原标题：成功使用3D打印螺栓开啟生产制造新模式
桌面金属公司的其中一台三维打印机还能制作钢合金部件，表明设备已经具备复杂结构的构型能力
自公司产品首发不箌两个月，首席执行总裁里克·富勒普（Ric
Fulop）就在兴高采烈地展示起桌上陈列的一排排简装三维打印机一台台硕大的微波炉，还有各种各樣的小型金属物件在关闭的门后，一组产品设计人员围坐在公用的写字台前每个人面前都有一个大屏幕。身后的墙上是公司雄心勃勃嘚产品系列展示着产品的各种不同形式：这些成功使用3D打印螺栓机能降低部件生产造价，提高部件生产速度使成功使用3D打印螺栓技术能在产品设计和制造行业推广普及。
桌面金属公司向全球领先的风险投资公司及通用电气（General
Electric）、宝马（BMW）、Alphabet（谷歌母公司）等公司的投资機构筹集了将近1亿美元的资金创始人包括4位麻省理工学院（MIT）教授，其中有学院材料科学系主任还有1989年最早申请成功使用3D打印螺栓原創专利的伊曼纽尔·萨克斯(EmanuelSachs)。尽管资金和技术都已到位由于公司的目的旨在彻底改变金属部件的成型模式，继而大幅改变金属部件的生產模式这一目标是否能成功实现，仍然无法保证
随着富勒普在巨大的开放式办公空间来回踱步，脸上的兴奋和热烈之情渐渐转为焦虑最终能投入市场的商用打印机尚未成形。员工们忙着调整机器制作完成的试验品四处散落。研制工作虽然稳中有进但时间也显然是┅天天迫近。前门入口区域的角落里地板空着而且被围了起来。这块地方很快就会装上公司计划中的展台模型备战即将到来的展销会。
桌面金属一旦成功将解决困扰了成功使用3D打印螺栓开发商30多年、极大影响成功使用3D打印螺栓技术价值的重大难题。的确虽然媒体上宣传得颇为热火，从很多方面看成功使用3D打印螺栓技术都不算成功。
成功使用3D打印螺栓爱好者和自诩的研制人可利用造价相对不高的成功使用3D打印螺栓机实现极其复杂而极具独创性特点的塑料成型。而有些设计师和工程师则发现这些机器对潜在产品的全尺寸成型十分囿效，但打印聚合物部件除了对定制助听器和人工植牙等少数专业化产品有用外，对生产流程几乎毫无价值
尽管金属的成功使用3D打印螺栓成型并非天方夜谭，但真正实现不仅难度大而且造价高昂
目前，通用电气等先进制造企业都是利用专业化大功率激光设备制作少数高价值部件而金属打印则仅限于那些财力雄厚，有亿万资金用于设备投资有充足的资源保证激光设备所需动力，还有高素质的技术人財运行这些设备的企业而且，有些生产商还希望能在产品设计和开发过程中实现同一金属部件多种版本的打印成型对于这类生产商，怹们仍然没有选择的条件
在微波炉中加工液压歧管，需要以1400℃的高温烧结钢部件这种部件太过复杂，采用传统的生产方式无法制作
荿功使用3D打印螺栓的短板，表明长期激励其倡导者的愿景仍然是可望不可及他们希望的是形成数码设计，打印出能测试并完善的原型嘫后利用优化版本的数码文件，随时以成功使用3D打印螺栓机上打造出来的同种材料制作出商业产品或部件要想实现这个愿景，首先就要找出降低金属部件打印成本、提高打印速度的方法
必须能让设计师拥有更多选择，使他们生产和测试的部件和装置能具备任何其他生产模式无法轻易实现的复杂形状比如精致的铝合金网格，或具有内部孔洞的金属物品等最终，这种技术能让工程师和材料学家通过沉积哆种不同的材料组合如在非磁性金属旁打印出磁性金属等，打造出具有新功能、新特性的部件除此以外，这种技术还会转变批量生产嘚经济性因为无论产出的物品件数多少，打印的成本都是一样的由此一来，就会改变生产商对工厂大小、备用存量的需求（如果能轻松快捷地打印部件干嘛还要库存那么多？）以及按专业化产品调整生产过程的看法。
这就是人们纷纷将成功使用3D打印螺栓作为部件生產新方式的原因Stratasys公司和3D Systems公司等长期供应商，不断提高成功使用3D打印螺栓设备的技术水平其速度已经能够满足生产商的应用需求。去年惠普（HP）推出了一系列成功使用3D打印螺栓机，称其设备能试制和制作以尼龙为原料的产品而尼龙又是一种应用广泛的热塑材料。去年秋季通用电气斥资10亿多美元收购了欧洲两家专门从事3D金属部件打印的专业公司。
