车漆之下：崔克碳纤维车架背后的故事

您有没有想过，我们熟悉的自行车漆下面隐藏着什么？曾几何时，一个小小贴纸就能证明车架钢管的纯正血统，比如来自欧洲的铁架车商英国雷诺兹或意大利哥伦布，被油漆掩盖之下的，是数小时精工细造的工艺。今天，崔克（Trek）的碳纤维自行车沿用了钢制前辈的这种隐藏的手工工艺，这些自行车的设计由计算机生成，经过流体动力学评估和有限元分析，最终的外形看起来就像机器制造的一样天衣无缝。

多年来，崔克滑铁卢总部的碳纤维自行车生产工艺发生了很多变化，从1988年将预制碳管粘合到铝制凸耳中，到将多个模具与多种碳材料相结合的全新工艺。然而，尽管采用了航空航天技术，但这些自行车实际上是由一片片扁平的碳纤维织物手工铺贴而成，完全是手工制作，整个过程也没有第三方管材或螺栓连接件制造商参与。但有点矛盾的是，随着技术进步，崔克现在生产的自行车比以往任何时候都更依赖手工制造。

二、完美的模具

位于密歇根湖以西100公里的滑铁卢镇有一座醒目的红色谷仓，迪克· 博克（Dick Burke） 和佰沃·霍格（Bevil Hogg）就是在这里创办了崔克公司，20 世纪 70 年代，这里生产了数千辆钢制自行车。现在这个旧谷仓被用于制造模具，用于制造数千个碳框架。模具根据应用的不同由实心铝或钢制成，并在现场进行 CNC 加工，以满足设计的需要。然而，随着车架的形状越来越复杂，模具也变得越来越复杂。一开始，模具切割设施每周能生产五套模具，如今尽管机器24小时不间断运行，每天反而只能生产一两套，这都是由新设计的复杂性决定的。

模具上与碳纤维接触的每个表面都必须经手工打磨并抛光至镜面，然后对模具进行电镀并安装铰链、弹簧和相关硬件。像比尔·弗里克斯（Bill Frix）这样的经验丰富的工程师，他之前是崔克的焊工和碳纤维预浸料铺层操作员，仍需要整整半天的时间来准备一个模具。每种车架尺寸需要多达六个组件模具才能制作出完整的车架组。这些复杂模具的所有零件必须完美地组合在一起，一旦出现问题成型过程将出现缺陷，在高温和高压环境下，环氧树脂会液化，因此即便是有最轻微的裂缝，也会导致树脂流失产生缺陷，所以模具从一开始就必须是完美无缺的。

一旦模具被运送到西边两公里左右的碳纤维材料实验室，就可以进行切割和挑选神奇的碳纤维了。撇开工程不谈，铺设碳纤维框架时所涉及的过程与裁缝有很多共同之处。事实上，随着工艺的发展，它可能更多地与裁缝的技术有关，而不是用管子和连接件建造钢架的传统方法。复合材料制造工程师吉姆·科尔格罗夫（Jim Colegrove） 解释说：“我们使用 CAD 创建车架的3D模型，将其分成不同的区域，然后将它们展平成能完美贴合于模具中的平面形状。此产品称为展平预制件，然后在CNC切割台上将其切割出来。”

在需要的地方增强强度和在不需要的地方减轻重量是制作预制件的关键，因为工程师会为每种形状和应用选择合适的材料类型。崔克滑铁卢工厂的碳纤维原材料全部来自Hexcel，二者有着 25 年的合作基础，这些碳纤维全部产自美国犹他州盐湖城，有标准模量、中等模量、高模量和超高模量可供选择。他们同时织物或单向织物的选项，具体取决于用途。

前航空航天工程师吉姆解释了它们各自的特性。“我们在特定的高应力或高冲击区域使用碳纤维织物，因为织物具有独特的特性。把它想象成防撕裂尼龙：它可以更耐损坏。在非常紧密的表面轮廓中，它也更加保形。单向就像它所说的那样——沿一个方向受力的纤维。在纤维平面上，它也很灵活，但它在成型更复杂的形状时变得非常困难。每种材料都有优点和缺点，需要经验和结构设计才能构建最佳结构。

