超跑新故事輕鋁先鋒Ferrari 鋁材料獨領風騷

資料來源：Goo 車訊網 2012/03/07

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下一代Ferrari V8超跑的車身將比現行款還要輕上15～20%，但卻不會降低其剛性與強度表現，而這是否能用超輕且極為堅硬的碳纖維複合材料結構來實現？當然不會！Ferrari首席執行長──費立薩（Amedeo Felisa）說道：「我們相信在該領域中，鋁合金材料才是最佳選擇。」降低20%的車體與車架重量，大致上約可讓整部車減輕約5%的總重，這項改變有助於提高整體性能、減少廢氣排放並同時改善油耗經濟性之外，更低的車重也意味著加速、轉向和煞車性能的強化，讓車輛的動態表現更優異。而Ferrari在研發頂級鋁製車身技術方面已超過15年，「我相信Ferrari目前在製造輕質鋁合金車身結構的能力已達到領先其他對手的頂尖水準，且未來我們還會不斷取得進步。」費立薩說。

自1999年的360 Modena開始，Ferrari大量使用鋁合金技術製作量產超跑，從V8到V12車系共有五款車型均採用全鋁合金製作。
現在負責Ferrari車身製作的工廠Carrozzeria Scaglietti，從馬拉內羅總公司開車只需片刻就可抵達，實際上該廠自1953年便肩負起Ferrari車身的製造工作，許多享有高知名度的經典車款如250 California Spider和250 GTO的車身都出自該廠之手，而Ferrari在1977年完全接管這家工廠後，Scaglietti已轉型成為一家現代化的高科技研究中心和先進的製造基地。雖然Scaglietti長時間以來用精湛技術打造出多款足以媲美藝術品的鋁合金車體，不過Ferrari對輕量化技術的熱情並不僅止於這一家工廠，實際上Ferrari在複合材料領域也有著豐富經驗，這可從Ferrari F1賽車和一系列複合材料製成的「終極」超跑（如聲名大噪的Enzo Ferrari）而得到驗證，其實只要Ferrari願意，他們有能力用最新的碳纖維技術製造任何一部可稱霸公路的超跑。
費立薩指出，複合材料要產生良好的效果，需要由技術熟練的專家以純手工鋪層，他們須具備多年經驗才能有效駕馭這項工藝，且此種材料非常昂貴並容易出現許多預期之外的變數而影響品質，而一旦發生意外事故及損壞後也很難維修。「在追求極致性能的終極跑車領域裡，我們仍會繼續研發複合材料技術」Ferrari車體部門經理Patrizio Moruzzi對此做出表示，「但Ferrari V8量產超跑則有不同的要求標準，該車系每天的平均產量為2～10部，且還要能夠符合車主日常使用的標準，因此我們認為鋁合金顯然是更好的解決方法，也為日後的改進提供更多空間且同時還能夠回收。」

不斷演進
Ferrari於1999年推出革新的V8超跑360 Modena，此車成為Ferrari首度全部採鋁合金製成的量產超跑。該車型的主車架為一體式設計，以鑄造及沖壓成形的部件組成後再與鋁質車體鈑件結合，該技術也被V12車系所沿用，如2004年的612 Scaglietti與2006年599 GTB Fiorano，而隨著經驗累積與技術的不斷進化，最新研發成果持續運用在新世代的V8車系身上，也就是2008年的Ferrari California與2009年的458 Italia。
在Ferrari California和458 Italia的籌劃初期，Ferrari對車架研發預算增加達50%，最終也產生激動人心的結果。自這個階段開始，Ferrari更充分利用鋁合金材料的特性來設計超跑。Ferrari首席工程師──羅伯特‧費德利（Roberto Fedeli）說道，他以A柱底部的車身抗扭曲結構為例，過去該部位由經過焊接的強化鈑件所製成，但現在已經改用鑄造成型製品，這不僅減少材料的使用量，也增強整體架構的協調性與均衡度，也讓車艙空間的運用更加充分。

