NIST的实验工厂：制作完美的零件

清晨，瑞克·雷克在NIST的实验工厂的例行巡视中停了下来，拿起货架上的一个零件。这个零件长约25厘米，金属质地，表面散发着紫蓝色光泽。零件顶部探出很大一块，而从上而下看，垫片、螺母和螺栓像蒸汽朋克身上的骨骼一样向外刺出。

“这是一种用于集气的歧管。”雷克解释说，每个开口都要为喷嘴提供一个附着点。不可思议的是，它那迷幻般的色彩是由一层在汽化玻璃上的不锈钢涂层“制造”形成的。该涂层正在试验阶段，作用是减少科学实验中金属层与气体混合物之间的反应。

虽然它的外观很有趣，但这个零件是失败的。“它不能把任何东西恰当地连接起来，里面每条线都堵住了。”雷克说。只在底面上进行涂层是不行的，整件作品需要重新设计。

在电影中，那些非凡的主角们，单枪匹马只要花一点点时间，灵光一闪就完成了他们的伟大发明。但在现实生活中，发明创造往往是缓慢的，并且需要大量技术人员的共同努力才能完成。虽然，我们可以通过一些诀窍或者方法推动这一进程，但最终，你仍会遇到意想不到的挑战，所以创造力、坚持和耐心都是必不可少的。毫不夸张地说，有时，你必须像上面提到的歧管这个例子那样，从零开始从头设计。

也许没有人比NIST实验工厂的人更能认同这一点。这家工厂位于马里兰州盖瑟斯堡校园的304号楼，经常为NIST的科学家提供必要的帮助，把他们的梦想变为现实。

“很多时候，他们（NIST的科学家或是工程师）进来征求我们的意见。” 这家工厂的成本估算师和协调员雷克说，“我们给他们一些反馈意见，然后让我们的设计师生成一个计算机绘图，以便使它看上去更正式。如果是一个较大的项目，那么这儿有一条基础组装线。所有的一切都是开放透明的，他们可以看到零件内部的实际情况。”

“或者，也可能是他们来找我们说‘我们要做一个实验。我们已经知道该如何去做，但需要一些帮助’。”马克·路斯补充道，他是这家工厂的负责人。

这家工厂设在一栋大小和形状都很像飞机修理棚的楼里。早上，雷克和路斯带客人参观时，刺鼻的机油味道在空气中徘徊。机械师们在数控机床前工作，盯着几块交互屏显示的工况。有的机床内，水和油的混合液像喷泉般洒在金属切割表面上用来降温。而在另外一些机床上，光亮的金属屑像厨房里刨丝器上的胡萝卜碎屑一样被刮掉。重型金属音乐、大型电机的嗡嗡声与拖拽钢管的刺啦声混合在一起，焊枪的弧光不断亮起，共同形成了一幅典型的工业场景。

在其中一台机床上，两块又厚又重的铝块装在塑料壳内，被固定到夹具上，它们的大小和形状与火鸡烤盘相似。在它们的外缘，有许多方形的小隔间，在灯光下闪闪发光，里面装着拍摄月球相位所需的电子仪器。

在另一台机床边，机械师路德·瓦葛默特站在一台电脑数控屏的前面，该机器装在冰淇淋车大小的箱子内。瓦葛默特在复杂的键盘上飞快输入指令——像钢琴家自信地弹奏心爱的钢琴那样——精心编排机器运行的内部动作。在机床内，一块长约20厘米（8英寸）的金属逐渐从矩形变成了一个带有凹槽和螺孔的形状复杂的零件。

“只要你能画出来，我们就可以把它做出来。”瓦葛默特自豪地说，他还向我们展示了这天早晨他为中子研究中心做成的另外两件作品：一个橡皮大小，另一个则大约只有邮票那么大。

有趣的是，像NIST这样的高科技机构，保有这样一家工厂已经很长时间了。在20世纪初期——当时NIST还被称为国家标准局——技师们可能是在一些铁匠的帮助下，利用第一、第二次工业革命留下的基础机床，如车床、铣床和钻床等机器完成工作。

到20世纪60年代，盖瑟斯堡向社会开放时，NIST实验工厂雇了大约50人，他们的工作包括开模、干木工活、制造仪器、吹制玻璃以及电镀等。挂在墙上的一张古老的黑白照片展示了该工厂在1966年开业前的外观。

尽管加工场里的人们至今仍然会进行一些手工铣削和车床加工，有时甚至还会使用到一些在老照片中才存在的重型车床。但目前，他们的大部分工作是通过高科技的电脑建模软件完成的。大多数现代的机械师必须获得基础制造专业的大学学位，然后才能开始正式的、为期四年的学徒培训。即使这样，已经获证的机械师要想进入NIST，还需要具有灵活性和创造性。

