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近來(lái)，有關(guān)電動(dòng)汽車的報(bào)道日益增多，人們對(duì)日產(chǎn)汽車預(yù)定2010年底上市的“綠葉”也寄予厚望。不過，電動(dòng)汽車的普及量還非常少，當(dāng)前還很難稱得上是一項(xiàng)盈利業(yè)務(wù)。
盡管如此，部件廠商及材料廠商仍在面向電動(dòng)汽車大舉推進(jìn)技術(shù)開發(fā)，促使其這樣做的一大原因便是危機(jī)感。日本NOK的一名員工表示，“本公司一直面向汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大量生產(chǎn)并銷售密封材料。電動(dòng)汽車時(shí)代來(lái)臨時(shí)，銷售額可能會(huì)大幅減少。如果現(xiàn)在不著手開發(fā)，就會(huì)落后于人”。
首先為做好“未雨綢繆”的準(zhǔn)備而推進(jìn)開發(fā)，之后再將其培育成新的收益源。這種想法似乎已被融入到了各公司的部件及材料開發(fā)工作之中。
為了延長(zhǎng)續(xù)航距離……
目前的電動(dòng)汽車還存在很多影響其普及的問題。這就要求構(gòu)成電動(dòng)汽車的部件及材料采用能夠解決或減輕這些問題的技術(shù)。首先，現(xiàn)在的電動(dòng)汽車不得不使用能量密度較低的充電電池，因此續(xù)航距離有限。要延長(zhǎng)續(xù)航距離，就需要部件及材料實(shí)現(xiàn)小型輕量化。
從事木模制作和電動(dòng)汽車開發(fā)等業(yè)務(wù)的日本Takayanagi（總部：浜松市）公開了預(yù)定2011年春季以630萬(wàn)日元（含稅）的價(jià)格推出的高級(jí)小型電動(dòng)汽車“miluira”的內(nèi)部構(gòu)造（上圖右下照片）。這是為了在銷售整車的同時(shí)，還銷售車身部件的嘗試。其中格外引人注目的部件是實(shí)現(xiàn)了輕量化的馬達(dá)（圖1）。馬達(dá)的機(jī)殼采用碳纖維強(qiáng)化樹脂（CFRP）。將機(jī)殼重量減輕到了現(xiàn)有鋁合金機(jī)殼的1/5、鋼機(jī)殼的1/9。
這種由CFRP制成的機(jī)殼為三層構(gòu)造，在由CFRP片形成的筒形內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間夾有磁性體。加工方法是使用木模沖壓成型。Takayanagi代表董事、一級(jí)木模技師高柳力也表示，“利用了不用設(shè)置脫模斜度（Draft Angle）就能形成圓筒形的木模技術(shù)”。另外，之所以?shī)A有磁性體，是為了可在定子外側(cè)（機(jī)殼端）形成磁路，更加有效地利用磁通量。
一般情況下，馬達(dá)的機(jī)殼都采用鋼和鋁合金等金屬，為了實(shí)現(xiàn)輕量化，該公司便考慮采用替代材料。其中，普通樹脂的耐熱性和強(qiáng)度都不夠，因此Takayanagi將目光鎖定在了CFRP上。
因只打算進(jìn)行小批量生產(chǎn)，因此即便量產(chǎn)性存在些許問題也無(wú)大礙。成本方面，如果3500～5000日元/m2的CFRP薄膜的現(xiàn)有成本可以降至1000日元/m2左右，“那么成本將低于使用普通樹脂成型的機(jī)殼”（高柳）。
比鋼制車門板輕7kg的車門板
日本杰斯比（JSP）和優(yōu)必佳（U-PICA）展出了采用經(jīng)過玻璃纖維強(qiáng)化處理的植物性樹脂（植物性FRP）和植物性發(fā)泡芯材相結(jié)合的“復(fù)合板”制成的汽車車門板（圖2）。包含玻璃窗在內(nèi)，這種復(fù)合板車門約重21kg，比約28kg的鋼板車門輕7kg。還有望提高隔熱性、吸音性及沖擊吸收性等性能。
