余斯青專欄:纖維物料的應用 (中)~深入了解碳纖維應用演變
哪款是首台碳纖維街車、麥拿侖如何突破技術,為MP4-12C 製作出輕巧而堅固的碳纖維座艙,以及為何保時捷有部分碳纖維部件,會在中國大陸製造等為主題,跟大家深入探討碳纖維在汽車製造方面的應用與演變。
法拉利(Ferrari)眼見賽場上對手麥拿侖(McLaren)推出碳纖維街車,其限量新作F50 也採用碳纖維,並選擇了跟位處總部摩德納生產線附近、一家名為ATR 的公司合作研發碳纖維。ATR 的知名度因而急升,其他車廠如保時捷(Porsche)、林寶堅尼(Lamborghini)等,都找他們製作一些特別項目或賽車專用碳纖維配件。
ATR 的碳纖維生意愈做愈大,愈請愈多人,工廠規模也加大了不少。在2002至2004 年期間,法拉利跟保時捷幾近在同一時期製造特別的超跑型號,法拉利是Ferrari Enzo, 保時捷是Carrera GT。Ferrari Enzo 當時只生產了399 部, 但Carrera GT 的生產目標則達1,500 部。早年出任ATR 工程師一職的桑托尼,後來加入麥拿侖集團,負責車身製作設計。
面對這張大訂單,ATR 便把碳纖維生產規模進一步增大,以應付產量需求。在法拉利Enzo 完成生產後,適逢保時捷Carrera GT 也賣了一定數量,保時捷發覺其實市場反應也不是那麼好,當產量達1,270 部時便叫停。因此,ATR 的生產線也突然要停工,由於工廠規模很大,聘請的工人很多,一時周轉不來,便得宣布破產。在這時候,適逢法拉利和林寶堅尼還有其他項目合作,於是逼着要把這公司拯救過來,好讓工廠繼續生產。
積架XJR-15 除了是廠方在1990 年為符合參加勒芒耐力賽資格,所製作的認證車款之外,也成為最早使用碳纖維的街車。
法拉利在完成生產Enzo 之後,接下來大量生產的V8 中置引擎跑車,是458 Italia。也由於ATR 面臨破產,故研發量產碳纖維的項目都接近停頓。由此可見,大約2010 年推出的458 Italia,並沒有使用到碳纖維,是維持傳統的鋁合金支架和車身。
麥拿侖MP4-12C 的突破
千禧年代末,英國麥拿侖宣布重新開始生產街車。當時ATR 的一位工程師桑托尼(Claudio Santoni)加入麥拿侖集團,負責車身製作設計。他認為以前那種Pre-prag「dry carbon」碳纖維製造方法——即一塊布狀的碳纖維,用環氧樹脂浸泡,拔出來呈粘粘、卷狀的材料,需要用雪櫃低溫保存,然後用人手裁剪並逐塊去鋪成形,再放進真空焗爐autoclave 烘焙。對於這種做法,當時ATR 一年最多只能生產500 個碳纖維桶(tub,或稱座艙),他認為這種方式不可能滿足一款中量生產的跑車。
因此,他決定使用一體式成形法,以樹脂傳遞模塑成型, 簡稱RTM(Resin Transfer Moulding)。RTM 的基本原理是將碳纖維在布料狀時,就像造衣服一樣,將之裁好鋪放到在進行夾合時的模腔內,用壓力或真空將樹脂膠液注入模腔,浸透碳纖維,然後固化,脫模成型製品。
在汽車生產方面,RTM 技術早在1987 年已應用於蓮花(Lotus)Esprit 跑車的玻璃纖維車身上。這種做法令成品很輕和具支撐力,更重要是將生產時間大幅縮短。對比以往ATR 碳纖維桶年產量只有500 個,現增至4,000 個,由奧地利Carbo Tech 代工生產。從麥拿侖第一部街車F1,到約在2011 年推出的MP4-12C,20 年間碳纖維桶的製造時間,從4,000 個工時造一個,到今天只需要四小時便可。
提到我們的日常用車,最早使用碳纖維該是積架(Jaguar)XJR-15。積架在1990 年為參戰勒芒(Le Mans)24 小時耐力賽,便homologate 生產了一定數量的街車版本,以符合參賽資格。因此,這款街車由內至外都是全碳纖維製造,成為首款稱得上是民用的碳纖維跑車。接下來就是1991 年的布加迪(Bugatti)EB110,再下來才數到麥拿侖F1,廠方在1992 年開始研發,以碳纖維製作。1995 年有法拉利的F50,隨後約在1998 年,有平治(Mercedes-Benz)CLK GTR,是可以在街上行走的版本。1999 年,Pagani Zonda 的出現,裏裏外外全是碳纖維。
F50 的震盪驚奇
