2018年還處在“生產(chǎn)地獄”的特斯拉正在用一體化壓鑄技術(shù)引領(lǐng)汽車的生產(chǎn)制造變革。

先是2022年2月，一起特斯拉倒車時與墻角相撞、維修費需要20萬元（新車28萬元）的單邊事故讓原本只在汽車圈內(nèi)聞名的“一體化壓鑄”技術(shù)被普通公眾知曉。

然后是3月、4月，特斯拉柏林工廠和得州工廠先后開業(yè)，鋪天蓋地的報道和一條無人機高難度穿越柏林工廠生產(chǎn)線拍攝的視頻讓“一體化壓鑄”再次被頻繁提起。

全世界汽車生產(chǎn)的四大工藝都是沖焊涂裝，第一步將鋼板沖壓成小零件，然后把小零件焊接成大部件乃至白車身。特斯拉一體鑄造是把沖壓改為壓鑄，前兩步合成一步，直接鑄造出大部件。

這不僅改變了沖焊涂裝的汽車制造四大工藝，更是從思維上對傳統(tǒng)造車方式的改造。

最先采用該技術(shù)的Model Y后車架原本由70個零件沖壓、焊接而成，一體化壓鑄把它變成了一個零件，制造時間從1-2小時縮短至45秒-2分鐘，制造過程減少了300臺機器人，同時縮短生產(chǎn)線，節(jié)省30%占地面積。人工方面，主流汽車工廠焊裝車間要配 200～300 名工人，一體式壓鑄車間只需要 20-30 名工人。特斯拉官方稱一體化壓鑄技術(shù)將給 Model Y節(jié)省約 20%制造成本。

也就是說，零部件的70合一有多方面的優(yōu)勢，可以讓車身輕量化，節(jié)省成本，提高效率，縮短供應(yīng)鏈，整車的制造時間和運輸時間縮短，減少人工和機器人，提升制造規(guī)模。

還有，大型鋁合金零部件讓回收再利用變得更加簡單高效。鋁合金代替鋼材用于車身的一個缺點是碳排放，從礦山到金屬原料，鋁的碳排放大約是鋼材的4倍左右。鋁合金大鑄件會讓回收利用變得簡單高效，從而提升回收利用率，在全生命周期降低碳排放。

特斯拉的大型壓鑄機最早在加州工廠落地投產(chǎn)，目前加州工廠2臺，上海工廠4臺，得州工廠4臺，柏林工廠2臺、計劃再增加6臺。該壓鑄機供應(yīng)商是意大利的意德拉公司（IDRA），意德拉在2008年被香港力勁集團(tuán)收購。

Model Y后車架的壓鑄機鎖模力為6000噸，三維尺寸為20米、7.5米、6米，重量410噸。

2023年將在得州工廠量產(chǎn)的皮卡車型Cybertruck壓鑄機為8000噸。未來，特斯拉還計劃將前車架&座艙、地板&電池殼也采用一體化壓鑄工藝，如果全部實現(xiàn)，可以代替原本370多個零部件的沖壓焊接，使整車減重10%，續(xù)航提升 14%。

外界普遍認(rèn)為，馬斯克的第一性原理和特斯拉2015年12月從蘋果挖來頂級材料科學(xué)專家查爾斯·柯伊曼（Charles Kuehmann）是推動一體化壓鑄技術(shù)產(chǎn)業(yè)化最重要的兩股力量。

柯伊曼是美國西北大學(xué)材料科學(xué)與工程博士，1994年畢業(yè)，2年后與導(dǎo)師Gregory Olson教授一起創(chuàng)辦了QuesTek公司，擔(dān)任CEO。QuesTek的愿景是用計算機來設(shè)計材料。

2012年，硅谷一家神秘公司收購了QuesTek的技術(shù)，從柯伊曼和其他創(chuàng)始人在2012年同時加盟蘋果來看，買主應(yīng)該就是蘋果。柯伊曼在蘋果的成名作是Mac電腦的一體化鋁合金機身。在同等密度下，其材料強度比標(biāo)準(zhǔn)鋁合金高60%。

