出品丨虎嗅汽車組
作者丨周到
頭圖丨IC photo
《暗信號·發現智能汽車的100個創新》專題由虎嗅汽車出品。聚焦於智能汽車正在發生的關鍵創新點，結合產業、商業以及用户視角，為讀者解碼智能汽車產業正在發生的關鍵創新，並分析其背後的技術原理，以及將帶來的變化。
特斯拉有的，蔚小理都想要。這一次被看上的，是特斯拉名為“Giga Casting”的一體式壓鑄生產技術。
美國中部時間4月7日，在特斯拉位於美國得克薩斯州的超級工廠開業儀式上，該公司CEO馬斯克公佈了一體式壓鑄技術的最新進展。當前，該工廠內已經佈置了1台8000噸級的壓鑄設備，用於Model Y的生產。在該工藝的加持下，原本Model 3車身後底板上70多個零件，在新車上被縮減為下面2個零件。
這樣做的直接好處就是，整車生產時間被極大壓縮。1-2個小時的工時將被壓縮至最短45秒，製造成本也能降低40%。更重要的是，一體式壓鑄機的佔地面積僅有100平方米。如果將現有生產工序儘可能地替換為一體式壓鑄，工廠面積能夠縮減30%。這在“寸土寸金”的中國，顯然是不可多得的利好因素。
那麼問題就來了，一體式壓鑄究竟厲害在哪裏？為何在特斯拉之後，包括蔚來、小鵬、理想、沃爾沃、大眾集團等在內的國內外廠商都在這項技術上紛紛佈局？
説到一體式壓鑄，就得先看看原理。大家可能對59式坦克圓圓的炮塔有印象，這輛真正意義上的“神車”便是採用了一體式鑄造技術打造的。在生產過程中，工程師先打造出整個炮塔的模具，然後將融化成業態的合金鋼灌入其中，最終壓鑄成型。等到冷卻與熱處理後，便可以收穫到一個完整的炮塔了。
在中東地區頻繁上演“炸飛炮塔”藝能的T-72，便是採用了鑄造炮塔
然而隨着複合裝甲的出現，由勻質鋼材組成的裝甲被淘汰。再結合坦克炮塔需要加掛大片的反應裝甲增加防護能力後，圓墩墩的鑄造炮塔開始被淘汰。我們在過去幾次閲兵上見識到的楔形焊接炮塔，開始成為新型主戰坦克的選擇。
讓全球軍迷倍感熟悉的豹2A型主戰坦克，採用的便是焊接工藝製造的楔形炮塔
然而，一體式鑄造這項工藝，如今在汽車產業開始得到復興，其“始作俑者”便是特斯拉。
讓我們把目光回溯到一年半之前。在2020年9月22日的特斯拉電池日上，馬斯克宣佈Model Y將採用一體式壓鑄製造地板總成。而在去年，上海工廠採用一體式壓鑄工藝生產的Model Y就交付給了中國消費者。而在最新的得州工廠裏，8000噸級的一體式壓鑄機可以直接製造出Model Y的前後兩段式的車身。
對於訂單接不過來的特斯拉而言，一體式壓鑄的好處非常明顯，在前文提到的縮短工時和降低成本便是最重要的一個。關注汽車產業的朋友肯定了解，一座汽車工廠一般分為四大工藝車間，即衝壓、焊接、塗裝、總裝。其中，衝壓是唯一一個在工廠裏進行零件製造的環節。衝壓機將各類鋼材按照車身工程圖紙製作成各類形狀，之後在焊接車間中將各類零件焊接成白車身。在這其中，有幾個問題始終困擾着汽車廠商。
首先，一輛車的車身所需零部件相當多，動輒超過500個。每種零件都需要匹配相應的模具、夾具、機械臂、流水線乃至物流體系，其中環節不計其數，成本耗資巨大。尤其是生產模具的費用，就是一輛車成本的大頭。其次，龐大的車身零部件數量，同樣會帶來數量眾多的焊接點。還是以特斯拉Model Y為例，其後車身原本有700-800個焊接點，需要匹配漫長的流水線和焊接機械臂，導致平均一個件的生產週期動輒高達2個小時。
最後，數量眾多的零部件也會對零件匹配造成困難。在傳統車企，工程人員需要耗費大量時間和資源製造進行試生產，並使用測試車進行虛擬仿真以及實際路測。以上這些原因都會拉長一輛車的生產週期，而這對一款正在受到熱捧的產品而言是致命的。
