——本文来自Industrial metalforming Technologies (IMfT) 技术部长：Peter Standring
显然，我们进入数字时代才几十年，从电子计算器到电脑再到智能手机的快速转变，使得“太阳底下无新事”的这种说法变得荒谬起来。我们没有必要去考虑在数字时代，生活已经变得多么不同，只要想象一下，如果一切都消失了，生活将会什么模样。
数字化的重要性并不在于它所涉及的个人活动——通讯、金融、旅游、健康、法律、工业等等，而是在于核心二进制系统现在可以随机组合和利用的千变万化的各种方式。3D打印就是计算机辅助设计(CAD)与计算机数控(CNC)机器相结合发展的一个例子。用不断添加材料替代减少材料，增材制造（AM，Additive Manufacturing）技术就由此诞生了。
本文不打算描述3D打印这项工艺本身，以及任何变体，或者其背景或当前的能力/限制。这些问题在许多领域里已经被探讨过多次，在这里，我只是想思考一下3D打印技术的更广泛应用的方面，以及它们可能对紧固件行业的潜在影响。
太阳底下没有新鲜事
3D打印的概念非常简单。首先，为一个物体构造一个三维平面，然后，从一个基础开始，把这个物体分成一系列的水平层。层次越多，细节就越好。然后编程一台三轴(x, y, z)机器，将可凝固的材料沉积到基层作为第一层，当它能够接收到下一层时，改变z轴和打印第二层，以此类推，直到完成。
通过只在需要的地方打印每一层，就有可能在打印结构中精确地产生完整的空隙，在许多情况下，用其他制造方法在物理上是不可能的。可沉积的材料的性质和沉积技术也正在不断地研究和发展。目前，这些产品包括航空航天和汽车金属部件，以及许多基于高分子聚合物的材料，以及最近的可以打印出纯素食的牛排。CAT扫描出的数据可以直接提供出3D模型，外科医生可以在此基础上计划/实施更为详细的手术。
从这个角度来思考，令人惊讶的是实际上3D打印的概念早在4500年前就已经出现了，它的“产品”我们至今依旧可以看到，据估计，埃及吉萨的胡夫大金字塔花了两万工人10到20年的时间才建成。它使用了230万块石灰石和花岗岩：第一层为230.34米长的正方形，在需要房间和通道的地方没有砌块。其中有两根很窄的杆(一根是直的，另一根是弯折的) 从中央国王的房间穿过金字塔体到外面，一个朝北，另一个朝南。最终高度为146.7米。尽管还没有确凿的证据来解释这种结构是如何构建的，但显而易见，它是由世界上最壮观和最成功的“3D打印机”一层一层地构建的。这种角度来讲，3D打印确实不是“新鲜事”了。
现代和古代的增材制造都有一个共同点，就是在制造过程中缺乏紧固件。
紧固或者不紧固，这是个问题
在当今高度复杂的商业世界，市场速度、效率(无论如何衡量)和需求都被监管、关税和环境问题以及高产量、低库存和灵活的供应链所抵消。在许多工业案例中，对制造业投资最大的企业损失却是最大的。虽然这会产生“谁来制造”这个问题，但是，这终将产生一个更严重的问题——“谁来创造设计”。
用大型集装箱船将货物运往世界各地或许是划算的，但不需要这么做就更划算了。这或许是一个暴论，但我们可以说，人类众多发明中，第一个发明的同时也是最重要的发明，就是将两个完全分开的物体连接在一起，制造出穿戴、使用或建造结构的东西。没有这个，其他的一切也就没有其他的可能。
所以，我们已经达到一个这样的现状，即使不多，也已经可以通过3D打印来生产许多刚性或者柔性的产品，目前不一定具备产品效益，也没有达到一定的数量，但依旧朝着这个方向稳步前进着，以汽车和飞机的引入为例，在20年(和一场世界大战)的时间里，两种运输方式都稳健的被建立起来，并进入了持续的发展和改进之中。现在，让我们设想在月球或者火星上有一个载人基地， 显然像是在飞船的引擎室这样的地方，是需要具备一定的制造能力的，以免不方便维修的问题直接演变成灾难。 这时候，太空基地是选择一套CNC设备来制造维修零件，还是准备一套3D打印（AM）设备呢？更重要的是，那些需要制造的维修零件本身是否已经被设计成使用增材制造技术来生产，从而确保兼容性?
