механические, термические и химические) очень сложны и имеют решающее значение для коротких производственных циклов и долговечности в этой области.

В настоящее время усовершенствованный процесс литья под давлением смолы (RTM- Resine Transfer Molding) является многообещающим способом сократить время цикла производства углепластика до менее 3 минут. В ближайшие годы исследования и разработки в области композитных технологий, вероятно, будут сосредоточены на улучшении технологии RTM, например, с помощью закачки и сжатия под высоким давлением. Новые технологии обработки могут быть основаны на контролируемых вакуумных или ультразвуковых устройствах обработки, которые не повреждают листы и не загрязняют их какими-либо дополнительными материалами. Интеграция заплаток с металлическими вставками позволяет смешивать различные материалы и выполнять механическое соединение, такое как завинчивание или сварка. Опять же, повторное производство и переработка становятся все более важными для разделения различных материалов кузова автомобиля, например термической обработкой в ​​пиролитических процессах или механическими процессами.

Начиная с 2020–2025 годов, конструкции из нескольких материалов, вероятно, основанные на улучшенных металлических конструкциях, могут быть использованы для обогащения интеллектуальной смесью высокоспециализированных автомобильных сталей, алюминия, магния, термопласты и, возможно, органические листы, а также углепластик, стеклопластик. Долгосрочной целью может быть функционально-интегрированная и системно-ориентированная облегченная конструкция. Один из самых амбициозных подходов на рынке можно увидеть в BMW AG с последними концепциями для BMW i3 и i8, а также с инновационным совместным предприятием SGL Automotive Carbon Fibers (ACF) между SGL Group и BMW Group. Сегодня аддитивное производство как «производство по запросу» широко используется для быстрого прототипирования, изготовления инструментов, нанесения покрытий и изготовления или ремонта штампов. Использование лазера в настоящее время является одним из наиболее распространенных подходов к работе с металлическими порошками в автомобильной области. Ожидается, что рынок таких фотонных технологий значительно вырастет до 2020 г. Аддитивное производство компонентов в серийном производстве автомобилей не применялось. Однако применение селективного лазерного плавления (SLM- selective laser melting) в аэрокосмической промышленности показывает многообещающие результаты почти для всех видов очень сложных (обычно малых) геометрических форм или сильно индивидуализированных компонентов. GE объявила о выпуске 40 000 деталей в год путем аддитивного производства. В будущем модели материалов потребуются для моделирования процесса и улучшения общего понимания процесса. Многокамерные системы, гибридные автоматы со встроенными режущими инструментами и контроль качества в процессе производства являются не только ключевыми областями исследований, но и ведут к постоянному увеличению скорости наращивания. Ключевой подход к применению в серийном производстве включает комплексный взгляд на новые конструкции, знание поведения материалов и усовершенствованные технологические процессы. Однако «простая» замена технологических процессов, используемых для существующих деталей, совсем не перспективна. С одной стороны, потенциал новой парадигмы «Производство для функциональности», которая допускает новые функциональные интегрированные детали, должен заменить ограничительную философию «Дизайн для производства». Это означает, что впервые дизайнеры не ограничены производственными ограничениями с точки зрения реагирования на требования клиентов. С другой стороны, вся цепочка создания стоимости от проектирования до сборки может быть сокращена, например, за счет использования SLM-автоматов или 3D-принтеров ближе к линиям окончательной сборки или даже на них, чтобы производить детали «точно в срок» и « прямо там". Более того, аддитивное производство может быть использовано для изготовления новых инновационных материалов с определенными микроструктурными узорами. Несмотря на то, что технология обладает революционным потенциалом, необходимо проделать значительную работу в отношении «улучшенных характеристик с точки зрения мощности, свойств луча, эффективности и размера, а также лучшего пространственного и временного контроля и стабильности - и все это при меньших затратах». В статье рассмотрены некоторые последние технологии в автомобильной промышленности и новые разработки в науке, уделяя особое внимание производственным технологиям, а также организационным вопросам автомобильной промышленности. В развитых странах, таких как Япония, Корея, США и Германия, целью автомобильной промышленности является повышение устойчивости с точки зрения прибыльности, экологической и социальной совместимости. Интеграция новых продуктов и производственных технологий, управление новыми кооперативами и удовлетворенность клиентов должны возрасти за счет локализации и индивидуализации, в то время как производственные затраты останутся конкурентоспособными благодаря умным и гибким предприятиям.

Список литературы:

1. ACEA – European Automobile Manufacturers’ Association (2012) http://www.acea.be/images/uploads/files/ACEA_POCKET_GUIDE_2012_UPDATED.pdf, accessed in August 2013. 
2. SelectUSA (2013) http://selectusa.commerce.gov/industry-snapshots/automotive-industry-united-states, accessed in July 2013. 
3. Jama – Japan Automobile Manufacturers Association (2012) http://autobeatinsider.com/wp-content/uploads/2012/06/JAMA-2012-report.pdf, accessed in July 2013. 
4. KPMG (2013) http://www.kpmg.com/KZ/ru/IssuesAndInsights/ArticlesAndPublications/Documents/KPMGs-Global-Automotive-Executive-Survey-2013.pdf, accessed in July 2013. 
5. APCO (2010) http://www.export.gov.il/uploadfiles/03_2012/chinasautomotiveindustry.pdf, accessed in July 2013. 
6. W. Rohroff (2011) http://rohroff.de/Chinas_12_5JP_2011-2015.pdf, accessed in November 2013. 
7. B. Nunes, Journal of Manufacturing Technology Management 19 (2008)
8. J. Kurfer, M. Westermeier, C. Tammer, G. Reinhart, CIRP Annals – Manufacturing Technology 61 (2012)
9. K.-J. Lee, G.-H. Kim, K. Smith (2010) http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/energystorage/publications.html#p2010, accessed in August 2013. 
10. A. Thielmann, R. Isenmann, M. Wietschel (2010) http://www.isi.fraunhofer.de/isi-media/docs/t/de/publikationen/TRM-LIB2030.pdf, accessed in September 2013. 
11. A. Menn (2014) http://www.handelsblatt.com/technologie/forschung-medizin/forschung-innovation/airbus-plaene-der-saubere-elektro-flug/9807318.html?utm_medium=twitter&utm_source=twitterfeed.