一體壓鑄如何改變制造世界的方式

李梓楠

“我們想要的是飛行汽車，得到的卻是140個字母的推文?！惫韫蕊L險投資家彼得·蒂爾（Peter Thiel）曾用這句話表達了他對現代科技的失望。登月、核反應堆之后，被定義成革命的新技術來來去去，城市的樣貌并沒有因此發生巨變。

飛行汽車確實沒有出現，但我們每天接觸的東西大多在過去幾十年里完全改變，以毫不引人注意的方式。

購物中心的自動扶梯踏板表面有幾十條棱柱交錯排列。30年前，這樣一塊踏板是由八塊澆鑄的鋼板焊接而成，每造一塊需要15分鐘；今天是單塊鋁合金板一體成型，100秒完工。制造過程極度簡化：鋁液注入模具，壓住模具等鋁凝固，然后丟到水里冷卻，整個過程只要100秒，無需焊接。一臺壓鑄機只需要48小時就能壓出北京國貿商城所有電動扶梯的踏板。

過去四年，同樣的變化發生在汽車車身上。特斯拉2020年9月第一次把壓鑄技術用到Model Y的車身后底板中。這個改進幫特斯拉把后底板的制造時間從70分鐘縮短到2分鐘。原本由70個鋁塊焊起來的后底板，現在一次就能壓出來。

按照特斯拉的說法，這項被稱為“一體壓鑄”的技術不但節省了20%的車身制造成本，也讓車身變輕從而可少裝一些電池，進一步加速了新能源車的普及。

所有特斯拉率先應用的技術中，一體壓鑄是最快被整個汽車業采納的。沃爾沃的車輛工程副總裁米開爾·費默（Mikael Fermer）稱一體壓鑄是“人類從木材轉向鋼鐵造車以來，最偉大的技術轉變”。豐田汽車工程團隊拆解完Model Y后贊揚這臺車的車身是“藝術品”。

為了能壓出更大體積的車身，汽車品牌在過去三年對壓鑄機的力量提出瘋狂且激進的要求。當特斯拉2019年使用一體壓鑄時，全球只有一臺能輸出6000噸力量的壓鑄機。2021年籌劃Cybertruck皮卡生產時，特斯拉要求壓鑄機供應商把這個數字拉到9000噸。

小鵬、問界等車企比特斯拉更激進，它們正在嘗試一次壓出整個汽車底盤。小鵬汽車的工廠里已在安裝一臺1.6萬噸的壓鑄機。2萬噸也已經在計劃表上。

力勁科技是全球最大的壓鑄機供應商，率先造出了從6000噸到1.6萬噸里每個檔位的超大型壓鑄機。過去三年，力勁科技賣出近70臺超大型壓鑄機，每年就能讓750萬輛車用上一體壓鑄車身。但這還遠不夠。奔馳、大眾、沃爾沃等跨國車企從2022年就已開始用一體壓鑄技術試產汽車，它們每年制造上千萬輛車。

汽車業推動壓鑄技術進步后。一些新的機會也出現在壓鑄工藝面前。如通訊基站的散熱片、濾波器，以及儲能電池柜的外殼等。

2024年1月，《財經》去了小鵬的汽車工廠和力勁的壓鑄機工廠，看到了這些機器怎樣造汽車，也看到了它們如何被制造。

小鵬汽車去年6月在焊接車間邊上蓋了一間占地面積有15個足球場大的廠房，專門生產一體壓鑄的汽車后地板。每過約140秒，就有一塊半張乒乓球桌大小的車身后地板穿過廠房間的連廊進入焊接車間。

新廠房里有兩臺由力勁生產的壓鑄機正在工作。兩臺機器都由鑄鐵和鍛鋼構成，比獨棟別墅還大。大的那一臺重量超過900噸，能輸出1.2萬噸的力量。為了在車間里塞下這樣的機器，上海的一家車企曾拆掉車間里的半塊天花板，加上弧形的圓頂。

小鵬還給新工廠安裝了一臺承重200噸的龍門吊來安裝、更換壓鑄機的零件。這種型號的吊車一般出現在港口，用來搬集裝箱。

操作臺在機身中部，需要先爬15級臺階，再往前走5米。走去的路上，你能感到裸露的皮膚逐漸干枯。因為臺邊就是一個4米高的爐子，一直在加熱，把鋁液的溫度維持在700攝氏度。腳下的地面蓋著一層潤滑油，像一個月沒打掃的廚房地板。

