特斯拉年產百萬輛的秘訣！蔚來小鵬猛追，一體壓鑄技術深度報告 | 車東西內參
特斯拉於 2019 年提出一體壓鑄技術，開創了高壓鑄造大型化的行業先河；2020 年 9 月，特斯拉在 Model Y後地板中將該技術量產，降本和減重效應顯著；2021 年 5 月，特斯拉前機艙總成開發成功，於 10 月份應用於 Model Y 車型。根據特斯拉一季度業績電話交流會議，未來 Cybertruck 車型也將在後地板上應用這一技術。在特斯拉的示範效應下，國內新勢力蔚來、小鵬和高合，以及海外主機廠大眾、奔馳和沃爾沃均開始一體鑄造技術的前期研發，且大多數已決定推動將這一技術量產。一體壓鑄技術已成行業未來的大趨勢。
根據特斯拉公佈的信息，Model Y 的後地板採用一體壓鑄技術後，將原方案的 80 個衝壓焊接零件集成為一個鑄件，並實現 40%的降本和 10%的減重。考慮一體壓鑄技術帶來顯著的降本和減重效應，這一技術的滲透率在 2030 年有望達到 30%，保守估計將帶動全球壓鑄結構件行業空間從今年的 22 億元增長至 2030 年的 2460億元。
本期的智能內參，我們推薦中信證券的報告《一體鑄造大勢所趨，自主品牌大有可為》，盤點特斯拉引領的一體化鑄造技術背後的產業鏈。
來源 中信證券
《一體鑄造大勢所趨，自主品牌大有可為》
作者：李景濤 李越 黃耀庭 尹欣馳 李子俊 王詩宸 武平樂
一、特斯拉引領，一體鑄造成主流2020 年，一體鑄造技術在 Model Y 上開始應用。2020 年，特斯拉開始與壓鑄設備商意大利意德拉合作，使用 6000 噸級壓鑄單元 Giga Press，採用一體成型壓鑄的方式生產Model Y 白車身後地板總成。根據 2020 年特斯拉電池日發佈的信息，Model Y 的後地板通過應用一體壓鑄技術，將原先通過沖壓等工藝生產的 80 個零件集成為 1 個鑄造零件，製造成本能夠降低 40%。同時，特斯拉公佈了下一代白車身設計方案，整車地板總成將由2~3 個大型壓鑄件組裝而成，電池包採用了 structural pack 的設計理念，使得整個白車身具有更高的強度和剛度。
特斯拉車架多向鑄造機示意圖
特斯拉“一體壓鑄”發展歷程
Model Y 一體壓鑄前艙落地柏林工廠，Cybertruck 後地板亦將應用。2021 年 5 月17 日，德國壓鑄專家阿克塞爾·圖爾克（Axel Turck）在推特分享了一體壓鑄前機艙試製零件，提到特斯拉 Model Y 車型未來將應用一體鑄造技術生產更多的零件。10 月，特斯拉於柏林工廠開放日上對公眾展示了一體壓鑄機模具、一體壓鑄 Model Y 前機艙，結構電池包（structural pack）等核心技術方案，表明未來柏林工廠生產車型將全面使用“一體壓鑄”工藝。在 2020 年四季度業績電話會議上，馬斯克表示新一代皮卡 Cybertruck 的後地板將也會應用一體化壓鑄技術，且將使用更大噸位的 8000T 壓鑄機進行生產。在 2022年一季度財報中，特斯拉汽車業務毛利率 32.9%，整體毛利率 19.2%，均創下歷史新高，其中就有一體鑄造技術帶來的貢獻。
國內新勢力中，蔚來 ET5 率先應用一體鑄造技術，輕量化、安全性領先。2021 年 10月，蔚來汽車宣佈成功驗證開發了可用於製造大型壓鑄件的免熱處理材料，將會應用在蔚來第二代平台車型上。新材料避免了傳統壓鑄件在熱處理過程中引起的尺寸變形及表面缺陷。2021 年 12 月，蔚來在 ET5 發佈會上正式宣佈將開始採用一體鑄造工藝，ET5 將使用超高強度鋼鋁混合車身，使車身後地板重量降低 30%，後備箱空間增加 7L，整車抗扭剛度高達 34000N·m/deg。
