御水行者 (Yachtsman's Waterbending World): 台灣FRP遊艇業原物料耗用調查(2009) 2/4

台灣FRP遊艇業原物料耗用調查(2009) - 第二章遊艇製造程序及用料模擬

一、玻璃纖維/樹脂遊艇核心技術

這兩、三年來，台灣的巨型遊艇製造能力及品質普遍受國際肯定，除了代工製造、也有自創品牌並與國際級設計師合作(航海、外裝、內裝等各有設計專業)，南部還有不少業者積極擴廠。
廠商欲持續留在纖維/樹脂製程，需下列(1)纖維技術、(2)樹脂技術、(3)積層技術、(4)內部裝潢、(5)修補及改裝等五項原料；技術支持，略述如下:

(1) 纖維技術：

纖維被視為補強物(Reinforcements)，具有強、細、可編織等優點，習用名詞FRP(Fiber Reinforced Plastics)，定義為使用纖維補強物之高分子複合材料，如玻璃纖維(Glass Fiber)、碳纖維(Carbon Fiber)、克拉纖維(Kevlar Fiber)等，後者屬強度愈佳比重愈輕之纖維。因此目前技術及設計層次之製品可細分並稱為GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics)。纖維之排列、編織均需周邊產業支撐。可製成切股氈(Chopped Strand Mat)、單向紗(Unidirectional Roving)、編束紗(Woven Roving)、雙向紗(Biaxial Roving)、三向紗(Triaxial Roving)、切股-編束氈(Rovi-Mat)等商品以捲筒狀銷售。所有的玻璃纖維均塗佈介面助劑以增加樹脂潤濕性及施工效率。

(2) 樹脂技術：

建造更長的FRP 遊艇，除了設計相應之結構、應用更強纖維，尚需於特定部位搭配更高性能樹脂，分為普通性能之聚酯樹脂(Polyester)、較佳性能之乙烯酯樹脂(Vinylester)、更高性能之環氧樹脂(Epoxy Resin)，愈後者具低吸濕、耐海洋環境及耐風化之優點。樹脂與纖維表面潤濕為搭配基本要求，樹脂硬化必定發熱，如何控制熱之技術是產品升級關鍵，通用型之外，應特殊需求而開發適用真空灌注或耐溫、阻燃、耐油、耐衝擊等特用樹脂產品線。

(3)積層技術：

複合材料遊艇船殼、甲板等以積層(lamination)製作，由多次堆疊(Stacking)類似布匹之玻璃纖維製品(Woven Roving or Chopped Strand Mat)達成。手積層主要程序為逐次塗佈樹脂、貼片，運用刷、滾筒、刮刀等工具使樹脂浸潤(Impregnation)玻璃纖維、且不起皺褶、不留氣泡。真空成型法(SCRIMPTM)則先完成佈置纖維，再將樹脂藉由抽真空造成之負壓吸入纖維空隙，能節省樹脂、完全不須人工塗佈樹脂，成品瑕疵少、強度高，極具推廣潛力。
複合材料之理論強度由纖維、樹脂之強度、比例混成，混成律(Rule of Mixture) Sc=VfSf+VmSm 式中 Sc、Sf、Sm分別為複合材料、纖維、樹脂之強度，Vf、Vm為纖維、樹脂之體積分率，纖維、樹脂之強度相差百倍，故樹脂僅作黏合、緻密不透水及應力傳遞等角色，複合材料總體積 Vc=Vf+Vm=100% ，此式可解釋施用過量樹脂除了浪費材料，也會拉低纖維體積分率、削弱強度的。
高單價之遊艇當然力求得到緻密之高品質積層成品，未來將愈多廠商採用真空成型法(SCRIMPTM)以達成設計之理論強度(圖7)。

(4)內部裝潢：

巨型遊艇以外銷歐美為主，設計多與國際接軌，買主見多識廣、極富品味及鑑賞能力，既然斥資上億元購遊艇，對執行製作能力相當重視。
船用電器之電壓 12 伏特與陸地不同，本業別使用量既小，便無須建立周邊工業，台灣基本依賴保稅進口，接歐洲訂單，便訂歐洲電器，接美洲訂單，便訂美洲電器，以其外觀較能搭配內裝設計師概念。傢俱邊、角需圓化以防大風浪跌撞傷害，故均現場丈量、製作、安裝，內裝師傅需手工精細，木料均經防水處理、單價昂貴，常有交船檔期催促，錯不得也浪費不起，但施工空間狹窄，空氣循環較差、粉塵難免，唯有提昇工作環境安全，降低粉塵、噪音，方能維持高素質勞工。