每隔兩分鐘，壓鑄機的腹部就會冒出一股白煙。這是壓鑄開始的信號。固定在機器頂部的兩只機械臂先往下伸，把白色脫模劑噴到模具的每個角落，防止冷卻的鋁板粘在模具上。

接著，八個氧氣瓶大小的液壓罐開始輸出壓力，并通過復雜的機械結構將力量放大25倍以上，把兩層樓高、1米多厚的正方形鐵板推到底，緊緊壓住另一端固定的模板。壓鑄機需要輸出足夠大的力量鎖住模具，即鎖模力。力勁的壓鑄機現在能把鎖模力做到1.6萬噸，相當于讓8000輛汽車壓在一塊只有16平方米大的鐵塊上。

每一次鎖住模具，壓鑄機發出的力量都會大到讓地面震動。工程師事先在壓鑄機周圍挖出了10多厘米寬、1米深的壕溝以隔絕震動對其他機器的影響。

如此大的力量需要維持50秒。

接著，一股熱氣襲來。一個可容納200公斤鋁液的湯勺會從爐子里撈出冒著火苗的鋁液，倒入料筒。接近700攝氏度的鋁液會順著入料筒，以毫秒級的速度被打進模腔。射料全程只有75毫秒，不到眨眼時間的一半。

速度一定得快，因為700攝氏度的鋁液接觸到模具就快速冷卻。一旦溫度低于560攝氏度，鋁液就會完全凝固。為了保證壓射鋁液的速度，錘頭后方安裝了八個氮氣罐，它們能共同產生30Mpa的壓力，這個壓力如果放到消防栓的出水口，能把水沖上300米的高空。

眨眼間，還有很多事情接連發生：爐子右邊的一個5000升的真空罐抽走模具中所有空氣，確保鋁液在模具中流動時不卷入空氣。模具旁數十條手腕粗的塑膠管，不斷輸送冷卻水及油到模具上，控制模具各個溫區的溫度，確保鋁液在模具中順利充填成型。

接下來的20秒，鋁在1.2萬噸的力下被壓實、冷卻。當鋁件凝固定型后，兩塊模板再次打開，機械臂夾出定型的鋁板，放入冷卻池里。再過20秒，鋁件完全凝固，另一只機械臂會抓起鋁板，放到切邊機下，切掉多余的邊角。

接著，摩擦金屬的噪音開始穿透耳膜。三個手拿角磨機、戴著耳塞的工人開始打磨鋁件。切掉邊角后，鋁件末端還會有指甲蓋大小的碎屑。

初步打磨的鋁件還要運到廠房的另一端，塞進兩層樓高的拋光機繼續精加工、清洗。最后再放到打孔機中，打出連接車身其他部位的螺絲孔。

整個廠房80%的地面都堆滿等待處理的車身。因為壓鑄機的速度比工人快太多了。

每140秒壓鑄機就能壓出一塊鋁板。一臺機器每年能把體積相當于一艘巡洋艦的鋁熔化，鑄成12萬輛汽車的后地板。整個過程，只需要半個人操作。在小鵬汽車的工廠里，一個工程師能同時管理兩個壓鑄島。

在原本的汽車流水線，制造后地板的任務無法在一間廠房里完成。車企需要先把供應商另一座工廠運來的數十個鋁件卸下、分類，然后送上傳送帶。130個機械臂要分200多次焊接，把小鋁塊拼成完整的后地板。全程70分鐘，一條流水線需要約100秒才能下線一塊。

現在，一個壓鑄機加半個工程師，就能取代這130個機械臂。

壓鑄成型的后地板比焊接的車身輕約30%，讓整輛車輕100公斤，續航里程增加約6%。以普通電動車電池容量80度為例，若采用一體壓鑄車身減重并保持續航里程不變，每輛車可以少裝5度電池，成本下降約3000元。

制造和組裝這臺機器本身，是一個更復雜的過程。

整個壓鑄機有超過5萬個零件。運輸這臺機器的過程被工程師形容為“螞蟻搬家”，機器被拆成數百個組件，需要35輛半掛車來運。

安裝調試一臺壓鑄機需要7名-15名工程師兩個月的時間。壓鑄機的定制化程度高，同樣型號的壓鑄機，再次生產裝配及調試，還是需要兩個月。

將幾塊模板連在一起的是四根哥林柱，它的任務是平衡模板滑動、承受鎖模帶來的張力。

固定模板的哥林柱與模板對平行度、水平度的要求更高。模板移動就像火車在鐵軌上行駛，如果鐵軌不平行，車輪就會一直摩擦單邊的鐵軌，最終火車脫軌。這樣的單邊摩擦同樣會大幅降低哥林柱的穩定性和使用壽命。

