核心提示
2018年前后，Tesla車機(jī)使用的熱界面材料**升級(jí)—— 一款導(dǎo)熱率高達(dá)9.0+W/m·K的全新導(dǎo)熱凝膠出現(xiàn)在了FSD HW3.0的智駕芯片上；然而伴隨這個(gè)變化，產(chǎn)線上的“活塞泵”點(diǎn)膠設(shè)備竟然集體下線，取而代之Tesla**換裝“螺桿泵”點(diǎn)膠機(jī)！
那么這兩件事情之間究竟有何關(guān)聯(lián)？讓我們把視角拉回當(dāng)年一探究竟！
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轉(zhuǎn)投“螺桿泵”的Tesla FSD
2月25日，Tesla官宣自家的“完全自動(dòng)駕駛”系統(tǒng)FSD正式入華，不出所料這個(gè)消息一放出來就立刻沖上了當(dāng)日各大媒體平臺(tái)的熱搜！
因?yàn)槿缃竦膰?guó)產(chǎn)智駕雖說已經(jīng)是一個(gè)比一個(gè)能打了，但是要論江湖地位，Tesla的FSD依然是眾多廠商緊盯的標(biāo)桿——
畢竟早在疫情前的2019年Tesla的智駕系統(tǒng)就已經(jīng)迭代到了FSD HW3.0版本，憑借大幅升級(jí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和視覺技術(shù)，**將自動(dòng)駕駛的場(chǎng)景從平直的高速公路擴(kuò)展到了復(fù)雜的城市街道，可說是憑一己之力成功開啟了“自動(dòng)駕駛”的新紀(jì)元！
然而大多數(shù)人并不知道的是，正是這個(gè)牛X的FSD HW3.0，當(dāng)年在量產(chǎn)初期竟還遭遇過一次頗為嚴(yán)重的產(chǎn)能地獄！而“罪魁禍?zhǔn)住?，竟然就是產(chǎn)線上再常見不過的點(diǎn)膠機(jī)……
（新浪財(cái)經(jīng)）事情還要從FSD HW3.0的熱管理說起。我們知道智駕芯片一般都發(fā)熱量巨大，為了控制它的溫升汽車電子廠商往往都會(huì)借助點(diǎn)膠機(jī)在其表面涂上一層導(dǎo)熱凝膠。
但是誰都沒想到，那些在Tesla產(chǎn)線上工作了數(shù)年一直穩(wěn)定發(fā)揮的“活塞泵”點(diǎn)膠機(jī)，在FSD HW3.0試生產(chǎn)開始沒多久就狀況頻出。
一開始是泵體的接頭位置出現(xiàn)“漏油”，檢查后發(fā)現(xiàn)原來是膠體里面的硅油滲出來了。
而隨著大規(guī)模量產(chǎn)階段的到來，這個(gè)問題非但沒能緩解反而變得日趨嚴(yán)重，*后搞得凝膠的動(dòng)力粘度也跟著大幅上升，連帶著點(diǎn)膠機(jī)的出膠速度也出現(xiàn)了斷崖式下跌！
（www.sealsolutionsaustralia.com.au）
不僅如此，隨著時(shí)間的推移新的問題接踵而至——那些之前“漏油”的點(diǎn)膠機(jī)竟然又開始“漏膠”！
拆開一看才發(fā)現(xiàn)，原來是凝膠里面堅(jiān)硬的導(dǎo)熱填料大量沉積在了密封件的周圍，隨著活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)泵體的密封系統(tǒng)硬生生被它們給“磨漏”了！
（www.sealsolutionsaustralia.com.au）
就這樣，多年來一直都穩(wěn)定運(yùn)行的“活塞泵”點(diǎn)膠機(jī)忽然就變成了影響產(chǎn)能的“牛夫人”，逼得Tesla的工程師們不得不開始滿世界尋找下一個(gè)“小甜甜”。