力勁科技旗下的意德拉（IDRA）公司推出的超級壓鑄機
更重要的是，漫長的生產線也會帶來工人薪酬的壓力。目前主流的車企焊接車間單班工人需要200-300人，雙班工作則需要工人翻倍。無論在國外還是國內，產業工人的薪酬水平都在逐年上升。更何況在我國，招工難已經成為了日益困擾製造業發展的關鍵因素。
此外在環保層面，傳統的四大工藝正在為車企的碳中和目標增加挑戰。衝壓工藝本質上屬於傳統機加工範疇，其中的落料、衝孔、切邊等工序都會產生廢料造成浪費。而這些廢料要重新利用，必須送回原料廠進行回爐，其中還要牽扯到物流車的排放問題。
這時候，特斯拉一體式壓鑄技術就顯得尤為好用。正如前文所言，一體式壓鑄能夠大幅削減零件數量並縮短製造工期。目前Model Y的後底板壓鑄工序的生產時間為45秒，而馬斯克為得州工廠的規劃產能是每年1000萬輛，也就是説屆時每半分鐘就有一輛車下線。而在減少焊接點方面，得州工廠生產的Model Y僅有50個。而焊接車間的工人，也可以減少至20-30人，相比之前減少了90%。
而在材料回收方面，一體式壓鑄可以讓加工中的廢料得到直接利用。傳統制造工藝下，白車身用料複雜，原材料回收利用率低。以寶馬7係為例，其用料既有傳統的鋼，又有比例越來越大的鋁合金以及碳纖維。由於在製造白車身時混合使用多種材料，因此每一個零件的種類（鋼、鋁）、牌號、金屬元素的含量都存在差異。一旦在過程中存在品控問題導致部分零件或整個白車身報廢，廢料只能用作鍊鋼鍊鋁的原材料，而無法直接整體回爐製造新產品。而特斯拉的一體壓鑄只使用一種材料，全鋁車身的材料回收利用率可以達到 95%以上。由於一體式壓鑄零部件是由金屬液一次充型完成的，因此其材料單一，回收時可直接將廢料融化製造其他產品，這就保證了白車身製造過程中極高的原材料回收利用率。
更重要的是，一體式壓鑄工藝對零部件數量的縮減還有利於提升零部件匹配以及整車開發週期。當前，車輛的零部件要進行彼此匹配，車企要通過模擬和試製來確定公差範圍，確保最終的良品率。一般來説，這個時間動輒長達6個月。而藉助一體式壓鑄工藝帶來的零部件結構優化和數量減少，這個時間有望被壓縮到1至2個月內。
顯然，一體式壓鑄的這些優勢對於苦於降低成本，並提升生產和產品迭代速度的造車新勢力們來説可謂“未來科技”。更重要的是，經過特斯拉的實際驗證，該技術已經日益成熟並走向了大規模應用階段。
但問題在於這個“精鋼鑽”，並不是每個車企都能耍得動的。
一體式壓鑄的好處前文談了很多，但對於汽車企業而言，用這項黑科技來造車的挑戰，絕對不是購買了幾台壓鑄機就能夠解決的。首當其衝的，便是汽車的車身與底盤工程師要對自身知識進行的換代和更新。
前文提到，在過去無論是鋼還是鋁合金的車身，主要材料都以板材為主。鑄造件並不是沒有，但結構較為簡單，體積也更小。因此對於整車工程團隊來説，大家對於壓鑄、鍛造以及材料方面的知識相對缺乏。相比之下，動力總成方面的工程師反而更加了解壓鑄工藝，畢竟變速箱和發動機的殼體、缸體很多都是壓鑄出來的。
但是，車身一體式壓鑄工藝的複雜程度可謂超出了過去整個行業的技術水平。一旦壓鑄的結構越複雜，零件壁厚的變化越多，越難以實現良好的衝形。而由於鑄造與衝壓不同，屬於熱加工，壓入模具的高温液體鋁金屬流會在腔體中造成不同位置的温度差異。如下圖所示，零件不同部分材料流動性的差異會導致各處材料密度的不同。距離入料口最遠的部分可能已經開始凝固，而最近的部分還處於高温液化的狀態。這其中可能會導致多處金屬頁面衝擊融合，導致零件失效。
