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半分钟造一辆车:特斯拉的这项绝技,蔚小理也想要

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出品丨虎嗅汽车组

作者丨周到

头图丨IC photo

《暗信号·发现智能汽车的100个创新》专题由虎嗅汽车出品。聚焦于智能汽车正在发生的关键创新点,结合产业、商业以及用户视角,为读者解码智能汽车产业正在发生的关键创新,并分析其背后的技术原理,以及将带来的变化。

特斯拉有的,蔚小理都想要。这一次被看上的,是特斯拉名为“Giga Casting”的一体式压铸生产技术。

美国中部时间4月7日,在特斯拉位于美国得克萨斯州的超级工厂开业仪式上,该公司CEO马斯克公布了一体式压铸技术的最新进展。当前,该工厂内已经布置了1台8000吨级的压铸设备,用于Model Y的生产。在该工艺的加持下,原本Model 3车身后底板上70多个零件,在新车上被缩减为下面2个零件。


这样做的直接好处就是,整车生产时间被极大压缩。1-2个小时的工时将被压缩至最短45秒,制造成本也能降低40%。更重要的是,一体式压铸机的占地面积仅有100平方米。如果将现有生产工序尽可能地替换为一体式压铸,工厂面积能够缩减30%。这在“寸土寸金”的中国,显然是不可多得的利好因素。

那么问题就来了,一体式压铸究竟厉害在哪里?为何在特斯拉之后,包括蔚来、小鹏、理想、沃尔沃、大众集团等在内的国内外厂商都在这项技术上纷纷布局?


说到一体式压铸,就得先看看原理。大家可能对59式坦克圆圆的炮塔有印象,这辆真正意义上的“神车”便是采用了一体式铸造技术打造的。在生产过程中,工程师先打造出整个炮塔的模具,然后将融化成业态的合金钢灌入其中,最终压铸成型。等到冷却与热处理后,便可以收获到一个完整的炮塔了。


在中东地区频繁上演“炸飞炮塔”艺能的T-72,便是采用了铸造炮塔

然而随着复合装甲的出现,由匀质钢材组成的装甲被淘汰。再结合坦克炮塔需要加挂大片的反应装甲增加防护能力后,圆墩墩的铸造炮塔开始被淘汰。我们在过去几次阅兵上见识到的楔形焊接炮塔,开始成为新型主战坦克的选择。


让全球军迷倍感熟悉的豹2A型主战坦克,采用的便是焊接工艺制造的楔形炮塔

然而,一体式铸造这项工艺,如今在汽车产业开始得到复兴,其“始作俑者”便是特斯拉。

让我们把目光回溯到一年半之前。在2020年9月22日的特斯拉电池日上,马斯克宣布Model Y将采用一体式压铸制造地板总成。而在去年,上海工厂采用一体式压铸工艺生产的Model Y就交付给了中国消费者。而在最新的得州工厂里,8000吨级的一体式压铸机可以直接制造出Model Y的前后两段式的车身。

对于订单接不过来的特斯拉而言,一体式压铸的好处非常明显,在前文提到的缩短工时和降低成本便是最重要的一个。关注汽车产业的朋友肯定了解,一座汽车工厂一般分为四大工艺车间,即冲压、焊接、涂装、总装。其中,冲压是唯一一个在工厂里进行零件制造的环节。冲压机将各类钢材按照车身工程图纸制作成各类形状,之后在焊接车间中将各类零件焊接成白车身。在这其中,有几个问题始终困扰着汽车厂商。

首先,一辆车的车身所需零部件相当多,动辄超过500个。每种零件都需要匹配相应的模具、夹具、机械臂、流水线乃至物流体系,其中环节不计其数,成本耗资巨大。尤其是生产模具的费用,就是一辆车成本的大头。其次,庞大的车身零部件数量,同样会带来数量众多的焊接点。还是以特斯拉Model Y为例,其后车身原本有700-800个焊接点,需要匹配漫长的流水线和焊接机械臂,导致平均一个件的生产周期动辄高达2个小时。