車體的組成主要分為車殼與車架兩部分，Ferrari的管狀車架由五種不同屬性的鋁合金組成，車殼則有三種不同特性的鋁合金鈑件。
材料的精心挑選和連接技術的進展也使車身各個部位都獲得類似的改善。車架本身由五種不同特性的鋁合金所組成，車體也使用了三種不同規格的鋁合金鈑件，繼而依據各個部位的需求去選擇最合適的材質以達到最佳化。這些高剛性的鋁合金在不增加重量的情況下，某些部位甚至可提高多達80%的抗扭曲表現。California和458 Italia共使用多達20種以上的鋁合金規格，且大部分均經過特殊處理以達到最佳化的表現。
Ferrari也藉此機會宣佈其下一代V8超跑便以該技術為基礎所製作，目標是提供與現行款相同的空間容積，不過性能更強、更舒適，且外形尺寸也變得更為輕巧。在Scaglietti，Ferrari利用California和研發下一代V8超跑的過程大力發展車架技術，費德利說道：「下一代超跑將有更優化的車身結構並更加充分運用先進鋁合金技術的優勢，有人試著將鋁合金材料與複合結構進行比較，但我可以負責任地說，鋁合金輕得多。」

負責Ferrari車身製作的Carrozzeria Scaglietti工廠自1953年便擔任此工作，目前已是鋁合金研發的中心。
下一代平台
為實現下一代車型在重量和剛性方面所設定的目標，Ferrari擴大金屬材料的運用範疇。首先，458 Italia車門裡頭的防護結構樑改採鋁鋰合金材質，用鋰原子取代金屬鍊中的鋁原子以換取更輕重量的同時，也能夠讓整體重量減輕10%。且此項新類型金屬材質的加入也有助於防止變形時的位移，進而強化材料強度。
和Ferrari採用的許多新材料一樣，鋁鋰合金目前主要應用在航太領域，如太空梭的外置主燃油箱便由鋁鋰合金製成，概念工程經理Franco Cimatti即表示，今後的Ferrari V8超跑也會使用更多的鋁鋰合金材料，。此外，可能還有另一種特殊材料──鋁碳化矽會出現在未來的Ferrari超跑身上。這是一種金屬複合材料，由碳化矽與鋁合金組成的這種材料在與陶瓷（即陶瓷制動盤所用材料）結合後會產生更高的硬度，能夠大幅減輕重量的同時，也展現出足以與鋼鐵金屬相匹敵的性能。

為確保車體在組裝過程中不至於產生誤差，品管部門會以專用儀器定時檢驗每部新車的組裝完成度。
尚有一些處理鋁製材料的新方法也展現激勵人心的前景。目前Ferrari已經使用多種不同厚度組合而成的鋁合金部件，此技術在未來的使用率也會大幅增加。在過去，有兩種方法可以用來強化金屬部品的強度，一個是增加整個部品的厚度（重量會大幅增加），另一個是在部品本身進行補強焊接，但現在只需透過部件本身的厚度增加就能夠達成目的。拿起一件Ferrari研發的鋁製品，這時你會發現另一個不為人知的秘密：和磚塊一樣大小的鋁顆粒金屬竟然只有幾克重。
通常而言，此項製品有75～95%的體積都是空心的，且只要透過比例和其他參數的改變，即可根據各種不同要求而對該材料進行製作。由顆粒組成的鋁金屬製品不但重量輕且剛性強，還具有極佳的能量吸收特性，被視為是降低噪音和吸收衝擊能量的理想選擇。輕質的鋁管結構可能產生共振，而固態金屬則很容易傳遞噪音及震動；Cimatti解釋，用中空的鋁顆粒製品結構製品來代替特定的管狀零組件，就能夠在不影響重量和剛性的前提下增加吸收撞擊的能力。

電腦控制的探針會偵測全車每一個部位的方位與尺寸是否達到標準，藉此作為生產線組裝設備的誤差調整依據。
銳意創新
「我們不僅是簡化了材料運用的複雜性，並且以更好的材料來取代傳統材質，而且也針對結構進行特殊設計，讓新材料的特性得到更為充分的發揮，」Cimatti繼續說道，「有許多因素需要考量，包括我們如何運用新材料來製作新車，工藝當然是一個關鍵的標準，但是我們不想讓材料的選擇受限，因此Ferrari的對策就是在潛心研究材質的同時，也致力開發新的製造技術。」最大的挑戰之一就是如何將不同屬性的新材質接合在一起。
例如，極薄的鈑件和一些特別硬的合金材料並無法焊接在一起，因此要將這兩項材質接合便得運用其他方法，如鉚釘固定法，但這樣的方式會使應力集中，或者是使用更厚的材料與增加補強結構，但這兩種方式都會增加成本和重量；Cimatti說，輕質鋁顆粒金屬結構的出現帶來了一系列新挑戰。

