碳纖維自行車的生產過程

想像一下有這麼一件絕密的東西，絕密到甚至連製造的人都說不清它是什麼。在1990年吉姆·科萊格羅夫（JimColegrove）加入這支從事OCLV（最優緻密碳纖）項目研發的團隊以前，就從事這種軍事與航空複合材料工程團隊的工作。吉姆目前是這支團隊的首席工程師，並且為TREK的碳纖材料生產做出了巨大的貢獻。

我們十分榮幸能夠在吉姆的帶領下，從頭到尾地參觀TREK位於沃特魯的碳纖維自行車生產基地。稍事休息，我們將會看到TREK的OCLV碳纖自行車到底是如何在威斯康星州一步步製造出來的。

在任何碳纖材料進入生產線之前，TREK自行車的所有設計工作都已經在高級複合材料實驗室（ACL）展開了。你可以把這個實驗室看做是一個測試機構，相當於是一個小型的生產線，所有新型碳纖材料的設計和連接都要在這裡進行測試。近些年來，我聽到過兩種有關TREK的碳纖自行車的傳言：一是TREK從未在美國本土生產碳纖自行車，二是一旦TREK的海外工廠被授權生產OCLV，就意味著美國本土不再生產自行車了——每條都看起來像是真的一樣。從TREK在威斯康星州生產碳纖製品開始，他們就在緩慢地將生產向海外轉移，以保持競爭力。TREK在產品質量控制、測試與生產環節投入了大量的資金和精力，使得在海外生產的自行車同樣可以達到TREK在美國本土的標準。

但是最高端的碳纖自行車還是大部分在威斯康星州本土生產，並且工廠還是在正常出貨。

在ACL的生產現場，你會發現到處是同樣的碳纖切割和衝壓工具，但是數量並不多。這裡就是生產碳纖車架原型的地方，很可能TREK贊助的專業車手們使用的車架也是以同樣的工序在這裡生產的。我們在這裡聽到最多的關鍵詞就是質量、精度和重複。圖中上方的藍色機器是單個碳纖車架的成型機器（後文有詳細介紹），下面是一台計算機輔助碳纖裁剪台。

圖中，一名工人正在連接Madone或者Domane車架的五通和後下叉。牆上掛著幾款有意思的車架，可惜我不能靠近去拍一個特寫。ACL還有自己的冰箱，用來存放未加工的碳纖材料，冰箱旁邊綠色的爐子便是用於車架成型的固化爐。

一旦設計方案定稿，通過了測試和批准，便可以在TREK內部的複合材料生產線上開工了。吉姆半開玩笑似地提醒我們禁止拍照——除非吉姆同意。

走進生產現場，你會看到儲存有大量碳纖材料的冷庫，裡面存放著所有預浸（用樹脂預浸碳布以備成型）過的碳布輥筒，整齊的排放在右側備用。這些碳布在使用之前只能存放兩周，TREK每次取走的數量大約是不到一周的生產用量。但是要注意：碳布冷庫里不能存放任何食物和飲品！如果你像我一樣好奇的話，可以算一下，每卷碳布重達70磅，每磅價值35到40美元，算一下會發現地板上一共堆放著價值超過2.2萬美元的碳布！

未經處理的碳布會被用各種方式裁剪成便於加工的片狀。第一張照片中帶有黃條的機器是其中一台裁剪工具，既可以直接裁剪碳布，也可以將成卷的碳布展開鋪在裁剪台上進行人工裁剪。像許多自行車廠商一樣，TREK同時使用單向和編織的碳布，但是我們所能見到的大部分是UD碳布（譯者註：UD碳布全稱叫做UNIDIRECTIONAL CARBON，單向碳纖維預浸碳布，韌性較低，定向剛性和強度較高）。編織碳布多用在碳纖製品的表層作為裝飾，同時也可以增強車架的性能。UD碳布中所有的碳纖維都是朝著同一個方向排布的，因此UD碳布的強度更高，同時也允許工程師根據車架的特殊要求來裁剪相應的接頭。雖然TREK曾使用過三菱公司的碳布，但是現在向赫氏公司和東麗公司採購碳布。你或許聽說過TREK所使用的碳布中有一部分是不允許在非北約國家使用的，這的確是事實，這也是TREK的高端車仍然在美國本土生產的原因之一。事實上，這些高模和超高模的碳布是被劃分為戰略物資的，不允許出口到非北約國家，以防止他們使用這些碳布製造武器而不是自行車。同時，使用的碳布不同，也就意味著美國本土和海外生產的車會存在差異。

每一卷碳布在生產出來之後都會在表面印刷一些數字標籤來表明所使用的材料。吉姆提到航空航天用的碳部件之所以如此昂貴，其中一個原因就是要反覆核實所使用的材料是他們所需要的，直到最終製成產品。如果機翼出了問題，那麼就會追查到工廠出廠的每一批材料。對於自行車的生產來說，完全不需要搞這麼多措施，因此整個生產過程的成本相對來說就低了很多。

