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为什么特斯拉要用不锈钢制造 Cybertruck 车身?

为什么特斯拉要用不锈钢制造 Cybertruck 车身?

距离特斯拉皮卡 Cybertruck 发布会过去已经两周有余了,关于这款车的讨论还在持续发酵深化。

最大的争议还是来自 Ta 的造型:特斯拉为什么要抛弃了延续多年的流线型家族设计语言,转而以锐利平直的线条来打造 Cybertruck?

福特 F150 是怎样炼成的?

无论是从福特 F150 连续 42 年稳坐美国皮卡市场销量冠军的地位,还是从 Cybertruck 发布会各种 PK F150 的运作来看,F150 都是 Cybertruck 最强大、最重要的竞争对手。

为什么特斯拉要用不锈钢制造 Cybertruck 车身?

那么,当我们谈论皮卡的车身材料时,F150 的方案就很值得关注了。

2013 年 12 月,知名媒体 The truth about cars 爆料,原定于 2013 年美国阵亡将士纪念日(5 月底)上市的全新一代福特 F150 将推迟 3 个月上市。而新款福特 F150 的上市,最终推迟到了 2014 年 1 月 13 日。

跳票的基础上再跳票,是因为福特在主力赚钱机器 F150 的新一代车身材料上做了大规模的革新。

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2015 Ford F-150 frame and body

简单来讲,新款 F150 相对老款最大的革新在于首次研发了皮卡的全铝车身。

福特为此建立起 5 条全新的全铝冲压产线,并研发了多种用于铝材的车身连接和制造工艺。[1]

有两个基础知识点需要指出:汽车行业所谓「全铝车身」并不是字面意义上的 100% 纯铝。

由于铝材本身的强度并不高,F150 采用的是 6000 系列的高强度铝合金。

此外,车架也不是 100% 的 6000 系铝合金覆盖,加上高强度钢材设计的底盘,F150 车身的铝材用量实际占比为 77.1%。

这是皮卡行业首次涉足全铝车身,除了上面提到的在研发和制造方面的投入,福特还对新款 F150 进行了累计 1600 万公里的高温高原高寒测试,模拟了全生命周期的车身表现。

对于消费者来说,由于铝合金的物料成本高于钢材,在保险和维修方面的使用成本会相对更高。

你可能要问了,钢车身的研发和制造工艺如此成熟,福特何必投入那么多研发吃力不讨好的全铝车身?

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要知道,由于全铝车身的应用,F150 车身的整备质量控制在了 660 磅,这个指标相比全钢车身降低了 700 多磅(317.5 kg),比奥迪 A8 这样的轿车还要轻。得益于此,F150 的燃油效率提升了 5%-29%(视不同工况)。

所有关于车身材料的选择,都是强度、燃油经济性和成本之间的博弈,而这一次,福特在保证强度和成本不失衡的前提下倒向了燃油经济性。

特斯拉拥趸看到这里已经眼前一亮了:纯电动轿车对轻量化的追逐比燃油皮卡车要迫切得多,特斯拉真正意义上的首款车型 Model S 就是全铝车身。为了投产这一中大型轿车,特斯拉 Fremont 工厂配备了北美最大的冲压产线。

为什么特斯拉要用不锈钢制造 Cybertruck 车身?

而这里的背景是,全球范围内具备全铝车身的设计、研发与制造能力的车企屈指可数。直到今天,除了特斯拉和福特,仅剩捷豹路虎、奥迪和蔚来等为数不多的车企拥有全铝车身的生产经验。

纯电动皮卡、轻量化、具备全铝车身生产经验,无论从哪个角度看,特斯拉 Cybertruck 应用全铝车身都是水到渠成的选择。

然而,特斯拉石破天惊地选择了不锈钢。

什么是冷轧不锈钢?

在发布会上,Elon 是这么介绍 Cybertruck 的不锈钢材料的:

It is literally bulletproof to a nine millimeter handgun,that's how strong the skin is—it's ultra-hard, cold-rolled stainless steel alloy that we've developed. We're going to be using the same alloy in the Starship rocket, and in the Cybertruck.[2]

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对于 9 毫米口径的手枪来说,它是防弹的。这就是车身的强度——基于我们研发的超硬冷轧不锈钢合金。我们将在 Starship 火箭和 Cybertruck 上使用同款合金。

在特斯拉官网,这一材料被定义为 ULTRA-HARD 30X 冷轧不锈钢。

Elon 在 Twitter 上澄清说,这里的 30X 不是指硬度 30 倍于普通不锈钢,而是特斯拉研发的一种隶属于不锈钢 30 系列新的合金。

这让我们愈发好奇:究竟是怎样一种材料,可以兼容应用于火箭和汽车,让特斯拉从设计到制造做出全面调整?