但調試柱子的位置比裝鐵軌難得多，需要讓四根哥林柱，保持平行，而不是兩條。哥林柱與模板間的縫隙誤差要小于20微米，兩塊模板之間平行度的誤差是1微米，不到頭發絲的十分之一。

哥林柱與模板的相對位置，依靠柱子末端的螺紋鎖定。工程師需要不斷旋轉螺紋來鎖定模板的相對位置，這就像調整相機支架的伸縮腿一樣，每轉動其中一根柱子，另外三根都要隨之調整。

工程師這兩個月的調試，只是為了讓壓鑄機在每一次鎖住模具時，都能讓兩塊模具完全吻合、完全密封。模具中存在的任何多余的空氣都可能意味著壓鑄機造出來的汽車后地板內部存在空心部位，降低車身的強度。

同樣為了讓模具盡量密封，在安裝壓射管道之前，工程師還要把壓射錘頭尺寸造得與入料筒內壁吻合。錘頭套入料筒時，錘頭邊緣與管道的縫隙要控制在20微米。頭發絲都插不進這個縫隙。

讓大機器變成現實的主意來自特斯拉CEO（首席執行官）埃隆·馬斯克（Elon Musk）。

2018年底，他坐在特斯拉工程總部的辦公桌前，把玩著Model S的玩具模型。他發現整個車底被壓鑄成了一整塊金屬。在當天的工程會議上，馬斯克拿出這輛玩具車：“為什么我們不能這樣做？”

一體化壓鑄的特斯拉車身。圖/視覺中國

一個工程師指出了一個顯而易見的問題，真車的底盤太大了，地球上沒有壓鑄機可以壓這么大的東西。馬斯克對這個答案并不滿意：“不就是搞一臺更大的壓鑄機嗎？”

馬斯克和高管們給全球最好的六家壓鑄機公司打電話說了自己的主意。其中五家都拒絕了。一位接近此事的人士稱，一些壓鑄機公司沒信心造這么大的機器，且認為馬斯克肯定會失敗。

只有意德拉（Idra）接受了挑戰。馬斯克頗為驚喜，但他當時沒想到的是，更難的部分發生在有機器之后。

此時，深圳的一家工廠里已經有了一臺鎖模力6000噸的壓鑄機。但這臺機器的設計初衷是為了給建筑行業壓鑄一體成型的金屬模板，它的投影面積和汽車底板差不多大，沒有凸起，幾乎是一個平面。

而汽車底板更立體、有更多不規則的彎折。真正難的是怎么把鋁均勻地壓進像樹根一樣復雜的模具。

鋁在模具中流動時，會快速冷卻。流到模具末端的鋁液往往是最先進入模具，最快冷卻的鋁。如果這些鋁液流速過慢，沒有填充到模具的枝干上，造出來的鋁件就缺胳膊少腿。如果流速過快，鋁液就會撐開模具，產生泄漏。

從開始嘗試，到壓出第一個完整的鋁板，工程團隊用了半年時間，主要在調整壓鑄機的壓射系統。

當時的壓射速度更慢，是140毫秒。為了讓鋁液流到模具的每一個角落，均勻填滿模具，工程師把壓射鋁液的140毫秒截成五段。即使鋁只冷卻了140毫秒，但鋁的溫度已讓鋁的流動性產生明顯區別。

錘頭會先以5米每秒的速度把鋁液推到模具的入口，隨后開始加速將鋁液推到模具中，進入更狹窄的流道時，錘頭會進一步加速至8米每秒，讓鋁液充滿半個模具。然后，錘頭會開始減速，如果速度過快，鋁液會迅速撞到模具的末端，沖開模具產生泄漏。20毫秒后，錘頭會再次加速，讓末端最先進入模具經過冷卻流動性最差的一部分鋁液填充到模具的角落。

做到這點，需要精確控制十個氣壓罐，在140毫秒內改變四次輸出的壓力。第一步是讓供應商造出這樣靈敏的氮氣罐。第二步是給氣壓罐發出正確的、足夠具體的指令。

工程師們在壓射系統上安裝了七個傳感器來測量錘頭的移動位置和氣罐的壓力。錘頭的移動位置和壓力是測量鋁液在模具中流動位置的唯一方式。每一次壓射中，工程師都要操控七個參數，將它們限定在壓鑄工藝要求范圍內。提出精確的工藝要求，與實現工藝同樣困難。

