NIST的實驗工廠：制作完美的零件

清晨，瑞克·雷克在NIST的實驗工廠的例行巡視中停了下來，拿起貨架上的一個零件。這個零件長約25厘米，金屬質(zhì)地，表面散發(fā)著紫藍(lán)色光澤。零件頂部探出很大一塊，而從上而下看，墊片、螺母和螺栓像蒸汽朋克身上的骨骼一樣向外刺出。

“這是一種用于集氣的歧管?！崩卓私忉屨f，每個開口都要為噴嘴提供一個附著點(diǎn)。不可思議的是，它那迷幻般的色彩是由一層在汽化玻璃上的不銹鋼涂層“制造”形成的。該涂層正在試驗階段，作用是減少科學(xué)實驗中金屬層與氣體混合物之間的反應(yīng)。

雖然它的外觀很有趣，但這個零件是失敗的?！八荒馨讶魏螙|西恰當(dāng)?shù)剡B接起來，里面每條線都堵住了?！崩卓苏f。只在底面上進(jìn)行涂層是不行的，整件作品需要重新設(shè)計。

在電影中，那些非凡的主角們，單槍匹馬只要花一點(diǎn)點(diǎn)時間，靈光一閃就完成了他們的偉大發(fā)明。但在現(xiàn)實生活中，發(fā)明創(chuàng)造往往是緩慢的，并且需要大量技術(shù)人員的共同努力才能完成。雖然，我們可以通過一些訣竅或者方法推動這一進(jìn)程，但最終，你仍會遇到意想不到的挑戰(zhàn)，所以創(chuàng)造力、堅持和耐心都是必不可少的。毫不夸張地說，有時，你必須像上面提到的歧管這個例子那樣，從零開始從頭設(shè)計。

也許沒有人比NIST實驗工廠的人更能認(rèn)同這一點(diǎn)。這家工廠位于馬里蘭州蓋瑟斯堡校園的304號樓，經(jīng)常為NIST的科學(xué)家提供必要的幫助，把他們的夢想變?yōu)楝F(xiàn)實。

“很多時候，他們（NIST的科學(xué)家或是工程師）進(jìn)來征求我們的意見?！?這家工廠的成本估算師和協(xié)調(diào)員雷克說，“我們給他們一些反饋意見，然后讓我們的設(shè)計師生成一個計算機(jī)繪圖，以便使它看上去更正式。如果是一個較大的項目，那么這兒有一條基礎(chǔ)組裝線。所有的一切都是開放透明的，他們可以看到零件內(nèi)部的實際情況?！?/p>

“或者，也可能是他們來找我們說‘我們要做一個實驗。我們已經(jīng)知道該如何去做，但需要一些幫助’?！瘪R克·路斯補(bǔ)充道，他是這家工廠的負(fù)責(zé)人。

這家工廠設(shè)在一棟大小和形狀都很像飛機(jī)修理棚的樓里。早上，雷克和路斯帶客人參觀時，刺鼻的機(jī)油味道在空氣中徘徊。機(jī)械師們在數(shù)控機(jī)床前工作，盯著幾塊交互屏顯示的工況。有的機(jī)床內(nèi)，水和油的混合液像噴泉般灑在金屬切割表面上用來降溫。而在另外一些機(jī)床上，光亮的金屬屑像廚房里刨絲器上的胡蘿卜碎屑一樣被刮掉。重型金屬音樂、大型電機(jī)的嗡嗡聲與拖拽鋼管的刺啦聲混合在一起，焊槍的弧光不斷亮起，共同形成了一幅典型的工業(yè)場景。

在其中一臺機(jī)床上，兩塊又厚又重的鋁塊裝在塑料殼內(nèi)，被固定到夾具上，它們的大小和形狀與火雞烤盤相似。在它們的外緣，有許多方形的小隔間，在燈光下閃閃發(fā)光，里面裝著拍攝月球相位所需的電子儀器。