ET5 超高強度鋼鋁混合車身
小鵬汽車一體壓鑄技術已在規劃當中，計劃自建產能。在小鵬 2021 年業績發佈會上，董事長何小鵬宣佈將於 2023 年發佈兩個新平台及其首款車型，並將使用超大一體化壓鑄新工藝。根據武漢當地媒體沌口之聲，2021 年 7 月小鵬正式啓動武漢項目，將建設一系列工藝車間，年總產能約 10 萬輛。根據武漢經濟技術開發區（漢南區）自然資源和規劃局，2021 年 10 月，小鵬已正式申報“小鵬汽車武漢產業基地項目”規劃建築方案，預計今年 10 月投產，其中包括一體化壓鑄工藝車間。小鵬汽車武漢工廠還將引進一套以上超大型壓鑄島及自動化生產線。
高合汽車在一體鑄造材料、製造端推進領先。2021 年 12 月，高合汽車與上海交通大學輕合金國家工程中心展開戰略合作，共同研發 TechCast™超大鑄件用低碳鋁合金材料，該材料流動性高於同級別材料 15%以上、強塑積高出 30%以上，保證了整車碰撞等性能達到更高維度。2 月 25 日，高合汽車與拓普集團合作開發的 7200T 一體化超大壓鑄後艙成功下線。該部件應用了上海交大的合金材料，實現了 15%~20%的減重與工藝複雜度的大幅降低，整個開發週期也縮短了 1/3。截至成功下線時，該壓鑄機是汽車零部件領域已知最大的一體化鋁合金壓鑄件，未來也將應用於高合各類車型中。
大眾計劃於 SSP 平台開始應用一體壓鑄，樣件已於卡塞爾工廠下線。據德國《商報》網站報道，大眾將在集團總部所在地——德國沃爾夫斯堡建立一座全新的工廠，投資約 20億歐元，新工廠預計將從 2026 年起生產首批 Trinity 純電動汽車，且計劃引入一體壓鑄技術。根據 Online EV 報道，2022 年 5 月，大眾汽車一體式鋁壓鑄後車身樣件在卡塞爾工廠下線。該樣件採用 4400 噸壓鑄機生產，是為大眾 SSP 車型平台所開發的，集成了約30多個零部件，減重效果可達10kg。大眾現有的大部分電動車型均是基於MEB平台打造，而新一代電動汽車平台 SSP 無論從軟件還是硬件架構上都將提供更好的可拓展性，Trinity車型則是基於 SSP 平台打造的首批車型之一。
沃爾沃緊隨趨勢，上市推動一體鑄造量產計劃。2021 年 10 月 29 日，沃爾沃宣佈在納斯達克斯德哥爾摩交易所掛牌上市，募集約 200 億瑞典克朗（約合 22 億美元），並將其中 70%的資金用於電動化轉型，包括引入大型鋁製車身部件鑄造工藝等。根據autoevolution 消息，沃爾沃宣佈投資 100 億瑞典克朗對旗下託斯蘭達工廠進行現代化改造，其中包括一體壓鑄技術。沃爾沃將在託斯蘭達建立一個鋁鑄造廠，年產能可達 5.5 萬噸，最終計劃在所有旗下工廠引入一體壓鑄技術。沃爾沃將在新電動汽車平台的後座部分引入一體鑄造技術，該技術能有效改善生產流程，降低物流成本和排放。全新電動汽車平台將會在 2025 年推出，屆時沃爾沃將實現一體壓鑄汽車的量產。
奔馳發佈一體化壓鑄成果，性能提升顯著。2022 年 1 月，奔馳發佈全新概念車 VISIONEQXX。車身的後部及前部減震塔頂應用了和特斯拉同樣的仿生工程結構部件，整個車身由 3 塊組成：前後分別有一塊一體壓鑄鋁合金鑄件，中間有一套結構電池組。這樣的設計有望減輕車身 15-20%的重量。在這一設計的助力下，VISION EQXX 能耗達到 10kw·h/百公里以下，實際用電里程超過 1000km。