修改完整個壓射系統只能壓出合格品，無法提升良率。當時在試制車間里，打廢的鋁件堆滿整個車間。

壓射系統的傳感器只能提出鋁液的溫度要求，無法控制溫度。早期版本的6000噸壓鑄配備了兩個模溫機，它們伸出細長的橡膠管道，通過加熱管道中的油或者水來控制模具的溫度，一臺機控制一面的模具。車企的工程師大概花了一個月時間意識到，只放兩臺模溫機是一個糟糕的決定，這是整個工廠里廢件的源頭。

正在安裝哥林柱的壓鑄機

給壓鑄機提供壓力的氨氣罐。攝影/龔方毅

鋁本就已經以極快的速度冷卻，當它撞到溫度不同的模具時，鋁液溫度的變化會更復雜，流動性更難預測。模具中的100公斤鋁在流動到模具的每個部位時，歷經的時間不同，冷卻的時間不同，它們的溫度是不同的。這種鋁液內部的溫差又會隨著熱量的傳導不斷震蕩，持續影響每一升鋁液的溫度。壓射速度的差異，又會放大這樣的不確定性。

因為熱脹冷縮，固體的鋁與液體的鋁的體積相差6.6%。先凝固的鋁液因為體積坍縮，會吸走還未凝固的鋁液，打亂模具中原本分布均勻的鋁液。在壓射過程中，還需要控制模具中不同部位鋁的冷卻速度。

工程團隊又花了三個月，通過軟件模擬鋁合金在模具中流動的狀態，只為了搞清楚不同壓射速度下模具、鋁液的溫度對鋁液流動性的影響。

壓鑄機還是同樣的那一臺，但很多零件都改了。

原本一臺機器控制整個面積約1.5平方米的模具，精度太低了，且每臺模溫機和模具之間，隔著一條長達近10米的管道，模溫機溫度的每一次變化傳導到模具上時都有極大的延遲。有了參數之后，工程師開始把模溫機的數量從2臺增加至20多臺。兩塊1.5平方米的模具被劃成十多塊，每臺模溫機只控制0.15平方米不到的模具。

但這樣還是不夠，模具并沒有真正被劃分開，熱量依舊在相鄰的模具部位之間傳導。到2020年9月，工程師們把模溫機的數量增加到了40臺。這幫助他們把壓鑄鋁件的良品率提升到約80%。

車身結構件的一體壓鑄技術順利量產后，技術的可行性已被驗證，一個新的需求被打開：車企迫切希望一體壓鑄技術能用到更大的車身部件上。

短短三年里，最大的壓鑄機從6000噸變成了1.6萬噸。7000噸的壓鑄機用來壓轎車的前車身；9000噸的壓大型SUV的后地板；1.6萬噸來壓更長的MPV的后地板?，F在1.6萬噸的壓鑄機能一次壓出原本由200個零件焊接而成的鋁板，面積是Model Y后地板的2倍多。

超過9000噸后，原來的機械結構已經無法適用。鎖模力越來越大，固定兩條“剪刀”支架的緊固件無法承受這樣的壓力。定模受到的壓力集中在邊角的四根哥林柱上，中心點缺乏壓力，當壓力超過9200噸后，這塊厚度達1米的實心鑄鐵模板也會承受不住，出現凹陷。

一些公司曾試過在模板之間加一層鋼板來增加強度。但鋼板與模板之間存在無法彌合的縫隙，會出現生銹等情況，影響壓鑄機的精度。

更大的壓鑄機舍棄了原有的機鉸式結構，改用直壓式的結構。先在動模的背面增加四個直徑90厘米的高壓油缸，然后在正面裝一個直徑約1.5米的高壓油缸。背面的四個小油缸能分散模板受到的壓力，增加整個鎖模結構的強度。

新增的大油缸則像一只“二級火箭”。四個小油缸只能產生約8000噸的壓力，在它們釋放壓力后，正面的大油缸會再給模板施加4000噸的壓力，彌補模板原本中心點缺乏壓力的隱患，最終形成1.2萬噸的鎖模力。

大壓鑄機另一個難點是制造四根哥林柱。哥林柱是所有壓鑄機最基本，構造最簡單的元件。最小機器的哥林柱在淘寶上就能買到，200元一根。但1.6萬噸壓鑄機用的哥林柱，是另一個次元的東西。

