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來源:數字化企業
作者:孫雅量
2月初,美國宣佈對來自墨西哥的商品加徵25%的關稅,儘管最後達成協議暫緩實施,但仍然給早已一體化的美加墨汽車供應鏈體系蒙上了一層陰影。
早在去年7月份,特斯拉就宣佈暫緩墨西哥工廠的建設計劃。有訊息稱,特斯拉此前聲稱用於墨西哥工廠的新一代製造技術Unboxed Process將改在德克薩斯州奧斯汀工廠實施,用於生產最新發布的Cybercab自動駕駛出租車,也將塵封許久的Unboxed Process重新拉回行業視線。

圖1 特斯拉Unboxed Process
(來源:Tesla's 2023 Investor Day)
Unboxed Process,中文翻譯為“開箱工藝”,最早出現在2023年特斯拉投資者日上,其核心理念其實就三點:產品一體化、高度模組化以及裝配分散化。目前99%的整車廠都在沿用1913年福特發明的流水線生產模式,即一輛輛汽車自始至終沿著一條主線前進,經衝壓、焊接、塗裝、總裝,期間各零部件運至主線旁邊再逐一裝配到車上,是一種序列的線性生產模式。

而Unboxed Process是將車輛拆分為幾塊大的區域模組,比如前部(包含機艙內所有零件及前艙車體)、中部(包含前排座椅、底板及中控總成)、尾部(包含後排座椅、底板及尾箱)等,將不同的區域大模組分散在各支線(或工作站)進行裝配後,再統一運送至最終合裝線(或工作站)將其合併為一輛完整的車。

圖2 Unboxed Process與傳統模式對比
(來源:Financial Times)
如果覺得較難理解,可以聯想為蓋房子。一般蓋房子先得打地基,一層層搭建樓房框架,再刷漆、裝門窗,最後業主收房裝修、搬家入住,先有框架再扣內部細節。
但這種模式的缺點,一是長期佔用大面積工地且效率低,從開始建到收房至少得3-4年;二是抗干擾能力差,某個環節出現問題或某種材料缺貨,整個專案都得停工。
而Unboxed Process可以看作是把整棟樓像切蛋糕一樣切分成幾小塊,每塊都在不同的地點建造,各小塊從裡到外全部建完且裝修完後統一拉到最終工地,透過塔吊將其逐一壘成一座完整的樓,這種模式無需長期且大面積地佔用場地、各環節互不影響、整體效率更高、業主直接拎包入住。
先說結論:讓人眼前一亮的創新的確很多,但顛覆上百年的汽車製造不至於,甚至不及豐田推行精益那一波帶來的衝擊,Unboxed Process更多還是戰術而非戰略上的創新。
去年9月,特斯拉正式獲批了Unboxed Process的專利(WIPO專利號WO2024182432)。
從WIPO(World Intellectual Property Organization)公佈的專利檔案中可以看到其部分技術細節及創新亮點。
高度整合模組化設計

圖3 車體各主模組組裝(來源:WIPO-WO2024182432)


圖4 車體各子模組組裝(來源:WIPO-WO2024182432)
Unboxed Process將車體分為五大主模組(前、中、後、左、右),以中間模組為基準,其餘模組依次合併從而形成完整車體。
每個主模組又由多個子模組組成。其實模組化設計在汽車界不算新鮮事,早在1980年代大眾汽車就提出了模組化平臺概念,不同車型的底盤、動力系統和電子電氣架構實現共享,進入21世紀後模組化的設計逐漸由零部件擴充套件到整車系統。而且類似的組裝模式在其他行業也有類似,比如造船業目前流行的總段/分段式建造模式與此也有異曲同工之處。只是特斯拉相比其他車企在模組化設計方面更為極致。
最佳化塗裝流程

圖5 工藝流程示意圖(來源:WIPO-WO2024182432)
從工藝流程圖中能夠看出Unboxed Process還是基於傳統整車工藝,並沒有顛覆“衝-焊-塗-總”的傳統生產流程,創新亮點主要在塗裝環節。
首先是色漆的噴塗,傳統的色漆噴塗除了車身外覆蓋件,前艙、尾箱、乘員艙內部也有噴塗,而Unboxed Process的色漆噴塗只針對車身可被使用者直接看見的部分,看不到的部分不噴塗色漆,簡化了工藝流程、節約了能耗、降低了材料成本。其次是按照模組分線進行噴塗,取代了傳統的整個白車身統一噴塗的方式,能夠大大減少塗裝車間面積、提高塗裝效率、降低建設成本。
新增模組定位環節