在另一臺機(jī)床邊，機(jī)械師路德·瓦葛默特站在一臺電腦數(shù)控屏的前面，該機(jī)器裝在冰淇淋車大小的箱子內(nèi)。瓦葛默特在復(fù)雜的鍵盤上飛快輸入指令——像鋼琴家自信地彈奏心愛的鋼琴那樣——精心編排機(jī)器運(yùn)行的內(nèi)部動作。在機(jī)床內(nèi)，一塊長約20厘米（8英寸）的金屬逐漸從矩形變成了一個帶有凹槽和螺孔的形狀復(fù)雜的零件。

“只要你能畫出來，我們就可以把它做出來。”瓦葛默特自豪地說，他還向我們展示了這天早晨他為中子研究中心做成的另外兩件作品：一個橡皮大小，另一個則大約只有郵票那么大。

有趣的是，像NIST這樣的高科技機(jī)構(gòu)，保有這樣一家工廠已經(jīng)很長時間了。在20世紀(jì)初期——當(dāng)時NIST還被稱為國家標(biāo)準(zhǔn)局——技師們可能是在一些鐵匠的幫助下，利用第一、第二次工業(yè)革命留下的基礎(chǔ)機(jī)床，如車床、銑床和鉆床等機(jī)器完成工作。

到20世紀(jì)60年代，蓋瑟斯堡向社會開放時，NIST實驗工廠雇了大約50人，他們的工作包括開模、干木工活、制造儀器、吹制玻璃以及電鍍等。掛在墻上的一張古老的黑白照片展示了該工廠在1966年開業(yè)前的外觀。

盡管加工場里的人們至今仍然會進(jìn)行一些手工銑削和車床加工，有時甚至還會使用到一些在老照片中才存在的重型車床。但目前，他們的大部分工作是通過高科技的電腦建模軟件完成的。大多數(shù)現(xiàn)代的機(jī)械師必須獲得基礎(chǔ)制造專業(yè)的大學(xué)學(xué)位，然后才能開始正式的、為期四年的學(xué)徒培訓(xùn)。即使這樣，已經(jīng)獲證的機(jī)械師要想進(jìn)入NIST，還需要具有靈活性和創(chuàng)造性。

“我們需要非常優(yōu)秀的人員，條件嚴(yán)苛，他們必須能夠為自己的零件編程、建模并加工出來，甚至在完成后還要親自進(jìn)行檢測?！崩卓苏f。

他們的工作與那些在私營企業(yè)里使用現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)施的人不同。在私營企業(yè)中，速度是最重要的。

“在私營企業(yè)中，某個人完成所有的程序設(shè)計，然后交給另一個人加載到數(shù)控機(jī)床上，按下按鈕，進(jìn)行加工，然后在完工后再卸載它?！崩卓苏f。日復(fù)一日，年復(fù)一年，數(shù)以萬計的產(chǎn)品就這樣被制造出來。

而在NIST實驗工廠，工作內(nèi)容大不相同。他們主要開發(fā)制作原型。技師們與研究人員不斷協(xié)作、商量，并從頭到尾參與到一個原型產(chǎn)品的開發(fā)中。有時，為科學(xué)實驗做出一套適合的設(shè)備就可能需要花上10年的時間，而且是只做一套。

例如，當(dāng)物理學(xué)家吉姆·費(fèi)德查克需要為他的冷原子真空標(biāo)準(zhǔn)的研究工作創(chuàng)建一個動態(tài)膨脹室時，他知道實驗工廠有能力幫助他。費(fèi)德查克的研究成果被用于先進(jìn)制造工藝，比如制造智能手機(jī)內(nèi)部小芯片上使用的半導(dǎo)體。自從他2003年開始在NIST工作以來，這家工廠已經(jīng)幫了他無數(shù)次。

“你當(dāng)然也可以到外面的工廠去做，但那樣的話，你能拿到的只是你單子上列的東西，而且沒有太多反饋?！辟M(fèi)德查克說。例如，如果科學(xué)家在繪圖上犯了錯誤，或者想要根據(jù)新信息修改設(shè)計，那么外包就不能方便地糾正問題或變更設(shè)計，這可能會減慢研究進(jìn)度，增加成本。

“他們在這里是非常有用的?！辟M(fèi)德查克指著廠里的工人們說，“能夠和他們面對面交談，非常棒！”

