桌面金屬公司的其中一臺三維打印機還能制作鋼合金部件，表明設(shè)備已經(jīng)具備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)型能力。

自公司產(chǎn)品首發(fā)不到兩個月，首席執(zhí)行總裁里克·富勒普（RicFulop）就在興高采烈地展示起桌上陳列的一排排簡裝三維打印機，一臺臺碩大的微波爐，還有各種各樣的小型金屬物件。在關(guān)閉的門后，一組產(chǎn)品設(shè)計人員圍坐在公用的寫字臺前，每個人面前都有一個大屏幕。身后的墻上是公司雄心勃勃的產(chǎn)品系列，展示著產(chǎn)品的各種不同形式：這些3D打印機能降低部件生產(chǎn)造價，提高部件生產(chǎn)速度，使3D打印技術(shù)能在產(chǎn)品設(shè)計和制造行業(yè)推廣普及。

桌面金屬公司向全球領(lǐng)先的風險投資公司及通用電氣（GeneralElectric）、寶馬（BMW）、Alphabet（谷歌母公司）等公司的投資機構(gòu)籌集了將近1億美元的資金。創(chuàng)始人包括4位麻省理工學(xué)院（MIT）教授，其中有學(xué)院材料科學(xué)系主任，還有1989年最早申請3D打印原創(chuàng)專利的伊曼紐爾·薩克斯(EmanuelSachs)。盡管資金和技術(shù)都已到位，由于公司的目的旨在徹底改變金屬部件的成型模式，繼而大幅改變金屬部件的生產(chǎn)模式，這一目標是否能成功實現(xiàn)，仍然無法保證。

隨著富勒普在巨大的開放式辦公空間來回踱步，臉上的興奮和熱烈之情漸漸轉(zhuǎn)為焦慮。最終能投入市場的商用打印機尚未成形。員工們忙著調(diào)整機器。制作完成的試驗品四處散落。研制工作雖然穩(wěn)中有進，但時間也顯然是一天天迫近。前門入口區(qū)域的角落里，地板空著而且被圍了起來。這塊地方很快就會裝上公司計劃中的展臺模型，備戰(zhàn)即將到來的展銷會。

桌面金屬一旦成功，將解決困擾了3D打印開發(fā)商30多年、極大影響3D打印技術(shù)價值的重大難題。的確，雖然媒體上宣傳得頗為熱火，從很多方面看，3D打印技術(shù)都不算成功。

3D打印愛好者和自詡的研制人可利用造價相對不高的3D打印機，實現(xiàn)極其復(fù)雜而極具獨創(chuàng)性特點的塑料成型。而有些設(shè)計師和工程師則發(fā)現(xiàn)，這些機器對潛在產(chǎn)品的全尺寸成型十分有效，但打印聚合物部件，除了對定制助聽器和人工植牙等少數(shù)專業(yè)化產(chǎn)品有用外，對生產(chǎn)流程幾乎毫無價值。

盡管金屬的3D打印成型并非天方夜譚，但真正實現(xiàn)不僅難度大，而且造價高昂

目前，通用電氣等先進制造企業(yè)都是利用專業(yè)化大功率激光設(shè)備制作少數(shù)高價值部件。而金屬打印則僅限于那些財力雄厚，有億萬資金用于設(shè)備投資，有充足的資源保證激光設(shè)備所需動力，還有高素質(zhì)的技術(shù)人才運行這些設(shè)備的企業(yè)。而且，有些生產(chǎn)商還希望能在產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)過程中實現(xiàn)同一金屬部件多種版本的打印成型。對于這類生產(chǎn)商，他們?nèi)匀粵]有選擇的條件。

在微波爐中加工液壓歧管，需要以1400℃的高溫燒結(jié)鋼部件。這種部件太過復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式無法制作。

3D打印的短板，表明長期激勵其倡導(dǎo)者的愿景仍然是可望不可及。他們希望的是形成數(shù)碼設(shè)計，打印出能測試并完善的原型，然后利用優(yōu)化版本的數(shù)碼文件，隨時以3D打印機上打造出來的同種材料制作出商業(yè)產(chǎn)品或部件。要想實現(xiàn)這個愿景，首先就要找出降低金屬部件打印成本、提高打印速度的方法。

