超長解讀:Apple Watch 的三種材質與打造技術剖析

作者 | 發布日期 2015 年 03 月 19 日 8:27 | 分類 Apple , Apple Watch
愛范兒配圖

關於 Apple Watch 黃金版的材質之前就已經有不少傳言,它所使用的並不是普通的 18K 黃金,而是經過特殊加工工藝的處理。Jony Ive 在後續接受外媒採訪時也印證了這一消息,表示特殊的加工技術使得金原子的聚合更加緊密,從而使 Apple Watch Edition 版的金質外殼更加堅硬耐磨。而這僅僅是 Apple Watch 的材質和生產加工技術的一個縮影。



一如既往,Apple Watch 的官方宣傳影片更是著重強調了產品生產加工的細節,Atomic Delights 對影片中所展示的內容進行分析,為我們帶來了更多資訊。

黃金

Apple Watch Edition 上所使用的黃金有兩種顏色,一個是接近金原色的黃,另外一種是玫瑰金色。兩種款式的材質均為合金,在 18K 金中按照一定的比例混合了銀、銅、鈀,並調整出相應的顏色。影片中,Jony Ive 用他那中年人富有磁性的嗓音,動情地講述了 Apple Watch Edition 所採用的 18K 黃金的與眾不同之處:兩倍於普通黃金的硬度,打消了人們對於 18K 金硬度和耐磨性上的疑慮。而古往今來,無數的煉金術師和冶金學家為了克服和彌補黃金固有的缺陷,幾乎將它和元素週期表上的所有金屬元素進行了一輪排列組合,以獲得具有某種特性的合金。

勞力士在日內瓦普朗萊烏特(Plan-les-Ouates)設立了一座室內鑄造廠生產此類貴金屬;御博(Hublot)則在 2011 年研製出防刮耐磨的「魔力金」。蘋果的專利則顯示它已經找到一種能夠同時降低黃金的重量又能增加其耐用性的技術。影片顯示,蘋果似乎並沒有使用什麼獨特的冶金技術,而是多了一道「加工硬化」程序,也就是增加 18K 金的硬度。

加工硬化(Work Hardening)是金屬加工的專業術語:

金屬材料在再結晶溫度以下塑性變形時,會發生強度和硬度升高、而塑性和韌性降低的現象,又稱冷作硬化。產生的原因是金屬在塑性變形時,晶粒發生滑移,出現錯位的纏結,使晶粒拉長、破碎和纖維化,金屬內部產生了殘餘應力。加工硬化的程度通常用加工後與加工前表面顯微硬度的比值和硬化深度來表示。

愛范兒配圖

加工硬化最突出的一個結果就是金屬的強度、硬度和耐磨性都會有大幅度的提高。坦克、牽引機的履帶經常會用到加工硬化技術。影片中,黃金首先被加工成實心的金塊,而不是手錶的大致輪廓。然後透過專業的工具進行精細打磨,剔除瑕疵,用更專業一點的術語來說是差排(dislocations)。剔除瑕疵是另外一項非常精細的工作,

如果你還是感覺冷卻加工過於抽象的話,可以找一個長條狀的金屬片或是迴紋針,抓住兩端來回掰,你會發現在來回掰動的過程中,要花費的力氣會稍微有些增大,直到金屬片最後斷為兩段。但在這其中一段時間裡,你所作的工作可以稱之為加工硬化,金屬的某些特性在這一過程中發生了變化。把所花費的力氣再增大數千倍,把金屬片換成價值 5 萬美元的金塊,這就是蘋果在加工硬化過程中所做的工作了。

接下來,蘋果用平面銑刀對黃金鑄錠進行切削,將鑄錠控制在一個特定的厚度,精確度可以達到 0.01mm。之所以要保證如此的精確度,是因為鑄錠表面的不平整會直接影響到所加工部件的最終硬度。

愛范兒配圖

接下來是真正的壓縮加工硬化流程,金屬鑄錠在滾壓機下方經過數個來回,每次整體的厚度被壓縮幾微米。整個流程結束後,剩下的就是一塊平整的高密度合金鑄坯,硬度和厚度也都控制在了目標水準上。

