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轻薄笔电大部拆解:空间使用、结构强度、机身开口设计很有学问

2020-05-29

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轻薄笔电大部拆解:空间使用、结构强度、机身开口设计很有学问在 PC 龙头 Intel 跳出来大喊 Ultrabook 后,市面上的轻薄笔电愈来愈多。为什幺笔电能够做得那幺轻薄?要如何兼顾功能与体积?该怎幺平衡效能及散热?从外观到内在,轻薄笔电有着许多我们不知道的祕密,我们将揭晓它神秘的面纱!

快速目录:极致笔电三元素:轻、薄、巧;外部空间:触控板变更大内部空间:电池面积佔一半结构强度:特殊结构加强刚性机身开口:气流通道是散热关键极致笔电三元素:轻、薄、巧轻薄巧是应有的特色

早期消费者在挑选笔电时,往往被厂商灌输规格越强就是好的观念,採用多强的处理器、显示卡,或是配有多少扩充介面,这样的笔电才是最棒的,但是不断提升规格的结果,就是笔电变的越来越肥大,反而限制了笔电最大的特色:行动力。

但是回过头来想想,如果我们能够彻底贯彻笔电应该有的特色,在顾全基本功能的前题下,尽可能地缩减笔电的体积以及重量,这样不是更能将笔电的初衷发扬光大,让大家能够更轻鬆地将电脑带离桌上,无论是行动商务的需求,或只是想要优闲地带着自己的笔电到咖啡厅装忧郁,都可以因为较低的重量减轻不少携带的负担。

轻跟薄容易想像,那什幺是巧?简单来说就是设计的巧思,键盘配置、线材设计、人机介面等都算是巧的领域。然而在笔电规格制式、产品追求低价之后,设计大多大同小异,很难看出设计巧思。但在轻薄笔电上,我们可以看到某些机构、介面设计上有别于以往的设计,这或许能算是「巧」领域的进步。

希望不要重蹈CULV覆辙

早在2009年Intel就曾企图以CULV攻佔轻薄笔电市场,但是产品定位不明,虽然产品体积可以获得改善,但是效能表现无法满足所需,造成CULV无法开创与Netbook不同的客户群,最终只能黯然退出市场。将时间拉回现在,Ultrabook至少已经有了不错的开局,但是在第二代的产品中,越来越多厂商开始走回头路,纷纷为Ultrabook加入独显、光碟机,或是推出大尺寸机种,Ultrabook会不会因为厂商求好心切,希望能讨好更多消费者,反而越来越厚重,最终步入CULV后尘,还有待时间以及市场的考验。

在接下来的文章中,笔者将对不同零组件分类介绍,分析并探讨轻薄笔电与常规笔电的不同之处,不过有鉴于某些 Ultrabook 已经有越来越肥大的迹象,因此笔者将以「轻薄笔电」做为研究之主要对象。

材料也是决胜关键

轻薄笔电追求降低重量的精神就如同赛车一样,任何零件都有可以动手脚的空间,这边讲的动手脚并不是指偷工减料,而是斤斤计较地设法减轻重量,无论是笔电或是赛车,结构体的重量绝对是不容忽视的环节。

所谓的结构体就是笔电的机壳部分,它除了要承载所有零件,也需要具有一定的强度来对抗外力的冲击,所以想要降低重量的话,就需要使用强度较高的材料来打造机壳。一般常规笔电为了成本考量,大多以ABS塑胶为材料,然而因为塑胶的强度比较低,所以机壳大约需要1.2mm的厚度,才能提供足够的强度。如果採用强度更高的材料,就能将机壳做得更薄,虽然说材料本身的密度可能比塑胶大,但是还是可以降低整体重量。

目前比较常使用的材料为铝合金或镁合金,两者的强度都比塑胶高出许多,铝合金机壳厚度可以降低约0.8mm,而强度较高的镁合金可以让机壳最薄处降至0.45mm,然而因为镁合金的硬度较高,比较不易加工,提高了製造的难度及成本。至于强度更强的碳纤维材质,机壳最薄处仅需0.3mm,能够节省更多重量。

读者可参考下方表格整里的各材料的机械特性,其中密度较高代表相同体积会比较重,弹性係数较高代表受力后不易产生变形,抗拉强度则是指材料最大可承受的应力。需注意的是各材料的性质,可能会受到加工及成份的影响,不过我们还是可以从中看出各材料间的差异。