必須能讓設(shè)計師擁有更多選擇，使他們生產(chǎn)和測試的部件和裝置能具備任何其他生產(chǎn)模式無法輕易實現(xiàn)的復(fù)雜形狀，比如精致的鋁合金網(wǎng)格，或具有內(nèi)部孔洞的金屬物品等。最終，這種技術(shù)能讓工程師和材料學(xué)家通過沉積多種不同的材料組合，如在非磁性金屬旁打印出磁性金屬等，打造出具有新功能、新特性的部件。除此以外，這種技術(shù)還會轉(zhuǎn)變批量生產(chǎn)的經(jīng)濟性，因為無論產(chǎn)出的物品件數(shù)多少，打印的成本都是一樣的。由此一來，就會改變生產(chǎn)商對工廠大小、備用存量的需求（如果能輕松快捷地打印部件，干嘛還要庫存那么多？），以及按專業(yè)化產(chǎn)品調(diào)整生產(chǎn)過程的看法。

這就是人們紛紛將3D打印作為部件生產(chǎn)新方式的原因。Stratasys公司和3DSystems公司等長期供應(yīng)商，不斷提高3D打印設(shè)備的技術(shù)水平，其速度已經(jīng)能夠滿足生產(chǎn)商的應(yīng)用需求。去年，惠普（HP）推出了一系列3D打印機，稱其設(shè)備能試制和制作以尼龍為原料的產(chǎn)品，而尼龍又是一種應(yīng)用廣泛的熱塑材料。去年秋季，通用電氣斥資10億多美元收購了歐洲兩家專門從事3D金屬部件打印的專業(yè)公司。

這只鋼制螺旋槳剛剛被打印出來。螺旋槳葉片與金屬支架之間有一層薄薄的陶瓷，燒結(jié)過程中會變成砂粒，這樣能方便成品從支架上脫離。

加工后的螺旋槳是3D打印技術(shù)能制作的高性能部件之一。工程師可運用該法試制并優(yōu)化不同的設(shè)計方案。

不過，對于桌面金屬公司而言，真正的競爭可能不是來自越來越多的3D打印企業(yè)。一則，惠普、Stratasys（桌面金屬公司的其中一家投資商）和3DSystems公司可利用多種類型的塑料，而且不屬于富勒普的公司所希望在打印機中使用的金屬范圍。而通用電氣的高端設(shè)備與桌面金屬公司的市場目標也少有交疊。對于桌面金屬公司而言，真正的競爭對手更可能是已然成熟的金屬加工技術(shù)。其中包括自動化加工技術(shù)，如制作iPhone超薄鋁合金背殼所應(yīng)用的加工方式，還有迅猛發(fā)展的金屬注模法——金屬產(chǎn)品批量生產(chǎn)的通用模式。

換句話說，桌面金屬公司的當務(wù)之急不是簡單地探索如何趕超其他的3D打印機，而是如何引導(dǎo)生產(chǎn)商改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，將經(jīng)營核心從傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)化為3D打印成型模式。然而，由于傳統(tǒng)的市場龐大而成熟，如何實現(xiàn)這一變革就顯得非常難以預(yù)知了。富勒普說，制造金屬部件可是個“萬億美元的大產(chǎn)業(yè)”。他接著說，即使3D打印只占了那么小小的一部分，也意味著數(shù)十億美元的大買賣。

溫度太高，無法打印

環(huán)顧四周。金屬無處不在。然而，3D打印廣泛應(yīng)用于塑料生產(chǎn)，該技術(shù)在金屬部件的生產(chǎn)中卻是“限于很小的范圍”，麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系主任、桌面金屬公司創(chuàng)建人之一克里斯·舒赫（ChrisSchuh）說。他還說道“金屬加工不僅是一門藝術(shù)，更是一項非常具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。”

應(yīng)用3D打印制造金屬物品并非易事，原因也有很多。最明顯的原因是金屬加工所需要的高溫。最常用的塑料打印方式需要加熱聚合物，并從打印機噴頭噴出材料，然后塑料快速硬化成需要的形狀。對于售價在1000美元上下的3D打印機而言，這套工序足夠簡單。但是，建造能直接擠出材料的3D打印機就不太現(xiàn)實了，因為鋁的熔點為660℃，高碳鋼的熔點為1370℃，而鈦的熔點是1668℃。除此以外，金屬部件還需要經(jīng)過多道高溫工序，才能達到期望的強度和其它機械特性。