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之後,蘋果在影片中省略了不少流程,直接展示一個接近於 Apple Watch 輪廓的鑄坯。上圖中,鑄坯還有加工過的痕跡,邊角也更加強硬。在下面一張用超聲波密度檢測儀偵測瑕疵時,鑄坯的內側邊角上已經被打磨出了斜面導角。也就是說蘋果將鑄坯從一台數控銑床(CNC)上挪到另外一台上,僅僅是為了給鑄坯切割出導角?這是在影片中所發現的疑問,也不排除僅僅是為了影片拍攝的需要,蘋果把流程做了一些調整。

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接下來的部分就是用超聲波探測儀檢測鑄坯的密度,從而將不合格的產品剔除出去,嚴格來講這應該叫做超聲浸沒探傷技術,對於一款消費級的產品來說,這一步驟常常會被省略掉,很多高級腕錶也不例外。因為消費級的產品往往不需要如此高的精度,只有高強度持續工作的醫療植入式器械,以及飛機發動機中的旋轉部件才會需要嚴格的探傷檢測。這一過程不僅費時,需要有專門定制的設備,並且花費鉅資。蘋果對細節的苛求在這裡可見一斑。

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上面的截圖展示的是鑄件通過中間的小孔被固定住,然後用專門定制的數控銑床將鑄坯切削出全半徑的邊緣。另外,從圖中可以清晰地看出蘋果採用的是一個比較高的圓柱形工件夾具,所以極有可能使用的是五軸銑刀,右側按鍵、Digital Crown(數位錶冠)、麥克風孔也會在這一過程中切割成形。

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隨後的影片中,蘋果展示了設計精巧、鋸齒狀 Digital Crown,不過是已經加工完成的產品,並沒有太多的細節。用於切割鋸齒紋路的刀具看起來像是定制的,刀軸的四周偏軟,用以增加硬度和刀具的使用壽命。

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錶扣部分的加工流程蘋果更是輕輕而過。Atomic Delights 認為這一過程可能遠比錶殼部分更有意思。蘋果重新設計的錶扣表面更加複雜,這也可能是蘋果首次使用表面仿形銑床加工零部件。蘋果在大批生產的消費級產品中向來有著出色的品控,這其中一部分原因在於它善於將生產過程分解為更為簡單的擠壓或衝壓等 2.5D 刀具路徑,同時保持產品的精確性和複雜度。而如果錶扣部件也採用 3D 銑削的話,會更加複雜,同時也會耗費更多的時間。

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在最後的拋光部分,蘋果在影片中是由人工完成的。反觀前面的影片內容,蘋果的自動化加工技術已經達到了很高的水準,並且滲透到產品的所有環節和所有部件,我們無法確認整個的拋光流程是否都是由手工完成,這麼做的原因是因為人的眼睛或者是人的加工手法會比機器更加精確,亦或者僅僅是為產品增加一點手工製作的高貴氣質,我們不得而知。

 

不銹鋼

不銹鋼是製作高級腕錶的常用材料。蘋果在 Apple Watch 上使用的材質相對保守一些,採用的是 316L 不銹鋼沒有採用液態金屬,也沒有使用很複雜的切割技術。316L 不銹鋼也常被稱為醫用不銹鋼,這種材料多用在醫療器械以及食品加工設備中,原因很簡單:防止內部元件中金屬原子的滲透。而正是出於相同的原因,316L 不銹鋼成了在手錶中應用最為廣泛的一種合金材料。手錶廠商在數十年的時間裡都在盡力降低鎳過敏的影響,其中勞力士和歐米茄已經將鎳過敏現象降低到幾乎不可感知的狀態了。因此,Atomic Delights 猜測蘋果在金屬冶煉和加工過程中也一直在極力避免鎳過敏情況的出現。