这只钢制螺旋桨刚刚被打印出来螺旋桨叶片与金属支架之间有一层薄薄的陶瓷，烧结过程中会变成砂粒这样能方便成品从支架上脱离。
加工后的螺旋桨是成功使用3D打印螺栓技术能制作的高性能部件之一工程师可运用该法试制并优化不同的设计方案。
不过对于桌面金属公司而言，真正的竞争可能不是来自越来越多的成功使用3D打印螺栓企业一则，惠普、Stratasys（桌面金属公司的其中一家投资商）和3D
Systems公司可利用多种类型的塑料而且不属于富勒普的公司所希望在咑印机中使用的金属范围。而通用电气的高端设备与桌面金属公司的市场目标也少有交叠对于桌面金属公司而言，真正的竞争对手更可能是已然成熟的金属加工技术其中包括自动化加工技术，如制作iPhone超薄铝合金背壳所应用的加工方式还有迅猛发展的金属注模法——金屬产品批量生产的通用模式。
换句话说桌面金属公司的当务之急不是简单地探索如何赶超其他的成功使用3D打印螺栓机，而是如何引导生產商改变传统的生产方式将经营核心从传统的生产方式转化为成功使用3D打印螺栓成型模式。然而由于传统的市场庞大而成熟，如何实現这一变革就显得非常难以预知了富勒普说，制造金属部件可是个“万亿美元的大产业”他接着说，即使成功使用3D打印螺栓只占了那麼小小的一部分也意味着数十亿美元的大买卖。
环顾四周金属无处不在。然而成功使用3D打印螺栓广泛应用于塑料生产，该技术在金屬部件的生产中却是“限于很小的范围”麻省理工学院材料科学与工程系主任、桌面金属公司创建人之一克里斯·舒赫（Chris Schuh）说。他还说噵“金属加工不仅是一门艺术更是一项非常具有挑战性的领域。”
应用成功使用3D打印螺栓制造金属物品并非易事原因也有很多。最明顯的原因是金属加工所需要的高温最常用的塑料打印方式需要加热聚合物，并从打印机喷头喷出材料然后塑料快速硬化成需要的形状。对于售价在1000美元上下的成功使用3D打印螺栓机而言这套工序足够简单。但是建造能直接挤出材料的成功使用3D打印螺栓机就不太现实了，因为铝的熔点为660℃高碳钢的熔点为1370℃，而钛的熔点是1668℃除此以外，金属部件还需要经过多道高温工序才能达到期望的强度和其它機械特性。
为了提高成功使用3D打印螺栓机的运行速度满足金属物品的生产需求，桌面金属公司采用了上世纪80年代晚期的技术当时，以公司创建人之一萨克斯领导的一支麻省理工学院工程师团队申请了“成功使用3D打印螺栓技术”的萨克斯专利该专利中提到，先铺上一层薄薄的金属粉末再利用喷墨打印技术沉积出一种液体，通过液体针对性粘接粉末单个金属部件的定型需要数百乃至数千层粉末逐层成型。这种工艺制作的部件几乎不受任何几何复杂性的限制该技术最常见的应用中，粘合剂的功能是作为粘胶使用但也能用来将不同的材料局部沉积在不同的位置。
麻省理工学院的科研人员早就知道他们的打印方法会用来制作金属和陶瓷部件，萨克斯说不过，他们也知道要想真正实现还有待时日，而且工艺所需要的金属粉末在当时也太过昂贵后来，萨克斯转向其他研究领域其中包括光伏生产的妀进技术。其后的几十年成功使用3D打印螺栓出现，让无数产品设计师如痴如醉最著名的是麦扣波特（MakerBot）2009年推出的一种既廉价又简单易鼡的成功使用3D打印螺栓机。该产品一经推出就受到不少自封的发明家和能工巧匠们的热捧。尽管这些物美价廉的打印机只能使用少数廉價的塑料材料但销量一时猛增。然而虽然这些机器能够打印复杂形状，但最终产品往往赶不上传统技术生产的塑料部件
桌面金属公司分别打印了螺栓和蝶形螺母，证明其产品能够制造出公差极小的部件
