一体化压铸技术的魅力

在过去十几年，汽车制造界习惯使用冲压为汽车生产车身零部件。汽车车身是指车身覆盖件焊接或铆接在车身骨架上形成的完整壳体，由车身焊接总成（白车身）及其附件组成，一个完整的白车身主要由前围总成、侧围总成、地板总成，顶盖总成、后围总成及四门两盖组成。传统汽车制造工艺分为4个环节：一是冲压，利用不同的压机，完成车门、左右侧围、机舱盖、前后底板、顶盖、后背门及各种冲压小件的制造；二是焊装，将冲压完成的车身围件焊接在一起，完成白车身的制造；三是涂装，对白车身进行各种防腐处理，并喷涂上漂亮的色漆、清漆，以达到上色和表面防护的作用；四是总装，将车身上各种零部件及系统安装在车身上组装成一台完整的汽车并进行点检、路试等一系列测试，最终下线成为合格商品车。

一体化压铸技术就是以单个大型铝铸件替代原本十几个或者几十个小型零件，相当于覆盖了冲压和焊接两个步骤。其基本工作原理是将熔化的铝液灌入高压模具，待铝液冷却后凝固，再将其放入水中加速冷却，随后利用高功率激光器进行后续处理与质检，这样成型的铸件就能用于汽车的制造。

传统制造工艺生产的Model3后底板有70 个部件( 左)；
引入一体化压铸机后ModelY后底板变成2 个部件（最终将减至1 个部件）（右）

70个部件变1个

在传统汽车时代，投入产出比最大化的“精益工厂”是汽车制造业标杆。进入智能汽车时代，“超级工厂”则成为空间超级大、效率超级高和工业化程度超级厉害的“代名词”，伴随出现的是高度集成化、电气化生产线、能够像玩具一样把零部件一次成型的巨型压铸机、不使用化石燃料的清洁能源等等。特斯拉的一体化压铸技术旨在简化其未来运输平台的设计，并在制造过程中实现更高的自动化程度，以最高的效率和质量生产汽车。

2019年夏季，特斯拉发布了名称为“用于车架和相关方法的多方向一体化压铸机”的专利，还公布了特斯拉用于ModelY型车的一种新型压铸机。该专利提出了一个系统，由特斯拉模具制造主管马特·卡拉斯设计。根据目前车架配置的多方向一体化压铸机，包括一个具有车辆覆盖件的模具和几个可以相对于覆盖件模具平移的凸压模具。此类凸压模具会分别移动至压铸机中央的压铸区，负责不同部件的压铸，在一台机器上完成绝大多数的车架压铸工作。

柏林超级工厂是特斯拉在欧洲建立的首家工厂，一期项目将安装8台多方向一体化压铸机，投产后可实现年产50万辆汽车以及所需电池。这些压铸机由意大利压铸技术专业公司IDRA生产，量达8000吨，体积和房屋大小相近，需要多达24辆平板卡车来运送组装件，可以生产用于制造ModelY前车底和后车底的压铸件。Model3后底板有70多个零部件，而使用一体化压铸技术后，ModelY的后底板仅有两个大件，焊点也由约700~800个减少到50个。柏林超级工厂不会只生产ModelY一款车型，虽然以ModelY作为开张作品，但特斯拉暗示Model3轿车也将在该工厂下线。特斯拉首席执行官埃隆·马斯克宣称，特斯拉打算在柏林超级工厂投产一款尚未宣布的车型，这款车是特斯拉为欧洲市场量身定做的作品。ModelY和Model3潜在紧凑车型将刺激欧洲消费者对特斯拉汽车的需求进一步扩大，假设每辆车需要使用3件压铸部件，而每台压铸机需要20%的故障检修时间，柏林超级工厂每年完全可以产出200万辆，将远远超过起初预期的年产量水平。

此前，特斯拉在美国加利福尼亚的弗里蒙特超级工厂使用当时两台全球最大的6000吨压铸机，生产的车尾压铸件可用于制造ModelY的后底板。根据无人机拍摄到的景象，每次冲压作业的时间大约为170秒钟，这可能与机器尚未完成优化调试有关，还有很大的优化空间。弗里蒙特超级工2021年平均每周生产8550辆汽车，成为去年北美生产效率最高的汽车厂之一。马斯克早些时候曾表示，“特斯拉将在ModelY车型的车身使用铝铸件设计，而不是冲压钢和铝部件。当我们引入大型压铸机之后，就可将70个部件变成1个，机器人无需将这么多部件组装在一起，从而大大减少成本。”