被馬斯克挖角后，柯伊曼同時擔(dān)任特斯拉和SpaceX材料技術(shù)副總裁。在此之前，還沒有過材料技術(shù)負(fù)責(zé)人擔(dān)任汽車公司副總裁。在SpaceX，柯伊曼還說服了固執(zhí)的馬斯克用不銹鋼代替碳纖維造火箭。

值得一提的是，柯伊曼在2019年當(dāng)選為美國國家工程院院士。他的導(dǎo)師Olson教授，在2010年就成為了美國國家工程院院士，是業(yè)界公認(rèn)的“材料設(shè)計之父”。

最終，馬斯克和柯伊曼聯(lián)手把大型零部件一體化壓鑄技術(shù)帶進(jìn)了汽車制造，代替一部分沖壓焊接。

這項新技術(shù)已有多家國內(nèi)外廠商跟進(jìn)，沃爾沃、大眾、奔馳已經(jīng)見諸報道，國內(nèi)有蔚來、小鵬、理想、高合這些造車新勢力，據(jù)說也有廣汽、上汽、長安、東風(fēng)、小康這些傳統(tǒng)車企，甚至還有小米這種剛官宣造車一年多的。

理想汽車CEO李想今年2月在軒轅之學(xué)巨浪班授課中分析過特斯拉的一體化壓鑄技術(shù)，“特斯拉為什么要做一體式鑄造的車身？不是為了降低成本，而是為了提升生產(chǎn)效率。在它眼里成本和效率不是一個概念，效率是說怎么在最短時間內(nèi)提供足夠多的產(chǎn)能，這是它思考的很多、很多問題。上海工廠1300畝地，今年大概能做到80萬到90萬的產(chǎn)能，這在歷史上從來沒有出現(xiàn)過的。”

高投入

也有跟李想觀點不同的。汽車商業(yè)評論記者采訪了某合資車企研究院李院長，他認(rèn)為一體化壓鑄最顯著的貢獻(xiàn)讓然是降低成本，效率問題也是成本問題。

因為原本是70個鋼制零件，就要70套模具，按照常規(guī)的主機廠的分工，車身工程師管零件，制造工程師管模具。就算工程師比較能干，一個人管7個零件，就需要10個車身工程師，對應(yīng)的模具可能也是10個制造工程師管，背后還有采購工程師……一條線下來，這是很大一筆系統(tǒng)成本。

汽車公司的整車BOM表里面，每一個零件就會有一個對應(yīng)的零件號，因此IT部門管理的BOM表里就是多了70行。假如這70行精簡成為1行，從系統(tǒng)角度來看，肯定也有相應(yīng)的管理效率提升，只是很難定量測算。

李院長指出，特斯拉的革命性在于把成熟的壓鑄技術(shù)用在了如此大型的零部件上，而不是很多人因為特斯拉的幾個專利申請就認(rèn)為其在鋁合金材料上也有創(chuàng)新突破，“實際上特斯拉專利里寫的合金成分與實際用的并不一樣，我們做過分析。也不是他放煙霧，他寫專利的時候還沒這樣干大鑄件，可能真正干的時候發(fā)現(xiàn)把常用的鑄造鋁合金適當(dāng)調(diào)整以后更合適制造而已。”

他認(rèn)為一體化壓鑄首先的挑戰(zhàn)是投資大。

“壓鑄機、模具、周邊設(shè)備，一條線我們叫一個壓鑄島，加起來光前期要1億元以上，一副模具1500萬元。所以你得算賬，假設(shè)一天壓鑄600個零件，不會100%是正品，有比較高的廢品率，打個八折甚至七折，折合一天三四百個合格零件，一個月一萬多個，一年十多萬。一億的投資，1500萬的模具，分母要除以造多少輛車來分?jǐn)偂Ｎ覀€人感覺一年賣不了5萬臺的車型這個分?jǐn)偸呛艽蟮模运贿m合用在爆款車型上，否則成本下不來。”