二、三大關鍵詞：一體壓鑄工藝、大型壓鑄機、鋁熱合金高壓鑄造（壓鑄）是將熔化狀態金屬在模具內加壓冷卻成型的精密鑄造方法。金屬製品主要採用機牀銑削、鈑金成型焊接、鑄造三種工藝生產。其中鑄造主要生產內部結構複雜，難以用鈑金成型或機牀銑削不具有經濟性的零件。鑄造主要分為砂型鑄造和特種鑄造兩類，壓鑄屬於特種鑄造範疇。壓鑄全稱高壓鑄造，是一種將金屬熔液壓入鋼製模具內施以高壓並冷卻成型的一種精密鑄造法。壓鑄適合鑄造結構複雜、薄壁、精度要求較高、熔點比鋼低的金屬零件（鋁、鋅、銅等）。作為一種幾乎無切削的近淨成形金屬熱加工成型技術，其產品具有精密、質輕、美觀等諸多優點，廣泛應用於汽車、家電、航空、機械等諸多行業。
鑄造工藝類型分類示意圖
高壓鑄造是批量生產鋁合金鑄件的最高效生產方式。與採用石英砂做鑄造模具的重力鑄造相比，高壓鑄造具有以下優勢：1、模具可以反覆利用；2、通過模具內的冷卻系統可以實現快速成型並實現連續生產；3、冷卻中對熔融金屬施加壓力保證零件具備更好的應力強度；4、金屬模具內部尺寸精確，可做到精密鑄造。壓鑄雖然高效，但因模具材料均為鋼製，因此只能製造熔點比鋼低的金屬。目前高壓鑄造行業所使用的基材主要是鋁/鎂/鋅/銅等合金材料，其中鋁合金的應用最為廣泛。鋼材因熔點加高，因此只能採用每次需要破拆石英砂模具的重力鑄造，效率較低。
與高壓鑄造相近的是低壓鑄造，低腰鑄造同樣採用 可循 環的 鋼製模 具，但低壓鑄造壓射壓 力僅在 1~5MPa， 遠低於高壓鑄造的300~600MPa 水平。低壓鑄造適合生產壁厚較厚的鑄造鋁/鎂/鋅/銅合金等材料的零件，例如汽車輪轂、皮帶輪等。雖然低壓鑄造設備結構簡單投資相對較低，但其生產效率和零件強度低於高壓鑄造，所以在產品適合採用高壓鑄造且需要大規模批量生產情況下，高壓鑄造是鋁/鎂合金等鑄件的最高效生產方式。
一體壓鑄工藝是汽車製程中的顛覆性技術，壓鑄機有望成為汽車製造領域的核心裝備。 從上世紀初焊接技術逐步成熟以來，汽車車體制造工藝均以鈑金衝壓+焊接為主。上世紀70 年代以前，汽車車體焊接主要由人工作業完成。1970 年代數控技術逐步成熟，工業機器人誕生，最早應用於汽車焊接工藝。過去 50 年間，汽車車身製造工藝始終以鈑金衝壓+機器人焊接為主。本次特斯拉一體壓鑄技術有望使汽車車體制造工藝發生重大變革，壓鑄機有望取代焊接機器人成為造車核心裝備。
汽車白車身製造工藝及核心裝備演變趨勢
“一體壓鑄”簡化車身製造工藝流程，整合供應鏈環節。一體壓鑄工藝將取代傳統車身結構件的組件衝壓和焊接環節，特斯拉稱其新一代全壓鑄底盤可減少 370 個零件，車門和前後兩蓋結構件也同樣可用壓鑄工藝，零件數量鋭減，車體制造流程大幅簡化。同時，整車廠內原先複雜的機器人白車身焊接線也被大幅簡化，僅需要將若干車身壓鑄組件和外覆蓋件組裝焊接即可。車體制造管理流程和所需人力也相應降低。
一體壓鑄工藝可以大幅簡化車身生產流程
車身重量減輕，減少電池裝機量，電池降本是鋼換鋁式車身材料增加成本的 6.6 倍。 特斯拉新一代一體壓鑄底盤有望降低 10%車重，對應續航里程增加 14%。以普通電動車電池容量 80kwh 為例，若採用一體壓鑄車身減重並保持續航里程不變，則電池容量可減少約 10kwh。按照磷酸鐵鋰電池 pack 成本 800 元/kwh 計算，則可降低成本 8000 元。