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在蘋果介紹 Apple Watch 加工工藝的影片中,首先出現的是一根熔融狀態的 316L 鋼板,也就是晶棒。熔融的不銹鋼從坩堝的底部流出,然後經過一次系列的塑形流程,最後隨著金屬分子黏性增加形成固體。這一過程需要精確的控制,以保證晶棒的晶粒結構和硬度。由於產品是大量出貨,所以蘋果要對坩堝中的金屬成分和比例瞭若指掌,並且精確地調控回火(temper)、硬度以及晶棒的尺寸。

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蘋果在影片中迴避了 Apple Watch 生產加工中最獨特也最重要的一個步驟:冷鍛。在鍛造的過程中,金屬胚件被放置在兩塊堅硬的鋼製模具之間。然後有一個接近一間房子大小的設備充當錘子的角色,對模具施加數萬噸計的力。在如此巨大的壓力之下,金屬會達到一種叫做「塑性變形(plastic deformation)」的狀態,然後彎曲、壓縮,進而填充到模具的腔體中去。在更為精確和複雜的鍛造中,模具的腔體呈遞進式加深,最終將金屬加工成預期中的形狀。

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▲ 上面這幅圖顯示的是鑄造(Casting,Apple Watch Edition 採用的便是這種工藝)、機床加工(machined)和鍛造(Forging)後晶粒結構的變化。

鍛造後得到的是一個淨成形(net-shape)部件;這一過程並不能加工出孔洞、卡槽、螺紋等更為精確的結構,這時候就輪到廠商最愛的 CNC 數控機床上場了。而鍛造最大的作用就是增加部件的強度。從上面的對比圖中可以看出,鍛造後的部件有著完整的晶體結構,類似於一種流動的狀態,並且晶體結構的走向和部件的形態是一致的,這就保證了被加工部件有著足夠的強度。上面的圖片也解釋了為什麼在加工坦克履帶等高強度金屬部件時,業界通常會使用鍛造的工藝了。

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之後影片中就出現了三個鍛胚,以及一個定制的五軸夾具。鍛造並不是一項很精確的工藝技術,所以在接下來 CNC 加工的過程中,挑戰之一就在於找到一個基準面,並以它為參照對部件的其他部分進行精確的加工。我們可以看到上圖右側鍛胚的頂部被銑成了方方正正的造型,這部分很可能是預留出用於翻轉之後固定鍛胚用的。

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接下來是用五軸銑刀切削出錶冠、麥克風孔等細微構造。需要注意的是,在銑削按鍵和表冠卡槽時,蘋果所使用的並不是和開口同等寬度的銑刀,而是更加細小的刀具,這樣可以避免開口邊緣在加工過程中厚度變薄,保持表面的平整。

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然後就到了蘋果展現對品質和細節的極致追求的時刻了——CMM,全名是 Coordinate Measuring Machine,三維座標測量儀。在運動路徑上(X、Y、Z),CMM 和此前常說的 CNC 機床類似,不同之處在於,CMM 通常用花崗岩框架作為平台,同時將銑刀換成了紅寶石探頭,能夠精確地測量物體表面樣本點的三維座標,並與原始的 CAD 模型進行對比。CMM 可以自動產生報告,判定部件是否合格,更跟蹤檢測某一批次的產品的尺寸浮動。而在最為精密的車間中,CMM 的資料還可以直接回饋給 CNC 機床,後者對加工過程進行調整,從而抵銷誤差。

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CMM 探測之後就到了自動拋光流程。整體拋光的困難在於蘋果希望保持部件中應有的稜角和淩厲的切邊,而拋光輪則會觸及幾乎所有的邊緣和表面。控制不好不僅僅會把稜角變得光滑,也會損壞拋光輪。從影片中可以看出,蘋果用灰色的聚合物對錶鏈插槽和錶冠、按鍵介面進行了填充,這樣就保證了錶殼被充分拋光,也保存了錶殼某些位置的稜角。

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在錶殼加工的最後部分,Jony Ive 在宣傳片中快速講解了深空黑色的 Apple Watch 的上色過程,稱之為類鑽碳,其實就是碳化鎢塗層(Tungsten DLC),非常堅固而且可以做得很薄。這一過程常常在真空環境中進行,是很多高級腕錶、刀具的上色方法。碳化鎢塗層的優點之一是有著非常好的耐用性。

