特斯拉為什麼要做一體式鑄造的車身？
撰文 / 劉寶華編輯 / 張 南設計 / 師玉超
2018年還處在“生產地獄”的特斯拉正在用一體化壓鑄技術引領汽車的生產製造變革。
先是2022年2月，一起特斯拉倒車時與牆角相撞、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聞名的“一體化壓鑄”技術被普通公眾知曉。
然後是3月、4月，特斯拉柏林工廠和得州工廠先後開業，鋪天蓋地的報道和一條無人機高難度穿越柏林工廠生產線拍攝的視頻讓“一體化壓鑄”再次被頻繁提起。
全世界汽車生產的四大工藝都是衝焊塗裝，第一步將鋼板衝壓成小零件，然後把小零件焊接成大部件乃至白車身。特斯拉一體鑄造是把衝壓改為壓鑄，前兩步合成一步，直接鑄造出大部件。
這不僅改變了衝焊塗裝的汽車製造四大工藝，更是從思維上對傳統造車方式的改造。
最先採用該技術的Model Y後車架原本由70個零件衝壓、焊接而成，一體化壓鑄把它變成了一個零件，製造時間從1-2小時縮短至45秒-2分鐘，製造過程減少了300台機器人，同時縮短生產線，節省30%佔地面積。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將給 Model Y節省約 20%製造成本。
也就是説，零部件的70合一有多方面的優勢，可以讓車身輕量化，節省成本，提高效率，縮短供應鏈，整車的製造時間和運輸時間縮短，減少人工和機器人，提升製造規模。
還有，大型鋁合金零部件讓回收再利用變得更加簡單高效。鋁合金代替鋼材用於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，在全生命週期降低碳排放。
特斯拉的大型壓鑄機最早在加州工廠落地投產，目前加州工廠2台，上海工廠4台，得州工廠4台，柏林工廠2台、計劃再增加6台。該壓鑄機供應商是意大利的意德拉公司（IDRA），意德拉在2008年被香港力勁集團收購。
Model Y後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&電池殼也採用一體化壓鑄工藝，如果全部實現，可以代替原本370多個零部件的衝壓焊接，使整車減重10%，續航提升 14%。
外界普遍認為，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專家查爾斯·柯伊曼（Charles Kuehmann）是推動一體化壓鑄技術產業化最重要的兩股力量。
柯伊曼是美國西北大學材料科學與工程博士，1994年畢業，2年後與導師Gregory Olson教授一起創辦了QuesTek公司，擔任CEO。QuesTek的願景是用計算機來設計材料。
2012年，硅谷一家神秘公司收購了QuesTek的技術，從柯伊曼和其他創始人在2012年同時加盟蘋果來看，買主應該就是蘋果。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，其材料強度比標準鋁合金高60%。
被馬斯克挖角後，柯伊曼同時擔任特斯拉和SpaceX材料技術副總裁。在此之前，還沒有過材料技術負責人擔任汽車公司副總裁。在SpaceX，柯伊曼還説服了固執的馬斯克用不鏽鋼代替碳纖維造火箭。
值得一提的是，柯伊曼在2019年當選為美國國家工程院院士。他的導師Olson教授，在2010年就成為了美國國家工程院院士，是業界公認的“材料設計之父”。
最終，馬斯克和柯伊曼聯手把大型零部件一體化壓鑄技術帶進了汽車製造，代替一部分衝壓焊接。
這項新技術已有多家國內外廠商跟進，沃爾沃、大眾、奔馳已經見諸報道，國內有蔚來、小鵬、理想、高合這些造車新勢力，據説也有廣汽、上汽、長安、東風、小康這些傳統車企，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月在軒轅之學巨浪班授課中分析過特斯拉的一體化壓鑄技術，“特斯拉為什麼要做一體式鑄造的車身？不是為了降低成本，而是為了提升生產效率。在它眼裏成本和效率不是一個概念，效率是説怎麼在最短時間內提供足夠多的產能，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90萬的產能，這在歷史上從來沒有出現過的。”
高投入
也有跟李想觀點不同的。汽車商業評論記者採訪了某合資車企研究院李院長，他認為一體化壓鑄最顯著的貢獻讓然是降低成本，效率問題也是成本問題。
因為原本是70個鋼製零件，就要70套模具，按照常規的主機廠的分工，車身工程師管零件，製造工程師管模具。就算工程師比較能幹，一個人管7個零件，就需要10個車身工程師，對應的模具可能也是10個製造工程師管，背後還有采購工程師……一條線下來，這是很大一筆系統成本。