為了提高3D打印機的運行速度，滿足金屬物品的生產(chǎn)需求，桌面金屬公司采用了上世紀80年代晚期的技術(shù)。當時，以公司創(chuàng)建人之一薩克斯領(lǐng)導(dǎo)的一支麻省理工學(xué)院工程師團隊申請了“3D打印技術(shù)”的薩克斯專利。該專利中提到，先鋪上一層薄薄的金屬粉末，再利用噴墨打印技術(shù)沉積出一種液體，通過液體針對性粘接粉末。單個金屬部件的定型需要數(shù)百乃至數(shù)千層粉末逐層成型。這種工藝制作的部件幾乎不受任何幾何復(fù)雜性的限制。該技術(shù)最常見的應(yīng)用中，粘合劑的功能是作為粘膠使用。但也能用來將不同的材料局部沉積在不同的位置。

麻省理工學(xué)院的科研人員早就知道，他們的打印方法會用來制作金屬和陶瓷部件，薩克斯說。不過，他們也知道，要想真正實現(xiàn)還有待時日，而且工藝所需要的金屬粉末在當時也太過昂貴。后來，薩克斯轉(zhuǎn)向其他研究領(lǐng)域，其中包括光伏生產(chǎn)的改進技術(shù)。其后的幾十年，3D打印出現(xiàn)，讓無數(shù)產(chǎn)品設(shè)計師如癡如醉。最著名的是麥扣波特（MakerBot）2009年推出的一種既廉價又簡單易用的3D打印機。該產(chǎn)品一經(jīng)推出，就受到不少自封的發(fā)明家和能工巧匠們的熱捧。盡管這些物美價廉的打印機只能使用少數(shù)廉價的塑料材料，但銷量一時猛增。然而，雖然這些機器能夠打印復(fù)雜形狀，但最終產(chǎn)品往往趕不上傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的塑料部件。

桌面金屬公司分別打印了螺栓和蝶形螺母，證明其產(chǎn)品能夠制造出公差極小的部件。

蝶形螺母近視圖。

與此同時，通用電氣等工業(yè)生產(chǎn)商的研究人員也忙著推進上世紀80年代晚期發(fā)明的金屬打印專用的激光打印技術(shù)。這些機器利用激光——有時候是大功率電子束——通過熔化材料在一層金屬粉末中描繪形狀。它們不斷重復(fù)這一工序，以熔融的粉末建造三維物體。該技術(shù)能力堪稱強大，只是速度過慢，造價也太過昂貴。因此，僅適用于構(gòu)造復(fù)雜、無法用其他方式生產(chǎn)的極高值部件。值得注意的是，通用電氣的新型噴氣發(fā)動機就利用了一系列高端的3D打印燃油噴頭。這種噴頭質(zhì)量更輕，而且耐久性遠比其他噴頭強，因為內(nèi)部置入了精密的冷卻流道。

你覺得這些年來3D打印技術(shù)并不成功嗎？說說你的想法吧！

桌面金屬公司的創(chuàng)始人們確定，要想更好的推廣3D金屬打印技術(shù)，就必須銷售兩種不同類型的機器：一種是適合設(shè)計師和工程師試制原型相對廉價的“桌面”型設(shè)備；另一種是速度快、體量大的工廠型設(shè)備。所幸的是，有多項革新最終都使得薩克斯的原創(chuàng)發(fā)明適合批量化生產(chǎn)，其中包括粘合劑沉積所需的極高速噴墨打印技術(shù)。生產(chǎn)級打印機能連續(xù)打印約1500層，每層厚度50微米，數(shù)秒內(nèi)即可沉積，1小時能建造一個500立方英寸大小的部件。相比能制作金屬部件的激光3D打印機快了100倍。

針對成型機，桌面金屬公司采用了塑料3D打印的一種方法。但沒有使用軟化聚合物，而是以金屬粉末與一種流動性聚合物粘合劑配合使用。成型過程為擠出式，以打印的粘合劑將金屬粉末聚合成需要的形狀。