要回答这个问题,还要把时钟拨回 2015 年。

2015 年 12 月,时任苹果产品设计总监的 Charles Kuehmann 和特斯拉 CEO Elon Musk 达成了一项人事协议:Charles 将同时担任 Space X 和特斯拉(Elon Musk 是上述两家公司的创始人、CEO 和最大股东)两家公司的材料工程副总裁。

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为什么要同时在特斯拉和 Space X 任职?我们不得不追溯 Charles 在苹果前的上一家公司 QuesTek Innovations LLC。

QuesTek 是 ICME (Integrated Computational Materials Engineering)集成计算材料工程领域的领头羊。

Questek 独立研发了名为 Materials by Design 材料设计方法,借助专业的应用程序和计算机建模来开发新型合金。这种方法相比传统的「试错开发法」将开发周期上降低了 50%,开发成本降低了 70%。

实际上,QuesTek 开发的合金材料广泛应用于航空航天、高性能汽车行业,客户包括波音、洛克希德·马丁、劳斯莱斯、NASA,以及 Space X。

为什么特斯拉要用不锈钢制造 Cybertruck 车身?

低成本、高效率、横跨汽车和航空航天,如果你了解 Elon Musk,你就能想象 Charles 对特斯拉和 Space X 有多么重要,他同时在特斯拉和 Space X 任职才是合乎逻辑的。

身兼两职第二个原因,源于 Elon Musk 的工程交叉方法论。

在 2017 年 8 月的特斯拉 Q2 财报会议上,Elon 解释了他有意打通特斯拉和 Space X 的核心技术部门的原因:将火箭及宇宙飞船领域与汽车工业领域的专业知识交叉应用是非常有价值的——就在不到一个月前,在 Space X 科学家的帮助下,特斯拉工程师将 Model 3 的制造工时降低了 8 个小时。

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同时在两家公司履职,并非多领一份薪水那么简单。加入特斯拉/Space X 后,Charles 领导成立了特斯拉 & Space X 联合材料工程小组,并推动两家公司定期举行联席会议来同步最新的研究进展。

至于他本人,则和 CEO Elon Musk 一起,开始了「Hawthorne(Space X 总部)三天,硅谷(特斯拉总部)两天,一周两次往返湾区和 LA」的工作节奏。[1] 两家公司的合作是如此的频繁和深入,一个有趣的数据是,光是相关团队在两家公司总部之间的公务飞行,就要让特斯拉一年支出 110 万美元。

在 2018 年的 CAMX(The Composites and Advanced Materials 复合材料和先进材料)大会上,Charles 介绍了他所做的基本工作:「无论在特斯拉还是 Space X,我们都采用了使材料工程真正成为产品整体设计和工程功能一部分的材料设计方法。我们使用集成计算材料工程(ICME)技术来实现这一点。」[2]

Charles 认为,两家公司在工程方面拥有很多相同的追求。例如,特斯拉汽车每增加 1kg 车身质量,就会减少 1kg 有效载荷质量。此外,特斯拉全系汽车都保持着同级量产车最低的风阻,而 Space X 有地球上最专业的轻量化材料专家和风阻设计工程师。

Cybertruck 和星舰 Starship 的同宗同源的 30x 不锈钢合金材料,终于让 Charles 领导的联合材料工程小组所做的工作归于统一。

为什么是不锈钢?

文章的开头我们提了一个问题:为什么特斯拉抛弃了延续多年的家族设计语言,转而以锐利平直的线条来打造 Cybertruck?

为什么特斯拉要用不锈钢制造 Cybertruck 车身?