一体化压铸技术在Model Y 制造中发挥着重要作用

普通的一体式车架由几十个小的部件组成，它们在冲压机中被巨型模具折叠切割而成，然后由人或机器人用胶粘剂或焊接的方式粘在一起，就好比一个巨大的折纸，如果遇到剧烈撞击，各部分散架的概率很高。而一体化压铸机结束了“折叠”和“粘合”的大部分工作，可大大减少压铸完整或基本完整车架所需的部件数量。虽然压铸机主要压铸的是一次成型的车架，但是根据需要也可以压铸其中的80%或者60%。

为何选择一体化压铸？

关于一体化压铸的优势，马斯克曾经用“更轻、更紧凑、更低的投资、更低的单位成本”来形容。特斯拉在ModelY的制造中革命性地一体化压铸了车身的整个后底板，将冲压和焊装合并，简化了白车身的制造过程。一体化压铸零件包含整车左右侧的后轮罩内板、后纵梁、底板连接板、梁内加强板等零件，型面、截面的变化以及料厚的变化都比较剧烈，相比传统车企量产的单体压铸结构零件难度增加很多。ModelY的白车身后部几乎没有肉眼可见的焊接痕迹，大幅提升了车身结构的稳定性。

一体化压铸技术大量节省了生产线、基础设施、时间和人力成本。根据马斯克所述，一台压铸机占地仅100平方米，采用后工厂的占地面积减少了30%，基础设施成本大幅降低，预计将给ModelY节省约20%的制造成本。压铸机一次压铸加工的时间仅为80~90秒，每小时能完成40~45个铸件，一天能生产1000个铸件，而传统工艺冲压焊接成一个部件至少需要两个小时。由于应用了新的合金材料，压铸件的表面粗糙度可达Ra0.8-3.2μm，足够光滑，基本不用再进行机加工。一体化压铸技术显著减少了生产的时间成本后，基于产流程的简化，所需的技术工人至少能缩减到原来的十分之一。

在自动驾驶领域，车辆需要通过激光雷达、毫米波雷达、高清摄像头等高精度测量设备探测和感知路况，这些设备对于偏航角、俯仰角、滚转角的安装精度有着极为苛刻的要求，传统车身制造工艺无法满足自动驾驶设备的安装需求。而一体化压铸技术将造车精度级别提高至微米级别，以整体性部件代替冲压和焊接的多个车身围件，可以有效避免大量零件焊接时的误差累计。压铸零件将车身匹配的尺寸链缩短至两到三环，尺寸链环越少，车身精度的影响因素越少，车身精度的实现和稳定性也越好。加之数控加工技术，特斯拉将整车精度提升至微米级别。马斯克发布推特称，下一代ModelY车型的精度将以微米为单位，而不再是毫米。

一台压铸机占地仅 100 平方米

一体化压铸技术只使用一种材料，全铝车身的材料回收利用率可以达到95%以上。一体化压铸零部件由金属液一次充型完成，材料单一。回收时可直接将废料融化制造其他产品，保证了白车身制造过程中极高的原材料回收利用率。而运用传统制造工艺，在制造白车身时混合使用多种材料，每一个零件的种类（钢、铝）、牌号、金属元素的含量都不一样，报废后的整车白车身只能作为炼钢炼铝的原材料，无法直接整体回炉后制造新的产品。

传统汽车制造中零部件众多，匹配管控耗时长，开发周期长达6个月。针对车身、内外饰、电器等专业的外观类零件，需要经过MB1、MB2、MB3三轮综合匹配，才能将零件固化稳定在公差要求范围之内。这项工作在整车开发流程中需要耗费近6个月时间，属于周期长、工作量大、重复性高的工作。而一体化压铸将主机厂内的冲压、焊装车间和主机厂外的供应商零部件生产场地全部替换，上游、中游、下游的所有业务全部被压铸单件的管控取代。零部件的减少带来物流的简化，大大降低了白车身的匹配难度，缩短开发周期。若内外饰、电气等零件匹配能提前固化，车型迭代速度有望进一步提升。

一体化压铸能使车辆轻量化，因为一体化压铸用的铝合金材料是轻量化的最佳解决材料。当铝合金用量达到250公斤时，就相当于减少了500公斤的汽车用钢量。根据国际铝业协会的计算，纯电动车用铝最高可达361.3公斤，占整备质量的33.1%。以一辆1.5吨的乘用车为例，就相当于在现有水平上减少了30%左右的重量，可将燃油效率提高20%以上。实验证明，如果减重10%和15%，汽油乘用车可分别减少油耗3.3%和5%，柴油乘用车的油耗分别减少3.9%和5.9%，电动车（包括插电式混合动力车）则能分别减少电能消耗6.3%和9.5%，其中轻量化对电动车的促进作用最为明显。在电池技术暂时难以有质的突破前提下，新能源电动车车身轻量化无疑是进一步增加续航和解决里程焦虑的最佳选择。

