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(bào)道稱，特斯拉在一體化壓鑄上取得技術(shù)突破。通過這項(xiàng)技術(shù)，特斯拉可將電動(dòng)汽車幾乎所有復(fù)雜車身底部零件壓鑄成一個(gè)整體，而非僅壓鑄約400個(gè)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(dòng)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(gè)月內(nèi)從頭開始開發(fā)一款汽車，而目前大多數(shù)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手需要3至4年的時(shí)間。

這種看似簡(jiǎn)單的材料選擇轉(zhuǎn)變可能會(huì)改變整個(gè)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(shí)。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(xiǎn)杠模具的成本可能在 50,000 美元到 100,000 美元之間。發(fā)動(dòng)機(jī)部件模具的起價(jià)約為 20,000 美元，最高可達(dá) 80,000 美元或更高，具體取決于復(fù)雜程度和材料。

這些模具設(shè)計(jì)中的一次調(diào)整可能花費(fèi)高達(dá) 100,000 美元。但當(dāng)從頭開始創(chuàng)建一個(gè)全新的模具時(shí)，成本可能飆升至 150 萬美元，特別是對(duì)于汽車底部等大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)。像這樣的天價(jià)數(shù)字需要詳細(xì)的設(shè)計(jì)工作、專門的機(jī)械和勞動(dòng)力、滿足質(zhì)量和安全標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格測(cè)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(duì)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(shè)計(jì)文件和 3D 打印機(jī)輕松修改設(shè)計(jì)，并且可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)以極低的成本打印出新的砂模。這極大地將設(shè)計(jì)驗(yàn)證周期從長(zhǎng)達(dá)一年縮短至兩到三個(gè)月，從而實(shí)現(xiàn)更快速的創(chuàng)新和調(diào)整。

特斯拉正在計(jì)劃推出售價(jià)約為2.5萬美元的平價(jià)電動(dòng)汽車，該車型或?qū)⑹褂靡粋�(gè)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(yù)計(jì)最早將于本月就是否將整個(gè)平臺(tái)壓鑄成一體做出決定，最終產(chǎn)品仍可能在設(shè)計(jì)驗(yàn)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(jí)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(jià)的電動(dòng)汽車并實(shí)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(dòng)汽車的生產(chǎn)成本降低50%，同時(shí)將工廠空間減少40%。

近年來，全球多家汽車制造商加快對(duì)一體化壓鑄技術(shù)的應(yīng)用。盡管福特F150的制造就曾采用該技術(shù)，但業(yè)界公認(rèn)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(shì)力以及長(zhǎng)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(jià)車型，馬斯克仍在不斷優(yōu)化產(chǎn)線。報(bào)道指出，特斯拉本次取得的突破集中在兩個(gè)方面，其一在于如何設(shè)計(jì)和測(cè)試用于大規(guī)模生產(chǎn)的巨型模具。

對(duì)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(dāng)高昂。鑄造專家認(rèn)為，大型金屬模具的整個(gè)設(shè)計(jì)過程通常需要花費(fèi)約400萬美元，這一過程往往需要重復(fù)六次甚至更多才能達(dá)到完美狀態(tài)。

為此，特斯拉使用3D打印機(jī)用工業(yè)砂制作測(cè)試模具。打印機(jī)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(shè)計(jì)驗(yàn)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(shì)還體現(xiàn)在節(jié)約開發(fā)時(shí)間。由于3D打印機(jī)在數(shù)小時(shí)內(nèi)便可打印出新原型，特斯拉可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)整。消息人士稱，使用砂型鑄造的設(shè)計(jì)驗(yàn)證周期僅需2至3個(gè)月，而金屬模具原型則需要6至12個(gè)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(gè)部件沖壓、焊接制成，中間留有空隙。

為將副車架作為超級(jí)鑄造的一部分，特斯拉原本試圖放置實(shí)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(jì)劃因無法滿足耐撞性標(biāo)準(zhǔn)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(duì)原型模具感到滿意，即可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

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

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(jī)，這一決定將對(duì)車身框架的復(fù)雜程度產(chǎn)生影響。為壓鑄大型部件，特斯拉需要的壓鑄機(jī)鎖模力應(yīng)不低于1.6萬噸，后者價(jià)格更為高昂且占據(jù)更大廠房空間。

然而，強(qiáng)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(jī)來解決這一問題。另一種壓鑄機(jī)可以將熔融合金緩慢注入，在容納砂芯的同時(shí)生產(chǎn)出更高質(zhì)量的鑄件，但這一過程需要耗費(fèi)更多時(shí)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(guó)的砂型3D打印公司

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