在壓鑄機上，哥林柱是最終吸收鎖模力的零件，也是固定模板移動、承受摩擦的零件，它的強度硬度和精度要求極高。

在日復一日承重、摩擦下，哥林柱的表面不能被劃出碎渣，這會影響哥林柱的精度。壓鑄機公司要求哥林柱的表面硬度是50洛式，與坦克裝甲相當。

單根哥林柱就重40噸，但它又非常精密。這些鋼柱在經歷數十萬次鍛打后，還要經歷長達數月的拋光。整根14米長的柱子長度誤差要控制在20微米-30微米，直徑的誤差要在10微米以內。它還要保證極高的同軸度，這根柱子從頭到尾都要是同等大小的圓。

一位工程師透露，整個廣東省只有一家鍛鋼廠能造出這樣的哥林柱，也只有一張機床能承受它的重量。

20世紀70年代的壓鑄機鎖模力不到100噸，只能用來生產拉鏈扣、金屬紐扣等小物件。十年后，鎖模力接近500噸時，人們開始用壓鑄機造金屬材質的玩具車、門把手。到21世紀，壓鑄機終于被用來生產汽車的發動機。

汽車行業帶給壓鑄機的是源源不斷的收入和無止盡的需求。這是發展關鍵技術最需要的東西。先依靠一個有錢的應用場景來提高技術能力、擴大規模以降低成本。然后這種技術才會被用到更便宜的地方。

1.6萬噸的壓鑄機正在小鵬的工廠里裝配，還沒投產，更大的機器已經在開發中。根據公開信息，力勁正在為哪吒汽車研發2萬噸鎖模力的壓鑄機，造A00級微型車的底盤。把鎖模力提升到2萬噸，意味著力勁又要重新設計壓鑄機的機械機構，壓射系統也要改。

力勁已經公布了它們的方案——雙壓射系統，從兩個管道里分別壓出鋁液。原本只需要控制一條河流的流速，現在要面對兩條會交匯的河流，更為復雜。但這些技術能一次壓出更大的東西。與控制單個壓射系統相比，雙壓射系統的難度不是相加的，而是相乘的。

滿足造車的需求也讓一體壓鑄技術有了更多的應用場景。6000噸以上的壓鑄機可以一次壓出通信基站的散熱板和儲能電池柜的外殼等設備。

另一個機會是建筑行業。建筑行業原本會使用大量的木材做預制板，用這些木板拼成模具，再灌水泥，用一次就報廢?，F在已經有一體壓鑄的鋁、鎂合金的預制板，能重復利用300次。

《馬斯克傳》提到的那些曾經拒絕特斯拉的壓鑄機公司，也在制造越來越大的機器。德國的布勒和中國的海天、伊之密都造出了9000噸的壓鑄機。

這些公司的努力都在給這個世界提供一種更底層的能力——改變金屬的形狀。這種能力一開始被用在玩具車、拉鏈扣上，后來被用在汽車、家電、建筑上。壓鑄機的力量每增加一點，可以一次壓出的金屬面積就更大一點，應用場景也會再多一點。

“壓鑄是已知的鑄造方式中成本最低的，且制造的規模越大，壓鑄的成本優勢越大。”一位壓鑄行業人士稱。

曾經，為了塑造出形狀復雜的器件，工廠需要將金屬塊以切割、沖壓、打磨等方法加工出復雜的形狀，或者將多個部件焊接在一起。為了加速這個過程，亨利·福特（Henry Ford）發明了汽車生產流水線，盡可能拆開制造汽車的每一個工序。這即是現代流水線的精髓，讓每個環節的工作極致簡化。雖然制造單個產品依然需要很長時間，但流水線一旦開動，成品就一個接一個下來。

2017年Model 3量產時，特斯拉建了全自動的工廠，試圖用大量焊接機器臂完全取代人，從而加速流水線。但制造過程中問題不斷。一年后，他們又拆掉大量機械臂，召回工人來焊接車身。

一體壓鑄技術的成熟則直接繞開了相當一部分焊接過程。而隨著壓鑄機越來越大，它能一次造出的部件也越來越大。

特斯拉在2020年時就給壓鑄機公司提出終極需求——把整輛汽車車身分成五塊，原本有超過350個零部件的汽車車身全部通過壓鑄制造。這需要一個能從四個方向壓射鋁液、鎖住模具的壓鑄機。

如果真能做到這個程度，汽車制造將無限接近曾經的玩具車制造，汽車成本還有機會顯著降低。到那時，我們或許終于可以說，100年的福特流水線終于有了合格的繼承者。