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很快，一家名叫“桌面金属”（Desktop Metal）公司将举办首次产品发布会，并且备受业界瞩目。目前，这家公司拥有 100 多名员工，已经从通用电气、宝马和 Alphabet （谷歌母公司）等豪门企业筹集了近 1 亿美元。而在这家初创公司的背后是一个野心勃勃的产品：一台经济、并能快速制备各种金属部件的3D打印机。 更令人关注的是，这家公司的创始人中包括 4 名赫赫有名的麻省理工学院教授。其中，麻省理工学院材料科学系系主任克里斯托夫·舒尔（Christopher Schuh）和教授恩曼努尔·萨克斯（Emanuel Sachs）都是该领域中的领军人物，还包括麻省理工学院材料科学系科学家蒋业明教授（Yet-Ming Chiang）和机械工程学院副教授约翰·哈特 （A. John Hart）。 图 | DM Studio联合创始人（前排左起：CEO Ric Fulop, A. John Hart, Jonah Myerberg; 后排左起：Yet Ming-Chiang,Chris Schuh, Ely Sachs, Rick Chin） 实际上，为了提升金属 3D 打印的速度，以便将该技术用于制造金属零件，“桌面金属”公司使用了一种可追溯到 20 世纪 80 年代后期的技术。恩曼努尔·萨克斯教授早在 1989 年，就提交了一份有关 3D 打印技术的专利申请。 在这份专利文件中，它描述了如何铺上薄薄一层金属粉末，然后使用喷墨印刷工艺来沉积这些金属。在此过程中，需要有选择性地将金属粉末结合在一起。这一过程重复数百上千次之后，人们可以打造几何上几乎无限复杂的金属部件。但在实践中，这在当时还属于“天方夜谭”的范畴。 图 | 一个正在烧结炉内进行烧结处理的液压岐管。烧结炉内的温度高达1400℃。这样的部件结构过于复杂，是难以通过传统方法实现的。 如今，“桌面金属”的几项重大创新终于使得萨克斯教授 30 年以前的原创发明能够用于实际的批量生产，其中就包括开发沉积粘合剂的超高速印刷喷墨技术——用于工业生产的“工业版”打印机能够在几秒钟的时间内，沉积并且打印 1500 层金属粉末，每一层厚度仅为 50 微米。 因此，打印一个 500 立方英尺（14 立方米）的零件只需要不到一个小时。相比于同样用于制作金属零件的激光 3D 打印技术，这项技术的加工速度提升了将近 100 倍。 如果“桌面金属”公司这一技术真能成功，这也意味着，该团队同时还攻克了在过去 30 年时间里始终制约着这项技术广泛应用的难关。 如果我们暂时抛开那些关于“3D打印”天花乱坠的溢美之词，平心而论，3D打印这项技术的发展虽然可谓夺目， 但仍然无法掩盖其在商业化道路上令人失望的现状。 现如今，业余爱好者们和自称“制造商”的群体已经利用市面上许多相对便宜的3D打印机，来制作具有各种奇妙复杂形状的塑料零件。此外，不少工程师和设计师们也认为，这类打印机在模拟仿真未来产品方面，也扮演着举足轻重的角色。 但是，在实际产品中，打印出来的聚合物零件除了可能在少数几款定制的产品能发挥其效用外（如用于定制助听器和种植牙体），在其他领域几乎毫无用武之地。 图 | 这是刚刚打印好的钢制推进器。在推进器叶片与金属支架之间，是一条纤细的陶瓷线。在烧结过程中，这条线会变成砂砾，使得最终的产品能够轻易地与支架分离。 所以说，“桌面金属”的真正竞争者并非来自如春笋般涌现的 3D 打印公司。 一方面，惠普、Stratasys（它同时也是桌面金属的投资者）和 3D System 推出的 3D 打印机主要使用的是各种塑料，而不是“桌面金属”公司所瞄准的金属；另一方面，专注于高端机器的通用电气对于桌面金属 3D 打印的市场并没有太大的兴趣。 麻省理工学院材料科学与工程系主任、“桌面金属”联合创始人克里斯·舒尔曾表示：“尽管 3D 打印技术已经广泛地应用于打造塑料制品，该技术在金属零件领域的应用‘却十分地有限’。