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| 圖1：實(shí)現(xiàn)了輕量化的馬達(dá)機(jī)殼（Takanayagi） 材料采用CFRP，使用木模成型。重量只有鋁合金機(jī)殼的1/5。 |
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| 圖2：采用以植物為原料的樹脂實(shí)現(xiàn)了輕量化的車門板（杰斯比和優(yōu)必佳） 利用植物性FRP和植物性發(fā)泡芯材相結(jié)合的“復(fù)合板”成型（照片近處）。重量約為21kg，比鋼板制車門板（照片遠(yuǎn)處）輕7kg。 |
在使用日本優(yōu)必佳的生物不飽和聚酯樹脂“BIOMUP”的兩塊植物性FRP成型品之間，填入了杰斯比開發(fā)的生物發(fā)泡芯材（未公開）形成復(fù)合板。據(jù)杰斯比介紹，復(fù)合板的厚度為10mm，但用鋼板制造時(shí)也要將兩塊0.6～0.8mm的薄板粘合起來(lái)，最終使用時(shí)厚度也會(huì)達(dá)到10mm左右，因此這種復(fù)合板可在不對(duì)其他部件造成影響的情況下直接代替鋼板。
一般情況下，各種產(chǎn)品大多采用以發(fā)泡體填充FRP內(nèi)側(cè)的方法作為輕量化手段。此次試制的汽車車門“已證實(shí)強(qiáng)度達(dá)到了也可用于汽車外裝部件的水平”（杰斯比的解說員）。
可確保強(qiáng)度的最大原因在于提高了植物性FRP與發(fā)泡體的粘合性。新開發(fā)了與植物性FRP的親和性較高的發(fā)泡體材料，不使用粘合劑等也可實(shí)現(xiàn)一體化。
試制品于2010年6月完成，花費(fèi)了3年左右的時(shí)間。今后還將驗(yàn)證實(shí)用化方面的問題。另外，杰斯比還表示，目前已使用經(jīng)過纖維素類纖維強(qiáng)化處理的植物性樹脂，在公司內(nèi)部試制出了強(qiáng)度與鋼板制門板相當(dāng)?shù)能囬T板。體積縮小至1/10以下
日本NOK展出的是嵌入鋰離子充電電池的柔性印刷底板（FPC）“電壓監(jiān)控布線用FPC”（圖3）。鋰離子充電電池由電池管理單元（BMU）對(duì)各電池單元的功能及安全性進(jìn)行管理。這種FPC是能夠用電信號(hào)將各個(gè)電池單元連接至BMU，并利用BMU檢測(cè)出電池單元電壓的部件。
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| 圖3：薄型FPC“電壓監(jiān)控布線用FPC”（NOK） FPC的厚度為300μm，總線厚度為1mm?？扇〈F(xiàn)行線束，對(duì)電池的小型化做出貢獻(xiàn)。 |
采用的構(gòu)造是在銅箔布線圖案上下涂布粘合劑，然后用聚酰亞胺薄膜作為絕緣體夾住布線圖案。各布線圖案分別與母線（Busbar）的不銹鋼板連接。為了使相鄰的電池單元串聯(lián)起來(lái)，需要將各個(gè)母線放置在電極之間并以螺絲等固定。這樣，便可測(cè)量出各電池單元的電壓。
FPC的厚度為300μm，母線為1mm。該公司的目的是，利用其較薄的特點(diǎn)取代現(xiàn)有線束（Wiring Harness）。由于體積可縮小至線束的1/10以下，因此可對(duì)電池組的小型化作出貢獻(xiàn)。
另外，這種FPC的連接性也十分出色，可防止布線錯(cuò)誤。其原理是，由于該FPC的形狀已固定，因此只要準(zhǔn)確連接一處，其他連接點(diǎn)就能自動(dòng)準(zhǔn)確定位。據(jù)該公司介紹，原來(lái)需要用線束逐個(gè)連接母線與BMU，為了防止布線錯(cuò)誤，作業(yè)時(shí)要非常謹(jǐn)慎，這樣便會(huì)增加作業(yè)人員的工作負(fù)擔(dān)。
不過，這種FPC與線束不同，成型時(shí)需要使用模具。因此，“成本會(huì)提高至線束的10倍以上”（該公司的解說員）。
可減小風(fēng)切音的發(fā)泡劑