(5)修補及改裝

目前遊艇以玻璃纖維/樹脂製與鋼/鋁製為兩大主流，其銜接方式大不相同，鋼/鋁製遊艇其強度設計需求，藉由選擇正確厚度鋼板鋁板達成，多按設計圖利用雷射數位切割成片，再以焊接合成船體各部份，接縫由銲料填滿，既達成設計強度需求，亦合乎水密性。
鋼/鋁製遊艇之修補，通常截除破壞部位，並裁切新版予以焊接合一即修補完成，並不會增加船重；某些遊艇或因歷史事件、或因特殊航程、或因名人擁有過而值得收藏及改裝，而改裝類似修補，故鋼/鋁製遊艇較具改裝潛力。
製作複合材料遊艇之接合係指將船殼、甲板等部件加以組合，通常需鑽孔作為初步定位及固定用，其水密性及強度需貼數層相同材料達成，製作重疊部分稱之為搭接，側壁、甲板、隔艙各部件搭接部位相當厚重。
纖維截斷後是無法重新接續的，故複合材料遊艇之修補其所截除破損部位不能僅填補處理，仍需用貼片搭接方式黏貼數層，以恢復強度及水密性，於是不可避免愈補愈重，尤其是發泡層因外層受損以至於接觸海水，吸入海水順船殼內部蔓延將視為無法救治，這也是複合材料遊艇的維修、改裝及壽命不被看好的原因。

二、船殼及主甲板製作程序及用料模擬

遊艇設計係科學及經驗之綜合藝術，表列常數及衍生係數交互影響，設計過程需循環數次以調整各係數均能落於規範內；本報告僅提及與船重、長度較相關之馬力(Horse Power)、船速(Speed)、船長(Length)、排水量(Displacement)及係數排水量/船長比(Displacement Length Ratio)，船速/長度比(Speed-Length Ratio)。
船殼設計完成得到船殼線圖(Lines Plan)及殼板展開圖(Shell Expansion)，通常繪圖以側(透)視圖為主。船板材料計算(Scantling)採用小片平板接合概念並做展開，此面積便是所需船殼材料。現有電腦軟體可輕易完成此類繪圖、計算及修正工作，除節省設計時程且方便納入業主意見及時更改外，並可大幅推動客製化市場的興盛。
複合材料遊艇船殼及主甲板通常為永久模，各廠家均有一套可涵蓋各尺寸訂單之模具，例如70、85、100、115、130呎模具，其長度可縮減以涵蓋定單需求，亦有設置寬度可調的模具，可製作同長度但增寬之船殼，通常僅調整單一寬度。
船殼及上甲板屬主結構，故於本節模擬、分析其重量、用料差異及比例。
今以模擬推估表面積法則，瞭解近年來遊艇長度漸由70呎增至100呎及130呎，船殼及主甲板基礎用料需求差異之大，既然長度增大，強度(通常為厚度正比)亦需增加，以一長方形盒模擬船殼及主甲板，此一長為1.0L、寬為0.2L、高為0.3L之長方盒展開後為六片矩形，累加後得其總面積A(平方呎)
A=2 x 1L x 0.3L+2 x 1L x 0.2L+2 x 0.3L x 0.2L
=0.6 L^2+0.4 L^2+0.12 L^2=1.12 L^2
可應用本式推估各長度船殼及主甲板基礎使用材料面積

(1) 相同厚度而長度差異
70 呎長方盒展開之面積： A70=1.12 (70)^2 =5488
100 呎長方盒展開之面積： A100=1.12 (100)^2 =11200
130 呎長方盒展開之面積： A130=1.12 (130)^2 =18928
故 100 呎相較70 呎：A100/A70=11200/5488=2.04
船殼及主甲板材料面積為2.04 倍，
故 130 呎相較100 呎：A130/A100=18928/11200=1.69
船殼及主甲板材料面積為1.69 倍，
又 130 呎相較70 呎：A130/ A70=18928/5488=3.45
船殼及主甲板材料面積為3.45 倍，