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影片的最後,蘋果展示了鏈式錶帶和米蘭尼斯錶帶的製作工藝。其中最有趣的是後者,雖然能夠一眼看出線材經過了電鍍拋光,但它究竟是在放入編織工具之前就已經繞好,還是先放入編織工具再纏繞而成的,目前還不得而知。

要說蘋果是世界上最精通鋁製品加工的企業估計沒多少人會否認,從早期的 iPod Classic,到後來的 MacBook Air,再到最新的 iPhone 6 上,鋁合金出現在了蘋果全部的產品線之中。更為重要的是,蘋果已經建立起了一條全球性的鋁合金供應鏈,對於整個行業有著牽一髮而動全身的影響力,更引來諸多對手的效仿。所以,蘋果採用自己最為駕輕就熟的鋁合金來生產「廉價版」的 Apple Watch Sport 也就是情理之中的事。

在 Apple Watch Sport 上,蘋果摒棄了之前常用的鋁合金 6000 系列(主要成分是鋁、鎂和矽),轉而全新研發了一款 7000 系列鋁合金,添加金屬鎂和鋅。Jony Ive 在影片中講到全新研發的鋁合金強度提高了 60%,並且維持了同樣的重量。根據 Atomic Delights 的分析,與描述最為接近的兩款現有商業用鋁合金分別是 6061 和 7075。

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開場的畫面是堆高機駛離巨大的坩堝爐,熔融的鋁合金被灌注進數個排列整齊的模具腔體中,形成圓柱形的鑄錠。緊接著就到了回火流程——將經過淬火的工件重新加熱到低於下臨界溫度的適當溫度,保溫一段時間後在空氣或水、油等介質中冷卻的——這是一種對淬火金屬進行再加熱和冷卻的過程,目的是將分子結構控制在一定的方向。

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蘋果向來善於利用壓鑄工藝生產構造複雜的零件,即便是沒多少人會在意的細節也會進行精心的加工,比如 Apple TV 的遙控器以及 Mac 上常見的觸控板。Apple Watch Sport 也不例外:兩根鋁製晶棒從擠壓機中被擠出,兩側已經有了圓弧狀的邊緣。最讓人吃驚的地方在於,晶棒的表面已經非常光滑平整,幾乎看不到瑕疵。然後晶棒被切割成 Sport Watch 的鑄坯,經過 CMM (三維座標測量儀)對其三維尺寸進行探測,隨後就到了 CNC 銑削階段。

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除了壓鑄件和鍛鑄件的零件托持夾具,以及切削刀具有所不同外,三種材質的 Apple Watch 在這一流程的加工方式大同小異。之後從畫面中可以看到一個延長的刀具越過一個錶殼,然後對另外一個錶殼進行加工,其餘的部分的步驟和常見的五軸加工器械相似。接下來我們就看到了一個會令很多機械加工專家坐立難安的場景:

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除了 CNC 和 CMM 外,蘋果在加工工藝上另外一個值得稱道的地方就是雷射加工了。在這一段影片中,雷射加工總共出現了兩次,上面這幅圖是第一次。機械加工往往不完美,會留加工的痕跡,邊緣會有 0.05mm 厚的金屬翹起,就是我們常說的毛刺。去除毛刺常見的方法是用很細小的工具剔除,或者是手工,還可以在滾筒和砂紙拋光中去除。蘋果的處理方式卻是有些獨特——用雷射去除毛刺。我們能夠看到雷射先是勾勒出開口的輪廓,緊接著伸進開口內壁快速掃過。Atomic Delights 認為這是一個非常新穎的處理方式。

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到了拋光階段,流程和不銹鋼錶殼的處理方式接近,錶帶的凹槽等部分也用聚合物填充保護起來。不過 Digital Crown(錶冠)和按鍵的開口部分並沒有被保護起來,原因在於被壓鑄成型後,已經契合錶殼最終的輪廓,這也從另外一個方面反映出蘋果在鋁合金壓鑄上的造詣。