不安裝發(fā)動(dòng)機(jī)的電動(dòng)汽車具有不產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)的特點(diǎn)。不過，這種應(yīng)視為“優(yōu)點(diǎn)”的特點(diǎn)會(huì)引發(fā)新的問題。那就是以前被發(fā)動(dòng)機(jī)聲完全遮蓋的行駛時(shí)的風(fēng)切音會(huì)變成使乘員感到刺耳。
為了解決這一課題，日本盛勢(shì)達(dá)技研（Sunstar，總部：大阪府高槻市）開發(fā)出了涂布型防音發(fā)泡劑“Penguin Form”（圖4）。將發(fā)泡劑填入車柱內(nèi)，可使風(fēng)切音等噪聲難以傳入車內(nèi)。
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| 圖4：涂布型防音發(fā)泡劑“Penguin Form”（盛勢(shì)達(dá)技研） 將含有發(fā)泡劑的膏狀合成橡膠填入車柱中，通過加熱使其發(fā)泡。這樣，車輛行駛時(shí)的風(fēng)切音等噪音就不易傳入車內(nèi)。照片遠(yuǎn)處為發(fā)泡前的狀態(tài)，近處為發(fā)泡后的狀態(tài)。 |
原料為含有發(fā)泡劑的膏狀合成橡膠。涂布系統(tǒng)的構(gòu)成部分包括可流出原料的高功率泵、定流量泵、將原料涂布在對(duì)象位置（車柱等）上的高壓槍、用于控制上述兩個(gè)泵的控制盤，以及握住高壓槍對(duì)涂布原料的位置進(jìn)行定位的6軸垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人。將灌裝的原料放入高功率泵中，原料會(huì)從高功率泵流向定流量泵，并送入高壓槍，然后從高壓槍頂端噴出，涂布到對(duì)象位置。隨后，在140～160℃溫度下加熱20分鐘，膏狀合成橡膠會(huì)發(fā)泡，體積膨脹至原來(lái)的11倍。凝固后就會(huì)變成防音材料。
涂布的對(duì)象位置為車柱（A～C柱）內(nèi)部等。由于這些部位的截面為箱狀（中空），因此車輛行駛時(shí)會(huì)因風(fēng)灌入而產(chǎn)生風(fēng)切音。對(duì)此，可將防音發(fā)泡劑填入車柱內(nèi)部，通過切斷氣流來(lái)減小風(fēng)切音。此外，為了防止汽車產(chǎn)生路面噪聲、輪胎噪聲以及石子飛濺的聲音，盛勢(shì)達(dá)還考慮將這種發(fā)泡劑應(yīng)用于輪罩拱（Wheel Arch)）及地板下方等。其隔音效果為30dB左右。
為了防止涂布于對(duì)象位置的合成橡膠滴落，該公司還改進(jìn)了粘度。因此，還可涂布在垂直或斜面位置。
減小驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的振動(dòng)
盡管驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的尺寸已經(jīng)小得無(wú)法與發(fā)動(dòng)機(jī)相比，但仍會(huì)產(chǎn)生噪聲及振動(dòng)。日立汽車系統(tǒng)（總部：東京）便著眼于此類噪聲源與振動(dòng)源之一——旋轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)矩變動(dòng)幅度即轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)（Torque Ripple），開發(fā)出了可減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的馬達(dá)。在保持基本轉(zhuǎn)矩特性的同時(shí)，進(jìn)一步提高了靜音性。