这个相当异想天开的想法也许只在2020年的今年会被当作异想天开，但考虑到即将到来的太空商业化以及这个世界可能带来的潜在利益，这样的考虑就变得不言而喻了。
为增材制造而设计意味着会为降低成本而设计。但是增材制造可能意味着单个零件的生产成本可能更高，但是如果它去除了比如分开制造需要再度紧固到一起的这些成本，这样成本公式就很容易被证明是合理的。为了合理评估这对紧固件行业的影响的严重程度，我认为有必要思考一下有哪些领域适合使用和发展增材制造（3D打印）。
3D打印设计原理
工程大学的研究团队为了宣传他们的技能、创意和增材制造设备，一直在制作复杂得难以想象的产品，所有的工程师都会察觉到并看到这些产品。更令人印象深刻的是为高端工程应用制造3D增材部件的工业制造商。通常，他们制造这些都是昂贵的空心结构部件，利用增材制造方法实现了零件的轻量化和所需的性能。
与粉末冶金的批量生产不同，使用粉末和烧结生产的金属基产品是单独的产品。同样地，尽管产品和批量尺寸差别很大，但粘结剂喷射技术（Binder jetting）与金属注射成型（metal Injection Molding）粉末冶金方法并没有什么不同。简而言之，目前，增材制造技术的开发人员正在使用已在其他地方开发并证明具有商业可行性的方法。在纳米领域，类似的工艺也在用石墨烯生产的产品的原子层面上进行。
利用每秒数十万度的冷却速度，可以快速凝固生产出亚微米金属粉末。这些材料的非晶态结构不同于晶态结构，具有特殊的性能。然而，使用加热方法粘接就可以简单的破坏粉末的“铸态”性能。正如粉末冶金加工者所深知的那样，处理亚微米颗粒会给已经很困难的工艺路线增加另一个难度。
打印3D中空零件的一个主要解决的一个设计问题是，如何确保任何在建立空隙之上的材料能够支撑起来，直到沉积的材料有足够的强度来抵抗下垂。前罗马建筑设计师对石制门楣强度的限制的思考，也同样表明了这个问题。这也表明，罗马拱门，哥特拱门，飞扶壁的使用最初都是由脚手架支撑的技术是如何发展到今天的中空产品的3D打印技术的。
使用现代增材制造方法生产结合不同材料的单一产品也是可能的。虽然还处于初级阶段，但该程序试图复制多部件产品和制造的性质。目前用金属、陶瓷和聚合物基材料生产的一些组件可能相当大。
没有紧固件的生活?
显然，作为一种紧固件，一种如此有用和普遍的产品是不可能变得多余的。然而，如果不可阻挡地采用标准化和合理化继续下去，逻辑上的结论是，所有的事情都将变得一样。
通信系统、服装、交通、医疗保健、教育，所有这些都是为了满足日益增长的数十亿人在标准殖民地/巢穴中生活而设计的。就像以前各种太空计划的副产品一样，它们带来了铝箔、聚四氟乙烯、心脏泵、食品安全、多光谱成像技术等等。那些太空计划中的非地球住宅的设计和建造也会将在我们这颗蓝色星球上产生类似的连锁反应。也许会产生安装简单，重量轻，携带空间小的气球式充气设施。或许，和充气设备一样，非金属质地的可重复使用罐头也会填满超市的角角落落。Covid 19大流行已经引入了为了共同利益而放弃个人自由的观念，那么把这个问题带到气候变化问题上又会如何呢?
讲这些话的意义在于，说明现在情况发展改变时分迅速。中国的封锁与其他地方的封锁没有什么不同，在2000年，中国生产的汽车不到世界的2%。如今，这一比例超过了25%。中国在汽车电池技术方面处于领先地位，主要是因为中国政府拥有每年超过100万辆汽车的购买力，而且作为其五年计划的一部分，中国可以优惠购买电动汽车。亨利·福特都有资本为T型车的宣传说出：“You can have any colour so long as it’s black.”这样的话，或许在将来，只要是出于为了人类的事业，可能任何事都是会被接受的。
我们都很清楚，变革是不可避免的，变革带来机遇。增材制造不会在一夜之间发生，但Covid-19病毒带来的混乱确实发生了。为了应对个人防护设备的短缺，在大多数危险地区，从学校到工业的3D打印机开始自己生产。作为其全球无工具生产的一部分，汽车制造商宝马最近在德国开设了一个增材制造工厂，提供培训、原型制作和系列生产(去年大约有30万个零件)。鉴于宝马在2019年销售了250万辆汽车，30万零部件现在只是一个小数目，但提供了巨大的增长机会。
3D打印机可以开发新的产品，可以将多个单独的项目组合成一个组件，从而减少库存，消除对紧固件的需求。然而，对于紧固件制造商来说，可能同样令人不安的是，在3D打印设计中嵌入了紧固特性的单个增材制造产品的前景。 这些部件将与其他部件连接，并在按压、敲击、旋转的基础上组装起来。也许需要一个特殊用途的工具来确保防篡改?