編織碳布表面貼的紅色薄膜，或者叫牽引條（覆蓋著12,000根碳纖維）是一卷碳布的自由端。有了這層薄膜，碳布在捲起來之後就不會互相粘連在，當碳布鋪展開之後就可以把它撕掉了

當碳布鋪展在裁剪工作台上後，激光引導系統就會投下激光圖案來標明哪些地方需要裁減，如何去裁減。激光的移動速度非常快，你用眼睛看到的是一副完整的圖像，但是用相機去拍攝時只能看到一部分的圖像，這一部分圖像就是在相機快門的時間內激光所走過的路徑。在碳纖維布裁剪成片後，他們使用一種高科技的標記系統做出永久性標記以區分每一塊碳布。

有一些形狀複雜的碳布塊難以手工裁剪，由計算機控制的裁剪裝置就會迅速裁剪出上百塊相同的碳布。裁剪時的布局要求儘可能地少浪費材料，就算是不能繼續裁剪的下腳料也要回收處理。回收的下腳料被送往位於南卡羅來納州的材料處理技術中心進行強化熱塑處理，用於製造航空航天、汽車工業、醫療設備以及娛樂裝置。TREK回收三種類型的碳布，包括上面提到過的未加工的預浸碳布、與要求不一致的部件（沒有達到精度要求的零件等）以及質保期內回收的車架。

如右圖所示，當碳布被裁剪成小塊的布料後，會被整齊的擺放在相應的抽屜里。每個抽屜裡面的碳布的形狀和大小都是一樣的，相當於只有一塊碳布，只能用在某一輛自行車的某個地方。當進行到車架的組裝工序時，所需使用的帶有標籤的碳布塊就會被挑揀出來貼合在相應的位置上，同時碳布上的標籤也會作為區分自行車的標識。下次再見到這塊碳布的時候，可能就是2013款Madone發布的那個周三了！

盤子里準備了許多經過複雜設計的小部件，工人們將它們裝配在預先成型的結構體上，然後送往模具中進行進一步的成型。圖中好像是在生產車架的後下叉或者是前叉的叉腿，放大一下圖片來看看究竟需要多少片碳布才能製作出一個叉腳！

一些比較大的結構體，比如立管的連接處，就要將碳布一片一片地貼在模具里。工廠里有許多教具供工人實習，確保在實際的生產過程中，每一片碳布都能完美地貼合在相應的位置。圖中就是一個連接車架上管、頭管和下管的模具。

當所有的碳布貼合到位後，OCLV氣囊就會以一定的方式放置在合適的位置，然後就可以扣合模具了。OCLV的成型過程是一個高度保密的生產環節，當然也就不允許我們拍照了。模具會被接入480伏的高壓電源並施以巨大壓力，可以想像，模具裡面的碳纖材料承受著極高的內外雙重高溫高壓的作用，從圖中可以看到模具現在的溫度是華氏195度（約91攝氏度）。圖中只展示了TREK幾個比較小的成型工作區，我身後的工作區有圖片中的三到四倍大。

經過一定時間高溫高壓的煎熬，車架終於可以從模具里拿出來了，隨後便會使用圖中所示的各種檢測工具進行質檢。經過質檢的車架便會根據訂單進行分組。但是這並不是最終的質檢，只是為了確保這些部件可以進行下一步的加工。每一道質檢程序都非常嚴格，確保最終生產出的每一件產品都不會出現質量問題。

碳車圈？沒錯，它們也是在這裡製造的。圖中已經製作好的車圈擺放在桌子上，旁邊一名工人正在打開製作車圈的模具。

一張留影證明我確實在威斯康星州。坐落在威斯康星州的工廠都會引用一句文斯·隆巴迪的勵志名言。

如果車架、零件或是輪子需要後續加工，那麼它們還要進入其他車間。肯定還會有人納悶，機器到底在哪裡？圖中，一個Speed Concept計時賽車架正在使用CNC機床進行內走線的打孔。

在我們參觀的時間段（周五下午）大部分機器並沒有運轉，但是車間太多了，搞得我眼花繚亂。TREK採用的是單元式製造系統布局，也就是說製造一種車架所需要用到的機器全都集中在一起運作。上圖中就是一個Madone車架的製造單元，整個工廠里到處都是不同車架的製造單元。

如果說3D列印是最有趣的設計工具之一，那麼這便是最有趣的製造工具之一。這台名叫Buzz的大型機械手有且只有一個任務——在碳車圈上鑽出輻條孔。鑽孔的角度、直徑和深度都被嚴格控制，以確保這台黃色怪獸能夠在籠子這麼小的空間內完成這項任務。車圈在底座的中央被夾緊後，籠子關閉，在機械手鑽孔的同時，這些巨大的軟管會提高籠子內的真空度來吸走碳塵或碎屑。

