أنا سعيد لكوني هنا الليلة لكي اشارك معكم بعض العمل الذي نقوم به ﻷكثر من سنتين و عملي في مجال الصناعة بالأضافة و أيضا معروفة بالطباعة ثلاثية اﻷبعاد
I'm thrilled to be here tonight to share with you something we've been working on for over two years, and it's in the area of additive manufacturing, also known as 3D printing.
هل ترون هذا الشيء انه يبدو بسيطا للغاية. و لكنه في نفس الوقت معقد جدا انه مجموعة من الجيوديسيدات متحدة المركز بروابط بين كل منها. بهذه الصورة، هو غير قابل للتصنيع باساليب الصناعة التقليدية انه متماثل بحيث لا يمكنك صبها بواسطة الحقن و لا يمكنك حتى تصنيعه بواسطة التفريز هذه مهمة الطابعة ثلاثية اﻷبعاد لكن يستغرق تصنيعها من 3 الى 10 ساعات بأغلب الطابعات الثلاثية اﻷبعاد و نحن سنخاطر لتصنيعها الليلة على المسرح خلال العشر دقائق مدة هذه المحادثة تمنوا لنا الحظ حسنا، الطباعة ثلاثية الأبعاد في الحقيقه تسمية غير دقيقة
You see this object here. It looks fairly simple, but it's quite complex at the same time. It's a set of concentric geodesic structures with linkages between each one. In its context, it is not manufacturable by traditional manufacturing techniques. It has a symmetry such that you can't injection mold it. You can't even manufacture it through milling. This is a job for a 3D printer, but most 3D printers would take between three and 10 hours to fabricate it, and we're going to take the risk tonight to try to fabricate it onstage during this 10-minute talk. Wish us luck. Now, 3D printing is actually a misnomer.
انها في الحقيقة طبقات من الطباعة ثنائية الابعاد بعضها فوق بعض و هي في الحقيقة تستخدم التكنولوجيا المصاحبة للطباعة ثنائية البعد فكروا بطابعة ورق حبريه و ما نفعله هو صب الحبر على الورق لتكوين الحروف قوموا بتكرار العمليه مرارا مع وضع الطبقات بعضها على بعض لبناء شكل جسم ثلاثي الأبعاد في الالكترونيات الدقيقه انهم يستخدمون شيء يسمى ليثوجرافي لفعل اشياء بنفس هذا الاسلوب لتصنيع الترانزيستور و شرائح الدوائر المتكاملة و لتصنيع جسم لعدة مرات هذه هي كل الاساليب التكنولوجية المستخدمة في الطباعه ثنائية اﻷبعاد حسنا، أنا كيميائي، كما أنني عالم في المواد
It's actually 2D printing over and over again, and it in fact uses the technologies associated with 2D printing. Think about inkjet printing where you lay down ink on a page to make letters, and then do that over and over again to build up a three-dimensional object. In microelectronics, they use something called lithography to do the same sort of thing, to make the transistors and integrated circuits and build up a structure several times. These are all 2D printing technologies. Now, I'm a chemist, a material scientist too,
كما أن شركائي المخترعين ايضا علماء مواد أحدهم كيميائي و الآخر فيزيائي و قد بدأنا الاهتمام بالطباعة ثلاثية اﻷبعاد و غالبا كما تعلمون فان الافكار الجديده غالبا علاقات بسيطة بأناس ذوي خبرات مختلفة و من مجتمعات مختلفة و هذه هي قصتنا حسنا، لقد ألهمنا
and my co-inventors are also material scientists, one a chemist, one a physicist, and we began to be interested in 3D printing. And very often, as you know, new ideas are often simple connections between people with different experiences in different communities, and that's our story. Now, we were inspired
مشهد من فيلم ( 2 terminator) ل T-1000 و فكرنا لماذا لا يمكن لطابعة ثلاثية اﻷبعاد أن تعمل بهذه الطريقة حيث يكون لديك جسم يبرز من خلال عجين في وقت آني و بدون مخلّفات لصنع أشياء عظيمة ؟ حسنا تماما مثل الأفلام و هل يمكن ان تلهمنا هوليوود و نصل لطريقه لتنفيذ هذا العمل؟ و كان هذا هو تحدينا و كانت مقاربتنا أننا لو استطعنا عمل هذا اذن فيمكننا وضع الاعتبارات الثلاثة الرئيسيه التي تمنع الطباعه ثلاثية الأبعاد من أن تصبح عملية صناعية أولا، الطباعة ثلاثية الأبعاد تأخذ وقتا طويلا
by the "Terminator 2" scene for T-1000, and we thought, why couldn't a 3D printer operate in this fashion, where you have an object arise out of a puddle in essentially real time with essentially no waste to make a great object? Okay, just like the movies. And could we be inspired by Hollywood and come up with ways to actually try to get this to work? And that was our challenge. And our approach would be, if we could do this, then we could fundamentally address the three issues holding back 3D printing from being a manufacturing process. One, 3D printing takes forever.