首次接觸法拉利碳纖維跑車,我記得是在1995 年。當時首部F50 到港,同年關兆昌在澳門賽車贏得超級房車賽冠軍。此車引擎跟賽車設計一樣,將之直接連接在碳纖維缸, 免除任何避震媒介。當時我曾試開這部跑車在港島走了一圈,記得甫發動引擎,震動便直接傳入車內,確是震到「入心入肺」。據說當時廠方人員一心想要降低那個震盪, 造好NVH(noise, vibration, harshness) 舒適度的表現。後來,當時上任不久的法拉利CEO 蒙特澤莫羅(Luca di Montezemolo),着工程師們不用搞甚麼舒適性了,車迷要買的就是這些如落場賽車般粗糙和直接感覺,有震盪才是賣點,這樣子,車迷和買家才會喜歡。
在眾多採用碳纖維車架結構跑車中,數到最便宜的應該是愛快(Alfa Romeo)4C,只要數十萬元便有交易。以香港來說,以數十萬元買一部配備碳纖維車架結構製造的跑車,若沒有特別的方法,差不多是不可能。
我們平時看到的碳纖維車身,細心看當中細緻的線條,會發現有幾個式樣,就是不同的紋路。碳纖維的紋路主要分成四種:第一種我們見得較多的是格仔紋,格仔的布局就像國際象棋一樣,是縮到很小的一些小格。格仔紋有甚麼特性?若該件東西呈簡單平面,或者是四四方方的話,格仔紋便是最好,因為最穩定。但如果形狀複雜,格仔的紋路便不穩定,例如用碳纖去包凹凸不平的地方,就要用到斜紋。
俗稱格仔紋的Plain Weave 花紋,可會是最常見和簡單的碳纖維編織方法。
斜紋則稱為Twill Weave,即斜紋織法。好處是可塑性高,適合凹凸不平的地方。
再下來就是織布紋Harness Satin Weave,跟織絲同樣做法,它比格仔紋或斜紋擁有更高可塑性,適合製造形狀複雜物件。唯一缺點就是可塑性愈高,穩定性便愈差。所以,在格仔紋和織布紋之間的斜紋最多人用,很多街車或賽車都採用斜紋碳纖維,它有其可塑性及穩定性,最為包容。
另外,還有我們稱之為Unidirectional Weave 的單向紋。我們看到的紋路只有單向直紋,沒有橫紋,多應用在譬如網球拍或高爾夫球桿之上。若以力度最好來衡量,單向紋是首選,一條過,碳纖維沒有編織時上下左右屈曲,故剛性最好。但遇到有形狀或凹凸時,單向紋的穩定性會差強人意,因這些紋路會容易散向一邊,很難控制其剛性的分布,故單向紋適合做單車車架、網球拍等用品,取其一條過,硬度最高。BMW i3 的碳纖維內架結構,也是用上這種單向纖維來做。
保時捷碳纖維件之始
至於汽車開始流行使用碳纖維物料作部件,又要說到保時捷,而最早見到碳纖維配件的應是996 GT3 RS,它的尾翼和側鏡就是利用碳纖維製造。是千禧年代初,保時捷決定以碳纖維製作部件,要知道996 GT3 RS 並非少量生產的型號。當時在歐美地區,車用碳纖維部件通常只限於賽車或改裝車,情況甚至是一班工程師幫你計數,只造多少件出來便算數,因為成本實在太昂貴。保時捷要生產一、兩千台,訂單是幾千件的碳纖維,數量太多,這些工廠又處理不來。
因此在千禧年代初,很多量產碳纖維配件,如保時捷或其他超跑製造商,他們的碳纖維配件其實都在中國製造。為何如此?因很早已有台灣工廠在這裏投資製造網球拍和高爾夫球桿,工廠有數以千計的工人,只要拿張訂單回來,就算一、二千件去落單,對它們來說都是很簡單。換轉在德國,若突然說某賽車部門要造1,000 件碳纖維配件,相信花數年時間也交不出貨,故不少都往中國內地製造,加上人工便宜,可將碳纖維產品以大量手工做到表面完美。
所以早期所見的,即使是保時捷918 Spyder 的沙板,或因只求外觀而不需要嚴格結構性的要求,也是在中國製造,因曾經有人將918 Spyder 的沙板拆出來,一看,裏面寫着「Made in China」,一時間成為了話題,給人們談論起來。
於是,保時捷便從991 GT3 RS 開始,認為不能再用中國貨,因為始終是昂貴的專業級跑車。保時捷當時找來專門製造碳纖維的工廠並加大其產能,讓他們有能力應付,而這都是約六、七年前的事了。因此,從991 GT3 RS 開始,保時捷的碳纖維才真正是「Made in Germany」,由UBC GmbH 生產所有沙板和尾翼,開始不再使用中國製造的產品。說穿了,其實都是面子問題吧!
資料提供 = JIMMY YEE
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