設計 V2 沖煮頭零件
第一部分 - 簡介與說明。
作者：Ben Champion，Decent Espresso 首席產品設計師
2017 年，在設計 DE1 咖啡機 的過程中，我們覺得有必要重新審視沖煮頭的運作方式。當時，在咖啡機設計中，粉餅上方空間（headspace）乃至均勻分水的概念，基本上仍未被探索。
許多現有機器配備的簡易分水網只有幾個孔洞，或是以中央螺絲將水向外推，忽略了均勻水流的重要性。例如：
為了解決這個問題，我的同事 Ray Heasman（DE1 的首席發明人）與我展開了一項任務，要打造出一款能在各種使用情境下確保水流更一致、更均勻的設計。
我們運用了大量的流體模擬，開發出一款能讓每個孔洞都達到理想水流的設計。
這些設計的初步回饋相當正面，讓我們有信心繼續投入生產與出貨。
定義
粉餅上方空間（Headspace） 是指咖啡粉餅頂部與分水網底部之間的空隙量。上方空間由沖煮頭零件伸入粉碗的距離所決定。
在首批 300 台機器（DE1 v1.0）中，我們誤判了理想的上方空間。我們仍達到了不錯的萃取效果，許多評測這台機器的人都說咖啡就是更好喝，萃取率更高、風味更清晰。然而，我們也經常聽到評論說，相較於其他機器，我們的機器無法做出醇厚口感的義式濃縮，而且我們的粉餅濕軟鬆散。
社群開始嘗試在分水網與沖煮頭之間加裝墊片，以減少上方空間。這些測試者的回報指出，這麼做能讓濃縮咖啡更醇厚、粉餅更乾，通道效應也更少。有三家公司開始為我們的機器販售「分水網墊片」套件來改善這個問題，這些套件在我們的客戶之間相當受歡迎。
有鑑於此，我們隨即在 DE1 v1.1 模型中減少了上方空間，確保更合理的上方空間。自此之後，我們在量產中便未再更動沖煮頭的設計。但在過去四年間，我們一直致力於理解並改良咖啡機的這兩項關鍵要素：分水與上方空間。
在深入探討我們的歷程細節之前，讓我們先為涉及的關鍵零件確立一些基本術語。這些術語也是其他咖啡機製造商所採用的。
第二部分 - 第一輪測試。
在 DE1 v1.0 初次發布之後，以及從社群的實驗中，我們體認到把上方空間做對的重要性。這份新的理解促使我們專注於徹底研究這些關鍵細節。
為了進行這項研究，我們請來了 Decent 界的兩位知名人物 Stéphane Ribes 與 Luca Costanzo 提供專業協助。我們準備了一系列新零件，展開了大規模的測試。提供給 Stéphane 與 Luca 的零件包括兩種內塊變體，以及由我設計的 14 款新分水器。
在這些分水器中，前九款（S1 至 S9）旨在探索不同的凸出量與分水網上方的間隙，其中 S1 與黃銅件完全相同。另外兩款分水器（S11 與 S12）代表其他機器常見的典型設計，其餘三款（S10、S13 與 S14）則作為實驗性分水網。Stéphane 製作了一份詳盡的圖表來協助分析。
這項合作為我們詳細檢視欲測試的變數奠定了基礎：伸入粉碗的凸出量，以及分水器與分水網之間的距離。透過仔細審視這些因素，我們試圖找出上方空間、分水與萃取品質之間的關係。
您可能會好奇，為什麼測試中的所有零件都是透明的黃色。
因為：我們從黃銅改用了一種稱為 Ultem 或 PEI 的塑膠材料。
John 在下方連結的影片中詳細說明了這項決定的理由。簡而言之，我們的目標是在沖煮過程中提升溫度準確度與控制。
當我們只改變凸出量與上方空間（S1 至 S9）時，這些分水器之間並沒有明顯的贏家。測試者的偏好各不相同，有些人偏好 S1，有些人則偏好 S9——也就是兩個極端。
