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，表明設備已經具備復雜結構的構型能力。

自公司產品首發不到兩個月，首席執行總裁里克·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。在關閉的門后，一組產品設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品系列，展示著產品的各種不同形式：這些3D打印機能降低部件生產造價，提高部件生產速度，使3D打印技術能在產品設計和制造行業推廣普及。

桌面金屬公司向全球領先的風險投資公司及通用電氣（GeneralElectric）、寶馬（BMW）、Alphabet（谷歌母公司）等公司的投資機構籌集了將近1億美元的資金。創始人包括4位麻省理工學院（MIT）教授，其中有學院材料科學系主任，還有1989年最早申請3D打印原創專利的伊曼紐爾·薩克斯(EmanuelSachs)。盡管資金和技術都已到位，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模式，這一目標是否能成功實現，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。員工們忙著調整機器。制作完成的試驗品四處散落。研制工作雖然穩中有進，但時間也顯然是一天天迫近。前門入口區域的角落里，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打印開發商30多年、極大影響3D打印技術價值的重大難題。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，實現極其復雜而極具獨創性特點的塑料成型。而有些設計師和工程師則發現，這些機器對潛在產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專業化產品有用外，對生產流程幾乎毫無價值。

盡管金屬的3D打印成型并非天方夜譚，但真正實現不僅難度大，而且造價高昂

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

在微波爐中加工液壓歧管，需要以1400℃的高溫燒結鋼部件。這種部件太過復雜，采用傳統的生產方式無法制作。

3D打印的短板，表明長期激勵其倡導者的愿景仍然是可望不可及。他們希望的是形成數碼設計，打印出能測試并完善的原型，然后利用優化版本的數碼文件，隨時以3D打印機上打造出來的同種材料制作出商業產品或部件。要想實現這個愿景，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。

必須能讓設計師擁有更多選擇，使他們生產和測試的部件和裝置能具備任何其他生產模式無法輕易實現的復雜形狀，比如精致的鋁合金網格，或具有內部孔洞的金屬物品等。最終，這種技術能讓工程師和材料學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，這種技術還會轉變批量生產的經濟性，因為無論產出的物品件數多少，打印的成本都是一樣的。由此一來，就會改變生產商對工廠大小、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？），以及按專業化產品調整生產過程的看法。

這就是人們紛紛將3D打印作為部件生產新方式的原因。Stratasys公司和3DSystems公司等長期供應商，不斷提高3D打印設備的技術水平，其速度已經能夠滿足生產商的應用需求。去年，惠普（HP）推出了一系列3D打印機，稱其設備能試制和制作以尼龍為原料的產品，而尼龍又是一種應用廣泛的熱塑材料。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打印技術能制作的高性能部件之一。工程師可運用該法試制并優化不同的設計方案。

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。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。其中包括自動化加工技術，如制作iPhone超薄鋁合金背殼所應用的加工方式，還有迅猛發展的金屬注模法——金屬產品批量生產的通用模式。

換句話說，桌面金屬公司的當務之急不是簡單地探索如何趕超其他的3D打印機，而是如何引導生產商改變傳統的生產方式，將經營核心從傳統的生產方式轉化為3D打印成型模式。然而，由于傳統的市場龐大而成熟，如何實現這一變革就顯得非常難以預知了。富勒普說，制造金屬部件可是個“萬億美元的大產業”。他接著說，即使3D打印只占了那么小小的一部分，也意味著數十億美元的大買賣。

溫度太高，無法打印

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

應用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需求，桌面金屬公司采用了上世紀80年代晚期的技術。當時，以公司創建人之一薩克斯領導的一支麻省理工學院工程師團隊申請了“3D打印技術”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百乃至數千層粉末逐層成型。這種工藝制作的部件幾乎不受任何幾何復雜性的限制。該技術最常見的應用中，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，薩克斯轉向其他研究領域，其中包括光伏生產的改進技術。其后的幾十年，3D打印出現，讓無數產品設計師如癡如醉。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。該產品一經推出，就受到不少自封的發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雜形狀，但最終產品往往趕不上傳統技術生產的塑料部件。

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，通用電氣等工業生產商的研究人員也忙著推進上世紀80年代晚期發明的金屬打印專用的激光打印技術。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。它們不斷重復這一工序，以熔融的粉末建造三維物體。該技術能力堪稱強大，只是速度過慢，造價也太過昂貴。因此，僅適用于構造復雜、無法用其他方式生產的極高值部件。值得注意的是，通用電氣的新型噴氣發動機就利用了一系列高端的3D打印燃油噴頭。這種噴頭質量更輕，而且耐久性遠比其他噴頭強，因為內部置入了精密的冷卻流道。