此次開發(fā)的是將永久磁鐵嵌入轉(zhuǎn)子內(nèi)部的IPM（內(nèi)嵌磁鐵型）馬達(dá)。使用了磁力較強(qiáng)的燒結(jié)釹鐵硼磁鐵。為減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)所做的改進(jìn)施加于名為“脈動(dòng)減小轉(zhuǎn)子構(gòu)造”的轉(zhuǎn)子構(gòu)造之上（圖5）。改進(jìn)方法十分簡(jiǎn)單，只是在轉(zhuǎn)子外周對(duì)轉(zhuǎn)子磁極每隔1極加工了小溝槽。
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| 圖5：可減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的馬達(dá)（日立汽車系統(tǒng)） 該圖表示轉(zhuǎn)子構(gòu)造“脈動(dòng)減小轉(zhuǎn)子構(gòu)造”。轉(zhuǎn)子磁極每隔1極設(shè)置小溝槽后，“無(wú)溝槽極”和“有溝槽極”產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)波形便接近于反相位，二者合成之后會(huì)接近于零。 |
轉(zhuǎn)子為8極，轉(zhuǎn)子上插入了8個(gè)這種磁鐵。如果第1極沒有溝槽，則第3、5、7極也沒有溝槽，而在第2、4、6、8極設(shè)有溝槽。具體而言，就是在轉(zhuǎn)子外周上正好相當(dāng)于磁鐵兩端附近之處，加工深1mm×寬5mm左右的小溝槽。因此，各個(gè)“有溝槽極”上分別設(shè)有兩個(gè)溝槽。
磁通量會(huì)從纏有繞線的定子端流向轉(zhuǎn)子端。在“無(wú)溝槽極”上，磁通量經(jīng)由缺口（空隙）從定子齒（突極）徑直流入轉(zhuǎn)子端。但有溝槽極因溝槽占有空間，除了缺口之外，定子和轉(zhuǎn)子的縫隙會(huì)變得更大。因此，在設(shè)有溝槽的位置，阻礙磁通量流動(dòng)的“阻力”會(huì)變大，來(lái)自于定子齒的磁通量會(huì)避開溝槽流向轉(zhuǎn)子端。
隨著這種磁通量的變化，無(wú)溝槽極上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)波形與有溝槽極產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)波形近乎于反相位。因此，由其合成的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)波形的振幅就會(huì)接近于零。也就是說，能夠減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
與未經(jīng)過減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的斜槽處理＊1的轉(zhuǎn)子（插入一體型磁鐵的轉(zhuǎn)子）構(gòu)成的馬達(dá)相比，采用新型轉(zhuǎn)子的馬達(dá)可減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)約60％。
＊1 斜槽處理是指將磁鐵沿著軸（長(zhǎng)度）方向進(jìn)行分割，按其長(zhǎng)度沿著軸方向?qū)⑥D(zhuǎn)子分塊，然后在設(shè)置旋轉(zhuǎn)角的同時(shí)將多個(gè)轉(zhuǎn)子塊層疊起來(lái)使轉(zhuǎn)子成型。由于通過拉緊轉(zhuǎn)子（塊）來(lái)形成旋轉(zhuǎn)力的磁鐵轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩很難隨著旋轉(zhuǎn)角的變化而變動(dòng)，因此可將轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小至與采用新型轉(zhuǎn)子的馬達(dá)相當(dāng)?shù)乃?。不過，采用這種方法會(huì)使磁鐵加工工時(shí)與轉(zhuǎn)子的組裝工時(shí)增加，因而造成成本上漲。另外，還存在會(huì)導(dǎo)致馬達(dá)輸出功率降低百分之幾的課題。利用薄壁鑄造方法提高散熱性