充型過程中的紊流和夾雜的分析 圖片來源：MAGMA公司官網
更要命的是，整個模具的排氣問題也要提到日程上來。由於一體式加工需要加入的液態金屬量非常大，模具中原本的氣體和金屬流中的氣體要進行排氣處理，不然就會導致材料本身出現大量的氣孔，最終報廢。為此，工程師們需要對結合仿真結果來優化結構。像特斯拉參與定義的Giga Press（超級壓鑄機），還採用了惰性氣體以及部分的真空技術。
最終在冷卻環節，熱脹冷縮效應又對零件提出了終極大考。熱態的模具尺寸到冷卻後會發生形變，而材料在熱處理後也會產生變化。此處也需要仿真系統對結果進行計算和模擬。幸好，目前已經有美國鋁業、德國萊茵菲爾德、立中集團和廣東鴻圖等企業開發出用於新能源汽車車身的免熱處理鋁合金材料，算是規避了一些不利因素。但上述提到的這些環節都是車企在過去沒有面對過的挑戰，而這其中帶來的成本，必然也被攤銷在了每輛車上。
因此我們看到，目前在進行一體式壓鑄技術探索和佈局的車企，大多數為新勢力和傳統豪華品牌。除了特斯拉之外，小鵬、蔚來、沃爾沃以及財大氣粗的大眾集團都在佈局該工藝。其中，蔚來在2021年底宣佈開發了可用於大型壓鑄件免熱處理的材料，即將被用於今年下半年量產的ET5上。小鵬則在武漢工廠加入了一體式壓鑄車間。沃爾沃在其Torslanda工廠引入了鋁製部件一體式壓鑄產線，以便生產下一代電動車型。大眾在德國狼堡的產線也在計劃引入相關技術。
一體式壓鑄工藝對於車企而言雖然有挑戰，但為了最終降本增效的目的，大家還是得硬着頭皮上。但對於消費者而言，新工藝帶來的後果只能用喜憂參半來形容了。
當前，特斯拉在柏林的超級工廠已經在後地板一體式壓鑄的基礎上，完成了前機艙的壓鑄工藝，目前正在努力使前地板完成一體式壓鑄。按照中信建投的相關報告中提出的推斷，特斯拉很可能在2027年藉助最大壓力為15000噸的超級壓鑄機，實現整個白車身一體式壓鑄。
對於消費者而言，這意味着特斯拉整車價格還有進一步的下探空間，即買車還可以更便宜。當然，如果鋰電池材料屆時依舊處於高位，那麼整車價格也不會變得很便宜。
但是，一體式壓鑄技術所帶來的維修貴問題，日益成為大家關注的焦點。由於白車身的零部件採用一體式壓鑄，因此如果發生重大事故，用户需要更換整個車身部件，而非受損的部分。所帶來的維修成本必然更高。日前，一位車主在倒車時不慎撞牆，撞壞了後減震包。原價28萬元左右的車維修成本居然需要20萬元，讓車主感慨“不如報廢”。
誠然，這次事故究竟有沒有傷及該車上採用一體式壓鑄製造的後地板尚待證實，但特斯拉之所以先對該部件採用新工藝的原因也可以推測。顯然，這部分部件如果損壞往往是在追尾事故中，即使造成了損失，也是後車車主承擔。
但歸根結底，隨着越來越多零部件採用鋁合金材質，特斯拉維修費用也變得高企。以今年4月6日中保研對特斯拉2021款標準續航後輪驅動版的測試為例，這款車在結構耐撞性方面得到了“一般”的評價，而可維修性和維修經濟性方面則得到了“較差”的評價。
當然，導致特斯拉得到此評價的原因是多方面的，畢竟這輛車採用了更貴的鋼鋁混合車身，且豪華品牌在車輛維修經濟性方面的評價都不高。事實上，所有電動汽車的保費都在2021年被上調，高端電動車尤其如此。不過，一體式壓鑄工藝對車輛的維修提出的挑戰，也許是未來很長時間內，對那些正在亦步亦趨追趕特斯拉的造車新勢力們的難題。
畢竟，比起潛在的維修成本和日益增長的保險費，幾次免費的換電和充電里程的贈送，顯得有些“杯水車薪”了。