简而言之，便利性，成本和关注度很可能成为增材制造应用及其带来的变化的驱动力。
未来
当一切都不确定时，基于经验的推测可能是有用的。因此，评估上述增材制造的可能的驱动因素，并考虑它们可能对紧固件行业产生的影响，可能是有用的:
方便:对于个人、政府和行业来说，目前的趋势是方便。在线活动，在家/及时送货，电子支付等。当电子CAD数据可以以光速传输时，为什么要在全球购买和运输初级材料和/或产品呢?一个全球设计公司的不同工作地点只要地理间隔8个小时的时区可以24小时/7天运作。产品的全球订单可以通过电子方式分发到区域/本地的增材制造工厂进行生产/组装，然后在区域/本地发货。
成本: 速度、效率、易于改变、几乎无限的节能特性和无缺陷的生产意味着加法制造可能成为制造业中的“亚马逊”。
关注度: “这就像赶猫一样”，这个短语通常用来表示一个几乎无法管理/控制的情况。尽管计算机化的出现带来了巨大的改进，电子采购门户现在被用于所有供应链，但对于许多较低层次的公司来说，“赶猫” 是一个恰当的说法。如果增材制造目前所享有的利基市场得到扩大，成为占主导地位的企业，那么工业供应链将会发生根本性的变化，其监管也将显著简化。各级理事机构会发现这一举措具有吸引力，购买公众对气候变化和健康等全球问题的认识也具有吸引力。
在大多数情况下，汽车并没有取代马，只是改变了作用。同样，在未来几年中，石油的世纪也将过渡，石油的作用将发生变化。增材制造的概念对紧固件制造商构成了真正的威胁，因为整个行业的设计师和原创思想家将考虑相同的问题：“如何降低成本，简化制造并生产更好的产品？” 如果增材制造成为雪球滚下斜坡，那么它滚落过程中的树木的路线也将发生显着变化。
结论：
过去的十年中，增材制造的应用已经多样化，以低成本的3D打印套件为目标，这些套件针对科学玩具/教育市场和高端市场，并且通常与空间相关的低重量/高性能产品。学校，大学，研发实验室都喜欢这项技术，因为它为设计/生产新颖的产品提供了低成本机会。商业组织也在内部活动中，或直接使用这些技术来进行原型展示，并告诉客户他们想要传达的想法。
增材制造的高端用户通常是提供合同服务的专业技术开发人员/商业实体，或者是批量OEM，他们将该技术视为其未来削减成本底线的潜在主要贡献者。
尽管增材制造的所有用户都在寻求增加产量的方法，但是当前每台机器的处理时间非常慢。当然，这个缺点会因为其他方法无法或者难以生产所抵消，这种情况与第一次工业革命前的情况不无相似之处，当时在一些特定地区的家庭农场中存在着纺纱和纺织的家庭手工业。如果历史重演，并且增材制造是“机械化的”并且能够大量生产，那么目前在增材制造中的小型个人商业利益将发现他们的业务沦为手工艺状态。
尽管许多增材制造用户声称该工艺是一种“颠覆性”技术，但迄今为止的证据并不令人信服。原因很简单，增材制造还没有像电子计算器直接替代算盘那样，“到目前为止”还没有完全取代之前的产品。有了这方面的认知，大多数紧固件制造商现在可以放心了。然而，他们或许应该更加警惕，标准化、合理化和缜密的监管制度看似不可阻挡的推动行业的前进，但也可能会导致产品种类多样化的流失，以及由此带来的商业机会的流失。
如果增材制造能够扭转这些巨头的局面，那么它就真的可以被视为具有破坏性。
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