(2) 符合強度設計之重量差異
遊艇之長度增加，船殼及主甲板強度、厚度亦需配合(如同起厝、樑柱要加粗)，此處以相同強度GRP調整積層數，並以積層數各8、10、12 層對應70、100、130呎遊艇，推估總重量變化如下：
如視8 層為基準厚度(S)，10 層即為(1.25S)，12 層則為(1.5S)，推估船重W為面積與厚度乘積
70 呎船重： W70= A70x 1.0S =5488 S
100 呎船重： W100= A100x1.25S =14000 S
130 呎船重： W130= A130x1.5S =28392 S
故 100 呎相較70 呎：W100 /W70= 14000S/5488S=2.55
符合強度設計之船殼及主甲板重量為2.55 倍，
故 130 呎相較100 呎：W130 /W100=28392S/14000S=2.03
符合強度設計之船殼及主甲板重量為2.03 倍，
又130 呎相較70 呎：W130 /W70=28392S/5488S=5.17
符合強度設計之船殼及主甲板重量為5.17 倍，
本項模擬準確描述長度、厚度雙重差異之相成效應。

(3) 同比例而長度差異
以100 呎 v.s 105 呎為例，長度增長5%，
A100=2 x 1L x 0.3L+2 x 1L x 0.2L+2 x 0.3L x 0.2L
=1.12 (100)^2=11200
A105=2 x 1L x 0.3L+2 x 1L x 0.2L+2 x 0.3L x 0.2L
=1.12 (105)^2=12348
A105/A100=12348/11200=1.1025
故長度增長 5%，表面積增加10.25%，如果積層相同，則船殼及主甲板重增加10.25%。

(4) 同長度而寬度差異
以130 呎、高21 呎、寬各26、28 呎，寬
度增加7.7%，
寬 26 呎長方盒：
A130,26,21=2x130x21+2x130 x26+2x21x26) =13312
寬 28 呎長方盒：
A130,28,21=2x130x21+2x130 x28+2x21x28) =13916
28 呎相較26 呎：A130,28,21 /A130,26,21=13916/13312=1.045
故寬度增加 7.7%，表面積增加4.54%，如採相同積層，則船殼及主甲板重增加4.54%。
模擬多層甲板之用料計算，類似無蓋長方盒翻轉扣於下層甲板，其展開後更為單純。

三、遊艇製造程序

FRP遊艇的製造特色是以製模（陰模）之後，再以該模積層成形，故其船殼之外形及尺寸是以船模為準。其他如甲板、上層結構及大小的整體個件等，亦可以模子翻製而成。將這些積層成形的構件加以合板，木樑等加強物後，再予以組合之後，各有關人員將機器、電器線路、管路、油水箱等等安裝再船體內，而成為設備完善的一艘遊艇。各模子均為獨立生產模子脫模後，再配合於生產線中，其生產製造流程如（圖7）。

複合材料船既然以船殼永久模大量複製產品，方能與鋼鋁殼船競爭，故決定船殼永久模尺寸為極重大決策與重大投資，須視本身技術能力配合市場需求，此後僅能配合訂單略加長或加寬。現今巨型遊艇多具有3到4層甲板，故除船殼外各層甲板均各有其永久模，永久模內部表面具有極佳平滑度，打蠟後，噴膠殼、積層、表面拋光即可得產品。

這些模具佔據大批空間，且需長期擁有，形成廠家場地負擔。其他如甲板、上層結構及小的整體個件等，也可用模子翻製而成。上甲板等結構因應客製化需求，擁有較大造型設計餘地，單一訂單多以木材製作單次模具，故除非同型數艘訂單，才會開半永久模。半永久模係先製木模再翻製GRP 模，至少需要兩層玻璃纖維，消耗之GRP材料由此批同型數艘遊艇分攤。

遊艇長度甲板層數略做區分，80呎通常設計兩層甲板；100呎通常設計三層甲板；120呎以上可以設計為四層甲板，這點可大致由遊艇外觀判斷，各層甲板之名稱及功能，底層需安置引擎、船首電動穩定器、發電機、燃料箱、淡水箱、污水箱，如有空間會安排主臥房、客房、船員艙等，主甲板安排餐廳、廚房，上甲板安排客廳、娛樂室、駕駛台(有些設計為多套控制)、吧台、觀景台、日光浴、按摩浴缸等，尾甲板安排烤肉活動或釣魚，順便建魚餌箱、冰箱、水上摩托車庫、滑水拖曳繩，各層甲板有其名稱(lower deck, main deck, upper deck, flybridge, raise pilothouse, hardtop)。除了設施眾多、裝潢細緻，舉一例以了解豪華之定義：擁有7間臥房可容14名賓客之遊艇，需要24名船組員服務。

