特斯拉顛覆汽車(chē)制造的一體化壓鑄技術(shù)，增材制造功不可沒(méi)

導(dǎo)讀：近年來(lái)，新能源汽車(chē)行業(yè)發(fā)展迅猛，在汽車(chē)底盤(pán)的制造工藝上，特斯拉率先實(shí)現(xiàn)了一項(xiàng)重大突破，采用了一體化壓鑄技術(shù)來(lái)制造車(chē)身部件。而在制造一體化壓鑄模具的過(guò)程中，特斯拉使用到了增材制造 (AM)技術(shù)，其他汽車(chē)制造商也紛紛跟進(jìn)，增材制造一時(shí)間成為革新汽車(chē)制造工藝的重要?jiǎng)?chuàng)新應(yīng)用。

顛覆汽車(chē)制造工藝，特斯拉一體壓鑄技術(shù)

傳統(tǒng)的汽車(chē)底盤(pán)，一般是將成百上千個(gè)零部件焊接在一起，形成三段式結(jié)構(gòu)。而特斯拉一體壓鑄技術(shù)，直接把多個(gè)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身底盤(pán)零部件，壓鑄成一個(gè)整體件。這樣一來(lái)，不但降低了汽車(chē)的制造成本，而且車(chē)身會(huì)更加穩(wěn)定堅(jiān)固，開(kāi)發(fā)一款新車(chē)的時(shí)間縮短至18-24個(gè)月。用一個(gè)大型壓鑄機(jī)，就可以讓產(chǎn)線(xiàn)二三百個(gè)機(jī)器人集體“下線(xiàn)”，單這一項(xiàng)就能省不少成本。

圖源：國(guó)海證券研究所報(bào)告

據(jù)悉，一體化壓鑄的Model Y車(chē)身前&后地板，相比傳統(tǒng)沖壓&焊接工藝零部件減少169個(gè)，成本大幅下降。目前，特斯拉的一體化已經(jīng)進(jìn)化到2.0階段，上海超級(jí)工廠生產(chǎn)的Model Y，就是用的一體壓鑄技術(shù)2.0。原本多個(gè)散件集成為一個(gè)零件，生產(chǎn)效大幅爬升，相比傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，車(chē)身系統(tǒng)的重量，可以減少超10%。最重要的還是降本，得益于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，Model Y后底板總成系統(tǒng)采用一體壓鑄方式后，成本狂降40%。

△特斯拉一體化壓鑄車(chē)身零件

在認(rèn)識(shí)到這一技術(shù)的巨大好處后，其它車(chē)企紛紛快速追趕，包括豐田、通用、福特等大批傳統(tǒng)車(chē)企，以及蔚來(lái)、小鵬汽車(chē)、高合汽車(chē)等造車(chē)新勢(shì)力，相繼與合作伙伴研發(fā)一體壓鑄技術(shù)。

一體化壓鑄技術(shù)的好處不言而喻，既能提高生產(chǎn)效率，又能降低成本，但也不是完全沒(méi)有缺點(diǎn)，最大的問(wèn)題就是壓鑄設(shè)備及壓鑄模具。目前特斯拉用于Model Y車(chē)身件的一體壓鑄機(jī)是鎖模力為6000噸級(jí)別的壓鑄機(jī)。而其擁有的鎖模力最大的機(jī)器是專(zhuān)為生產(chǎn)Cybertruck打造的9000噸級(jí)別壓鑄機(jī)。而要實(shí)現(xiàn)整個(gè)車(chē)身底部一體式壓鑄，據(jù)測(cè)算，需要鎖模力達(dá)16000噸的機(jī)器。

△一體化壓鑄設(shè)備

壓鑄模具的研發(fā)成本也相當(dāng)高，有鑄造專(zhuān)家稱(chēng)，一旦制造出大型金屬試模，在設(shè)計(jì)過(guò)程中的一次加工調(diào)整，就可能會(huì)花費(fèi)10萬(wàn)美元，而重新制造模具，更是可能需要150萬(wàn)美元。除非模具能一次滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，否則后期調(diào)整變更，甚至報(bào)廢都是一筆很大的費(fèi)用。

一般情況下，大型金屬模具的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程需要花費(fèi)約400萬(wàn)美元，而這一過(guò)程往往需要重復(fù)五六次甚至更多才能達(dá)到完美狀態(tài)。不過(guò)特斯拉一開(kāi)始就想到了怎么解決這個(gè)問(wèn)題——用3D 打印。

據(jù)悉，馬斯克為了將車(chē)身底部鑄造成一個(gè)整體，求助了使用 3D 打印機(jī)用工業(yè)砂制作測(cè)試模具的公司 Tooling & Equipment International（TEI）。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是利用3D打印機(jī)將液體粘合劑沉積在薄薄的砂層上，然后一層一層地制造出砂型或砂芯，配合壓鑄模來(lái)鑄造驗(yàn)證，等驗(yàn)證完成再去開(kāi)模具，從而降低壓鑄模具制造過(guò)程中的修改和失敗成本。而并不是特斯拉用砂型3D打印機(jī)來(lái)打印壓鑄模具。