然而，標記為 S10 的分水器設計在整個測試階段始終展現出潛力。雖然它並非每次都勝過其他受歡迎的款式，但持續獲得測試者的正面回饋。這個耐人尋味的結果促使我們優先深入檢視 S10 的潛力，並探索進一步改良它的方法。
另一項重大發現是，其他咖啡機常見的典型分水器設計（S11 與 S12）表現遠遜於我們的黃銅設計。 這更加強化了我們的信心，確信我們的方向是正確的。
最令人矚目的發現來自材料的比較。即使分水與上方空間都與黃銅件相同，Ultem 零件仍帶來明顯更優異的風味。此外，使用 Ultem 零件時，沖煮頭在長期使用下也保持得更乾淨。
圖中展示的是配備 Ultem 零件的沖煮頭，即使經過 100 杯沖煮且未清洗，仍保持得相當乾淨。這份潔淨度與更佳的風味體驗，堅定了我們棄用黃銅的決定。然而，我們遇到了 Ultem 零件的問題——它們在使用後會龜裂。
總結來說，第一輪測試顯示，棄用黃銅是一項重大的成功。同時也凸顯出上方空間仍需進一步研究。對所有使用者而言，或許並不存在單一的最佳上方空間。此外，S10 分水器設計展現出潛力，值得進一步探索。
第三部分 - 第二輪測試。
在此期間，Stéphane Ribes 進行了徑向萃取實驗，揭示了咖啡粉餅中心與邊緣之間存在顯著的萃取差異。
這項發現是我們歷程中的關鍵時刻，啟發我們在分水器設計上探索新的可能性，以應對這項挑戰。
在這張投影片中，Stéphane 展示了萃取率如何從 13% 至 25%（一般義式濃縮粉餅）變化到 22% 至 25%（使用濾紙的粉餅）。
為了在整個咖啡粉床上達到更均勻的萃取，我們展開了一系列實驗性分水器設計。有些設計讓水流優先流向外部邊緣，有些則將水流導向中心。透過這些實驗，我們試圖了解不同的分配模式對萃取過程可能造成的影響。
此外，Matrix 分水網的引進帶來了一項耐人尋味的發展。這款分水網被認為能大幅改善分水，但它是為 E61 沖煮頭設計的，與我們的機器不相容。為了配合這點，我們在下一輪測試中設計了一款相容於 E61 分水網的新沖煮頭。
寄給測試者的測試包包含兩款沖煮頭設計：一款採用中央螺絲，一款適用於 E61 分水網。測試包內含 14 片分水網，每組七片。每組中有一片分水網與黃銅件完全相同，作為對照組。我們測試了三種不同的分配模式（中心、中間與外側），並為每種模式製作兩種上方空間設計。所有這些零件皆以玻璃纖維強化 Ultem 製成，我們希望這能解決龜裂問題。
在測試過程中，我們發現傳統 E61 分水網存在設計缺陷，導致水從邊緣滲漏。這個問題可追溯至製造過程中的瑕疵，具體來說是邊緣上的兩個小孔，造成了初始潤濕不良。
以下影片展示了 E61 分水網的設計問題：
這使得測試變得困難，因為我們無法在兩款沖煮頭設計上使用同一片分水網進行 A/B 對照比較。我們也發現 Matrix 分水網與 DE1 機器搭配得並不理想，我懷疑需要更高的流速才能真正發揮這款分水網的最大效益。
我們確實試過其他分水網，例如 IMS DR305 分水網，但相較於中央螺絲設計，我們並未看出太大差異。在大部分的測試中，我們採用中央螺絲設計，因為它可以改變上方空間，而 E61 設計的上方空間則是固定的。我們並未「放棄」E61 設計，但決定在可預見的未來繼續採用中央螺絲設計。
在三種分配設計（中心、中間與外側優先水流）中，外側優先水流的設計較受青睞，這並不令人意外。
Stéphane 的徑向萃取實驗向我們顯示，粉餅外側需要更多水流，才能讓整體萃取更均勻。