圖6 工藝流程示意圖(來源:WIPO-WO2024182432)
所有主模組裝配完成後會統一運送到最終合裝處,最後的合併是裝配環節的重中之重,Unboxed Process針對前部和尾部兩個主模組專門設定了定位環節,在前、中、後三部分定位合併後再裝配左、右兩部分,與傳統總裝工藝一個個零部件沿流水線依次裝車的模式有著本質上的區別。
因為涉及到多個子模組的同時匹配與連線,相比傳統總裝工藝一個個零件依次裝車更加複雜,對於裝配精度的要求也更為嚴格,如果技術落地將會是整個生產流程的瓶頸。
車門一次性裝配

圖7 傳統汽車總裝工藝流程圖
(來源:微信公眾號AutoNewTech)

圖8 Unboxed Process工藝流程示意圖
(來源:WIPO-WO2024182432)
傳統的整車工藝,車輛從塗裝車間進入總裝車間,先得把四個車門拆下來送至車門分線,裝完全部零件後再送到最終線裝回車上(如果不拆車門,工人進出車內裝配零件會非常困難)。
Unboxed Process因為是整合模組化設計,車門可以獨立於車體進行裝配,也可以將車門單獨噴塗,等所有零件裝配完成後再運送至裝配線與車體匯合,僅一次性裝配,無需重複拆裝,簡化流程的同時也減少了反覆拆裝過程中的磕碰劃傷風險。其餘環節如外飾件、車燈、輪胎的裝配與傳統工藝並無本質區別。
全新車體連線方式

圖9 Unboxed Process採取的螺栓連線方式
(來源:WIPO-WO2024182432)
傳統的車身主要是透過各種焊接工藝來完成全部車體的連線。Unboxed Process由於在主模組合併時全車已完成噴漆和子零件裝配了,再去焊接無疑會損壞車漆,產生的焊渣也會對內飾件造成損傷,另外空間也不夠焊接機器人操作。
因此Unboxed Process採取的是螺栓連線方式,在各主模組連線處至少使用了30餘個螺栓,涵蓋車頂前後橫樑、儀表板上部及兩側的鈑金、後門檻及後翼子板區域,在當下汽車製造業是獨一份。
移動式柔性產線

圖10 Unboxed Process移動式柔性產線
(來源:WIPO-WO2024182432)
如今的乘用車總裝線還是基於福特流水線模式,吊具承載著車身沿固定軌道執行,工人站在自動傳送帶或移動大平板上隨車進行裝配,這種模式產線佔用空間大、升級調整困難。
Unboxed Process是以AGV為總裝線核心,車體各模組均透過大型AGV進行運送,可根據車間佈局與工藝排布自由設定AGV行進路線,產線柔性更好、調整更加便捷。其實類似的模式在商用車製造領域已有應用,乘用車由於車身自重更輕、生產節拍相對固定、產線速度更快、日產量更高,“固定軌道+吊具”模式能保證低建設成本和高生產效率,僅在個別環節如車身-底盤拼合會使用大型AGV進行運輸,完全放棄固定軌道和吊具,在乘用車製造領域並不多見。
Unboxed Process可以說是汽車製造領域的重大創新。由於減少重複裝配、精簡噴塗區域、產線柔性設計,特斯拉聲稱Unboxed Process會讓工廠製造工人減少40%,製造所需的空間和時間也將減少30%,縮短新車開發週期至18-24個月,裝配費用降低到目前使用傳統模式生產的Model 3或Model Y的一半。
Unboxed Process理論上看起來很好,但有幾個問題仍待解答:
產品工程如何解決?
高度整合的模組化設計與創新性的車體螺栓連線,相應的汽車產品工程層面的設計也需要大規模調整。例如遍佈全車的車身主線束,主體線束分佈在整塊底板之上,分支線束遍佈前艙、乘員艙、四門及尾箱,如果將全車拆分為幾大模組,早已一體化的全車線束就需要重新設計佈局、走向及連線點。再比如車體用螺栓連線,整車的剛性、耐久效能否滿足法規要求目前都是未知的。
裝配及零部件精度能滿足嗎?
傳統的汽車總裝,零部件是一個個依次安裝,裝配有問題立刻就能發現。Unboxed Process的分散式裝配,最後主模組合成環節涉及到多個子模組的同步匹配,對於裝配精度要求極高,有一個零部件尺寸有誤或裝配不到位,整個模組都將無法安裝,這會極大影響生產效率。此外,零部件公差的累計問題也對供應商的製造水平提出更高的要求。
降本增效效果到底如何?
Unboxed Process理論層面是會比傳統生產模式有著更好的降本增效效果,但很多隱形成本目前仍是未知的。
首先是裝配及零部件精度不夠造成的大量返工及零件損耗成本,如果最為關鍵的最終合裝環節出現問題,很難快速鎖定根本原因,因為同時涉及多個子模組及零件的定位與匹配,變數太多。即便鎖定問題所在,後續返工也會耗費大量時間,過程中的物料損耗難以統計。
其次是裝置的引進成本,比如大型AGV、工業機器人、人形機器人、大型壓鑄機、新的模具、工裝等。還有新工藝帶來的人員培訓成本等。

