核心提示
2018年前后，Tesla車機(jī)使用的熱界面材料**升級—— 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；然而伴隨這個變化，產(chǎn)線上的“活塞泵”點膠設(shè)備竟然集體下線，取而代之Tesla**換裝“螺桿泵”點膠機(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“完全自動駕駛”系統(tǒng)FSD正式入華，不出所料這個消息一放出來就立刻沖上了當(dāng)日各大媒體平臺的熱搜！
因為如今的國產(chǎn)智駕雖說已經(jīng)是一個比一個能打了，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，憑借大幅升級的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和視覺技術(shù)，**將自動駕駛的場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“自動駕駛”的新紀(jì)元！
然而大多數(shù)人并不知道的是，正是這個牛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膠機(jī)……
（新浪財經(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借助點膠機(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，這個問題非但沒能緩解反而變得日趨嚴(yán)重，*后搞得凝膠的動力粘度也跟著大幅上升，連帶著點膠機(jī)的出膠速度也出現(xiàn)了斷崖式下跌！
（www.sealsolutionsaustralia.com.au）
不僅如此，隨著時間的推移新的問題接踵而至——那些之前“漏油”的點膠機(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)運動泵體的密封系統(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)定運行的“活塞泵”點膠機(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“小甜甜”。
*后，一套形態(tài)上完全不同于“活塞泵”的點膠設(shè)備脫穎而出，憑借更穩(wěn)定的運行和更流暢的點膠節(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”點膠機(jī)！
其實“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)熱凝膠這類對混合精度有著一定要求的膠體時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點膠時“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，但是在導(dǎo)熱率實現(xiàn)了大躍進(jìn)的同時，它的動力粘度也跟著創(chuàng)了新高……
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“大升級”的導(dǎo)熱凝膠
其實只要和Tesla上一代的智駕系統(tǒng)HW2.0/2.5一對比就能看出來，F(xiàn)SD HW3.0芯片的各項參數(shù)都實現(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全新的高度！
而與之呼應(yīng)的，就是導(dǎo)熱凝膠的“大升級”。
（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“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力粘度也大幅超過了上一代凝膠！
據(jù)業(yè)內(nèi)專家評估，新凝膠的真實粘度恐怕已經(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)到了點膠機(jī)！
（信息來源：產(chǎn)品TDS及經(jīng)驗評估）
因為賓漢流體的相關(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)驗評估）
當(dāng)然，作為多年后的局外人我們無從得知當(dāng)時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”點膠機(jī)爆發(fā)出的問題來看，如果試圖一味提高點膠壓力來提高出膠速度顯然會衍生出其他更嚴(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，但是較高的點膠壓力**是*直接的一個。
具體來說就是當(dāng)點膠機(jī)的壓力過大之時，原本存在于凝膠內(nèi)部負(fù)責(zé)潤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”減少了，膠體就會變得更加粘稠，同時導(dǎo)熱填料也更容易沉積在管路內(nèi)部對設(shè)備造成磨蝕！
(Nanostructured fumed metal oxides for thermal interface pastes_Deborah Chung)
之所以會出現(xiàn)這個問題，主要是因為包括導(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)了點膠機(jī)的泵體之時，活塞給出來的點膠壓力*后都分散作用在了每一個硅油分子上。當(dāng)作用在硅油分子上的點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，所以*后它們也只能眼睜睜看著硅油分子被壓力裹挾而去！如果這個情況持續(xù)一段時間，就會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”的凝膠則必然會變得更加粘稠！
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膠速度，于是為了保證點膠速度才提高壓力；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……到頭來不僅點膠速度沒提上去，反而有大量粉體沉積下來對設(shè)備造成了嚴(yán)重的堵塞與磨蝕！
如此看來問題的癥結(jié)就出在了點膠壓力這個環(huán)節(jié)，想必當(dāng)時Tesla的工程師們肯定也是意識到了這一點，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？要想講清個中原委，我們就要從這兩種“點膠泵”各自的工作原理說起了。
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何以勝出“螺桿泵”？
如果用一個詞概括“活塞泵”的風(fēng)格，應(yīng)該就是“一鼓作氣”了。因為這種泵對凝膠的“吸入”和“排出”全靠活塞在缸體內(nèi)的往復(fù)運動，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。這種工作方式簡單又直接，主打一個大力出奇跡。
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！
因為膠體在向前流動中會遇到各種阻力，所以壓力在出膠口位置會低于入膠口，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，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，至于實際情況又會如何呢？
有研究人員專門做過量化的評估，他們使用CFD軟件對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“節(jié)”內(nèi)的壓力分布也有高有低，但是好在每個“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）
講到此處我們再看回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均勻，在這樣的環(huán)境中凝膠也就保持住了相對穩(wěn)定的形貌，點膠進(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”點膠機(jī)呢？這其中很重要的一個原因就是行業(yè)慣性使然
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雖遲但到“螺桿泵”
因為受限于電機(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”點膠設(shè)備廠商異軍突起。
幾乎是在同一時期，國內(nèi)“螺桿泵”點膠設(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)的儲備與研發(fā)，專注于無限循環(huán)容積式計量，時至今日已是業(yè)內(nèi)頗具口碑與專業(yè)度的點膠設(shè)備方案供應(yīng)商。
（http://lmsnjt.com/）
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號設(shè)立展臺，屆時將展示包括“螺桿泵”點膠機(jī)在內(nèi)的一系列流體設(shè)備方案。在此誠摯邀請您蒞臨參觀與指導(dǎo)！