“我们需要非常优秀的人员，条件严苛，他们必须能够为自己的零件编程、建模并加工出来，甚至在完成后还要亲自进行检测。”雷克说。

他们的工作与那些在私营企业里使用现代化生产设施的人不同。在私营企业中，速度是最重要的。

“在私营企业中，某个人完成所有的程序设计，然后交给另一个人加载到数控机床上，按下按钮，进行加工，然后在完工后再卸载它。”雷克说。日复一日，年复一年，数以万计的产品就这样被制造出来。

而在NIST实验工厂，工作内容大不相同。他们主要开发制作原型。技师们与研究人员不断协作、商量，并从头到尾参与到一个原型产品的开发中。有时，为科学实验做出一套适合的设备就可能需要花上10年的时间，而且是只做一套。

例如，当物理学家吉姆·费德查克需要为他的冷原子真空标准的研究工作创建一个动态膨胀室时，他知道实验工厂有能力帮助他。费德查克的研究成果被用于先进制造工艺，比如制造智能手机内部小芯片上使用的半导体。自从他2003年开始在NIST工作以来，这家工厂已经帮了他无数次。

“你当然也可以到外面的工厂去做，但那样的话，你能拿到的只是你单子上列的东西，而且没有太多反馈。”费德查克说。例如，如果科学家在绘图上犯了错误，或者想要根据新信息修改设计，那么外包就不能方便地纠正问题或变更设计，这可能会减慢研究进度，增加成本。

“他们在这里是非常有用的。”费德查克指着厂里的工人们说，“能够和他们面对面交谈，非常棒！”

乔恩·普拉特——机械工程师兼量子测量部门主管，对NIST机械加工厂及其开展的工作也给予了很多赞誉。过去几年，普拉特的主要工作是设计一种新的、改进的Kibble平衡器（以前称瓦特平衡器）实现对千克单位的精准计量。这项工作涉及到一系列无比复杂的数学计算，最终的成果将影响美国以及世界各地对千克的计量工作。很多人不知道的是，20年前普拉特以博士后身份进入NIST后的第一份工作，就是在实验工厂进行制造方面的研究。

这个经历让他更加了解并欣赏动手修理和制作东西的价值，也让他获得了一种宝贵的直觉——如何把那些零部件装在一起制作出精密仪器所需的直觉。毕竟，要想获得最佳的Kibble平衡器需要十多年的不断调整、修正和重新配置。

“在我的研究领域，非常需要那些能够制造出令人惊叹的零部件的工匠。”普拉特补充道。多年来，他在实验工厂里度过了无数岁月，与研究团队一起仔细查看每一个部件的细节，看着它们被全部制成并组装在一起。

普拉特说，他一直不愿采用外包的方式。“如果你一遍又一遍地做同样的东西，采用外包这种方式很好。但是我们在这里做的是定制的东西——要求是世界上最高的，而且你真的会要求技师做一些与众不同的事情，因为以前从来没有人看到过，也没有人想到过应该怎么做。”普拉特说，“对于这样的工作，如果你能让技师们坐在桌子旁边不断讨论，它会更好。”

NIST中子研究中心（NCNR）的工程师兼研究员科林·雷恩表示，工厂非常关注完成中心客户委托的各种任务。NCNR的工作任务非常多样化，这一周，他们可能要为一家大型汽车公司测试新的螺旋弹簧组件；而到了下一周，他们可能又要帮助测评大爆炸理论，或者测试药物对人体脂肪细胞反应的方式。尽管在大多数时候，研究人员可以自行设计出各种任务所需的零部件的图纸和CAD模型，但是工厂的师傅们会给出很重要的反馈——这个零件能否按设计制造出来。

一位工程师可以“在CAD上做出很出色的设计，但这并不意味着他们可以使它有效。”雷恩说，“这些设计可能仅仅是漂亮的照片。”而在实验工厂里，技师通常可以很快告诉你，设计的哪些零件是不能组装在一起的。“厂里的师傅是问题的快速解决者。”他补充道。

“我们是一个客户导向的机构。”雷恩说，许多NIST之外的客户来此进行特殊的测试。“这家工厂留在这里至关重要。没有他们，我们的竞争力将受到严重影响。”

当然，也有人认为3D打印和增材制造可能会使该工厂有一天变得过时，但厂里的负责人预计，他们绝不会被完全取而代之——虽然他们也在越来越多地与增材制造实验室（ADML）联合开展工作。

“现在，人们经常会拿着他们在3D塑料打印机上制作的零件，想让我们用金属来制作它。”雷克说。

而路斯则认为，客户最终仍需要能够进行测试和实验的功能性金属零部件。

当被问到最喜欢这项工作的哪一点时，卢斯和雷克的回答又快又一致：多样性。

“门外每天有新的东西。”卢斯说，“有时候，我们只能看到或参与其中的一部分。但说不定半年后，你可能突然发现自己的工作帮助了某个设备的成功开发。依托这套设备制定的标准，将改变一项技术发展方向。这是我们的工作令人激动的一点。”

“我们是NIST的一部分，和在这里工作的所有其他人一样。”