客製化(semi-custom)已成台灣廠生存之道，(也有買二手船改裝需求)故相當多模具僅用一次(one-off)，因此所有的成本均將計入本艘遊艇或本次工程，且直接反映到售價，嚴格說並無原物料耗用效率議題(製作程序見圖8至圖15)。

遊艇之設計綜合經驗及流體之非線性行為，並兼顧靜態、動態穩定性，必須藉經驗圖表及插值多次改進方能接近需求，吃水深也與多項參數相關。針對各長度遊艇(80、100、120、150呎)之經驗圖表可了解，重量、馬力搭配可能性；以一艘半排水船殼外型(Semi-Displacement Hull)，長度80-150呎之遊艇為例，其設計排水範圍可由40-180噸，其設計巡航速由9-17節(knots 等同1.84 公里/小時)均為可能，動力搭配則需數百匹馬力到數千匹馬力對應(本例為800-6000匹馬力)。

簡單綜論：相同長度的遊艇因為設計重點各異，船速(巡航速)，動力搭配(影響極速)，設備豪華(攜帶小艇)等差異，排水量將達數倍之鉅，相對船身重亦差數倍是可以理解的，將於下節舉例說明客製化導致耗用差異。

四、客製化導致用料差異

(1) 甲板客製化製作甲板之模具僅用一次，假設甲板耗用6層複材，但一次性模具(one-off)需消耗2層複材及大量補土，粗估僅75%原物料直接呈現於此甲板產品。

(2) 甲板尾段客製化假設甲板耗用6層複材，僅小改尾端1/5以與他艇有所區別，需另開一截尾段一次性模具，之後將原主段削去內側3層(一半搭接厚度)，新尾段削去外側3 層(另一半搭接厚度)，兩段搭接為成品，此例搭接長度如需2呎方能維持強度，則模具耗用及搭接耗用可能亦超過25%。

(3) 船殼長度客製化假設欣賞某公司某船型，又希望短時間交船，可將現貨船殼加長；例如需改船殼由70呎加5呎成為75呎，則選擇船尾適當位置截斷並插入一特製中段，本例需搭接二次且船殼強度要求較高，搭接重疊長度需較長，將極有可能耗用材料相當於82呎船殼，模具耗用及搭接耗用可能亦超過20%。

(4) 船殼寬度的客製化某些訂單希望增加客艙數量，成為載客較多的租賃船以提供船組員艙房，解決之道是加寬船殼，有些廠具備可調船寬之船殼永久模，便能接下此訂單，隨之而來便是其上各層甲板均需一次性模具。

(5) 船艙高度的客製化假設銷美洲線遊艇，訂單要求船艙高度由7呎增為8呎，相同長度成品遊艇必然更重且更耗用材料。

(6) 釣魚客製化假設為釣旗魚需求，必須增加頂層瞭望甲板及同步操船設備，又需設置魚餌水槽，此客製化不僅增加材料耗用、增加船重、增加設備，且船價必然大增，但船長度未曾改變。

(7) 船速客製化一艘遊艇的船速並非大馬力引擎能達成，船型配合船殼需加厚提高強度配合，故同樣長度的遊艇，不僅材料耗用增加且引擎動力投資可能倍增。

(8) 續航力客製化遊艇如設計越洋能力其燃料箱、淡水槽、製水設備、污水槽容量均需加大數倍。

圖7 玻璃纖維樹脂巨型遊艇製作、組裝流程

圖8 國內已引進真空成型技術(SCRIMP)應用於船殼(Hull)製作。程序先完成全部纖維佈置並以阻氣膜包覆，再抽真空藉造成之負壓將樹脂吸入纖維空隙，圖中顯示多點注入能節省樹脂，成品瑕疵少、強度高，極具推廣潛力，期望能提高品質、節省樹脂原料及工時，三者均獲益。

圖9 已成型之船殼(Hull)，此種形式為陰模，積層於模具內側，底部縱向四條為縱肋(Longitudinal Rib)，底層甲板(Lower Deck)位置(塊狀支承)約與工作人員相同高度，並且可看出預留之舷窗孔。引擎、燃料箱、水箱、污水槽、錨泊穩定翼等需早於底層甲板裝設。中段兩深色U形肋為部份已裝置之橫肋(Transverse Rib)，共需十條以上，且需堆疊黏貼多層方能固定於船殼，結為整體。橫肋頂端形成主甲板平面(Main Deck)，主甲板另需模具製作，同樣於安置正確位置後，以多層貼片黏結固定與船殼(Hull)結為整體。