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碳纤维最难製造

又轻又硬的碳纤维看似是机壳的最佳选择,但是生产过程相对费时费力,基本上碳纤维的製程为在积层板上堆叠编织好的碳纤维,然后再以树脂胶合,但是树脂可能在灌注时产生气泡,造成良率降低,在生产的过程中也需要等待树脂乾燥,造成整体成本大约比金属机壳高出1倍。

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▲碳纤维材料在製作时需要将一条一条碳质纤维丝编织成片状结构,因此会留下像是布料的编织纹路

相较之下金属机壳的生产就简单多了,铝合金及镁合金都可以透过压铸製造,其原理为将熔融态的合金以高压注入模具,利用模具较低的温度急速凝固成型,很适合製作薄壁铸件,由于熔融合金凝固的速度相当快,因此压铸件的产能远高于碳纤维,再加上金属成型后可再透过CNC加工进行切削,生产的弹性也比较高,因此在重量许可的情况下,大部分的厂商还是选择金属做为机壳的材料。

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▲如果在碳纤维的树脂中加入染剂的话,就会把编织纹路覆盖过去,让外观看起来与塑胶十分相近。

外部空间:触控板反而变更大

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▲轻薄笔电的键盘基本上不会比常规机种小,但大家比较容易忽略的细节,是触控板的尺寸往往不减反增,成为少数在尺寸上大于常规笔电的元件

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▲常规笔电的触控板受限于键盘位置而较小。笔者测量了一下2种笔电触控板的尺寸(皆包含按键部分),其面积差异约为1.6倍。

电池居然影响触控板尺寸

轻薄笔电给人的印象就是又轻又薄,任何零件只要没有技术上的困难,就应该做得越小越好,不过其中的反例就是键盘与触控板等人机介面。由于笔电的整体尺寸受萤幕影响最大,在萤幕大小决定后,机身正面的最小面积也随之确定,因此在固定的面积中不需要刻意缩减键盘尺寸,只需设法减少其厚度即可。

然而触控板可以变大的主因,是可能让人联想不到的电池机构。由于常规笔电大多採用可抽换式电池,然而电池本身的厚度让其正上方无法容纳键盘模组,因此需将键盘往机身前方移动,进而挤压到触控板可以使用的空间。轻薄笔电大多採用内置式薄片状电池,在电池的上方还有足够的空间可以放置键盘以及触控板,所以可以用的空间反而比常规笔电大。

IO 端子面临阉割

在轻薄笔电中不乏看到机身薄到放不进D-sub、RJ-45等介面的产品,之所以要取消这些端子不外乎是想要减低产品厚度,上述2种介面大约需要11mm的高度,虽然不到Intel对Ultrabook订下的18mm限制,但是部分产品在IO端子部分仅有不到9mm的厚度,所以要追求极致轻薄还是需要做出牺牲。

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▲有的轻薄笔电为了要节省体积,除了USB採用标準端子外,其于介面都採用迷你版端子。

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▲採用标準端子虽然可以免去使用转接线材的麻烦,但是笔电势必随之变厚。

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(后面还有:内部空间-电池面积占一半)

内部空间:电池面积佔一半

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▲少了传统硬碟、光碟机之后,空出来的空间就可以用来放置电池。此外轻薄笔电大多将主机板放在机身后方,以利直接将废热排出。

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▲常规笔电的零件中,最佔空间的非硬碟与光碟机莫属,佔据了机身内大约1/3的空间。

电池比主机板大片

为了要说明电池空间的配置,我们先粗略地将机身内部的空间分为2层,上层可以放置键盘以及触控板等模组,下层则是摆放主机板、硬碟、光碟机等零件,但是在常规笔电中,往往採用筒状的18650锂电池,它的直径为18mm,加上电池模组的外壳之后,厚度大约为20mm,需要用到双层空间,因此只能将电池摆在机身后方。轻薄笔电较常採用的电池为片状锂聚合物电池,厚度大约只有5mm,因此可以塞入下层之中,增加空间配置的弹性,不过在厚度减少的情况下,为了要维持相同蓄电量,只好加大面积,在主机板缩小的情况下,造成了电池比主机板大片现象。

将热源全部往后推

对于使用者体验的角度而言,只要电脑不要当机或是造成损坏,机身内部的温度有多高都不是重点,重要的是不能让置手板以及键盘的温度太高,而造成使用者的不适。由于轻薄笔电的电池配置与常规笔电不同,因此可以把主机板放置在机身最后方,如此一来就可以将处理器搬离使用者会触及的位置,避免温度造成的影响。

