[TREK技術辭典] 製程- TREK碳纖維的故事 !

Trek 介紹 - 碳纖維的故事

走入Trek 位於威斯康星州沃特盧的碳纖維開發實驗室,了解這些夢想中的車款是如何製造的,以及它們背後的故事。

 

 

成長在尖端科技之下

在達成卓越性能的道路上,好奇心必不可少!

1976 年,Trek 自行車成立時提出一個疑問:為什麼沒有美國製造的高品質自行車?

 

Trek 為最聰明和充滿熱情的自行車設計師和研究人員提供了足夠的資源與平台來回答這一問題!因為只有當你有勇氣提出尖刻問題並探索無人踏足的領域時,才有可能實現創新!要成為自行車品牌的領導者,就必須不斷的前進。

 

 

塗裝之下的碳纖維

 

在你看著你的自行車的時候,是否想過,在漂亮的烤漆塗裝之下,有著你不知道的故事!

曾經,一個簡單的管材貼紙,就可以知道製作商在燒焊著你的自行車的時候是使用著什麼管材。可能是Reynolds雷諾或是Columbus鴿子管!而最後的烤漆,則掩蓋了燒焊師數十小時的精益技巧與工藝術。

 

現在、TREK的碳纖維公路車與早期的鋼製自行車管一樣,以你想不到的方式隱藏了黑科技般的手工藝。

 

這些碳纖維自行車使用電腦計算設計,經過空氣力學的測試與應力評估實驗,使得這些自行車看起來像是機器製造的完美自行車。TREK總部的碳纖維自行車生產製程經過數十年的變化,從1988年預先上膠成型的碳纖維車管 插入鋁合金接頭技術;到現在的複合式碳纖維材料應用,並結合多種模具結合新的成型工藝,讓現在的碳纖維車架製造技術能依照目標計劃自由調整所需性能!

 

除了飛航科技的應用,碳纖維自行車架其實是利用一整片的碳纖維材料完全使用手工加工打造而成!沒有涉及第三方材料商與製程廠商,特別的是與早期相比較之下,現在的車輛製作更注重手工製程。

 

 

儘管模具是工藝的開始,但Trek 不單只是在討論將碳纖維材料壓進加入了一些環氧樹脂的膠質模具使之成型!Jay Thrane 帶領的工程師團隊為Trek 製作訂製模具。而模具製作工廠是沃特盧原來的Trek 紅色穀倉,這裡正是Dick BurkeBevil Hogg 創建公司的地方,也是70 年代數千輛鋼製自行車的生產地。

 

如今,在這個老舊的穀倉內,製作出來的模具則用於幫助製造成千上萬輛的碳纖維車架。每一件這類模具都由整塊的實心鋁合金或鋼材製成,實際的狀況將視應用而定,並且在現場由CNC 機器製作,以符合預期的組件形狀要求。

 

接下來困難的部分開始了!由於車架涉及的形狀越來越多,模具也越來越複雜。最初,模具切割設備一周可完成五個模具的製作,而現在,雖然切割設備數量增加且24 小時運作,一周也只能完成一到兩個模具,這就是新設計的複雜之處。

 

一旦模具被運往西部一英里以外的碳纖維實驗室內,神奇的黑色物質就可以被切掉並挑出。除工程設計以外,在鋪層碳纖維車架涉及的工藝與製作服飾有很多共通之處。

 

事實上,隨著工藝的進展,將可能加入更多與剪裁手工藝技的相關技術,而非傳統用預先碳纖車架成型與膠合黏接、或是單純的金屬車架焊接。

 

複合材料製造工程師Jim Colegrove解釋到:

“我們有一些非常先進的軟件。首先,我們使用CAD製作車架的3D形狀。我可以將這個部分細分為具體的區塊,然後鋪展開來形成網狀結構,這就是我隨後可恢復用到模具中的完美結構型狀,而我也了解,這會與車架形狀完美契合。我們把這種型狀稱作平面預成型,預先成型的素材隨後將在CNC切割台上完成切割。” 

 

預先成型可對於創建模組時要求強度的區域增加強度,以及在不要求強度的區域節省重量很關鍵!因為工程師會根據每種形狀和需求應用選擇正確的材料類型。Hexcel碳纖維專家製作Trek的所有沃特盧碳纖維材料已有近25年的製造經驗。

 

這些完全在美國製造的碳纖維材料來自猶他州的鹽湖城,按標準模數、中間模數、高模數或超高模數提供!這些素材可以根據計劃用途做成碳纖維布料或單向性碳纖材料。

 

前航空工程師Jim解釋這些材料各自的屬性。

“我們在特定的高壓力或高衝擊力區域使用標準交錯排列的碳纖維織物,因為這類織物有獨特的屬性!這有點像防破裂尼龍:具有更大的耐破損性!這種材料在極其緊繃的表面輪廓下也會更容易成形。

 

單向性材料,正如字面意思一樣,即單向延伸的纖維。這種材料在纖維的平面上也富有彈性,但在製造更為複雜形狀時會相當困難。每種材料都有優點和缺點,只有依靠經驗和設計才能打造出完美的結構。