鋁高壓鑄造工藝已較多應用於車身結構件。鋁合金鑄造性能好，被廣泛用於結構複雜的零件和殼體，如發動機機體、副車架、白車身和轉向節等。鋁壓鑄件相比鑄鋼和鑄鐵件具有密度低、比強度高等諸多優點。在同等排量的發動機中，全鋁發動機相比普通發動機能夠減輕 20 公斤。在汽車白車身系統上，一個整體鑄造的車身結構件，如鋁製減震塔（shock tower）或後縱梁（rear rail）等零部件，能夠替代 5-10 個衝壓零部件，重量更輕，且節省了焊接成本。
鋁壓鑄結構件成本較高，主要應用於豪華品牌車型。鋁壓鑄結構件雖然比強度高、生產效率高、集成優勢強，但是由於鋁合金成本遠高於鋼，且高壓壓鑄設備價格昂貴，因此小尺寸的鋁壓鑄結構件成本顯著高於鋼衝壓焊接結構件。當前應用鋁壓鑄結構件的多為 35萬元以上的豪華品牌車型，平均單車價值不到 3000 元。以凱迪拉克 CT6 為例，車身上前減震他、前翼子板支架、扭轉盒等零件均採用鋁合金高壓鑄造工藝生產，單車價值約為 2750元。
壓鑄車身結構件行業多由喬治費歇爾、麥格納等外資主導，國內文燦、鴻圖等也有配套。海外高壓鑄造供應商起步早，因此產品、技術和客户覆蓋上普遍領先於國內企業。從全球來看，高壓鑄造行業規模較大的供應商有瑞士喬治費歇爾（Georg Fischer）、加拿大卡斯馬（Cosma，麥格納旗下車身事業部）、德國德志（DGS）、日本利優比等。在壓鑄車身結構件上，喬治費歇爾、卡斯馬和德志等企業具有先發優勢，如喬治費歇爾在鋁車身結構件真空高壓壓鑄工藝上有超過二十年曆史。麥格納深耕鋁壓鑄多年，鋁壓鑄相關技術持續領先，2022 年 4 月憑藉 Aural 5R 鋁合金（即鋁壓鑄金）入圍素有汽車界奧斯卡獎之稱的 PACE Pilot 創新前瞻獎決賽。國內壓鑄車身結構件參與者主要有文燦股份、廣東鴻圖和拓普集團等。
“一體壓鑄”技術有望快速滲透，車身結構件一體壓鑄具備百倍成長潛力。考慮“一體壓鑄”技術對白車身生產降本帶來的顯著效應，預計全球主機廠有望快速跟進這一技術路線。據產業調研，我們測算 2022 年一體化壓鑄件全球市場空間約為 22 億元；到2030 年，預計全球主機廠將都跟進這一技術趨勢，乘用車一體壓鑄全球滲透率為 30%，在保守情形下，預計一體壓鑄技術將應用於前後底板、電池盒體、前副車架、電機/電驅外殼等部位，合計單車價值量約 1 萬元，對應行業市場空間 2460 億元，8 年 CAGR 達 80%；中性情況下，預計電池盒蓋板、中控台骨架、副車架等部件也將應用一體壓鑄技術，合計單車價值量約 1.8 萬元，對應市場空間 3739 億元，8 年 CAGR 達 90%；樂觀情況下，預計 A/B/C 柱側圍、車頂及座椅骨架也將採用一體壓鑄技術，合計單車價值量約 2.5 萬元，對應市場空間為 4477 億元，8 年 CAGR 達 94%。
一體壓鑄市場空間測算（單位：億元）
一體壓鑄工藝將主要取代白車身、四門、後蓋結構件的衝壓和焊接環節。根據特斯拉電池日（2020 年 9 月 3 日）公佈的車身一體鑄造技術和力勁科技調研可知，未來汽車的覆蓋件衝壓生產的方式不會改變之外，其餘車身、電池盒、車門骨架、後蓋、前後副車架等結構件的衝壓和焊接環節均可以採用壓鑄工藝生產，這將使得整車白車身生產工藝大幅簡化。A/B 柱、車頂和座椅骨架是否能夠採用鋁壓鑄工藝代替鋼材衝壓焊接，目前還在探討當中。
壓鑄工藝路線與傳統焊裝工藝對比（★為整車廠生產，其他為外購件）