鑄造技術(shù)專家趙揚（化名）接受汽車商業(yè)評論采訪時也算了一筆賬。

壓鑄機國產(chǎn)設(shè)備和進(jìn)口設(shè)備價格差異較大，國產(chǎn)9000噸在5000萬元到6000萬元之間，再加上周邊設(shè)備，一個島配置完善一點，總價不會低于1.5億元。再機上機加工設(shè)備的話，兩三億元是很常規(guī)的投入。如果全進(jìn)口設(shè)備，估計要三四個億。

“舉個例子，以前有句壓鑄機口頭禪，布勒機一噸一萬元，現(xiàn)在可能是一噸7000多，國產(chǎn)的一噸5000多。還沒有包括油溫機、模具、取件機械手、噴涂機器人，熔煉爐、除氣除渣設(shè)備、高真空抽氣設(shè)備，傳送帶等周邊設(shè)備。包括上面的吊車也要重新建，以前的吊車適配不了這種大機子，還有空壓機，也需要專門定制，所有東西都要全新的。這一串周邊設(shè)備下來跟主機設(shè)備投入基本上1:1了，比如6000萬元的主機，周邊設(shè)備也得6000萬元，還沒包括模具，公輔施（大的空壓站改造，行車改造）。”

模具需要單算，“模具的價格差異主要來自尺寸和重量。模具材料比較穩(wěn)定，以前長期是一公斤124元，現(xiàn)在漲了點，大概140多元，如果是大尺寸模具材料還要再加價，估計能到150元一公斤。模具差一噸的話就差很多錢，像特斯拉后車架那種規(guī)格的也有大有小，總價從800萬元到1500萬元不等。”

“特斯拉宣傳壓鑄成本比鋼板要低，但實際能低多少，其實我有點懷疑。或者可能確實低，目前也不見得低那么多。”趙揚說。

改進(jìn)中

鑄造是比沖壓古老得多的工藝，非常成熟，只是在特斯拉以前，壓鑄只應(yīng)用在較小的零部件上，比如變速箱殼、電池殼、保險杠，汽車鋁合金高壓鑄件主要市場在動力總成殼體件為主，最大鎖模力4500噸、5000噸。鎖模力越大，可壓鑄零件的面積越大。

受訪鑄造專家告訴汽車商業(yè)評論，“按照特斯拉Model Y后車架面積計算，原本應(yīng)該用8000噸或更大的壓鑄機。可能是受限于當(dāng)時只能制造6000、7000噸級壓鑄機，其實有一點小馬拉大車，后面出了比較多鑄件問題，合格率比較低。特斯拉的風(fēng)格是速度第一，條件不成熟也要做這個事情，有問題邊走邊改，這種快速推進(jìn)，從市場角度出發(fā)，是對的，可以快速占領(lǐng)制高點。因為任何一件事在最開始都不要過分追求完美，那樣會失去市場先機，技術(shù)完美了，市場沒有了，這個技術(shù)也就沒用了。”

據(jù)了解，特斯拉的一體化壓鑄目前合格率還不夠高，“特斯拉一體式壓鑄合格率很低，隨著生產(chǎn)推進(jìn)和生產(chǎn)熟練度提高，問題點的攻克，估計現(xiàn)在能提高到80%～90%，壓鑄的好處是不合格件和切邊費料都可以回爐，每融化一次有2%～3%的損耗。如果回爐率太高能耗也是一筆不小的開銷，用電太貴，一般熔化用天然氣，一噸鋁得100多立方天然氣，保溫用天然氣和電都有。”

一體化壓鑄技術(shù)必須配備金屬熔化爐，將原料鋁錠融化后供給壓鑄機。趙揚介紹，還有一種模式是產(chǎn)業(yè)鏈整合，跟鋁錠廠比鄰而建，直接運鋁水到壓鑄車間，但距離不能大于90公里。這樣可以節(jié)約較大的熔化成本，特斯拉工廠周圍沒有鋁廠，只能自己熔煉。