汽車公司的整車BOM表裏面，每一個零件就會有一個對應的零件號，因此IT部門管理的BOM表裏就是多了70行。假如這70行精簡成為1行，從系統角度來看，肯定也有相應的管理效率提升，只是很難定量測算。
李院長指出，特斯拉的革命性在於把成熟的壓鑄技術用在瞭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為其在鋁合金材料上也有創新突破，“實際上特斯拉專利裏寫的合金成分與實際用的並不一樣，我們做過分析。也不是他放煙霧，他寫專利的時候還沒這樣幹大鑄件，可能真正乾的時候發現把常用的鑄造鋁合金適當調整以後更合適製造而已。”
他認為一體化壓鑄首先的挑戰是投資大。
“壓鑄機、模具、周邊設備，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，摺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攤。我個人感覺一年賣不了5萬台的車型這個分攤是很大的，所以它只適合用在爆款車型上，否則成本下不來。”
鑄造技術專家趙揚（化名）接受汽車商業評論採訪時也算了一筆賬。
壓鑄機國產設備和進口設備價格差異較大，國產9000噸在5000萬元到6000萬元之間，再加上週邊設備，一個島配置完善一點，總價不會低於1.5億元。再機上機加工設備的話，兩三億元是很常規的投入。如果全進口設備，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，現在可能是一噸7000多，國產的一噸5000多。還沒有包括油温機、模具、取件機械手、噴塗機器人，熔煉爐、除氣除渣設備、高真空抽氣設備，傳送帶等周邊設備。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，也需要專門定製，所有東西都要全新的。這一串周邊設備下來跟主機設備投入基本上1:1了，比如6000萬元的主機，周邊設備也得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。模具材料比較穩定，以前長期是一公斤124元，現在漲了點，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，像特斯拉後車架那種規格的也有大有小，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，目前也不見得低那麼多。”趙揚説。
改進中
鑄造是比衝壓古老得多的工藝，非常成熟，只是在特斯拉以前，壓鑄只應用在較小的零部件上，比如變速箱殼、電池殼、保險槓，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評論，“按照特斯拉Model Y後車架面積計算，原本應該用8000噸或更大的壓鑄機。可能是受限於當時只能製造6000、7000噸級壓鑄機，其實有一點小馬拉大車，後面出了比較多鑄件問題，合格率比較低。特斯拉的風格是速度第一，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，從市場角度出發，是對的，可以快速佔領制高點。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，技術完美了，市場沒有了，這個技術也就沒用了。”
據瞭解，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，隨着生產推進和生產熟練度提高，問題點的攻克，估計現在能提高到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，保温用天然氣和電都有。”
一體化壓鑄技術必須配備金屬熔化爐，將原料鋁錠融化後供給壓鑄機。趙揚介紹，還有一種模式是產業鏈整合，跟鋁錠廠比鄰而建，直接運鋁水到壓鑄車間，但距離不能大於90公里。這樣可以節約較大的熔化成本，特斯拉工廠周圍沒有鋁廠，只能自己熔鍊。
鋁錠熔化成鋁水後用活塞高壓將鋁水注入模具，類似打針，這個過程要塗料噴霧器、模温機（為模具保温）、機邊爐（為鋁水保温）、取件機器、模具温度監控設備、高真空抽氣設備等周邊設備配合。零件壓鑄後由傳送帶輸送零件，要進行澆冒口去除，飛邊打磨後處理，還需進行無損探傷檢測，像是給人體拍X光片，探測內部空洞情況。
該專家稱，要充分發揮大型一體化鑄造的優勢，特斯拉一體化壓鑄當前主要任務是降低廢品率，加快生產節拍和提高生產效率。高壓壓鑄一體式鑄件最大優勢完全發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，冷縮部分會產生縮孔。還有，金屬液凝固的時候有一個收縮應力，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應力變形。氣縮孔引起材料機械性能弱化和變形都是工藝是高壓要着重關注的兩個質量問題。”