不過，無論部件是用原型機還是生產(chǎn)型設(shè)備打印的，其制作出來的物品，即部分塑料粘合劑和部分金屬混合物，仍然缺乏金屬部件的強度。為此，還需要進入專門設(shè)計的微波爐中燒結(jié)，即利用高溫加大材料的密度，最終生產(chǎn)出具有所需特性的部件。燒結(jié)過程包括一系列精心校準的環(huán)節(jié)，聚合物先是燃燒殆盡，再將金屬共同熔融，熔融的溫度要大大低于金屬的熔點。

商業(yè)推廣

按照倡導(dǎo)者承諾，3D打印技術(shù)能減少對工業(yè)生產(chǎn)商的需求，強化地方手工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)。這個現(xiàn)實可能遠遠不同，但意義深遠。許多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域都在不斷擴大自動化和先進軟件技術(shù)的應(yīng)用范圍，而3D打印又進一步將這種趨勢向數(shù)碼生產(chǎn)推進。某種程度上，3D打印并不像是編制數(shù)碼文件以打造金屬部件的自動化加工程序。3D打印的不同之處在于能制造遠比常規(guī)模式更加復(fù)雜的物品，同時消除生產(chǎn)工藝對設(shè)計師和工程師設(shè)置的種種限制。

另外，還能推動生產(chǎn)商創(chuàng)新物流和生產(chǎn)思路。對于小部分貨物而言，3D打印還能降低生產(chǎn)成本，因為3D打印能免除與加工、澆鑄及多數(shù)金屬、塑料物品加工所需模具相應(yīng)的成本。由于工序耗用了大量的時間和資金，因此，生產(chǎn)商要想提高效益，往往需要批量生產(chǎn)。沒有了這種批量化生產(chǎn)的動力，工廠就可隨時調(diào)整生產(chǎn)計劃，更好地響應(yīng)需求，逐步向即時生產(chǎn)靠近。麻省理工學(xué)院機械工程學(xué)教授、桌面金屬公司的創(chuàng)建人之一約翰·哈特（JohnHart）稱之為定制式批量生產(chǎn)。應(yīng)用3D打印技術(shù)，生產(chǎn)商不再需要購置大型設(shè)備，大量生產(chǎn)一模一樣的部件，再運往世界各地分別庫存，而是零散布置工廠，成套生產(chǎn)多種型式的產(chǎn)品，并根據(jù)需要提高產(chǎn)量?！皩τ谖磥?0年、20年的影響可能超出我們的想象”，哈特說?！拔矣X得我們根本就不知道這些技術(shù)還會產(chǎn)生哪些影響。”

眼下，桌面金屬公司的難題是如何向負責公司下一代產(chǎn)品的設(shè)計師和工程師推廣他們的設(shè)備。今春，富勒普正在準備公司首個產(chǎn)品成型機在匹茲堡（Pittsburgh）展銷會的展出事宜。該展會已定于5月初開展。（生產(chǎn)型3D打印機預(yù)定于明年投放市場。）他的任務(wù)是說服參展人員，花12萬美元購買桌面金屬的成型打印機和燒結(jié)爐設(shè)備是企業(yè)未來發(fā)展必不可少的投資。

3D打印技術(shù)的其中一個主要優(yōu)勢，是能夠制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括金屬部件的內(nèi)部網(wǎng)格等。這種結(jié)構(gòu)可減輕部件重量，提高部件強度。

富勒普特別適合做銷售工作，曾創(chuàng)辦過10多家公司。第一家公司是專門進口自己16歲時原創(chuàng)的計算機硬軟件。這些公司至今仍在其故土委內(nèi)瑞拉運營。富勒普最出名的大概是創(chuàng)造了A123系統(tǒng)公司（A123Systems）。這是21世紀00年代晚期飛得最高的創(chuàng)業(yè)型企業(yè)之一，2009年首次公開募股累計額高達3.71億美元。公司基于蔣業(yè)明（Yet-MingChiang）研發(fā)的新型鋰離子技術(shù)。蔣業(yè)明是麻省理工學(xué)院教授，也是桌面金屬公司的創(chuàng)始人之一。與其當前的3D打印企業(yè)一樣，A123公司希望能應(yīng)用材料科學(xué)技術(shù)實現(xiàn)巨大市場的變革。