例如，Hex-MC 是一种由较短的短切纤维制成的独特材料。它们以一种非常随机的模式被分散到一张衬底上，制成各种复杂的形状。因为没有长而连续的纤维。缺少单向或布料那样的强度或刚度。与之相比，由于头管和骑手施加的负载，中轴需承担大量的扭转和弯曲，需要具备很高的刚度和强度。因此，我们在这些特定区域添加了小条状的高模量或超高模量材料，以帮助我们解决这个问题。

制作碳纤维自行车是一项复杂的工作Madone公路车架有大约 180 个预制件或单独的碳板，根据需要调整层数以增加强度。Session速降自行车有 238 个预制件，每个预制件有 1到 12 层碳纤维材料（单向、编织布料或 Hex-MC）。碳纤维切割清单极度复杂，需要良好的工程设计才能做好。如果没有正确的专业知识，您最终会得到沉重或结构不合理的结构。为了配合这种复杂性，预制件的尺寸通常会随着车架尺寸的增加而增大，并且它们可能需要额外的材料来承受较重体型骑手对自行车施加的负载。但即使是车架最坚固的部分，壁厚也只有 1.5 毫米左右。

在碳纤维成型方面拥有 50 年的经验的凯利·斯通（Kelly Stone）和苏· 默（Sue Moe）提到，成熟的工匠只需将碳纤维片拿到手中，就能判断它的适合用途。“你可以分辨出材料的类型和哪些材料不合适，以及树脂是否足够或太多。工程师总是告诉我们要使用的铺层、每次测试的成分，但经过评估后，我们可以根据我们的经验做增减，然后做测试验证。”

凯利和苏对冷却时间和理想温度也了如指掌。崔克一直秉承的信念是：无论计算机说什么，动手判断才是真正的考验，凯利他们可以向吉姆和他的工程师提供经验丰富的反馈，告诉他们什么在组装过程中可行，什么不行。这不仅仅关乎科学——经验更是崔克成事的一切。他们生产和测试了如此多的车架，使得他们在车架开发方面拥有巨大的领先优势。

新款速降山地自行车竞赛车架仅在一个摇臂中就有 40 个单独的预制件。就像裁缝可以利用织物的斜纹来创造恰到好处的贴合度或纹理一样，将碳纤维放入模具中以产生最坚固（和最轻）的效果。仅仅为摇臂等单个部件铺设模具就需要大约 10 分钟，模具生产的碳纤维比 CNC 加工的铝制部件更容易生产这一想法是完全错误的。这还不包括所有部件的清理和冷却时间，一旦这些完成，才可以进入下一阶段。

对于 Madone 来说，将模制部件组装成公路车架的速度非常快。环氧树脂用于粘合单个部件、中轴和前三角头管，采用专有的阶梯接头（Step Joint）设计，可形成与相邻管厚度相同的接头，因此接头不会增加重量或影响骑行质量。然后将所有部件装入夹具中，在烘箱中加热。过检后将其送至下一阶段：添加饰面和油漆，并隐藏所有手工痕迹，最终投放到在这个要求以更少的成本获得更多的市场中。

“我经常被问到：为什么崔克在整个行业都转移到海外时，还继续在40多年前的谷仓里制造车架？为什么还保留这家工厂？我的回答始终如一。如果您不完全了解科学原理，就无法制造出不同的产品、更好的产品。而了解车架和碳纤维结构的唯一方法是自己制造它们，让我们的工程师切割布料、铺设碳纤维、看到它们的结构栩栩如生，这对于推动设计向前发展至关重要。这个工厂里的生产成本确实很昂贵，但产品却越来越好。因为我们所有的产品都在进步，因为我们知道应该如何制造，可以如何制造。那是因为靠我们的双手，而不是等着别人向我们展示如何做到这一点，我们要引领潮流，而不是随波逐流。自 1990 年我开始在这里工作以来，这就是 Trek 的方式，这也是我来这里工作的原因。”