فهناك عش غراب ينمو أسرع من أجزاء مطبوعة بثلاثية الأبعاد. (ضحك) استخدام عمليه التصنيع طبقة فوق طبقة تقود الى تشوه في الخواص الميكانيكية و لو أستطعنا أن ننتج الأجزاء بشكل مستمر فأنه يمكننا تلافي هذه التشوهات و لو استطعنا أن ننتجها حقا بسرعة ، فانه يمكننا البدء باستخدام مواد ذاتية المعالجة، و عليه يمكننا الحصول على خصائص مذهله. لذلك لو استطعنا سحب هذا الشئ خارجا، بشكل يحاكي هوليوود، فأنه يمكننا في الحقيقه نباشر التصنيع ثلاثي الأبعاد. طريقتنا هي استخدام بعض المعرفة الأولية في كيمياء البوليمرات
There are mushrooms that grow faster than 3D printed parts. (Laughter) The layer by layer process leads to defects in mechanical properties, and if we could grow continuously, we could eliminate those defects. And in fact, if we could grow really fast, we could also start using materials that are self-curing, and we could have amazing properties. So if we could pull this off, imitate Hollywood, we could in fact address 3D manufacturing. Our approach is to use some standard knowledge in polymer chemistry
لجمع الضوء مع الاكسجين لانتاج أشياء بشكل مستمر. الضوء و الأكسجين يعملان بطريقتين مختلفتين. الضوء يستطيع أن يأخذ مادة راتنجية (صمغية) و يحولها لماده صلبة، و يستطيع تحويل سائل الى صلب، و الأكسجين يثبط هذه العملية. لذلك فالضوء و الأكسجين على طرفي نقيض. من وجهه نظر الكيمياء، و لو استطعنا التحكم مكانيا في الضوء و اﻷكسجين، فانه يمكننا التحكم في هذه العميله. و نحن نشير الى هذا ب .CLIP ( الانتاج المستمر لسطح بيني سائل). و هو يحتوي على ثلاث مكونات وظيفية. أولا، يحتوى على وعلء للعجين، تماما مثل T-1000. في قاع هذا الوعاء توجد نافذة خاصة. و سأعود اليها لاحقا. بالاضافة الى ذلك، فهي تحتوي على درجه تنخفض في هذا العجين و تسحب الجسم خارج السائل. أما المكون الثالث فهو نظام اسقاط ضوئي رقمي تحت الخزان، يتوهج بضوء فوق بنفسجي. و الآن، أهم جزء وهو النافذة الموجودة أسفل الوعاء، انها مركبه، انها نافذة خاصة جدا.
to harness light and oxygen to grow parts continuously. Light and oxygen work in different ways. Light can take a resin and convert it to a solid, can convert a liquid to a solid. Oxygen inhibits that process. So light and oxygen are polar opposites from one another from a chemical point of view, and if we can control spatially the light and oxygen, we could control this process. And we refer to this as CLIP. [Continuous Liquid Interface Production.] It has three functional components. One, it has a reservoir that holds the puddle, just like the T-1000. At the bottom of the reservoir is a special window. I'll come back to that. In addition, it has a stage that will lower into the puddle and pull the object out of the liquid. The third component is a digital light projection system underneath the reservoir, illuminating with light in the ultraviolet region. Now, the key is that this window in the bottom of this reservoir, it's a composite, it's a very special window.
انها ليست فقط شفافه لعبور الضوء و لكنها نافذه أيضا للأكسجين. ان لها خصائص مثل عدسات النظر. اذن نستطيع رؤيه كيف تعمل هذه الطريقة تستطيعون الآن رؤيه أنه مع خفض الدرجه هناك في عمليه تقليدية، مع نافذه منفذه للأكسجين، يمكنكم عمل شكل ثنائي اﻷبعاد و تنتهون بلصق هذا على النافذه بنافذه عادية و هكذا لانتاج الطبقه التالية، يجب عليكم فصلها، انتاج الراتينج الجديد، أعيدوها، و كرروا هذه العمليه مرات و مرات. و لكم باستخدام نافذه خاصه جدا، ما يمكننا فعله، مع الأكسجين القادم من القاع عندما يقع عليه الضوء، فان الأكسجين يثبط التفاعل، و نكون منطقة ميتة. هذه المنطقة الميتة سُمكها عدة عشرات من الميكرون متر. هذا حوالي مرتان الى ثلاث أضعاف قطر كرات الدم الحمراء، تماما عند سطح النافذه يبقى العجسن سائلا، و نحن نسحب هذا الجسم لأعلى، و كما تحدثنا عمه في بحث علمي، كلما استطعنا تغيير كميه الأكسجين، كلما استطعنا تغيير سُمك الطبقة الميتة. اذن لدينا عدة متغيرات رئيسيه نستطيع التحكم بها: كميه اﻷكسجين، الضوء، شده الضوء، الجرعة المعالجه، اللزوجه، الشكل الهندسي، و نستخدم برنامج معقد جدا للتحكم في هذه العملية. النتيجه مذهله جدا. انها أسرع ب 25 الى 100 مرة من الطابعات ثلاثيه اﻷبعاد التقليدية، و هذا تغيير في قواعد اللعبه.