電動(dòng)汽車配備有驅(qū)動(dòng)用充電電池、馬達(dá)、逆變器及充電器等需要通過大電流的高壓部件，雖然發(fā)熱問題不如發(fā)動(dòng)機(jī)車嚴(yán)重，但仍存在散熱問題。因?yàn)楦唠妷侯惒考a(chǎn)生的熱量在內(nèi)部蓄積而導(dǎo)致高溫時(shí)，會(huì)造成磁鐵及電子部件性能劣化，導(dǎo)致無(wú)法發(fā)揮功能的危險(xiǎn)。因此，必須采取切實(shí)的散熱措施。
從事試制及小批量部件生產(chǎn)業(yè)務(wù)的日本INATEC（總部：愛知縣幡豆町）開發(fā)出了裝有薄壁散熱片的散熱器試制品（圖6）。目標(biāo)是試制出安裝在高電壓類部件上的散熱部件。雖然該試制品采用的是砂型鑄造法，但散熱片的壁厚在最薄膜處僅為1.5mm，從而提高了散熱性。
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| 圖6：利用薄型散熱片提高散熱性的散熱器試制品（INATEC） 采用砂型鑄造法對(duì)薄壁散熱片進(jìn)行成型。散熱片的最薄部分為1.5mm（左側(cè)近處）。散熱片高80mm。 |
材料采用壓鑄用鋁合金ADC12。雖然鑄造時(shí)通常使用AC4B等，但在利用砂型鑄造法進(jìn)行試制后，客戶大多會(huì)在量產(chǎn)時(shí)改用鋁壓鑄法。因此，有越來(lái)越多的客戶“希望試制品也使用與量產(chǎn)時(shí)相同的材料”，所以INATEC試制的散熱器也使用了ADC12。
此次憑借澆注口設(shè)置部位及木模制作的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了精密成型。據(jù)該公司介紹，現(xiàn)行的砂型鑄造法只能將壁厚減薄至4～5mm。而該公司的砂型鑄造技術(shù)則可對(duì)壁厚1.5mm×高80mm的散熱片進(jìn)行成型。
此次試制的砂型鑄造散熱器的熱傳導(dǎo)率為150W/（m·K）左右。一般認(rèn)為熱傳導(dǎo)率取決于材料。但該公司調(diào)查之后發(fā)現(xiàn)，制造方法不同，熱傳導(dǎo)率也會(huì)發(fā)生變化。這是因?yàn)樵摴臼褂门c試制品相同的ADC12制造了鋁壓鑄散熱器，發(fā)現(xiàn)其熱傳導(dǎo)率為90W/（m·K）以上。因此該公司認(rèn)識(shí)到，即使采用相同的材料，砂型鑄造品的散熱性能也會(huì)優(yōu)于壓鑄品＊2。
＊2 考慮到這一點(diǎn)，INATEC在試制產(chǎn)品時(shí)使用砂型鑄造品進(jìn)行了評(píng)測(cè)，并提醒客戶：如果量產(chǎn)時(shí)改為鋁壓鑄品的話，量產(chǎn)品的熱傳導(dǎo)率會(huì)與試制品不同。
如果散熱片通過薄壁成型使散熱性得到提高的話，還可為輕量化做出貢獻(xiàn)。此外，由于形狀靈活性較高，因此還可對(duì)限定于有限空間內(nèi)的緊湊且復(fù)雜的形狀進(jìn)行成型。如果利用該精密鑄造技術(shù)對(duì)以往通過接合多個(gè)部件來(lái)制造的部件進(jìn)行一體成型的話，“還有望使成本得到降低”（該公司解說員）。
展出“已實(shí)際裝配”的部件和材料
部件及材料廠商都在瞄準(zhǔn)不久以后或?qū)⒌絹?lái)的電動(dòng)汽車時(shí)代推進(jìn)技術(shù)開發(fā)，不過此次展會(huì)還出現(xiàn)了已在實(shí)用化方面取得業(yè)績(jī)的部件及材料。其中之一便是日本藤倉(cāng)開發(fā)的線束“FMVC-MarkⅠ”（圖7）。該產(chǎn)品已被富士重工業(yè)2009年上市的電動(dòng)汽車“斯巴魯Plugin Stella”采用?？捎米鬟B接電池與逆變器、連接逆變器與馬達(dá)的導(dǎo)線，以及用于管理電流分支的接線盒內(nèi)的導(dǎo)線等。