你覺得這些年來3D打印技術并不成功嗎？說說你的想法吧！

桌面金屬公司的創始人們確定，要想更好的推廣3D金屬打印技術，就必須銷售兩種不同類型的機器：一種是適合設計師和工程師試制原型相對廉價的“桌面”型設備；另一種是速度快、體量大的工廠型設備。所幸的是，有多項革新最終都使得薩克斯的原創發明適合批量化生產，其中包括粘合劑沉積所需的極高速噴墨打印技術。生產級打印機能連續打印約1500層，每層厚度50微米，數秒內即可沉積，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型設備打印的，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，還需要進入專門設計的微波爐中燒結，即利用高溫加大材料的密度，最終生產出具有所需特性的部件。燒結過程包括一系列精心校準的環節，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。

商業推廣

按照倡導者承諾，3D打印技術能減少對工業生產商的需求，強化地方手工業制造產業。這個現實可能遠遠不同，但意義深遠。許多工業生產領域都在不斷擴大自動化和先進軟件技術的應用范圍，而3D打印又進一步將這種趨勢向數碼生產推進。某種程度上，3D打印并不像是編制數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模式更加復雜的物品，同時消除生產工藝對設計師和工程師設置的種種限制。

另外，還能推動生產商創新物流和生產思路。對于小部分貨物而言，3D打印還能降低生產成本，因為3D打印能免除與加工、澆鑄及多數金屬、塑料物品加工所需模具相應的成本。由于工序耗用了大量的時間和資金，因此，生產商要想提高效益，往往需要批量生產。沒有了這種批量化生產的動力，工廠就可隨時調整生產計劃，更好地響應需求，逐步向即時生產靠近。麻省理工學院機械工程學教授、桌面金屬公司的創建人之一約翰·哈特（JohnHart）稱之為定制式批量生產。應用3D打印技術，生產商不再需要購置大型設備，大量生產一模一樣的部件，再運往世界各地分別庫存，而是零散布置工廠，成套生產多種型式的產品，并根據需要提高產量。“對于未來10年、20年的影響可能超出我們的想象”，哈特說。“我覺得我們根本就不知道這些技術還會產生哪些影響。”

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

3D打印技術的其中一個主要優勢，是能夠制作復雜結構，包括金屬部件的內部網格等。這種結構可減輕部件重量，提高部件強度。

富勒普特別適合做銷售工作，曾創辦過10多家公司。第一家公司是專門進口自己16歲時原創的計算機硬軟件。這些公司至今仍在其故土委內瑞拉運營。富勒普最出名的大概是創造了A123系統公司（A123Systems）。這是21世紀00年代晚期飛得最高的創業型企業之一，2009年首次公開募股累計額高達3.71億美元。公司基于蔣業明（Yet-MingChiang）研發的新型鋰離子技術。蔣業明是麻省理工學院教授，也是桌面金屬公司的創始人之一。與其當前的3D打印企業一樣，A123公司希望能應用材料科學技術實現巨大市場的變革。

3D打印技術還能推動生產商創新物流和生產思路

雖然A123發展迅猛，首次募股大獲成功，但還是在2012年宣布破產（富勒普于2010年離職）。當問及從A123中吸取了哪些教訓時，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業，A123疲于競爭；而且公司本身也未能大力提高鋰離子電池產品的技術性能，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至少在短期內少有直接的競爭對手。蔣業明指著公司“極其豐富”的專利組合。“不單單是材料，而且也是技術，是（燒結的）爐子，”他說。“技術難度越大，成功后的入門壁壘就越高。”

蔣業明應用的辦公室內有一只木盒子，里面裝有半打短劍，是從波士頓美術館（MuseumofFineArts）租借來的。短劍是上世紀70年代日本傳統技術制作的。蔣業明利用短劍進行教學。課題：工匠是如何應用冶金術的秘密將鐵礦變成最終產品——異常鋒利、略微彎曲的鋼劍的。蔣業明一邊展示著短劍，一邊闡述短劍制作人所應用的訣竅，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。回到桌邊，他的注意力又回到了桌面金屬公司。講到公司近來打印并在各機構陳列的金屬物品時，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”，蔣業明說。“只要幾個小時，面前就出現了一個部件，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，但三維打印可以創造新的生產潛能，而且，當然只是可能，重新定義冶金這門藝術。

美國3D打印成型市場的主要公司

企業：Stratasys

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

產品：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：Carbon

技術：這家著名的硅谷創業企業研發出一種全新的光化加工工藝，適用于聚氨酯和環氧樹脂等多種原料的部件加工。

產品：今春面向生產廠家推出了全新的模塊式生產系統。

企業：HP

技術：從噴墨打印到最近推出的所謂“多射流熔融技術”，單從惠普公司的機器生產線就看出企業悠久的歷史。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：3DSystems

技術：為全球第一家3D打印公司，其創始人為立體光刻打印的發明人查克·赫爾（ChuckHull）。立體光刻打印利用光源實現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備。

產品：去年推出了最新版本的立體光刻技術。

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