*后，一套形態(tài)上完全不同于“活塞泵”的點(diǎn)膠設(shè)備脫穎而出，憑借更穩(wěn)定的運(yùn)行和更流暢的點(diǎn)膠節(jié)奏拯救FSD HW3.0產(chǎn)線于水火，而這套設(shè)備就是傳說中的——“螺桿泵”點(diǎn)膠機(jī)！
其實(shí)“螺桿泵”也早就不是什么新面孔了，它甚至能和“活塞泵”一起并稱點(diǎn)膠泵領(lǐng)域的兩大巨頭。
只不過在多年來形成的認(rèn)知慣性的影響下，當(dāng)需要裝配雙組分導(dǎo)熱凝膠這類對(duì)混合精度有著一定要求的膠體時(shí)人們往往更愿意選擇“活塞泵”。
Tesla產(chǎn)線由“活塞泵”轉(zhuǎn)向“螺桿泵”
既然如此，這次輪到給FSD HW3.0點(diǎn)膠時(shí)“活塞泵”又經(jīng)歷了何種遭遇，反倒讓“螺桿泵”成功扳回一局呢？
原來FSD HW3.0采用的導(dǎo)熱凝膠已經(jīng)在暗中完成了一次重大升級(jí)，但是在導(dǎo)熱率實(shí)現(xiàn)了大躍進(jìn)的同時(shí)，它的動(dòng)力粘度也跟著創(chuàng)了新高……
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“大升級(jí)”的導(dǎo)熱凝膠
其實(shí)只要和Tesla上一代的智駕系統(tǒng)HW2.0/2.5一對(duì)比就能看出來，F(xiàn)SD HW3.0芯片的各項(xiàng)參數(shù)都實(shí)現(xiàn)了一次質(zhì)的飛躍——除了算力飆升之外，它的TDP和熱流密度也跟著來到了一個(gè)全新的高度！
而與之呼應(yīng)的，就是導(dǎo)熱凝膠的“大升級(jí)”。
（https://teslatap.com/articles/autopilot-processors-and-hardware-mcu-hw-demystified/#timeline）
具體來說，上一代的的HW2.0/2.5智駕系統(tǒng)主芯片算力只有30TOP/s，這種水平用來做“輔助駕駛”問題不大，但是要想讓駕駛者很放心地把手從方向盤上挪開還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
不過這樣的算力也將芯片的TDP控制在了15W以內(nèi)，結(jié)合芯片的面積來看其熱流密度應(yīng)該在比較可控的20W/cm2上下。
于是我們就看到Tesla只給這個(gè)“輔助駕駛”系統(tǒng)搭配了一款導(dǎo)熱率在3.0～4.0W/m·K區(qū)間的中低導(dǎo)熱凝膠。
HW2.0/2.5主芯片使用的導(dǎo)熱凝膠
但是到了FSD HW3.0就完全不一樣了——
系統(tǒng)主芯片的算力和TDP分別飆升至144TOP/s與36W，隨之熱流密度也上探40～50W/cm2區(qū)間！
此時(shí)系統(tǒng)的發(fā)熱量已經(jīng)不可同日而語，于是Tesla就給這一代智駕系統(tǒng)重新挑選了一款導(dǎo)熱率高達(dá)9.0+W/m·K的全新凝膠！
HW3.0主芯片使用的導(dǎo)熱凝膠(https://www.youtube.com/watch?v=ODdIRr5RzI8&t=587s)
**的問題是，伴隨著導(dǎo)熱率的飆漲這款新凝膠的動(dòng)力粘度也大幅超過了上一代凝膠！
據(jù)業(yè)內(nèi)專家評(píng)估，新凝膠的真實(shí)粘度恐怕已經(jīng)突破了700Pa.s的極高值，如此粘稠的膠體與其說它是流體倒不如說它其實(shí)就是一坨干泥巴更為貼切了。
