拿著一束使用ShAPE工藝制成的高級鋁合金管。來源:Scott Taysom |太平洋西北國家實驗室

福特在2014年開始生產以鋁制車身為主的F-150時，這款廣受歡迎的卡車瘦了約700磅。這一改變旨在提高汽油行駛里程，節省燃油泵費用。在車頂橫梁、橫梁、副車架和其他結構部件上使用先進的鋁合金可以節省更多的重量。但這并沒有發生，因為這些合金價格昂貴，部分原因是傳統擠壓工藝的制造速度較慢。

然而，這些高科技合金剛剛發布了個人最好的，使用了一種新的擠壓方法，極大地提高了它們的制造速度。剪切輔助加工和擠壓，或形狀，使用顯著更少的能源，可以交付產品的速度是傳統擠壓的10倍以上，在質量上沒有犧牲。不僅如此，它還可以提高鋁合金的力學性能，稱為7075合金。

7075合金的強度重量比比普通乘用車的合金高85%;然而，它的制造成本比常用的“6000系列”合金高出約30%。

幫助太平洋西北國家實驗室(PNNL)開發ShAPE的材料科學家斯科特·惠倫(Scott Whalen)表示:“在航空航天應用中，這種價格差異是可以接受的。在航空航天應用中，為了實現更好的燃料效率、提高機動性和降低發射成本，更輕的材料優于更高的成本。”“但在汽車領域，這是我們希望改變的一個限制因素。”

對速度的需求

這種高成本主要是由于合金7075難以擠壓成結構部件。事實上，7075被廣泛認為是所有商用鋁合金中最難擠壓的。

傳統的7075擠壓過程緩慢，需要費力地將固體金屬打入模具。緩慢的擠壓速度只有每分鐘1到2米(3到6英尺)，再加上更高的能量需求，使得7075比6000系列鋁合金更貴，6000系列鋁合金的擠壓速度超過每分鐘20米(65英尺)。

ShAPE是一種高效節能的擠壓工藝，可以生產出更高質量的產品，最近的一項研究表明，它還可以更快地擠壓高強度鋁合金。研究結果發表在11月出版的《制造過程》雜志上。

“廣泛的測試表明，PNNL的工藝可以將這種合金的擠壓速度提高大約10倍，使用大約一半的能量，”Whalen說，他是通訊作者。“我們的工藝可以每分鐘擠壓約12米而沒有撕裂或開裂，而傳統的擠壓限制在每分鐘1至2米，我們的工藝甚至提高了一些材料的性能。”

形狀可以擠壓管，電線和棒材的強度性能，滿足重要的工業ASTM標準和ASM典型值。7075合金的伸長率(斷裂前的伸長率)比傳統擠壓的伸長率高50%，這有助于在碰撞過程中吸收能量。專利的ShAPE工藝在傳統的線性擠壓中增加了旋轉運動，并產生足夠的熱量來加熱金屬，使其在通過模具時流動和變形，從而形成產品形狀。

研究人員表示，在較低溫度下擠壓的能力是ShAPE能夠實現7075合金產量的原因之一，而在傳統擠壓中，7075合金會撕裂材料。

重塑制造業的能源使用

除了提高速度外，ShAPE工藝還可以消除傳統擠壓過程中所需要的高能量熱處理步驟，為7075合金的擠壓節省大約50%的能量。在傳統的擠壓中，大的金屬坯料必須首先在400°C(750°F)以上的溫度下進行大約一天的熱處理，以均勻地均勻分布不同的元素，如鎂和銅。ShAPE能夠在不均勻化的情況下擠壓鋼坯，節省大約5%的ShAPE產品的總成本。

此外，在常規擠壓中，在擠壓前需要在熔爐中預熱以軟化坯料。對于ShAPE，不需要預熱，因為所有必要的熱量都來自過程本身。其他擠壓后熱處理也被取消或減少，導致整體節能50%。

ShAPE提高了擠壓速度，同時降低了能源消耗，從而降低了碳排放，使輕質7075合金對乘用車市場具有成本效益。通過提高內燃機汽車的燃料效率和增加電動汽車每次充電的行駛距離，輕型汽車最終也有助于減少交通部門的碳排放。