前地板、後地板和電池托盤有望在 2022 年實現一體壓鑄技術的應用。根據特斯拉電池日公佈的信息，其製造技術創新主要集中在前、後地板和電池包：前、後地板均應用一體鑄造技術，將數十個衝壓零件焊接在一起的總成替換成一個整體的大型鑄件；電池包中的電芯採用了大圓柱無極耳設計，能夠與電池殼緊密貼合，和結構件一樣實現承重功能。特斯拉於 2021 年在 Model Y 車型的後地板上量產一體壓鑄技術，完成前地板一體壓鑄件試製，兩者均採用 7000 噸級壓鑄機生產；若後期考慮採用一體壓鑄工藝生產電池托盤，則需要用到 1.2 萬噸級別的壓鑄機。2022 年 1 月，力勁科技已與廣東鴻圖簽署 1.2 萬噸級壓鑄機購買合同，預計 2022 年三季度可交付，屆時行業有望實現採用一體壓鑄技術生產一體壓鑄電池托盤。
在特斯拉推出一體壓鑄技術前，因新能源車用鋁量增加，鋁壓鑄件已開始在車身零件上逐步滲透。目前前副車架（Model 3）、車門（Model X）、電機和電驅外殼已有車企採用鋁壓鑄件。特斯拉一體壓鑄技術帶動 5000 噸以上超大型壓鑄機逐漸問世，為車身其他部位結構件導入壓鑄提供可行性。除底盤外的 A/B/C 柱側圍、車頂、尾門、電池盒上蓋以及CATL 推出換電方案而產生的電池倉，上述車身結構件也具備採用壓鑄工藝替代衝壓焊接件的可能，並且目前已有車企和零部件廠在研發相關工藝和技術。中控台骨架和座椅內部結構件國外已有采用壓鑄鎂合金替代鋼製衝焊件來減重的案例。上述結構件若全部採用壓鑄工藝生產，則單車零件配套壓鑄相關設備投資約 10 億元左右。
車身結構件現有和理論上可採用壓鑄技術生產的零件及對應壓鑄機噸位和單車價值量（億元）
超大型壓鑄機效率提升，單機產能有望從 12 萬件/年提升至 18 萬件/年。2021 年特斯拉首次導入一體壓鑄生產 Model Y 後橋時，壓鑄機單次工作循環在 180s 左右，若按每天生產 20 小時、一年工作 300 天計算，則單台壓鑄機產能在 12 萬件/年。目前超大型壓鑄機通過提升工作效率優化生產流程，單次工作循環有望提升至 120s 左右，仍按每天生產20 小時、一年工作 300 天計算，則壓鑄機提效後單季產能提升至 18 萬件/年。壓鑄機提效將進一步提升一體壓鑄的經濟性，有望更快的替代傳統衝壓焊接結構件。
預計一體壓鑄在汽車行業滲透率提升至 90%需要 10~15 年左右。將汽車一體壓鑄變革與手機外殼金屬化做類比，2020 年特斯拉開始導入一體壓鑄車體類似於 2010年蘋果發佈 iphone4，業內其他企業開始探索和跟進。手機行業用 7 年左右時間將金屬機殼滲透率提升至 90%左右。考慮到汽車行業產品迭代速度比手機行業慢 1 倍左右，我們預計一體壓鑄車身在汽車行業滲透率提升至 90%需要 10~15 年左右時間，當行業總體形成共識後，滲透率提升速度有可能加快。
預計到 2030 年全球壓鑄機及相關設備市場規模將從 2021 年的 85 億元增長至 713 億 元，一體壓鑄將使全球壓鑄機市場持續高增長。根據力勁科技相關調研分析，2021 年一體壓鑄相關壓鑄機系統市場規模在 10 億元左右。按照行業規律，假設未來十年行業規模呈線性增長，則預計新增的一體壓鑄車身結構件相關需求到 2030 年當年壓鑄機系統市場規模在 600 億元左右，未來十年 CAGR 58%。按照全球傳統壓鑄機市場年銷售額 75 億元，未來十年行業需求複合增速 5%計算，預計到 2030 年全球壓鑄機及相關設備市場規模約713 億元。其中一體壓鑄的佔比將從 2021 年的 12%增長至 2030 年的 84%，一體壓鑄需求將使全球壓鑄機市場在未來十年持續高增長。