到了這一步，“壓力”終于傳導(dǎo)到了點(diǎn)膠機(jī)！
（信息來源：產(chǎn)品TDS及經(jīng)驗(yàn)評(píng)估）
因?yàn)橘e漢流體的相關(guān)公式告訴我們，在不考慮其它因素的情況下，流體的流速將隨著粘度的上升而等比例下降。也就是說，FSD HW3.0的凝膠粘度漲到了原來的350%，那么點(diǎn)膠機(jī)的出膠速度將下降到原來的30%還不到，毫無疑問這就是妥妥的“產(chǎn)能地獄”??！
不過好在賓漢流體公式還告訴我們，要想保持住出膠速度也不是沒有辦法，只要把點(diǎn)膠機(jī)的“泵送壓力”也隨著粘度的漲幅等比例提高就行了——比如，提高到略微恐怖的20～30Bar……
（信息來源：產(chǎn)品TDS及經(jīng)驗(yàn)評(píng)估）
當(dāng)然，作為多年后的局外人我們無從得知當(dāng)時(shí)Tesla的工程師們究竟把壓力提高到了何種水平。不過從那之后產(chǎn)線“活塞泵”點(diǎn)膠機(jī)爆發(fā)出的問題來看，如果試圖一味提高點(diǎn)膠壓力來提高出膠速度顯然會(huì)衍生出其他更嚴(yán)重的問題。*顯而易見的就是“油粉紛離”。
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“點(diǎn)膠壓力”與“油粉分離”
雖然引發(fā)“油粉分離”的因素很多，但是較高的點(diǎn)膠壓力**是*直接的一個(gè)。
具體來說就是當(dāng)點(diǎn)膠機(jī)的壓力過大之時(shí)，原本存在于凝膠內(nèi)部負(fù)責(zé)潤(rùn)滑的硅油分子容易大量逸出，*后以“硅油”的形態(tài)從“活塞泵”附近的接頭處滲漏出來。
一旦硅油的“滋潤(rùn)”減少了，膠體就會(huì)變得更加粘稠，同時(shí)導(dǎo)熱填料也更容易沉積在管路內(nèi)部對(duì)設(shè)備造成磨蝕！
(Nanostructured fumed metal oxides for thermal interface pastes_Deborah Chung)
之所以會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題，主要是因?yàn)榘▽?dǎo)熱凝膠在內(nèi)的諸多熱界面材料基本都是導(dǎo)熱填料和硅油分子的混合物。
從微觀層面來看，每個(gè)導(dǎo)熱填料顆粒上都吸附著大量硅油分子，而讓它們能夠吸附上去的就是分子間的“范德華力”。
不過范德華力頗為弱小，靠著它維系起來的結(jié)構(gòu)是比較脆弱的。特別是當(dāng)導(dǎo)熱凝膠被打進(jìn)了點(diǎn)膠機(jī)的泵體之時(shí)，活塞給出來的點(diǎn)膠壓力*后都分散作用在了每一個(gè)硅油分子上。當(dāng)作用在硅油分子上的點(diǎn)膠壓力大過了范德華力，就能將硅油分子從填料顆粒上“拽”下來。
不過由于導(dǎo)熱填料比重大，彼此之間還存在摩擦阻力，沒辦法像硅油分子那樣絲滑移動(dòng)，所以*后它們也只能眼睜睜看著硅油分子被壓力裹挾而去！如果這個(gè)情況持續(xù)一段時(shí)間，就會(huì)有大量硅油分子匯集成肉眼可見的硅油滲出到凝膠表面；而失去了硅油“滋潤(rùn)”的凝膠則必然會(huì)變得更加粘稠！
如此一來事情就徹底陷入了惡性循環(huán)——一開始是凝膠的高粘度影響了點(diǎn)膠速度，于是為了保證點(diǎn)膠速度才提高壓力；結(jié)果沒想到先是導(dǎo)熱凝膠發(fā)生油粉分離，之后膠體又變得粘度更高……到頭來不僅點(diǎn)膠速度沒提上去，反而有大量粉體沉積下來對(duì)設(shè)備造成了嚴(yán)重的堵塞與磨蝕！