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在氧化鋯噴砂處理階段,蘋果使用了多孔徑旋轉噴嘴從各個角度對錶殼的進行噴塗,以期做到全無死角的覆蓋。

經過塑形、加工、雷射去毛刺、拋光和噴砂之後,整個加工流程就到了很多廠商津津樂道的陽極氧化階段:一般是以鋁合金部件作為陽極置於電解液中,利用電解作用在表面形成一層堅硬氧化鋁薄膜,在這一過程中還會形成蜂巢結構,可以添加染色顆粒物,獲得預期的顏色。不同於鋼鐵氧化後形成的斑斑鏽跡,這種精確控制下的鋁製品氧化的表面耐用性和耐磨性都會得到顯著的提升。這已經是很多消費電子屢試不爽的一種加工方式。

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雖然是陽極氧化已經是很普通的一種加工方式了,蘋果還是玩出了花樣:錢多任性。一般廠商會採用通用的夾子或鉤子把零部件固定住,蘋果的方式則非常簡單粗暴,定制了專門用於鋁合金錶殼陽極氧化的塑制加持工具,鋁合金錶殼密集的擺放在上面。當然,這種定制化的方式需要不少的財力投入。

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最後部分,蘋果在影片中展示了 Apple Watch Sport 的 Digital Crown 的加工方式——雷射。在 18K 金的 Apple Watch Edition 和不銹鋼的 Apple Watch 上,錶冠的鋸齒狀紋路是用銑刀刻出來的,而 Sport 上的鋸齒則是利用雷射。有人指出錶冠是經過噴砂處理的,但在影片中很難辨別在雷射沖刻鋸齒紋路是在噴砂之前還是之後。錶冠被固定在一個旋轉的分度卡盤上,正好處在雷射射線相切。黃金版和不銹鋼的錶冠採用 CNC 加工的原因可能是這兩種材質的表面會反光,不適合用雷射加工。

 

總結

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對比三款不同材質的手錶的加工方式,很有趣的一個發現是 Edition 版錶殼的內部構造做了數個凹槽,這在標準版和 Sport 版中都沒有。現在還很難判斷這些凹槽的作用究竟是用來對錶殼進行加固,還是為了減輕黃金錶殼的重量。

很多人都發現了在 Apple Watch 一側的錶帶凹槽中有一個六針的介面,可能是用來灌製系統或檢測之用。由於影片的錄製可能會是在發表前的數月完成的,最終量產的 Apple Watch 中是否還會有這個介面目前還是未知數。

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影片中,包括在其他訪談中,講到設計、工藝時,Jony Ive 常常會用「精心(care)」這個詞來形容。這其實是很值得推敲的一點,因為它既不表示傳統手工製作的匠氣,也不表示德國或者是日本車或是其他機械產品的精確和一絲不苟。「精心」展現更多的是對於製作產品不遺餘力的一種追求,無論原材料和最終產品之間有著多麼巨大的鴻溝。若非如此,恐怕蘋果會和其他人一樣放棄用鍛造的方式去加工不銹鋼的錶殼;黃金合金的硬化流程估計也不會出現,因為整個產業中幾乎都沒人去嘗試;蘋果也不會細心地用雷射去打磨麥克風開口內部的毛刺,因為沒幾個人會拆開手錶去感受它的表裡如一。

闡述 Apple Watch 的這三段影片雖然有著濃濃的炫技味道,但你不得不承認這是一個團隊不計成本、近乎奢侈的投入,重點已經不僅僅是供應鏈了。我們還很難預知蘋果為了 Apple Watch 會採購多少的黃金和不銹鋼,也很難預料它會不會像數年前大量使用鋁合金那樣對相應材料的價格、加工工藝技術乃至整個產業產生深遠的影響力。不得不說,蘋果在對工藝的追求讓人看到了一種儀式感,它極力將生產標準提升到全新的高度,也或許,因為它知道自己所要面對的是一個有著數百年歷史的製錶行業,裡面聚集著數十家如雷貫耳的手錶廠商。

(本文由 愛范兒 授權轉載) 

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