3D打印技術(shù)還能推動生產(chǎn)商創(chuàng)新物流和生產(chǎn)思路

雖然A123發(fā)展迅猛，首次募股大獲成功，但還是在2012年宣布破產(chǎn)（富勒普于2010年離職）。當問及從A123中吸取了哪些教訓(xùn)時，富勒普的回答很簡單：“蓄電池盈利空間太小了”。的確，面對日益擁擠的蓄電池產(chǎn)業(yè)，A123疲于競爭；而且公司本身也未能大力提高鋰離子電池產(chǎn)品的技術(shù)性能，無法迅速抓住新興的混合動力汽車市場。

而桌面金屬公司所面臨的挑戰(zhàn)則迥然不同。一來，金屬部件早已形成了巨大的需求市場。二來，公司相信自己的技術(shù)至少在短期內(nèi)少有直接的競爭對手。蔣業(yè)明指著公司“極其豐富”的專利組合?！安粏螁问遣牧希乙彩羌夹g(shù)，是（燒結(jié)的）爐子，”他說。“技術(shù)難度越大，成功后的入門壁壘就越高?！?/p>

蔣業(yè)明應(yīng)用的辦公室內(nèi)有一只木盒子，里面裝有半打短劍，是從波士頓美術(shù)館（MuseumofFineArts）租借來的。短劍是上世紀70年代日本傳統(tǒng)技術(shù)制作的。蔣業(yè)明利用短劍進行教學(xué)。課題：工匠是如何應(yīng)用冶金術(shù)的秘密將鐵礦變成最終產(chǎn)品——異常鋒利、略微彎曲的鋼劍的。蔣業(yè)明一邊展示著短劍，一邊闡述短劍制作人所應(yīng)用的訣竅，如怎樣運用淬火法使劍刃異常堅硬，而讓劍身保留一定的柔性等等?；氐阶肋叄淖⒁饬τ只氐搅俗烂娼饘俟?。講到公司近來打印并在各機構(gòu)陳列的金屬物品時，他的神情同樣是激情洋溢。最令人激動的是“當你想到真的可以制作這些部件時”，蔣業(yè)明說。“只要幾個小時，面前就出現(xiàn)了一個部件，而這種部件以前甚至無法制作。”

當然它不會取代像鍛造和金屬鑄造這種百年技術(shù)，但三維打印可以創(chuàng)造新的生產(chǎn)潛能，而且，當然只是可能，重新定義冶金這門藝術(shù)。

美國3D打印成型市場的主要公司

企業(yè)：Stratasys

技術(shù)：3D打印技術(shù)的原創(chuàng)企業(yè)之一，其創(chuàng)始人為熔融沉積成型技術(shù)的發(fā)明人斯科特·克朗布（ScottCrumb）。熔融沉積成型是塑料部件最常用的成型技術(shù)。

產(chǎn)品：銷售機型能滿足多種感光聚合物和熱塑材料的打印成型需求。

企業(yè)：Carbon

技術(shù)：這家著名的硅谷創(chuàng)業(yè)企業(yè)研發(fā)出一種全新的光化加工工藝，適用于聚氨酯和環(huán)氧樹脂等多種原料的部件加工。

產(chǎn)品：今春面向生產(chǎn)廠家推出了全新的模塊式生產(chǎn)系統(tǒng)。

企業(yè)：HP

技術(shù)：從噴墨打印到最近推出的所謂“多射流熔融技術(shù)”，單從惠普公司的機器生產(chǎn)線就看出企業(yè)悠久的歷史。多射流熔融打印利用多個噴頭，不僅加快了打印的速度，而且還提供了成圖的分辨率。

產(chǎn)品：去年推出了首批3D打印機。第一臺打印機打印的材料為尼龍，但公司正在加快向其它材料擴展。

企業(yè)：3DSystems

技術(shù)：為全球第一家3D打印公司，其創(chuàng)始人為立體光刻打印的發(fā)明人查克·赫爾（ChuckHull）。立體光刻打印利用光源實現(xiàn)感光聚合物部件的成型。該公司目前有多種不同類型的三維打印機銷售，其中就包括部分金屬部件打印設(shè)備。

產(chǎn)品：去年推出了最新版本的立體光刻技術(shù)。

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