圖11 重卡裝配線移動機器人(來源:新松機器人)
雖然Unboxed Process目前仍處於前期探索及驗證階段,但其中涉及的關鍵技術趨勢值得業界關注。
一體化壓鑄的廣泛應用
一體化壓鑄是Unboxed Process的核心支撐技術,早在2019年特斯拉就引入了一體化壓鑄用於Model Y的製造。
與傳統的壓鑄工藝相比,一體化壓鑄技術在材料利用、生產效率、產品質量、一致性和成本等方面具有明顯的優勢。透過將多個零件合併成一個整體統一壓鑄,減少製造工序和時間,降低生產成本。
目前特斯拉奧斯汀工廠採用的一體化壓鑄方案可將前、後底板零件數量從171個減少至2個,焊接點數量減少超1600個。不過由於車輛碰撞後維修成本高昂,後來很多車企又開發出各種分段式一體壓鑄方法來降低維修成本,在此不做過多贅述。

圖12 一體化壓鑄後車身(來源:特斯拉)
除了特斯拉外,還有很多車企也開始使用一體化壓鑄技術。
例如小鵬汽車引入12000噸壓鑄機用於G6、G9的後車身製造、極氪汽車採用7200噸壓鑄機用於一體式後車身製造、小米汽車配備9100噸壓鑄機用於SU7車型的生產。目前掌握大型壓鑄機技術的廠商如力勁科技、海天、伊之密、瑞士布勒集團等均推出了大型一體式壓鑄機產品。

圖13 超大型一體式壓鑄機(來源:力勁集團)
3D列印被更多用於模具製造
在一體化壓鑄過程中,3D列印技術對製造測試模具發揮著重要作用。
傳統的大型金屬測試模具設計過程需要耗費幾百萬美元,製作完成後,每次的加工調整也需要花費幾十萬美元,如此高昂的成本是很多車企所無法承擔的。為此,特斯拉使用3D列印技術用工業砂製作測試模具。
相較於傳統的砂型鑄造,3D列印極大地簡化了工藝流程。它取代了傳統的制模、造型、制芯工藝,降低了對工人技能的依賴,還能製作更為複雜的砂型和砂芯。透過數字設計檔案,將液態粘合劑以噴塗的方式沉積到薄薄的砂層上,逐層構建出用於壓鑄熔融金屬的模具。
即便多次調整,設計驗證成本也僅為金屬原型的3%。不僅在成本上優勢顯著,還大幅縮短了設計驗證週期,從原本金屬模具原型所需的6-12個月,減少到了2-3個月。

圖14 使用金屬3D列印技術列印的原型模具(來源:中瑞科技)
人形機器人開始進廠
人形機器人一直是行業熱點,隨著春晚宇數科技的扭秧歌機器人大火,又掀起了一波熱潮。
對於汽車整車製造,衝壓、焊接、塗裝自動化率90%以上不成問題,有的工廠甚至達到100%,而總裝自動化率最高不到30%,人形機器人未來的應用會集中在總裝。總裝環節因為涉及車內裝配,需要工人頻繁鑽入鑽出,還有大量的線束安裝、管路連線、螺栓緊固,對於人來說很簡單,對於機器人則非常困難。Unboxed Process因為將車體拆分成幾塊,不需要再頻繁從車內鑽入鑽出,也給了機器人更大的操作空間。
此外,電動車本來就比燃油車結構簡單,再疊加特斯拉前衛的極簡化設計,使得人形機器人的大規模應用成為可能。


圖15 特斯拉最新發布的Cybercab取消了方向盤和踏板
(來源:特斯拉)
目前已有很多車企開始引入人形機器人,例如小鵬汽車自主研發的人形機器人Iron已在廣州工廠投入實訓、特斯拉Optimus機器人已經可以承擔了一些簡單任務如電池分類、比亞迪與優必選合作將人形機器人與無人車協同作業應用。未來人形機器人將會被更多企業引入用於生產製造、物流運輸等各個環節。

圖16 特斯拉Optimus機器人分揀電池(來源:特斯拉)
總之,Unboxed Process的確是一項重大的生產模式創新,也足以引起企業對技術發展趨勢的關注和現有生產模式的思考。特斯拉宣稱其Cybercab最早會在2026年底量產,或許那時就可以看到Unboxed Process的全貌。
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