可能你不太熟悉TREK的碳纖連接工藝，TREK之所以使用接頭來連接是因為這樣可以便於車架每一部分的調整，使其具有一定的特性，這樣加工比採用單殼體要實際得多。吉姆說他不太喜歡「單殼體」這個術語，因為行業內並沒有正確使用這個術語，讓人感覺僅僅是外部結構承受著所有的載荷，而沒有任何內部的支撐。然而，不可否認，沒有長纖維貫穿其中，接頭處總是最薄弱的環節。為了彌補這個缺點，TREK研發出了一種台階式接頭，三個台階面互相增強了接合處的強度。這樣一來，接頭處不但變得更長，同時也能與整根碳管保持相同的厚度。環氧樹脂從軟管中緩緩流出，粘合一輛車只需要這麼一小杯，與玻璃微珠混合均勻就可以了。這些玻璃微珠的直徑僅有四千分之一英寸，如此小的玻璃珠可以填補接頭處細小的縫隙，將它們完美地粘合在一起。

然後我又問他們是怎樣算出每個接頭到底需要塗抹多少環氧樹脂呢？對於這個問題，吉姆的回答是：「我很高興你會問這個問題。」環氧樹脂的用量是根據接頭處的尺寸和厚度要求計算出來的。我們在鋁材的表面機加工出許多凹坑，這些凹坑可以吸附精確數量的環氧樹脂，我們的環氧樹脂工藝大師曼紐爾就會將杯子中的環氧樹脂均勻地塗抹在有凹坑的表面上，使其能夠更好地粘合每一個接頭。這項工作看似很輕鬆，但是要一遍又一遍的重複去做，因為殘留在車架內部的環氧樹脂會額外增加車架的重量，更別提環氧樹脂的浪費了。塗抹樹脂的量要恰到好處，既能完全填滿接頭處的縫隙，又要稍微多擠出一點來確保粘合的強度。

至此，所有的碳布塊都被貼合到車架上了，曼紐爾用浸滿工業酒精的布料去除毛邊。在我們的參觀過程中並沒有見到這道工序，但是在噴漆前，接頭處的表面會被打磨平整，所以你才能在展示廳見到那些光滑圓潤的車架。

已經完成的車架會被裝夾在特製的碳纖夾具上，送入固化爐中進行固化處理。夾具是用與車架相同的碳纖材料製作的，因此它們與車架有相同的熱膨脹率。這對於保證製造精度有很重要的作用，尤其是對自行車的製造精度要求越來越高的今天。在以前的生產過程中對精度要求沒有這麼高，碳纖夾具又太貴，所以一直是使用金屬夾具，但是現在所有的車架都是使用碳纖夾具了。當固化處理完成後，車架就可以從固化爐中取出，並且從夾具上取下來了。

接下來要進行更多方面的質檢，雖然這一過程由計算機來完成。上圖中的車架並沒有被完全固定，這樣才能讓你知道它到底符不符合要求，因為它即將要接受測試。所有這些測量設備都與電腦相連接，以確保車架的各項尺寸都處在最小的公差範圍內。

手工打磨車架的工人們應當給予更多的尊重。雖然換氣設備的運行保證了打磨工作區的清潔，但這裡仍然是雜訊最大、最刺耳的工作環境。我想如果有合適的耳塞和口罩的話，你可能會逐漸適應這裡的環境，但我還是希望5分鐘後能離開這裡。這裡有許多這樣的工作區，每個工作區可容納三位工人同時工作。

已經製作完成的Madone、Speed Concept、Session車架都已經在這裡等待噴漆了，但是怎麼沒有見到前叉呢？到處都是已完工或著部分完工的部件在等待進行下一步的加工。由此可見，威斯康星州的製造業是多麼的生機勃勃。

本著不斷改良、不斷進步的精神，以及TREK在廣受歡迎的Project One項目上的投資，我們正在參觀的，便是一間新的定製塗裝自動化噴塗控制室。這間頗有未來主義風格的控制室包含了一個直接用噴嘴噴出新鮮空氣的凈化室，以及一塊可以吸附鞋底灰塵的門墊，這樣就不會給噴塗區域帶入任何污染。已經裝夾好的車架將會通過運輸帶陸續穿過控制室，裡面的機械臂將會依次對車架進行噴塗。

當噴塗工序完成後，車架被送往貼花工作區，濕轉印貼紙會在車架塗上光亮的清漆之前貼在車架上。

Project One的定製車架會在被掛起來之前挑揀出來，隨後運往車店。我們得知，這台標著sPartHacus的Domane車架將會被送往德國，不知道sPartHacus會不會正在讀這篇文章，或者已經收到了這台車架？

車架通過一根傳送帶在工廠裡面循環運送，還會被抬得很高。

最後，把該貼的標籤、該塗的字樣弄好，這些在威斯康星州TREK的生產線上生產的車架終於可以裝箱了。