最后,数量众多的零部件也会对零件匹配造成困难。在传统车企,工程人员需要耗费大量时间和资源制造进行试生产,并使用测试车进行虚拟仿真以及实际路测。以上这些原因都会拉长一辆车的生产周期,而这对一款正在受到热捧的产品而言是致命的。


力劲科技旗下的意德拉(IDRA)公司推出的超级压铸机

更重要的是,漫长的生产线也会带来工人薪酬的压力。目前主流的车企焊接车间单班工人需要200-300人,双班工作则需要工人翻倍。无论在国外还是国内,产业工人的薪酬水平都在逐年上升。更何况在我国,招工难已经成为了日益困扰制造业发展的关键因素。

此外在环保层面,传统的四大工艺正在为车企的碳中和目标增加挑战。冲压工艺本质上属于传统机加工范畴,其中的落料、冲孔、切边等工序都会产生废料造成浪费。而这些废料要重新利用,必须送回原料厂进行回炉,其中还要牵扯到物流车的排放问题。

这时候,特斯拉一体式压铸技术就显得尤为好用。正如前文所言,一体式压铸能够大幅削减零件数量并缩短制造工期。目前Model Y的后底板压铸工序的生产时间为45秒,而马斯克为得州工厂的规划产能是每年1000万辆,也就是说届时每半分钟就有一辆车下线。而在减少焊接点方面,得州工厂生产的Model Y仅有50个。而焊接车间的工人,也可以减少至20-30人,相比之前减少了90%。

而在材料回收方面,一体式压铸可以让加工中的废料得到直接利用。传统制造工艺下,白车身用料复杂,原材料回收利用率低。以宝马7系为例,其用料既有传统的钢,又有比例越来越大的铝合金以及碳纤维。由于在制造白车身时混合使用多种材料,因此每一个零件的种类(钢、铝)、牌号、金属元素的含量都存在差异。一旦在过程中存在品控问题导致部分零件或整个白车身报废,废料只能用作炼钢炼铝的原材料,而无法直接整体回炉制造新产品。而特斯拉的一体压铸只使用一种材料,全铝车身的材料回收利用率可以达到 95%以上。由于一体式压铸零部件是由金属液一次充型完成的,因此其材料单一,回收时可直接将废料融化制造其他产品,这就保证了白车身制造过程中极高的原材料回收利用率。

更重要的是,一体式压铸工艺对零部件数量的缩减还有利于提升零部件匹配以及整车开发周期。当前,车辆的零部件要进行彼此匹配,车企要通过模拟和试制来确定公差范围,确保最终的良品率。一般来说,这个时间动辄长达6个月。而借助一体式压铸工艺带来的零部件结构优化和数量减少,这个时间有望被压缩到1至2个月内。

显然,一体式压铸的这些优势对于苦于降低成本,并提升生产和产品迭代速度的造车新势力们来说可谓“未来科技”。更重要的是,经过特斯拉的实际验证,该技术已经日益成熟并走向了大规模应用阶段。

但问题在于这个“精钢钻”,并不是每个车企都能耍得动的。


一体式压铸的好处前文谈了很多,但对于汽车企业而言,用这项黑科技来造车的挑战,绝对不是购买了几台压铸机就能够解决的。首当其冲的,便是汽车的车身与底盘工程师要对自身知识进行的换代和更新。

前文提到,在过去无论是钢还是铝合金的车身,主要材料都以板材为主。铸造件并不是没有,但结构较为简单,体积也更小。因此对于整车工程团队来说,大家对于压铸、锻造以及材料方面的知识相对缺乏。相比之下,动力总成方面的工程师反而更加了解压铸工艺,毕竟变速箱和发动机的壳体、缸体很多都是压铸出来的。

但是,车身一体式压铸工艺的复杂程度可谓超出了过去整个行业的技术水平。一旦压铸的结构越复杂,零件壁厚的变化越多,越难以实现良好的冲形。而由于铸造与冲压不同,属于热加工,压入模具的高温液体铝金属流会在腔体中造成不同位置的温度差异。如下图所示,零件不同部分材料流动性的差异会导致各处材料密度的不同。距离入料口最远的部分可能已经开始凝固,而最近的部分还处于高温液化的状态。这其中可能会导致多处金属页面冲击融合,导致零件失效。