金属加工更像是一种艺术，这是一个非常具有挑战性的领域。” 金属 3D 打印技术迟迟未能迎来自己的春天，最显而易见的一点，就是加工金属所需要的高温。 在塑料制品的 3D 打印过程中，塑料首先被加热，接着从喷口喷出。喷出的塑料能够迅速地硬化成理想的形状。这一过程十分简单明了，一台售价仅 1000 美元的 3D 打印机足以满足这样的要求。 但是，考虑到金属那高出不止一大截的熔点，打造一台可以直接喷出金属的 3D 打印机似乎就不那么现实了。举几个例子：铝的熔点是660℃，高碳钢是1370℃，钛是1668℃。金属零件通常还需要额外的几个高温工艺，以确保打印出来的零件拥有预期的强度和其他理想的机械性能。 图 | “桌面金属”低成本、大规模生产成为可能，一个配件成本只要4.25美元 然而，尽管我们已成功实现了金属的 3D 打印，但这真的依旧是一项既昂贵又复杂的加工技术。一些制造领域的龙头企业，如通用电气，他们为了制造少量的高价值零件，就不得不使用一些非常昂贵的设备。不仅如此，有时还需要额外配备定制的高功率激光器。 目前，金属 3D 打印仅限于一些真正的土豪企业，他们愿意花费数百万美元先去购买设备，搭建配套的激光器，并雇用一批经过专门培训的技术人员。而另一方面，目前市面上还缺乏一系列在产品设计迭代中所需的技术与产品。工程师和设计者们在产品设计和开发过程中，直接利用金属 3D 打印来完成产品设计迭代，依旧是一个可望而不可及的目标。 眼下 3D 打印技术的不足与缺陷，折射出了一直以来鼓舞着人们继续前行的愿景，与现实仍然存在着的巨大鸿沟。而“经济”、“实惠”、“高效”地打印出金属零件，则是让 3D 打印技术美好愿景成为现实的最为关键的“三项要求”。 可以见得，“桌面金属”在这三方面取得了显著的进展，这才是备受资本追捧的重要原因之一。 比较确定的是，“桌面金属”的真正竞争对手是已有的金属加工技术，这其中包括自动化加工技术以及涨势迅猛的金属注射成型技术。自动化加工技术已被广泛用于大规模制作iPhone的超薄铝背壳，而金属注射成型则日益成长为大规模生产金属产品的常用手段。 换句话说，“桌面金属”公司的目标绝不仅仅只是试图超越其他 3D 打印机公司，它的目标，是使得制造商们抛开原有的生产工艺，投入 3D 打印这个新工艺的怀抱。毫无疑问，这是一个艰巨的任务，更何况制造商们的原有生产工艺正是他们商业核心所在。 然而，这个庞大的成熟市场使得市场前景十分诱人。该团队曾表示，打造金属零部件，是一个价值数万亿美元的行业。即使 3D 打印只赢得了市场中的一小部分，那也相当于是一个价值数十亿美元的“金矿”。 图 | “桌面金属”打印的螺母和螺栓。这两个零件展示了该公司的 3D 打印技术可以制造具有严格公差要求的零件。 3D打印技术的死忠粉们曾经预言：3D打印的出现，将使得工业界的生产商成为明日黄花，而一些当地的艺术制造者则会迎来春天。从现实来看，这个预言虽谬之千里，然而仍然具有十分深刻的意义。 当前，工业界的许多生产部门正越更加频繁地运用先进的软件和自动化生产工艺，而 3D 打印则将为这一波持续的数字化制造浪潮推波助澜。从一些角度来看，实现完全的自动化加工过程，即从一个数字化的模型直接制造出一个金属零件，仍然是一个遥远的目标。 但是 3D 打印所带来的变革之处在于，它使得工程师与设计师能够制造比之前复杂得多的零件，并且完全移除了之前生产工艺所带来的诸多限制。 图 | 经过烧结处理后的推进器，这同时也是一个利用3D打印技术制备的高性能零件的绝佳例子。工程师们可以使用这一技术直接制造原型，并优化设计。 此外，它也可以刺激制造商们改变他们的物流和生产策略。对于产量有限的商品而言，3D打印将有可能实现更低的成本，因为这一技术能够避免以往生产金属与塑料件所需的工具、铸造、铸模等相关的成本支出。打造一条完整的产品线所需要的时间与金钱投入，是制造商不得不选择进行批量生产的重要原因之一。 