喬恩·普拉特——機(jī)械工程師兼量子測量部門主管，對NIST機(jī)械加工廠及其開展的工作也給予了很多贊譽(yù)。過去幾年，普拉特的主要工作是設(shè)計一種新的、改進(jìn)的Kibble平衡器（以前稱瓦特平衡器）實現(xiàn)對千克單位的精準(zhǔn)計量。這項工作涉及到一系列無比復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，最終的成果將影響美國以及世界各地對千克的計量工作。很多人不知道的是，20年前普拉特以博士后身份進(jìn)入NIST后的第一份工作，就是在實驗工廠進(jìn)行制造方面的研究。

這個經(jīng)歷讓他更加了解并欣賞動手修理和制作東西的價值，也讓他獲得了一種寶貴的直覺——如何把那些零部件裝在一起制作出精密儀器所需的直覺。畢竟，要想獲得最佳的Kibble平衡器需要十多年的不斷調(diào)整、修正和重新配置。

“在我的研究領(lǐng)域，非常需要那些能夠制造出令人驚嘆的零部件的工匠?！逼绽匮a(bǔ)充道。多年來，他在實驗工廠里度過了無數(shù)歲月，與研究團(tuán)隊一起仔細(xì)查看每一個部件的細(xì)節(jié)，看著它們被全部制成并組裝在一起。

普拉特說，他一直不愿采用外包的方式。“如果你一遍又一遍地做同樣的東西，采用外包這種方式很好。但是我們在這里做的是定制的東西——要求是世界上最高的，而且你真的會要求技師做一些與眾不同的事情，因為以前從來沒有人看到過，也沒有人想到過應(yīng)該怎么做?！逼绽卣f，“對于這樣的工作，如果你能讓技師們坐在桌子旁邊不斷討論，它會更好。”

NIST中子研究中心（NCNR）的工程師兼研究員科林·雷恩表示，工廠非常關(guān)注完成中心客戶委托的各種任務(wù)。NCNR的工作任務(wù)非常多樣化，這一周，他們可能要為一家大型汽車公司測試新的螺旋彈簧組件；而到了下一周，他們可能又要幫助測評大爆炸理論，或者測試藥物對人體脂肪細(xì)胞反應(yīng)的方式。盡管在大多數(shù)時候，研究人員可以自行設(shè)計出各種任務(wù)所需的零部件的圖紙和CAD模型，但是工廠的師傅們會給出很重要的反饋——這個零件能否按設(shè)計制造出來。

一位工程師可以“在CAD上做出很出色的設(shè)計，但這并不意味著他們可以使它有效?！崩锥髡f，“這些設(shè)計可能僅僅是漂亮的照片?！倍趯嶒灩S里，技師通常可以很快告訴你，設(shè)計的哪些零件是不能組裝在一起的?！皬S里的師傅是問題的快速解決者?！彼a(bǔ)充道。

“我們是一個客戶導(dǎo)向的機(jī)構(gòu)。”雷恩說，許多NIST之外的客戶來此進(jìn)行特殊的測試?！斑@家工廠留在這里至關(guān)重要。沒有他們，我們的競爭力將受到嚴(yán)重影響?！?/p>

當(dāng)然，也有人認(rèn)為3D打印和增材制造可能會使該工廠有一天變得過時，但廠里的負(fù)責(zé)人預(yù)計，他們絕不會被完全取而代之——雖然他們也在越來越多地與增材制造實驗室（ADML）聯(lián)合開展工作。

“現(xiàn)在，人們經(jīng)常會拿著他們在3D塑料打印機(jī)上制作的零件，想讓我們用金屬來制作它。”雷克說。

而路斯則認(rèn)為，客戶最終仍需要能夠進(jìn)行測試和實驗的功能性金屬零部件。

當(dāng)被問到最喜歡這項工作的哪一點(diǎn)時，盧斯和雷克的回答又快又一致：多樣性。

“門外每天有新的東西。”盧斯說，“有時候，我們只能看到或參與其中的一部分。但說不定半年后，你可能突然發(fā)現(xiàn)自己的工作幫助了某個設(shè)備的成功開發(fā)。依托這套設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)，將改變一項技術(shù)發(fā)展方向。這是我們的工作令人激動的一點(diǎn)?！?/p>

“我們是NIST的一部分，和在這里工作的所有其他人一樣?！?/p>