发布会结束三天后,特斯拉 CEO Elon Musk 在 Twitter 上解答了这个问题。Cybertruck 这样设计的一大原因是打造车身的不锈钢合金材料无法冲压,因为这种材料会破坏冲压机。

由于这种新型不锈钢的强度过高,常规的车身制造方法已经不再适用,特斯拉不得不探索新的制造方法。

也就是说,出于对皮卡严苛粗糙的应用场景和车身强度的诉求,特斯拉选择用 30x 不锈钢合金材料来打造车身。

不过,这样的理由似乎也不完全站得住脚。以前面提到的 F150 为例,我们提到福特倒向燃油经济性的前提,是铝合金可以保证成本和强度不失衡。而 F150 的 SuperCrew 和 SuperCab 车型拿下了美国 NHTSA 的碰撞测试中拿下了五星评级,并被 IIHS 评为最安全的皮卡。

那是不是说,特斯拉这里的「强度过高」是个伪命题?

事实上,在决定采用 30x 不锈钢材料前,特斯拉曾经尝试采用钛合金打造 Cybertruck 车身。还记得 Cybertruck 发布会上特斯拉首席设计师 Franz von Holzhausen 大锤砸门的那一幕吗?

为什么特斯拉要用不锈钢制造 Cybertruck 车身?

大锤锤门零变形体现了 30x 不锈钢一个非常关键的性能:断裂韧性。

2019 年 1 月,Space X 宣布星舰 Starship 的舰体材料从碳纤维更换为 30x 不锈钢。

1 月 22 日,Elon 接受 Popular Mechanics 采访时表示,这是 Space X「有史以来最好的材料设计决策」,并提到选择 30x 不锈钢一个重要的原因是:30x 不锈钢拥有非常好的断裂韧性。[2]

断裂韧性是材料组织裂纹和其它尖锐缺陷扩展的一种特性。

Elon 介绍说,大多数钢材在低温下都会变得非常脆,断裂韧性差的材料,例如陶瓷、玻璃,一旦出现裂纹就很难阻止裂纹变大。30x 不锈钢不是这样。

最终的结果是,F150 的车门在大锤重击后出现了相当程度的变形,而 Cybertruck 似乎毫发无损。

此外 Elon 特别提到,不锈钢合金不能太薄,不然整个壳体会有点像气球一样,无法复现材料的特性。

所以我们在 Cybertruck 上见到了高达 3 mm 厚的不锈钢车身面板,知名汽车网站 Jalopnik 评论说,现代汽车的钣金厚度通常不超过 0.8 mm,Cybertruck 的厚度是前者的近 4 倍。

理论上讲,这会给 Cybertruck 的维修成本上带来一定程度的降低——而 F150 的全铝车身带来的高维修成本,长期以来被竞争对手雪佛兰和 Ram 口诛笔伐。

另外,不锈钢合金材料超强的抗腐蚀性能也被特斯拉写进了官网。

300 系列不锈钢是使用最广泛的一种耐酸不锈钢,这意味着除了空气、蒸汽和水,化学腐蚀介质(酸、碱、盐等)也很难对 Ta 造成影响。

最后是车身重量和成本方面,结合前面 F150 尚不及 300 kg 的白车身质量,即便 Cybertruck 的白车身全部换成了 30x 不锈钢(实际上它无法替代热成型钢),所带来的重量增加也十分有限。

至于成本,Elon Musk 之前曾提到 30x 不锈钢的成本仅为 2500 美元/吨,而福特 F150 当年「由钢转铝」使得成本上升了 500 美金。

Cybertruck 采用 30x 不锈钢合金,是典型的特斯拉和 Space X 协作的产物,也是特斯拉在汽车这个沿袭百年的行业的又一次探索。

就像 Model S 率先打通 EE 架构和中控 OS,Model 3 完全移除仪表盘一样,这是特斯拉给这个行业带来的新的想象力。

从 Model S/X 的全铝,到 Model 3 的钢铝混合,再到 Cybertruck 的不锈钢,特斯拉正在一步步探索着材料工程的极限。

参考资料:

[1]https://www.nytimes.com/2018/03/01/business/ford-f150-aluminum-trucks.html

[2] 特斯拉 cybertruck 发布会 [3]https://www.surfair.com/us/surf-report/charles-kuehmann-space-age-engineer/ [4]https://compositesmanufacturingmagazine.com/2018/10/camx-keynote-address-focuses-on-design-engineering-tactics/2/ [5]https://www.popularmechanics.com/space/rockets/a25953663/elon-musk-spacex-bfr-stainless-steel/

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