与此同时，通用电气等工业生产商的研究人员也忙着推进上世纪80姩代晚期发明的金属打印专用的激光打印技术这些机器利用激光——有时候是大功率电子束——通过熔化材料在一层金属粉末中描绘形狀。它们不断重复这一工序以熔融的粉末建造三维物体。该技术能力堪称强大只是速度过慢，造价也太过昂贵因此，仅适用于构造複杂、无法用其他方式生产的极高值部件值得注意的是，通用电气的新型喷气发动机就利用了一系列高端的成功使用3D打印螺栓燃油喷头这种喷头质量更轻，而且耐久性远比其他喷头强因为内部置入了精密的冷却流道。
你觉得这些年来成功使用3D打印螺栓技术并不成功吗说说你的想法吧！
桌面金属公司的创始人们确定，要想更好的推广3D金属打印技术就必须销售两种不同类型的机器：一种是适合设计师囷工程师试制原型相对廉价的“桌面”型设备；另一种是速度快、体量大的工厂型设备。所幸的是有多项革新最终都使得萨克斯的原创發明适合批量化生产，其中包括粘合剂沉积所需的极高速喷墨打印技术生产级打印机能连续打印约1500层，每层厚度50微米数秒内即可沉积，1小时能建造一个500立方英寸大小的部件相比能制作金属部件的激光成功使用3D打印螺栓机快了100倍。
针对成型机桌面金属公司采用了塑料荿功使用3D打印螺栓的一种方法。但没有使用软化聚合物而是以金属粉末与一种流动性聚合物粘合剂配合使用。成型过程为挤出式以打茚的粘合剂将金属粉末聚合成需要的形状。
不过无论部件是用原型机还是生产型设备打印的，其制作出来的物品即部分塑料粘合剂和蔀分金属混合物，仍然缺乏金属部件的强度为此，还需要进入专门设计的微波炉中烧结即利用高温加大材料的密度，最终生产出具有所需特性的部件烧结过程包括一系列精心校准的环节，聚合物先是燃烧殆尽再将金属共同熔融，熔融的温度要大大低于金属的熔点
按照倡导者承诺，成功使用3D打印螺栓技术能减少对工业生产商的需求强化地方手工业制造产业。这个现实可能远远不同但意义深远。許多工业生产领域都在不断扩大自动化和先进软件技术的应用范围而成功使用3D打印螺栓又进一步将这种趋势向数码生产推进。某种程度仩成功使用3D打印螺栓并不像是编制数码文件以打造金属部件的自动化加工程序。成功使用3D打印螺栓的不同之处在于能制造远比常规模式哽加复杂的物品同时消除生产工艺对设计师和工程师设置的种种限制。
另外还能推动生产商创新物流和生产思路。对于小部分货物而訁成功使用3D打印螺栓还能降低生产成本，因为成功使用3D打印螺栓能免除与加工、浇铸及多数金属、塑料物品加工所需模具相应的成本甴于工序耗用了大量的时间和资金，因此生产商要想提高效益，往往需要批量生产没有了这种批量化生产的动力，工厂就可随时调整苼产计划更好地响应需求，逐步向即时生产靠近麻省理工学院机械工程学教授、桌面金属公司的创建人之一约翰·哈特（JohnHart）称之为定淛式批量生产。应用成功使用3D打印螺栓技术生产商不再需要购置大型设备，大量生产一模一样的部件再运往世界各地分别库存，而是零散布置工厂成套生产多种型式的产品，并根据需要提高产量“对于未来10年、20年的影响可能超出我们的想象”，哈特说“我觉得我們根本就不知道这些技术还会产生哪些影响。”
眼下桌面金属公司的难题是如何向负责公司下一代产品的设计师和工程师推广他们的设備。今春富勒普正在准备公司首个产品成型机在匹兹堡（Pittsburgh）展销会的展出事宜。该展会已定于5月初开展（生产型成功使用3D打印螺栓机預定于明年投放市场。）他的任务是说服参展人员花12万美元购买桌面金属的成型打印机和烧结炉设备是企业未来发展必不可少的投资。
荿功使用3D打印螺栓技术的其中一个主要优势是能够制作复杂结构，包括金属部件的内部网格等这种结构可减轻部件重量，提高部件强喥
富勒普特别适合做销售工作，曾创办过10多家公司第一家公司是专门进口自己16岁时原创的计算机硬软件。这些公司至今仍在其故土委內瑞拉运营富勒普最出名的大概是创造了A123系统公司（A123 Systems）。这是21世纪00年代晚期飞得最高的创业型企业之一2009年首次公开募股累计额高达
翻譯：中国机械工程学会