汽車輕量化潮流促進“以鋁代鋼”，鋁合金材料應用比例持續增加。普通 B 級車鋼製白車身重量通常在 300-400kg，“以鋁代鋼”可使白車身種類降低 30%-40%。世界鋁業協會報告指出，NEDC 工況下汽車自重每減少 10%，能減少 6%-8%的能耗。由於“以鋁代鋼”減重及節能效益明顯，汽車傳統非承載件（例如殼體、支架類）已廣泛使用鋁合金材料；近年來，隨着高緻密度壓鑄成型技術發展，部分大型、複雜、薄壁汽車關鍵承載件（如汽車減震塔、副車架、座椅骨架、壓鑄底盤等）開始採用壓鑄鋁合金進行生產。2021 年 6月，特斯拉宣佈下一步計劃採用 2-3 個大型壓鑄結構件組裝車體總成。
特斯拉 Model Y 整塊後車底一體壓鑄成型部件
傳統壓鑄結構件需熱處理、矯形，一體壓鑄下尺寸精度和成本難以兼顧。目前傳統壓鑄結構件因其使用材料的限制，在壓鑄工藝後需要通過熱處理（高温固溶+過時效）來提升其強度、堅固性、延展性等指標，以達到汽車碰撞安全的要求；但是熱處理加熱和冷卻的過程會導致零件變形，需要通過專業設備或人工進行矯形，以保證尺寸精度。這樣的工藝設計不利於一體壓鑄技術的應用，因為零部件尺寸成倍變大後，其熱處理、矯形的製造費用以及產生廢品的風險大幅提升，極大影響零件的生產效率和成本。因此，傳統的鋁合金壓鑄材料難堪一體鑄造的大任，免熱處理材料應運而生。
目前，一體壓鑄成型工藝以大型壓鑄件為主，而非原有數箇中小型零部件組合而成，需要流動性強、可適應多種壁厚以及儘量避免熱處理帶來合金變形的壓鑄材料。而免熱處理鋁合金的特點是零部件不需要經過高温固溶處理和人工時效，僅通過自然時效即可達到較高的強度和塑性。
鋁合金熱處理方法分類
傳統熱處理鋁合金材料，僅適用於壓鑄中小型結構件，總成組裝仍需經過數十至上百次的鉚接/焊接過程。免熱處理鋁合金具備非常好的熱穩定性能與力學性能，適合大型壓鑄件生產，可實現一次簡單壓鑄加工，由焊接幾小時改善為壓鑄幾分鐘，精簡連接工序、節約生產時間，使得車身結構件的成本和性能具有較大優勢，亦提高產品的良品率，並可以減少碳排放（省去零件壓鑄後的熱處理工藝），順應碳中和節能減排趨勢要求，所以其為一體壓鑄最佳材料選擇。
對 2022-2025年國內與國外新能源車與 2030 年國內與國外乘用車整體免熱處理合金市場空間進行測算。預計 2022-2025 年國內新能源車整體免熱合金市場規模分別為 8.15 億元、22.97 億元、46.35 億元、145.15 億元，對應 2022-2025 年 CAGR 為 161%；保守/中性/樂觀情形下估計 2030 年國內乘用車整體免熱合金市場規模為 377/562/665 億元。伴隨主機廠一體壓鑄強需求牽引，大型壓鑄設備與配套模具持續落地提供強底層支撐，材料端免熱處理合金成功革新，產業鏈各環節配合漸入佳境，工藝愈發成熟，模式逐步跑通，一體壓鑄有望加速滲透帶動免熱合金需求快速釋放。
車東西認為，一體壓鑄技術減少了汽車製造工藝的成本，還顯著提升了整體結構強度，提高原材料回收利用率，並縮短了開發週期。作為第一個吃螃蟹的人，特斯拉已經嚐到了甜頭。一體化壓鑄技術的引入讓特斯，拉在提升產能的同時降低了成本。一體化壓鑄車型已是大勢所趨，這是馬斯克引發的汽車產業製造變革的給這個產業帶來了活力。