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，這麼大的零部件整形不現實，目前特斯拉的解決方向是新材料研發，免熱處理高強度鋁合金材料研發，研發更適合壓鑄大型零部件的材料。
在壓鑄技術上非常資深的該專家對特斯拉的思維模式非常讚賞。他認為，大部分的傳統設計思路是設計產品和工藝時先考慮現市場上的條件能力，如設備最大噸位多少、能壓鑄的最大零件有多大，在這些前提下設計。特斯拉是反過來，採用極限思維，零件做多大能實現效果最優就做多大，再反推這麼大零件去計算需要什麼樣的設備，工裝和材料，然後在全力和相關工裝設備供應商一起開發新設備，匹配的模具和材料，開發全新工藝。這種思路極大促進了產業革新和創造。這樣的思維帶來傳統產業大革新，大變革，顛覆和二次創新。
追隨者
特斯拉生產製造的高效率、低成本不只是一體化壓鑄帶來的，而是整個工廠，或者説整個製造體系設計優化帶來的。
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，通過設計所有集裝箱車都可以直接開入工廠通道，車尾正對生產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線。
目前來看這一系列製造革新中最被廣泛學習的還是一體化壓鑄。匿名鑄造專家認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展會讓歐美鑄造企業復活，車架這麼大的零部件遠洋運輸成本很高，因為佔空間太大了。大型一體化壓鑄件只能本地化生產或鑄造廠離主裝線比較近進行生產。高度自動化讓人工成本佔比很小，歐美如果自己做壓鑄，會讓很多本地鑄造廠復活。以前壓鑄行業做變速箱殼、發動機缸體，電機殼體，電池殼或其他電器殼體，中國有巨大的成本優勢，歐美基本都不做了，中國或者發展中國家做好出口到歐美。”
對中國鑄造企業來説更是一大波商機。目前跟進一體化壓鑄技術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、設計產線自己生產，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，由這兩家供應商提供ET5的一體化壓鑄件。南通雄邦母公司文燦集團4月發佈的公告中稱“一台6000T壓鑄設備已於去年11月18日完成首次半片式後地板試製，目前試製產品已在知名頭部新勢力客户整車廠中完成白車身安裝下線”指的應該就是蔚來ET5項目。
文燦公告還提到公司於2021年繼續向力勁科技採購了2台9000噸壓鑄機，分別在天津和南通工廠各配置一台。目前天津工廠9000噸壓鑄機已完成安裝，處於產品試製階段。南通工廠9000噸壓鑄機已經完成地基建設，預計相關設備在今年5月安裝調試完畢並在6月為客户超大型一體化車身結構件產品試模。
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，國內免熱處理鋁合金材料生產企業帥翼馳表示其與蔚來聯合開發的可用於製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，將應用於蔚來第二代平台車型。
李院長認為，考慮到一體化壓鑄件的重量和零件的集成度，將來可能會出現一類“Tier 0.5”類型的供應商。相比於傳統的Tier 1零件供應商，Tier 0.5將會是更緊密地和OEM合作，並且將更早地，更有深度地，且多維度地參與整車項目的開發和量產。
還有幾家在免熱處理鋁合金材料上採取校企聯合研發：清華大學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。上海交大材料學院和高合汽車共同研發高強度免熱處理鋁合金材料。
小鵬在一體鑄造上採取了採購+自建方式。
小鵬肇慶工廠採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月調試設備、7月壓出樣件、10月正式投產。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，與拓普集團合作，從設備研發就與拓普合作，自己規劃設計整個工藝流程。壓鑄機為7200噸，已於2022年2月在拓普杭州灣製造基地實現生產。
2022年，將是一體化壓鑄技術遍地開花之年。
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