鋁錠熔化成鋁水后用活塞高壓將鋁水注入模具，類似打針，這個過程要涂料噴霧器、模溫機（為模具保溫）、機邊爐（為鋁水保溫）、取件機器、模具溫度監(jiān)控設(shè)備、高真空抽氣設(shè)備等周邊設(shè)備配合。零件壓鑄后由傳送帶輸送零件，要進(jìn)行澆冒口去除，飛邊打磨后處理，還需進(jìn)行無損探傷檢測，像是給人體拍X光片，探測內(nèi)部空洞情況。

該專家稱，要充分發(fā)揮大型一體化鑄造的優(yōu)勢，特斯拉一體化壓鑄當(dāng)前主要任務(wù)是降低廢品率，加快生產(chǎn)節(jié)拍和提高生產(chǎn)效率。高壓壓鑄一體式鑄件最大優(yōu)勢完全發(fā)揮出來還有很長的路要走。

“高壓鑄造速度太快的話充型過程翻滾紊流大，氣體多，鑄件內(nèi)部空洞多，機械性能就差了。太慢充不滿型腔，液體在凝固變成固體過程中要熱脹冷縮，如果沒有足夠的補充，冷縮部分會產(chǎn)生縮孔。還有，金屬液凝固的時候有一個收縮應(yīng)力，在模具上模具在給它固定，但換到空氣中沒有約束了可能會繼續(xù)應(yīng)力變形。氣縮孔引起材料機械性能弱化和變形都是工藝是高壓要著重關(guān)注的兩個質(zhì)量問題。”

特斯拉一體化壓鑄的一大特色是免熱處理，其原因就是熱處理容易變形。小零件變形了可以做做整形，這么大的零部件整形不現(xiàn)實，目前特斯拉的解決方向是新材料研發(fā)，免熱處理高強度鋁合金材料研發(fā)，研發(fā)更適合壓鑄大型零部件的材料。

在壓鑄技術(shù)上非常資深的該專家對特斯拉的思維模式非常贊賞。他認(rèn)為，大部分的傳統(tǒng)設(shè)計思路是設(shè)計產(chǎn)品和工藝時先考慮現(xiàn)市場上的條件能力，如設(shè)備最大噸位多少、能壓鑄的最大零件有多大，在這些前提下設(shè)計。特斯拉是反過來，采用極限思維，零件做多大能實現(xiàn)效果最優(yōu)就做多大，再反推這么大零件去計算需要什么樣的設(shè)備，工裝和材料，然后在全力和相關(guān)工裝設(shè)備供應(yīng)商一起開發(fā)新設(shè)備，匹配的模具和材料，開發(fā)全新工藝。這種思路極大促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)革新和創(chuàng)造。這樣的思維帶來傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)大革新，大變革，顛覆和二次創(chuàng)新。

追隨者

特斯拉生產(chǎn)制造的高效率、低成本不只是一體化壓鑄帶來的，而是整個工廠，或者說整個制造體系設(shè)計優(yōu)化帶來的。

比如它的組裝線是層疊的而不是平面的，再比如特斯拉工廠沒有單獨的倉儲庫房，通過設(shè)計所有集裝箱車都可以直接開入工廠通道，車尾正對生產(chǎn)車間的物料入口大門，物料可以通過裝卸車從集裝箱車直接到生產(chǎn)線。