近期使用直身、孔洞延伸至邊緣的新粉碗進行的測試顯示，外側優先水流的設計依然有益。
至於上方空間，兩款設計之間同樣沒有明顯的贏家。
最終決定採用傳統的上方空間，與 E61 分水網相同，也就是比我們目前的設計多出 1mm 的凸出量（上方空間少 1mm）。然而，為了迎合不同的偏好，沖煮頭被設計成相容於兩款分水網：標準的 IMS CI200 分水網，以及較高、能增加 2.0mm 凸出量（上方空間少 2mm）的 IMS SI200 分水網。這讓使用者能以極低的成本、僅透過更換分水網，就能找到最適合自己的配置。
在材料方面，強化 Ultem 並未龜裂，而是變形了。所幸還有其他材料可以嘗試。
這為不同分水與上方空間的測試畫下了句點。
雖然我們希望能進行更多測試，但這是個耗時的過程。測試與比較義式濃縮相當具有挑戰性，因為即使一切操作完全相同，風味仍會有細微差異。這種變異性使得我們難以判斷微小的設計變更是否改善了風味，因為每次沖煮間的自然變異往往會掩蓋個別修改的效果。我們經常仰賴萃取率（EY）這類客觀指標，因為它們提供了較容易量化變化的方式。然而，透過朝正確方向進行多項設計變更，累積的改善便會變得明顯。
在完成所有測試後，我們相信我們已在正確的方向上做出了數項變更。
我們決定停止測試，並將我們已發現的改良交到使用者手中。
第四部分 - 材料選擇。
我們現在知道了設計：接下來就是選擇合適的材料。
我設計了一組零件，包括一款相容於現有沖煮頭的新內塊與分水器。我融入了我們所學到的一切知識，實現了外側優先水流，並確保相容於 CI200（上方空間與 E61 相同）與 SI200（上方空間少 2mm）兩款分水網。
我們試過的所有材料都有合適的規格表，皆為食品級安全，且能輕鬆承受操作溫度。
起初，我選擇 PEEK 作為材料，因為它似乎是終極塑膠。它的成本非常高，但具備卓越的特性。
然而，僅沖煮幾杯之後，PEEK 製成的零件就變得髒亂，即使沖洗過也一樣。相較於 Ultem，它並不那麼乾淨。
考慮替代方案時，我轉向了 PTFE（即鐵氟龍），這是一種知名的不沾材料，能承受高溫。我以為它能保持乾淨，但擔心它的強度與剛性。
經過數杯沖煮後，PTFE 零件看起來比 PEEK 好，但不如 Ultem。它們相對容易清潔，但時間一久似乎會留下汙漬。
然而，我們遇到了 PTFE 零件彎曲的重大問題。
儘管遭遇這項挫折，我們確實寄了一些 PTFE 零件給測試者，並獲得正面回饋，讓我們有信心這項升級是值得的。
在持續尋找合適材料的過程中，我們接著嘗試了 PPSU，這是一種堅固且透明的材料，常用於奶瓶等食品級安全產品。與 Ultem 一樣，它屬於非晶性材料，因此我預期它能保持乾淨。
PPSU 零件非常乾淨，甚至在沖洗前也是如此。然而，與 Ultem 類似，它也有龜裂的問題。
接著，我們探索了 PDVF，這是一種與 PTFE 相似但剛性更高的材料。
我們希望它能像 PTFE 一樣保持乾淨，而它確實如此。經過快速沖洗後，PDVF 零件又恢復了美觀。
可惜的是，它們的強度不足，在承受少許壓力時便會變形。
我們最終發現了 PPS，這是一種已應用於咖啡機電磁閥的材料，只是各家公司的命名往往不同，例如「技術聚合物」（technopolymer）。這個改名讓我延遲了發現它的時間。
它的特性相當引人入勝。PPS 能承受非常高的溫度，長期耐溫範圍超過 200°C，遠高於我們正常的操作溫度。它具備極高的尺寸穩定性、低熱膨脹性，以及極低的吸水率。這意味著它不會隨著使用而改變形狀或尺寸，而這往往是塑膠的常見問題。它的耐化學性眾所周知地出色，在 200°C 以下沒有已知的有機溶劑能侵蝕它。它為食品級安全，並通過 FDA 認證。而且它也有黑色版本（帥氣加分！）。