△TEI 使用Voxeljet VX4000 3D打印砂型

同時(shí)3D打印的另一個(gè)好處是可以節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間，據(jù)路透社報(bào)道，使用3D打印設(shè)備，在幾小時(shí)內(nèi)就能重新打印出一個(gè)新原型，因此特斯拉可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求多次反復(fù)進(jìn)行調(diào)整。在時(shí)間方面，使用砂型鑄造的設(shè)計(jì)驗(yàn)證周期只需要2到3個(gè)月，而金屬模具原型則需要半年到一年的時(shí)間。

特斯拉3D打印核心供應(yīng)商，被通用汽車(chē)收購(gòu)

特斯拉的一體化壓鑄技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵供應(yīng)商是TEI 提供的砂型3D打印技術(shù)，TEI 等公司用工業(yè)用砂制作測(cè)試模具，并使用3D打印機(jī)制造出能夠澆鑄熔融合金的砂模。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以快速打印砂模，然后以最低成本多次重復(fù)打印，對(duì)模具設(shè)計(jì)進(jìn)行微調(diào)和校正。據(jù)透露，今年特斯拉在進(jìn)一步推動(dòng)使用3D打印砂模來(lái)一次性鑄造大型復(fù)雜汽車(chē)零部件的工藝，旨在通過(guò)加快和降低汽車(chē)制造成本來(lái)徹底改變汽車(chē)制造業(yè)。
這種方法可能會(huì)大幅降低生產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)（EV）所需的成本和時(shí)間，尤其是對(duì)于汽車(chē)底盤(pán)等大型零部件。傳統(tǒng)金屬模具在修改上昂貴且耗時(shí)長(zhǎng)，但3D打印砂模提供了一種更靈活、成本效益更高的解決方案，可以快速進(jìn)行設(shè)計(jì)修改和創(chuàng)新。這一發(fā)展符合特斯拉的“非約束式”制造戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略旨在簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，降低成本，進(jìn)一步鞏固特斯拉在汽車(chē)行業(yè)的顛覆者地位。

然而，就在今年11月，通用汽車(chē)（GM）宣布完成對(duì) TEI 的收購(gòu)，交易金額超過(guò)1億美元（7.2億人民幣），TEI 曾利用砂型3D打印技術(shù)協(xié)助特斯拉開(kāi)發(fā)車(chē)身一體化壓鑄技術(shù)。

其他有望用于一體化壓鑄的3D打印技術(shù)

實(shí)際上，3D打印技術(shù)在汽車(chē)制造中還有很多其他應(yīng)用，包括上述的3D打印砂型可以用于鑄造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，金屬3D打印也可以直接用于打印汽車(chē)金屬件或者制造壓鑄模具鑲件，高分子3D打印技術(shù)可以用于制造汽車(chē)內(nèi)外飾件等。

在副車(chē)架試制的過(guò)程中，湖州美邁科技通過(guò)使用混合3D打印技術(shù)(3D打印+精密金屬熱成型技術(shù))，讓新能源副車(chē)架的結(jié)構(gòu)在集成細(xì)小部件的同時(shí)，還能保持整體結(jié)構(gòu)的精簡(jiǎn)性，在測(cè)試過(guò)程中，試制的副車(chē)架也滿(mǎn)足減震、剛度等維度的性能要求，讓人們看到汽車(chē)研發(fā)制造的新選擇。

△湖州美邁科技制造的新能源副車(chē)架

蘇州勻晶科技成功研制出適用于新能源汽車(chē)下車(chē)身一體化壓鑄的低成本、長(zhǎng)壽命、超大尺寸熱作模具鋼隨形控溫鑲件，可將壓鑄件關(guān)鍵部位的缺陷率減少100-450%，使生產(chǎn)效率提高30-100%，產(chǎn)品已批量供貨國(guó)內(nèi)外主流新能源車(chē)企。

△勻晶科技為某壓鑄企業(yè)制造的澆口分流器

END

那么是否可以用3D打印機(jī)直接打印壓鑄模具呢？目前仍存在很多技術(shù)難題需要突破，首先是壓鑄模具材料，壓鑄模具的材料選擇直接影響著模具的精度、壽命和成本，常用的壓鑄模具材料包括工具鋼、合金鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷等，要研發(fā)出適合3D打印的壓鑄模具材料。

其次，目前特斯拉已經(jīng)能夠制造出長(zhǎng)達(dá)1.8米的巨型鑄件，而模具的尺寸要更大，這已經(jīng)超出了當(dāng)前SLM 金屬3D打印技術(shù)的尺寸極限，需要更大打印尺寸的打印機(jī)，或者能夠?qū)⒛＞叻指畲蛴　?br />