目前來看這一系列制造革新中最被廣泛學(xué)習(xí)的還是一體化壓鑄。匿名鑄造專家認(rèn)為這輪熱潮最大的影響可能是讓歐美快要死掉的壓鑄公司重新活過來。

“高度自動化，大型一體式壓鑄件發(fā)展會讓歐美鑄造企業(yè)復(fù)活，車架這么大的零部件遠(yuǎn)洋運輸成本很高，因為占空間太大了。大型一體化壓鑄件只能本地化生產(chǎn)或鑄造廠離主裝線比較近進(jìn)行生產(chǎn)。高度自動化讓人工成本占比很小，歐美如果自己做壓鑄，會讓很多本地鑄造廠復(fù)活。以前壓鑄行業(yè)做變速箱殼、發(fā)動機缸體，電機殼體，電池殼或其他電器殼體，中國有巨大的成本優(yōu)勢，歐美基本都不做了，中國或者發(fā)展中國家做好出口到歐美。”

對中國鑄造企業(yè)來說更是一大波商機。目前跟進(jìn)一體化壓鑄技術(shù)的主機廠一般有兩種模式，一種是像特斯拉一樣購置壓鑄島、設(shè)計產(chǎn)線自己生產(chǎn)，另一種是和鑄造廠合作。

例如蔚來與南通雄邦和重慶美利信合作，由這兩家供應(yīng)商提供ET5的一體化壓鑄件。南通雄邦母公司文燦集團(tuán)4月發(fā)布的公告中稱“一臺6000T壓鑄設(shè)備已于去年11月18日完成首次半片式后地板試制，目前試制產(chǎn)品已在知名頭部新勢力客戶整車廠中完成白車身安裝下線”指的應(yīng)該就是蔚來ET5項目。

文燦公告還提到公司于2021年繼續(xù)向力勁科技采購了2臺9000噸壓鑄機，分別在天津和南通工廠各配置一臺。目前天津工廠9000噸壓鑄機已完成安裝，處于產(chǎn)品試制階段。南通工廠9000噸壓鑄機已經(jīng)完成地基建設(shè)，預(yù)計相關(guān)設(shè)備在今年5月安裝調(diào)試完畢并在6月為客戶超大型一體化車身結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品試模。

重慶美利信與蔚來合作的是8800噸的壓鑄機。

與之配套的還有2021年10 月，國內(nèi)免熱處理鋁合金材料生產(chǎn)企業(yè)帥翼馳表示其與蔚來聯(lián)合開發(fā)的可用于制造大型壓鑄件的免熱處理鋁合金材料已成功得到蔚來驗證，將應(yīng)用于蔚來第二代平臺車型。

李院長認(rèn)為，考慮到一體化壓鑄件的重量和零件的集成度，將來可能會出現(xiàn)一類“Tier 0.5”類型的供應(yīng)商。相比于傳統(tǒng)的Tier 1零件供應(yīng)商，Tier 0.5將會是更緊密地和OEM合作，并且將更早地，更有深度地，且多維度地參與整車項目的開發(fā)和量產(chǎn)。

還有幾家在免熱處理鋁合金材料上采取校企聯(lián)合研發(fā)：清華大學(xué)在和一汽有色研究高強度免熱處理鋁合金材料，滿足一體式大零件壓鑄的需求。上海交大材料學(xué)院和高合汽車共同研發(fā)高強度免熱處理鋁合金材料。

小鵬在一體鑄造上采取了采購+自建方式。

小鵬肇慶工廠采購了廣東鴻圖提供的一體化壓鑄零部件。在最新的武漢工廠則自建壓鑄車間，計劃5月調(diào)試設(shè)備、7月壓出樣件、10月正式投產(chǎn)。小鵬訂購的壓鑄機和廣東鴻圖為小鵬配套的壓鑄機均為1.2萬噸，目測是目前已知噸位最大的壓鑄機。

高合的模式稍特殊一些，高合不自己建壓鑄車間，與拓普集團(tuán)合作，從設(shè)備研發(fā)就與拓普合作，自己規(guī)劃設(shè)計整個工藝流程。壓鑄機為7200噸，已于2022年2月在拓普杭州灣制造基地實現(xiàn)生產(chǎn)。

2022年，將是一體化壓鑄技術(shù)遍地開花之年。

本文來自：汽車商業(yè)評論

作者：劉寶華