 

例如,Hex-MC 是一種更短的細碎纖維組成的獨特材料,它們以非常隨機的型式被扔到片材上,會自動平舖一層!隨後,由於沒有長的連續纖維,我們就可以非常高效地將這種材料通過模製做成複雜的形狀。

 

但是,這種材料的強度或剛性不如單向性或織物材料,所以我們在這些特定區域加入高模數或超高模數材料製成的小型條狀物,幫助增加所需的優勢。”

 

當你看到碳纖維車架,你會很容易聯想到塑料模型飛機的製作!但是車架的工藝更複雜,一輛Madone公路車車架有大約180個預成型件,也可叫做單片的碳纖維,這些材料通過鋪層可增加特定區域的強度。而一輛Session下坡車則有238個預成型件,每個模具包含2-12組碳纖維材料(單向性、織物或Hex-MC)。

 

這是一個複雜的切割列表。碳纖維是非常好的材料,但需要有出色的工藝才能發揮它的優勢!沒有正確的專業知識,用碳纖維製作出的結構要么會很重,要么構造不完善。

 

為輔助車架設計的複雜性,預成型件的尺寸一般隨車架尺寸的增加而增加,因而也可能需要加入其他材料,滿足體重更重的騎手施加給自行車的負載。但是,即使是車架上強度最大的部件,也僅僅是在1.5mm壁厚的區域上。

 

Trek碳纖維原型製作設備的工藝大師是Kelly StoneSue Moe,他們有46年的碳纖維模具製造經驗,這種材料更像是乳脂片,摸起來很粘,也可以彎折,隨著溫度的升高會變得柔軟。

 

按照Kelly的說法,她只需要用她那經驗豐富的雙手握住碳纖維片材,就能知道它們是否符合要求。

“您肯定能夠區分材料類型,哪些地方不對,以及樹脂是否足夠或過多。工程師總是告訴我們,要使用的鋪層材料,每次測試的原料,但是經過評估後,我們可以為這里和那裡製作額外的零件,然後進行測試。” 

 

KellySue對工藝了解很透徹,包括冷卻時間、理想溫度,以及材料的延展極限。他們就材料鋪層期間的有效和無效處理向Jim和他的工程師們提供了包含大量經驗的反饋。很多反饋不僅僅是科學知識,Trek更看重的是經驗。他們已製造並測試了眾多車架,因此擁有車架開發的領先優勢,一切有用的數據。

 

Plaid先生在模具四周塗抹上脫模劑,將預成型件放入腔體內。他在完成後續步驟的過程中始終與我們交談。根據具體的形狀,加入氣泡,並把整個槽密封,置於夾具中。這些操作可實際擠壓纖維,使材料成型,同時去除多餘的樹脂。

 

全新的Session下坡車車架的一個搖桿就有40個預成型件。與裁縫利用織物的斜剪裁來製作完全適合的樣式或紋路一樣,碳纖維被鋪層在模具內,可創造出最堅固(也最輕)的結構。

 

單是鋪層類似搖臂的一個部件模具需要約10分鐘,所以用模具製作碳纖維結構的想法遠比用CNC機器製作鋁合金零件要快速和簡單。一旦所有的零件整理乾淨並放置冷卻,即可開始工藝的下一步。

 

如果是Madone系列,將模製的部件組裝成公路車車架的速度非常快。環氧樹脂膠用於黏合單獨的固件、中軸,以及採用專有Step Joint設計(使連接頭與連續車管的厚度一致)的前叉件,從而不會因連接而增加重量或造成騎行質量的下降。

 

整槽部件隨後會放入一個夾具中,在硬化爐內進行高溫固化。一旦部件組合在一起,車架就可以測試追踪其精準度,然後送去進行下一步處理:拋光和噴漆,把所有手工工藝和技術隱藏起來,隨後進入有類似要求的市場,Jim這樣解釋道。

 

“我常常遇到這樣的問題:在整個自行車行業都已將車架生產轉移到海外的大趨勢下,為什麼Trek 仍然在這裡生產車架,包括大部分的Trek 車架?為什麼我們仍然保留這個工廠? 我的回答始終如一 !

 

如果您不能透徹理解所有科技,您將無法生產出有特色且更優質的產品!而理解車架和碳纖維結構怎樣工作的唯一方式是親手構建它們,讓我們的工程師來親手切割模具、完成碳纖維鋪層,並親眼看到結構成型,這對於車架設計的發展至關重要。


 

在這個工廠內製作產品的確非常昂貴,但正因如此,產品質量也更加優秀!我們的所有產品都具備更高的品質,這是因為我們了解怎樣生產,我們也能夠生產!所以我們也親手去製作。我們不可能等著其他人來移動測量儀表,告​​訴我們該怎麼操作!我們要帶領行業的發展,這是自1990 年我在這裡開始工作以來Trek 一 堅持的做法,這也是吸引我在這里工作的原因。”

 

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