如果制造商们不再需要进行大规模生产，那么工厂或许可以灵活地调整生产计划，并能更好地对需求做出响应，从而实现即时制造。麻省理工学院机械工程教授，同时也是“桌面金属”的联合创始人约翰·哈特（John Hart）将此称之为“量身定做”的批量生产。 制造商们无需再制造大量的部件，并销往全球和仓储中心，在未来制造商们或许会在全球开设诸多分散的工厂，并根据需求灵活地调整生产能力。哈特说，“我们已经无法想象这项技术在未来的 10 年或者 20 年里将发挥出怎样的影响力。我认为，我们人类并没有真正认识到我们该如何使用这些技术”。 如今，“桌面金属”的挑战则是：尽快让他们的产品出现在负责下一代产品设计师和工程师的手中。团队必须让客户相信花费 12 万美元购买桌面金属基础版打印机与烧结炉，绝对是物超所值。正式发布将近，让我们拭目以待。
图 | 3D打印的主要优点之一是其能够制作复杂的结构，包括金属部件中的内部格子。 这种结构可用于制造更轻更强的部件。 非常值得一提的是，“桌面金属”公司的其中一个联合创始人是麻省理工学院材料科学系蒋业明（Yet-Ming Chiang）教授。他出生在台湾，6 岁时移民美国，现在是美国工程院院士、台湾中央研究院院士、以及麻省理工学院材料科学系教授。 蒋业明发表了200多篇学术文章，持有20多项专利。而在醉心于学术的同时，蒋业明还依靠麻省理工学院的平台上与风险资本进行合作，先后创办了 4 家初创公司，其中最有名的就是锂电池企业 A123和24M。 其中，A123系统（A123 System）的所采用的就是他研发出来的新型锂离子电池技术。这家公司是 2009 年前后电池领域最为炙手可热的初创公司之一。在 2009 年这家公司首次公开募股（IPO）时，一举筹得 3.71 亿美元。 正如今日的这家初创的3D打印公司一样，A123系统公司也希望利用其在材料科学领域的专长，引领整个市场的变革。
图 | 蒋业明 虽然A123前几年增长迅猛，IPO也极度成功，但是该公司还是在 2012 年宣布破产。不得不承认，电池行业是一个低利润的市场。确实，A123在日益成熟的锂离子电池领域中举步维艰：它没能实现突破性的性能提升，从而未能赢得一直摇摆不定的混合动力汽车市场。 而“桌面金属”面临的挑战则十分不同，金属零部件是一个成熟的市场。而且这家公司认定，他们的技术，至少在短期内没有直接的竞争对手。蒋教授指出，“他们这家创业公司拥有‘十分深厚’的专利壁垒。不仅仅只是在材料方面，还包括技术，以及烧结炉。如果技术越复杂，那么你成功之后，后来者进入的门槛也就会越高。”
图 |（左）加工粗糙的原始部件（右）使用DM Studio系统生产的组件 在蒋教授的办公室里，有一个从波士顿美术博物馆租来的装满了半箱刀剑的木盒子。这些日式刀剑成于 20 个世纪 70 年代，利用传统的加工工艺制成。蒋教授把这些剑用于日常的教学之中。 他的课程是，工匠如何利用冶金的秘密将铁矿石变成了这样一把超级尖锐、略微弯曲的钢剑。在采访过程中，在向我展示完了这些剑之后，蒋教授又向我透露了一些这些工匠在制作过程中使用的技巧，比如利用淬火，从而得到了坚硬的刃口，而刀身却保持了相当的韧性。 回到他的办公桌上，他的注意力再次回到了“桌面金属”上。他以同样的热情，向我描述了公司最近打印出来的金属零件，以及在其工厂中展示的零件。蒋教授兴表示，最令他兴奋的是，“在几个小时之前，让你感觉无从下手的零件，几个小时之后竟然活生生地出现在你的面前”。 这一切的展示都表明3D打印技术拥有着极大地发展潜力，它或许不会马上取代诸如金属锻造和铸造这样有上百年历史的加工工艺，但是它将为金属制造加工带来新的可能性。很有可能，它还能让金属冶金这门古老的艺术重新焕发青春。 - END - 「DeepTech深科技」招募全球记者、采编。 申请加入：hr@mittrchina.com DeepTech深科技战略合作伙伴： IEEE中国 |
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