電動(dòng)汽車用線束所要求的性能首先是大電流耐性。必須使其在常溫環(huán)境下每20mm2截面積有150A的電流、100℃環(huán)境下有65A的電流通過銅線時(shí)不會(huì)出現(xiàn)問題。要求的另一性能是能夠耐受直流600V的高電壓。
線束由內(nèi)到外采用以下構(gòu)造。首先，用高耐熱型聚烯烴類樹脂（絕緣體）包覆為使其具備耐腐蝕性（防止氧化）而施以鍍錫處理的銅線。然后，再利用將鍍錫處理后的銅線結(jié)成圓筒狀的包線管包住絕緣體的外周。最后，用高耐熱型聚氯乙烯（PVC）包覆包線管的外周，這樣線束就制成了。
要達(dá)到電動(dòng)汽車用線束的性能要求，首先要提高耐熱性。前面提到的包覆材料采用高耐熱型樹脂的原因就在于此。另外，還減少了接點(diǎn)的發(fā)熱量。采用將通常只用一個(gè)的板狀端子設(shè)置成多個(gè)，使其變成多接點(diǎn)的“多觸點(diǎn)（Multi Contact）”方式。由此，減小了電阻，從而抑制了焦耳熱的產(chǎn)生。另一個(gè)是電磁干擾對(duì)策，此次利用前面提到的包線管解決了這一問題。
斯巴魯Plugin Stella為小規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)量不到200輛，因此目前還很難說藤倉(cāng)從電動(dòng)汽車用線束業(yè)務(wù)中獲得了足夠的收益。不過，據(jù)該公司介紹，這種線束還能用于混合動(dòng)力車，因此今后還會(huì)面向混合動(dòng)力車銷售。
通過沿用現(xiàn)有部件減少開發(fā)費(fèi)用
日本富士機(jī)械（總部：前橋市）展出了同樣在斯巴魯Plugin Stella上得以實(shí)用化的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)用減速機(jī)〔圖8（a）〕。該產(chǎn)品屬于兩檔減速型，減速比為1/7。重量不到20kg，最大輪軸轉(zhuǎn)矩為1190N·m。
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| 圖8：驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)減速機(jī)（富士機(jī)械） 已配備于斯巴魯Plugin Stella。屬于兩檔減速型，輸入軸與馬達(dá)軸連接。內(nèi)部有中間軸（照片上看不到），輸出軸與車輪端相連（a）。鋁壓鑄離合器殼體沿用了現(xiàn)有部件。殼體蓋為新制造，由模具費(fèi)用比鋁壓鑄品低的鋁鑄造品制成（b）。 |
該減速機(jī)的特點(diǎn)是盡量降低了開發(fā)費(fèi)用。首先，沿用了該公司為發(fā)動(dòng)機(jī)車生產(chǎn)的5速手動(dòng)變速箱（MT）的部件——鋁壓鑄離合器殼體〔圖8（b）〕。將本來(lái)用于收納離合器從動(dòng)盤（Clutch Plate）的殼體用作了以驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)來(lái)代替該從動(dòng)盤時(shí)使用的安裝部件。據(jù)該公司介紹，如果制造專用殼體的話，還可進(jìn)一步縮小直徑并減小厚度。不過，新制作壓鑄用模具“需要花費(fèi)1000萬(wàn)日元”（該公司解說員），因此該公司決定有效利用現(xiàn)有部件。
安裝在離合器殼體背面的鋁合金殼體蓋采用了新設(shè)計(jì)。因發(fā)動(dòng)機(jī)車使用的現(xiàn)有部件無(wú)法容納于電動(dòng)汽車的安裝空間內(nèi)，而且需要減輕重量，因此必須重新制造。不過，為了減少模具費(fèi)用，將其制造成了鋁鑄造品而不是鋁壓鑄品。這是因?yàn)?ldquo;鋁鑄造用模具的價(jià)格比鋁壓鑄用模具便宜一位數(shù)”（該公司解說員）。