車身組裝過程會使用專屬的固定支架，讓工程師能夠全方面檢驗車輛的完整度。
Ferrari的解決方案是使用最新的結合技術──結構粘接劑。Cimatti 表示，高科技的膠粘方式能夠在提高車身剛性的同時，還可以將某些鈑件的厚度減少達 20%。其中的關鍵是透過分散負載範圍來消除應力之外，粘接劑還可以用來輔助機械強度，進而減少焊接或鉚釘的使用率。
在下一代新車身上，可能會有大量的部件接合會使用粘接劑與強化鉚接技術。使用粘接劑的缺點之一是部件之間會有重疊的部位，這樣會增加重量和厚度，因此Scaglietti工廠正在試驗另一項創新的冷金屬CMT（Cold Metal Transfer）接合技術，此手法所得到的效益和金屬焊接MIG（Metal Inert Gas）相同，可以在兩塊金屬的邊緣直接連結，且使用的熱量極少，接合後就可直接觸摸。這一點當然和MIG焊接有著明顯不同，MIG的溫度極高，以至於會改變焊接區域HAZ（Heat Affected Zone）的金屬結構，進而使金屬變得脆弱。此外，兩塊金屬鈑件也無法直接在邊緣處以MIG焊接，這樣很難提供穩固接合並減低材料的使用量。

由於鋁合金材質的特性，目前所有採用此材質製作的超跑都以純手工方式焊接車架與主結構。
而CMT焊接則可以使能量的消耗降低約30%，且既能管理HAZ又可以在粘接劑附近進行焊接，其他優點還包括：減少與熱相關的幾何偏差、縮短週期時間、提高穩定性等等。Cimatti表示，該技術目前已經得到充分驗證，但仍需設法改善CMT器材的尺寸；目前該設備的體積過於龐大，無法使機器手臂的焊頭進入窄小部位，一旦解決了這個問題後，該技術將會大規模的取代MIG焊接。
不過材料和構造技術變得愈來愈先進的結果卻也引發另一問題，如何維修碰撞過的車輛？使用複合材料製作的車輛很難做到這一點，尤其是大多數修理廠均未具備檢測材料內部結構損壞的能力，因此當複合材料製作的Ferrari限量超跑發生重大事故時，我們都會將車輛送回原廠進行測試，就像組裝賽車一樣更換大量的新組件，但在一般道路上使用的超跑要採用相同的維修方式有其難度，而且也不夠實際。

為了讓媒體對Ferrari接下來所採用的最新技術有更進一步的認知，原廠罕見的特別舉辦此說明會，讓我們一窺其技術奧秘。
Cimatti表示，需要更換的鋁質結構組件會在特殊的訂製廠進行生產，每一個構件都是針對特定車輛的損壞區域而量身訂製的，然後再將這些構件送到修理廠與待修車輛進行整合。對於下一代新車，Ferrari不僅著力發展新的材料技術，同時也大力開發維修系統，其中包括改良的雙模組粘接劑，這項技術是原廠專為修理廠使用所開發，可提供與原廠組裝新車所使用的單模組（熱固性）粘接劑相似的粘合性能，由於雙模組黏接劑採用不同的化學物質，因此不會產生熱固化現象。
「從重量與體積的比例可看出，我們當前的鋁技術已使458 Italia成為該級距的佼佼者，能夠與任何一款超跑相匹敵。」Ferrari首席執行長──費立薩做出總結，「我們的下一代V8超跑會在輕質鋁製車身結構方面向前跨出一大步，讓重量與體積的比例從50kg/m2縮減到約43kg/m2，遠遠領先當前任何一款超跑。我們的新材料技術也將為Ferrari車主造就一部性能卓越、可供日常使用的傑出超跑。」