如此看來問題的癥結(jié)就出在了點(diǎn)膠壓力這個(gè)環(huán)節(jié)，想必當(dāng)時(shí)Tesla的工程師們肯定也是意識(shí)到了這一點(diǎn)，于是才有了之后Tesla產(chǎn)線**轉(zhuǎn)向“螺桿泵”的故事。那么“螺桿泵”又是什么工作原理，憑什么它就能比“活塞泵”更加勝任這份工作呢？要想講清個(gè)中原委，我們就要從這兩種“點(diǎn)膠泵”各自的工作原理說起了。
04
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何以勝出“螺桿泵”？
如果用一個(gè)詞概括“活塞泵”的風(fēng)格，應(yīng)該就是“一鼓作氣”了。因?yàn)檫@種泵對(duì)凝膠的“吸入”和“排出”全靠活塞在缸體內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以活塞的一次沖程就能將泵內(nèi)所有的凝膠全部推送出去。這種工作方式簡(jiǎn)單又直接，主打一個(gè)大力出奇跡。
柱塞泵的工作原理
反觀螺桿泵的工作方式則更像“螞蟻搬家”——人家“活塞泵”一口氣就能泵出去的凝膠，到了“螺桿泵”這里卻要先通過螺桿旋轉(zhuǎn)的剪切作用將其分割成若干小份，然后再借助轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)將每份凝膠沿著螺旋槽向前推送，整個(gè)過程可謂均勻而連貫。
螺桿泵的工作原理
這兩種迥異的風(fēng)格直接產(chǎn)生了天差地別的效果，*為明顯的就是泵體內(nèi)部的壓降！
因?yàn)槟z體在向前流動(dòng)中會(huì)遇到各種阻力，所以壓力在出膠口位置會(huì)低于入膠口，而這部分降低的壓力就是“壓降”。
所以我們可以簡(jiǎn)單粗暴地認(rèn)為，壓降越大，就代表入膠口壓力也越大！
（CFD SIMULATION OF PRESSURE DROP IN TURBULENCE FLOW OFWATER THROUGH CIRCULAR,
SQUARE,RECTANGULAR ANDTRIANGULAR CROSS-SECTIONAL DUCTS_Melkamu Embiale）
那么再結(jié)合賓漢流體的壓降公式能發(fā)現(xiàn)，假如在流速不變的情況下，泵的腔體越長(zhǎng)，壓降（泵送壓力）就越大！
而相較于活塞泵的腔體是一通到底的“長(zhǎng)走廊”，螺桿泵輸送凝膠的空間則是被切分成了若干緊湊短小的“小房間”。所以結(jié)合賓漢流體的公式，哪怕只是定性地判斷也能看出導(dǎo)熱凝膠在“螺桿泵”內(nèi)受到的壓力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于“活塞泵”了！當(dāng)然，以上都是我們從理論層面進(jìn)行的推理和腦補(bǔ)，至于實(shí)際情況又會(huì)如何呢？
有研究人員專門做過量化的評(píng)估，他們使用CFD軟件對(duì)活塞泵和螺桿泵腔體內(nèi)部的壓力分布進(jìn)行了仿真。果然，活塞泵腔體內(nèi)的壓降巨大，入膠口壓力要比出膠口高出了數(shù)倍——這表明凝膠剛一進(jìn)入活塞泵就迎來了壓力的當(dāng)頭一棒，而此處也就成了發(fā)生“油粉分離”概率*大的危險(xiǎn)區(qū)域！
（CFD SIMULATION OF PRESSURE DROP IN TURBULENCE FLOW OFWATER THROUGH