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▲喇叭的音箱容积是个尴尬的取捨,大音箱的声音表现会比较好,但是提升的效能却是不易被量化比较的。

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▲有的轻薄笔电为了要容纳硬碟与光碟机,只好将内部空间切割为许多小区块。

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(后面还有:结构强度-特殊结构加强刚性)

结构强度:特殊结构加强刚性

关键字:笔电之A、B、C、D件

为了简化笔电机壳的称呼,习惯上以A、B件称呼笔电的萤幕上盖以及边框部分,C件指键盘周围及置手板的这片组件,D件则是笔电的底座。

蜂巢结构让机壳更薄

顾名思义,蜂巢结构就是与蜂巢一样为六边形紧密堆积的结构,这种结构具有节省材料、提高强度的特性。在平面几何中,六边形能以每範围最小的周长围出一封闭範围,也就是说可以在机壳上採用最少的材料做出最多的封闭结构。

封闭结构可以承受较大的力,想像一下一个O型的管子(封闭结构),与切开一个口的C型管子(开放结构),从经验中应该可以知道O型管子会比较坚固,此外蜂巢结构的每个顶点都与3个六边形相临,可以把受力平均分散出去,造就了蜂巢结构强固的特性。

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▲此为採用镁合金製造的轻薄笔电C件,为了要承受按压键盘以及手部的重量,採用刚性较强的蜂巢状结构,在强度允许的情况,蜂巢中央甚至可以镂空或是薄化来减轻重量。

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▲由于常规笔电採用ABS,强度比较不足,因此不能像镁合金机壳一样挖洞,重量自然会比较高。

碳纤维不须再强化

至于碳纤维机壳则不见蜂巢状的强化结构,其原因除了碳纤维本身的强度已经足够,不需要再以特殊结构进行强化,再者碳纤维的製程不易做出蜂巢结构。回忆一下金属机壳的生产方式,可以透过压铸成形,只需要在模具上刻出对应纹路,熔融合金灌入模具后就可以做出蜂巢结构,但是碳纤维是採编织及树脂胶合,无法在生产时做出蜂巢结构。常规笔电则是因为可用的空间较大,设计时大多採用较厚的ABS承受外力,并以肋条(rib)结构加强特定区域,虽然会增加总重,但是设计上比较简单。

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▲大部分的常规笔电都採用肋条结构增加结构的强度,以增加机身边缘对抗外力的能力。

(后面还有:机身开口-气流通道是散热关键)

机身开口:气流通道是散热关键多向气孔增加气流

空冷散热的基本要素就是空气的流动,如果能够吸入更多的冷空气、排出更多热空气,就能提高散热的效率,但是轻薄笔电往往会遇到空间及结构强度等2个大问题,由于机身厚度小于常规笔电,机壳的强度设计往往逼近临界值,所以无法像常规笔电一样单纯加大散热孔解决问题。

在改善进气方面,轻薄笔电可以透过凸出式设计增加进气口的表面积,让相同大小的开口能够吸入更多气流,除此之外还有的产品会在键盘动手脚,将键帽下方底座镂空,做为冷空气的入口。由于排气口需要顾及能够直接将热风排出,因此比较常见的设计为在散热片所在设置多向开口,或是活用萤幕转轴处无法放置IO端子的地方,设置长条状排气口。

轻薄笔电大部拆解:空间使用、结构强度、机身开口设计很有学问

▲由于轻薄笔电的机身比较紧緻,需要设法开设更大的进气口以及排气口,才能让提高散热的能力。图中的进气口採凸出式设计,排气口则是在D件的底、背、上侧採3面开口。

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▲有的轻薄笔电将进气口的脑筋动到键盘上,让机身可以从整片键盘的空间吸入冷空气。

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▲常规笔电的机身较厚,因此只需要开设单一排气口即可达到散热的需求。

声音也需透出开口

大部分的常规笔电都会将喇叭开口设置在机身前方或C件上,让声音可以直接送入使用者的耳朵,轻薄笔电也会朝这个方向设计,然而採用楔形机身的产品,就无法将喇叭开口设立在前方,同时又需要避开喇叭与键盘产生的共振,权宜之计只好将开口设在机身背面。

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▲有些轻薄笔电机身前缘太过锋利以至于无法容纳喇叭,因此喇叭开口需要移到机身背面的中央。

 

本文同步刊载于电脑王杂誌
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