充型过程中的紊流和夹杂的分析 图片来源:MAGMA公司官网

更要命的是,整个模具的排气问题也要提到日程上来。由于一体式加工需要加入的液态金属量非常大,模具中原本的气体和金属流中的气体要进行排气处理,不然就会导致材料本身出现大量的气孔,最终报废。为此,工程师们需要对结合仿真结果来优化结构。像特斯拉参与定义的Giga Press(超级压铸机),还采用了惰性气体以及部分的真空技术。

最终在冷却环节,热胀冷缩效应又对零件提出了终极大考。热态的模具尺寸到冷却后会发生形变,而材料在热处理后也会产生变化。此处也需要仿真系统对结果进行计算和模拟。幸好,目前已经有美国铝业、德国莱茵菲尔德、立中集团和广东鸿图等企业开发出用于新能源汽车车身的免热处理铝合金材料,算是规避了一些不利因素。但上述提到的这些环节都是车企在过去没有面对过的挑战,而这其中带来的成本,必然也被摊销在了每辆车上。

因此我们看到,目前在进行一体式压铸技术探索和布局的车企,大多数为新势力和传统豪华品牌。除了特斯拉之外,小鹏、蔚来、沃尔沃以及财大气粗的大众集团都在布局该工艺。其中,蔚来在2021年底宣布开发了可用于大型压铸件免热处理的材料,即将被用于今年下半年量产的ET5上。小鹏则在武汉工厂加入了一体式压铸车间。沃尔沃在其Torslanda工厂引入了铝制部件一体式压铸产线,以便生产下一代电动车型。大众在德国狼堡的产线也在计划引入相关技术。

一体式压铸工艺对于车企而言虽然有挑战,但为了最终降本增效的目的,大家还是得硬着头皮上。但对于消费者而言,新工艺带来的后果只能用喜忧参半来形容了。


当前,特斯拉在柏林的超级工厂已经在后地板一体式压铸的基础上,完成了前机舱的压铸工艺,目前正在努力使前地板完成一体式压铸。按照中信建投的相关报告中提出的推断,特斯拉很可能在2027年借助最大压力为15000吨的超级压铸机,实现整个白车身一体式压铸。

对于消费者而言,这意味着特斯拉整车价格还有进一步的下探空间,即买车还可以更便宜。当然,如果锂电池材料届时依旧处于高位,那么整车价格也不会变得很便宜。

但是,一体式压铸技术所带来的维修贵问题,日益成为大家关注的焦点。由于白车身的零部件采用一体式压铸,因此如果发生重大事故,用户需要更换整个车身部件,而非受损的部分。所带来的维修成本必然更高。日前,一位车主在倒车时不慎撞墙,撞坏了后减震包。原价28万元左右的车维修成本居然需要20万元,让车主感慨“不如报废”。

诚然,这次事故究竟有没有伤及该车上采用一体式压铸制造的后地板尚待证实,但特斯拉之所以先对该部件采用新工艺的原因也可以推测。显然,这部分部件如果损坏往往是在追尾事故中,即使造成了损失,也是后车车主承担。

但归根结底,随着越来越多零部件采用铝合金材质,特斯拉维修费用也变得高企。以今年4月6日中保研对特斯拉2021款标准续航后轮驱动版的测试为例,这款车在结构耐撞性方面得到了“一般”的评价,而可维修性和维修经济性方面则得到了“较差”的评价。


当然,导致特斯拉得到此评价的原因是多方面的,毕竟这辆车采用了更贵的钢铝混合车身,且豪华品牌在车辆维修经济性方面的评价都不高。事实上,所有电动汽车的保费都在2021年被上调,高端电动车尤其如此。不过,一体式压铸工艺对车辆的维修提出的挑战,也许是未来很长时间内,对那些正在亦步亦趋追赶特斯拉的造车新势力们的难题。

毕竟,比起潜在的维修成本和日益增长的保险费,几次免费的换电和充电里程的赠送,显得有些“杯水车薪”了。

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