特斯拉3D打印砂型模具，助力一體化壓鑄降本增效

2023年9月，路透社日前報道稱，特斯拉在一體化壓鑄上取得技術(shù)突破。通過這項技術(shù)，特斯拉可將電動汽車幾乎所有復雜車身底部零件壓鑄成一個整體，而非僅壓鑄約400個零部件。該技術(shù)將令特斯拉生產(chǎn)成本減半，或改變傳統(tǒng)的電動汽車制造方式。

消息人士表示，全新的制造技術(shù)意味著可以在18至24個月內(nèi)從頭開始開發(fā)一款汽車，而目前大多數(shù)競爭對手需要3至4年的時間。

這種看似簡單的材料選擇轉(zhuǎn)變可能會改變整個行業(yè)的游戲規(guī)則。傳統(tǒng)的金屬模具改造起來既昂貴又耗時。例如，僅儀表板模具的成本就在 100,000 美元到 150,000 美元之間，而保險杠模具的成本可能在 50,000 美元到 100,000 美元之間。發(fā)動機部件模具的起價約為 20,000 美元，最高可達 80,000 美元或更高，具體取決于復雜程度和材料。

這些模具設計中的一次調(diào)整可能花費高達 100,000 美元。但當從頭開始創(chuàng)建一個全新的模具時，成本可能飆升至 150 萬美元，特別是對于汽車底部等大型復雜結(jié)構(gòu)。像這樣的天價數(shù)字需要詳細的設計工作、專門的機械和勞動力、滿足質(zhì)量和安全標準的嚴格測試以及鑄造所需的耐用材料的成本。如此高的成本使得特斯拉對3D打印砂模的探索成為汽車制造業(yè)潛在的革命性發(fā)展。

相比之下，3D 打印砂模提供了更加靈活且更具成本效益的解決方案。工程師可以使用數(shù)字設計文件和 3D 打印機輕松修改設計，并且可以在數(shù)小時內(nèi)以極低的成本打印出新的砂模。這極大地將設計驗證周期從長達一年縮短至兩到三個月，從而實現(xiàn)更快速的創(chuàng)新和調(diào)整。

特斯拉正在計劃推出售價約為2.5萬美元的平價電動汽車，該車型或?qū)⑹褂靡粋�大型鑄件框架，將車頭、車尾以及裝有電池的車身底部結(jié)合在一起。特斯拉預計最早將于本月就是否將整個平臺壓鑄成一體做出決定，最終產(chǎn)品仍可能在設計驗證過程中發(fā)生變化。

9月17日，特斯拉全球第500萬輛整車在上海超級工廠下線。全新的一體化壓鑄技術(shù)是特斯拉在未來十年生產(chǎn)數(shù)千萬輛平價的電動汽車并實現(xiàn)盈利的關(guān)鍵。

該技術(shù)也是馬斯克今年三月公布的最新汽車裝配系統(tǒng)“拆解組裝流程”的核心。特斯拉稱，全新的裝配方式可將電動汽車的生產(chǎn)成本降低50%，同時將工廠空間減少40%。

近年來，全球多家汽車制造商加快對一體化壓鑄技術(shù)的應用。盡管福特F150的制造就曾采用該技術(shù)，但業(yè)界公認真正引領(lǐng)這一變革的是特斯拉Model Y的量產(chǎn)。蔚來、小鵬、理想等造車新勢力以及長城、奔馳、沃爾沃等傳統(tǒng)品牌已經(jīng)追隨特斯拉的腳步采用這一技術(shù)。

特斯拉在制造環(huán)節(jié)的降本增效并未止步于Model Y。為生產(chǎn)平價車型，馬斯克仍在不斷優(yōu)化產(chǎn)線。報道指出，特斯拉本次取得的突破集中在兩個方面，其一在于如何設計和測試用于大規(guī)模生產(chǎn)的巨型模具。

對于汽車制造商而言，一體化壓鑄更大的部件雖然能夠提高生產(chǎn)效率，但研發(fā)成本相當高昂。鑄造專家認為，大型金屬模具的整個設計過程通常需要花費約400萬美元，這一過程往往需要重復六次甚至更多才能達到完美狀態(tài)。

為此，特斯拉使用3D打印機用工業(yè)砂制作測試模具。打印機將液體粘合劑沉積到薄薄的沙層上，并逐層構(gòu)建可以壓鑄熔融合金的模具。消息人士稱，砂型鑄造的設計驗證過程成本是現(xiàn)有方案中最低的，僅為金屬原型的3%。

這一方案的優(yōu)勢還體現(xiàn)在節(jié)約開發(fā)時間。由于3D打印機在數(shù)小時內(nèi)便可打印出新原型，特斯拉可以根據(jù)設計需要進行反復調(diào)整。消息人士稱，使用砂型鑄造的設計驗證周期僅需2至3個月，而金屬模具原型則需要6至12個月。

另一重突破在于鑄件如何將帶有內(nèi)部肋的空心副車架結(jié)合以減輕重量并提高耐撞性。汽車底部的副車架通常是空心的，由多個部件沖壓、焊接制成，中間留有空隙。

為將副車架作為超級鑄造的一部分，特斯拉原本試圖放置實心砂芯在模具內(nèi)以制造空間，但由于生產(chǎn)鑄件的鋁合金在砂模和金屬模表現(xiàn)不同，計劃因無法滿足耐撞性標準而流產(chǎn)。

消息人士稱，鑄造專家已經(jīng)通過配制特殊合金、微調(diào)熔融合金冷卻過程以及生產(chǎn)后熱處理克服了這一問題。若特斯拉對原型模具感到滿意，即可進行大規(guī)模生產(chǎn)。

目前，特斯拉正在開發(fā)供個人使用以及用于自動駕駛出租車（Robotaxi）的兩種小型汽車。消息人士認為，這些車型的底部構(gòu)造較為簡單，為特斯拉新技術(shù)上車提供機會。

值得注意的是，如果特斯拉一體化壓鑄車身底部的規(guī)劃成真，公司必須決定使用何種壓鑄機，這一決定將對車身框架的復雜程度產(chǎn)生影響。為壓鑄大型部件，特斯拉需要的壓鑄機鎖模力應不低于1.6萬噸，后者價格更為高昂且占據(jù)更大廠房空間。

然而，強勁的鎖模力無法容納制造空心副框架所需的3D打印砂芯。消息人士表示，特斯拉可以通過使用不同類型的壓鑄機來解決這一問題。另一種壓鑄機可以將熔融合金緩慢注入，在容納砂芯的同時生產(chǎn)出更高質(zhì)量的鑄件，但這一過程需要耗費更多時間。

特斯拉將一體化壓鑄技術(shù)引入汽車制造，并引發(fā)多家汽車公司效仿。

中國的砂型3D打印公司

在中國，砂型3D打印其實已經(jīng)非常成熟，并且已經(jīng)有一定的應用規(guī)模。例如三帝科技、峰華卓立、共享集團、愛司凱等，其砂型3D打印機已經(jīng)應用于鑄造行業(yè)多年。