我們對 PPS 寄予厚望，在使用一段時間後，它並未出現龜裂、變形或彎曲的跡象。PPS 零件保持乾淨，與 Ultem 相當。經過 100 杯沖煮——使用我們所能忍受最深色油亮的咖啡豆——零件看起來是這樣：
而快速沖洗後，它們便恢復如新。
這是我們所找到最有潛力的材料，我們決定用它進入下一個階段。壓力測試！我們在香港有三台機器，持續進行壓力與溫度循環測試：
這些咖啡機每天進行約 7,500 次壓力循環（從 0 bar 到 13 bar 再返回），以及 750 次溫度循環（從約 40°C 到 90°C 再返回）。我們對機器中的所有零件都進行這項測試。這項嚴格的測試讓我們確信零件的耐用性。
截至上週，這些 DE1 內部零件已通過 935,000 次壓力循環測試。
有趣的事實：最常故障的零件，是我們安裝在沖煮頭中以維持壓力的不鏽鋼無孔「盲」粉碗。它通常在約 100,000 次壓力循環時，於邊緣處故障。以下是兩個已龜裂的粉碗，儘管 DE1 內部零件並未顯示任何故障跡象。我們的測試機器已進行超過一百萬次「沖煮」而無故障。
均勻加熱測試
我們進行的另一項測試，是計時沖煮頭升溫的速度。我不只是計時，還拆下分水網，用熱像儀測量分水器的表面溫度。
設計定案、材料選定後，便是著手製造的時候了。
第五部分 - 製造。
在設計定案並選定合適材料後，下一步就是製造零件。
我們的目標是透過射出成型來生產零件，以確保這項升級符合成本效益。這帶來了挑戰，因為 Decent 先前沒有射出成型的經驗、沒有既有的供應商，公司內部相關專業也有限。
那麼我們如何挑選供應商呢？
如果模具費用低，就有可能向多家供應商訂購樣品，再挑選最合適的一家。也就是能交付品質良好產品、沒有明顯延誤、溝通良好且成本合理的一家。當模具費用高昂時，您就必須做更多研究、與許多人洽談，然後選定一家，並希望他們能說到做到。
在為這個零件挑選供應商之前，我們進行了廣泛的討論。幾個月後，我們最終選定了一家事實證明非常出色的供應商。他們向我們提出許多問題，並建議設計變更，展現出對相關問題的深入了解。其他供應商說「別擔心，不會有問題」，但這家供應商指出了我們設計中所有潛在的麻煩點，讓我們得以針對製造進行零件的最佳化。
塑膠射出模具是複雜的工程製品！
以下是模具的一些視圖。中間深綠色的零件就是沖煮頭零件。
模具開發並核准完成後，便開始等待其製造。幾個月後，我們收到了一段展示首批樣品的影片。
雖然並不完美，但我們進行了調整，經過幾次小幅修改後，我們幾乎準備好進入量產。
還有最後一個步驟，我們想對最終產品自行進行材料測試，以確保材料確實為食品級安全。信任材料供應商的測試報告沒問題，但在當地對最終成品重新測試更好。它通過了測試。通過測試的實驗室報告 PDF。
一切就緒，可以上市了，於是我們支付了量產費用，不久之後便收到了最終零件。
這是個漫長且充滿挑戰的過程，但非常值得。尤其，我很享受與 Stéphane 和 Luca 的合作，我想感謝他們投入的時間與辛勤付出。本文中的許多圖片來自 Stéphane，他的報告製作精美且資訊豐富。
希望您能因為我們投入這四年心血於這些零件，而享受到更好、更一致的義式濃縮！
john created 2025/02/28, john updated 2026/11/10