CIRCULAR, SQUARE, RECTANGULAR ANDTRIANGULAR
CROSS-SECTIONAL DUCTS_Melkamu Embiale）
反觀螺桿泵就好多了，它的壓力分布以螺桿的“節(jié)”為單位不斷循環(huán)。雖然每個(gè)“節(jié)”內(nèi)的壓力分布也有高有低，但是好在每個(gè)“節(jié)”都是短小緊湊，即便存在壓降也都比較溫和。*后的效果就是，在這樣的泵體內(nèi)極端高壓出現(xiàn)的概率比較低，而導(dǎo)熱凝膠自然也就沒那么容易發(fā)生“油粉分離”了！
（采油螺桿泵密封與摩擦學(xué)特性研究_黃勇淇）
講到此處我們?cè)倏椿?/span>Tesla產(chǎn)線遇到的問題一切就變得很明了了——在HW2.0/2.5上使用的導(dǎo)熱凝膠粘度不高，即便較低壓力也能保持較高流速，因此這么多年下來大家一直相安無事。但是FSD HW3.0到來，更高導(dǎo)熱率的凝膠帶來了更高粘度，為了保持出膠速度點(diǎn)膠壓力就要隨之相應(yīng)提高，*終導(dǎo)熱凝膠發(fā)生“油粉分離”并引發(fā)一系列嚴(yán)重的問題。而換成螺桿泵之后，泵體內(nèi)的壓降較小壓力分布相對(duì)均勻，在這樣的環(huán)境中凝膠也就保持住了相對(duì)穩(wěn)定的形貌，點(diǎn)膠進(jìn)程自然就輕松愉快很多了！不過說到此處新的疑問又產(chǎn)生了，既然“螺桿泵”這么好，當(dāng)初特斯拉為什么選擇了“活塞泵”點(diǎn)膠機(jī)呢？這其中很重要的一個(gè)原因就是行業(yè)慣性使然
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雖遲但到“螺桿泵”
因?yàn)槭芟抻陔姍C(jī)控制技術(shù)和加工工藝，早期“螺桿泵”的泵送精度不太行，所以當(dāng)時(shí)的人們都傾向于將它應(yīng)用在流體輸送之類非常追求“流量”的領(lǐng)域。
反觀“活塞泵”天生就對(duì)出膠量有著比較精準(zhǔn)的控制，于是順理成章就成了各種點(diǎn)膠設(shè)備的優(yōu)選方案。
然而隨著技術(shù)的變革，電機(jī)技術(shù)也從70年代的步進(jìn)電機(jī)發(fā)展到了世紀(jì)之交的數(shù)字伺服電機(jī) ，這就讓螺桿泵的精度也實(shí)現(xiàn)了大幅提升！在這樣的背景之下，以維世科ViscoTec為代表的海外“螺桿泵”點(diǎn)膠設(shè)備廠商異軍突起。
幾乎是在同一時(shí)期，國(guó)內(nèi)“螺桿泵”點(diǎn)膠設(shè)備廠商在經(jīng)過多年技術(shù)積累后也開始嶄露頭?。就以國(guó)內(nèi)頭部雙液注膠廠商XETAR欣音達(dá)為例，他們從2006年開始進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的儲(chǔ)備與研發(fā)，專注于無限循環(huán)容積式計(jì)量，時(shí)至今日已是業(yè)內(nèi)頗具口碑與專業(yè)度的點(diǎn)膠設(shè)備方案供應(yīng)商。
（http://www.ztve.cn/）
在即將到來的“2025慕尼黑上海電子生產(chǎn)設(shè)備展”上，XETAR欣音達(dá)公司將于W1館1316號(hào)設(shè)立展臺(tái)，屆時(shí)將展示包括“螺桿泵”點(diǎn)膠機(jī)在內(nèi)的一系列流體設(shè)備方案。在此誠(chéng)摯邀請(qǐng)您蒞臨參觀與指導(dǎo)！