碳减排是目前汽车行业面临的最大难题，影响了车企们在新能源车型的偏重以及在原材料和工艺上的选择。传统的钢铝合金和钢制底盘需要通过多家多级采购部件，一体压铸车身选择碳足迹很低的铝材（每公斤低于4公斤的二氧化碳的排放量），碳排放更低也更可控。除了减少生产过程中的碳足迹，更重要的是一体化铸造技术还有助于减少汽车离开装配厂后对环境的影响。用这种新技术生产的电动汽车重量更轻，驾驶时消耗更少的电力，减少轮胎、刹车和路面磨损等非尾气排放。

未来展望：一辆车仅8块构件

凡事皆有两面性，一体化压铸技术在引领制造变革的同时也经受着来自不同方向的质疑，如是否能满足工艺强度的要求、零部件寿命如何保证和碰撞后用户维修的成本是不是太高了等。的确，一体化压铸技术存在一些有待解决的难题。像为了满足不同汽车部位对硬度和刚度等需求时，传统部件要进行不同的热处理。但是对于一体化压铸部件来说，无法进行单独部位的热处理。因此必须找到适合的合金和原材料，与此同时要保证铸造技术的成本优势。

对于用户来说，如何维修是最关心的问题。一旦发生碰撞，造成一体化压铸成型的部件损坏，就只能将其整个替换，导致维修成本偏高。目前采用一体化压铸工艺的主要是后底板，特斯拉已生产出一体化压铸的前底板。业内专家估计，未来中底板也能有望能实现一体化压铸。中底板需要的压铸吨位比前后底板要更大一点，前后底板批量生产之后再考虑中底板，有望在未来3~5年将前中后底板一次做起来。前中后底板是整个白车身最核心的部分，A柱、B柱应用一体化压铸工预计时间会更长一点。根据特斯拉早前申请的压铸机专利显示，未来特斯拉的车身将由5块压铸大件组成，底盘将由3块压铸件组成。一辆车仅8块构件，预期将降低40%的生产成本。

近日，瑞典沃尔沃汽车公司宣布，未来几年将向位于哥德堡附近的托斯兰达（Torslander）制造工厂投资100亿瑞典克朗（大约合70亿人民币元），为生产下一代纯电动汽车做准备。该制造工厂于1964年4月投产，约有6500名员工，年产量为30万辆汽车，是沃尔沃汽车运营时间最长的制造工厂之一。此前，沃尔沃汽车和瑞典电池电芯行业头部企业Northvolt公司共同投资300亿瑞典克朗（大约为210亿人民币元），用于电池研发制造计划。

作为计划投资的一部分，托斯兰达制造工厂将引入一些更可持续的新技术和制造工艺，其中包括引入铝合金一体化压铸技术、新建一个电池装配厂和全面翻新油漆和总装车间。沃尔沃汽车公司工程和运营主管哈维尔·瓦雷拉表示：“沃尔沃汽车的未来是全电动的，需要对托斯兰达制造工厂进行各种升级，以确保能够继续制造最高质量的优质电动汽车，在汽车安全性和可持续性方面达到新的突破。”

在整个投资方案中，为下一代沃尔沃电动车型引入一体化压铸技术是最关键和最令人鼓舞的部分。作为最早投资这项先进工艺的世界汽车制造商之一，沃尔沃汽车计划改用特斯拉的巨型压铸技术，以提高生产下一代电动汽车的行驶里程和充电速度。瓦雷拉解释道：“你注入的所有铝都能够完全利用，不会像冲压那样产生任何废料。最大的挑战是在托斯兰达制造工厂进行传统制作程序的同时，向铝合金一体成型压铸转换。但我们对团队充满信心，相信员工的创造能力。”

沃尔沃汽车车辆平台解决方案架构师米开尔·费默曾在苹果公司担任了3年高级产品设计工程师，之后于2018年回到沃尔沃。他表示，“这是汽车车身从木材转向钢铁以来最大的技术转变，铝合金一体化压铸技术将使沃尔沃汽车围绕底盘、动力系统和内饰进行更严格的设计。向电动汽车生产的过渡是向铝合金一体成型压铸工艺转变的最佳时机，将使沃尔沃汽车具备灵活性，为进一步的变革做好准备。”

除了沃尔沃汽车，其他对该技术感兴趣的汽车制造商包括梅赛德斯-奔驰。这家世界闻名的豪华汽车品牌在2022年1月份举行的拉斯维加斯国际消费电子展（CES）上首次亮相的EQXX概念车，其压铸了部分高度优化的铝结构铸件等。

（编译自cleantechnica.com；www.teslaoracle.com）

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》

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