It's not only transparent to light but it's permeable to oxygen. It's got characteristics like a contact lens. So we can see how the process works. You can start to see that as you lower a stage in there, in a traditional process, with an oxygen-impermeable window, you make a two-dimensional pattern and you end up gluing that onto the window with a traditional window, and so in order to introduce the next layer, you have to separate it, introduce new resin, reposition it, and do this process over and over again. But with our very special window, what we're able to do is, with oxygen coming through the bottom as light hits it, that oxygen inhibits the reaction, and we form a dead zone. This dead zone is on the order of tens of microns thick, so that's two or three diameters of a red blood cell, right at the window interface that remains a liquid, and we pull this object up, and as we talked about in a Science paper, as we change the oxygen content, we can change the dead zone thickness. And so we have a number of key variables that we control: oxygen content, the light, the light intensity, the dose to cure, the viscosity, the geometry, and we use very sophisticated software to control this process. The result is pretty staggering. It's 25 to 100 times faster than traditional 3D printers, which is game-changing.
بالاضافه الى ذلك. كلما زادت قدرتنا على دفع السائل للمنطقه الفاصلة، نستطيع الوصول الى 1000 مرة أسرع حسبما أعتقد، و هذا في الحقيقه يعطي فرصة لانتاج كميه كبيره من الحرارة، و ﻷنني مهندس كيميائي فاني مهتم جدا بانتقال الحراره و الفكره أنه من المحتمل أن نمتلك طابعه ثلاثية اﻷبعاد تبرد بالماء يوم ما، لأنها سوف تعمل بشكل سريع جدا. بالاضافه الى ذلك، و ﻷننا ننتج أجسام فنحن نلغي الفواصل الطبقية، لتصبح اﻷجزاء متجانسه و متحدة فأنتم لا تستطيعون رؤيه اﻷسطح. فلديكم أسطح متجانسه على مستوى الجزيئات. و الخصائص الميكانيكيه لأغلب الأجزاء المصنوعة بالطابعه ثلاثية اﻷبعاد موسومة بأن خصائصها تعتمد على الاتجاه الذي تقوم بطباعتها عليه، بفعل البناء الطبقي. و لكن عند انتاج اجزاء بهذه الطريقة، فان الخصائص لا تعتمد على اتجاه الطباعة. فهذا يبدو مثل اﻷجزاء المصنوعه بالصب. المختلف كليا عن الطباعه ثلاثية اﻷبعاد التقليدية. اضافة، نحن نستطيع الاستغناء عن كتاب كيمياء البوليمرات، و نستطيع تصميم طرق كيميائية تستطيع تحسين الخواص التي تريدها فعلا للطباعة ثلاثية الأبعاد. (تصفيق) هذه هي. هذا عظيم. أنت دائما تخاطر بأن شيء كهذا قد لا يعمل على المسرح، صحيح؟
In addition, as our ability to deliver liquid to that interface, we can go 1,000 times faster I believe, and that in fact opens up the opportunity for generating a lot of heat, and as a chemical engineer, I get very excited at heat transfer and the idea that we might one day have water-cooled 3D printers, because they're going so fast. In addition, because we're growing things, we eliminate the layers, and the parts are monolithic. You don't see the surface structure. You have molecularly smooth surfaces. And the mechanical properties of most parts made in a 3D printer are notorious for having properties that depend on the orientation with which how you printed it, because of the layer-like structure. But when you grow objects like this, the properties are invariant with the print direction. These look like injection-molded parts, which is very different than traditional 3D manufacturing. In addition, we're able to throw the entire polymer chemistry textbook at this, and we're able to design chemistries that can give rise to the properties you really want in a 3D-printed object. (Applause) There it is. That's great. You always take the risk that something like this won't work onstage, right?
و لكننا نستطيع الحصول على مواد بخصائص ميكانيكية عظيمة.
But we can have materials with great mechanical properties.
للمره اﻷولى، من الممكن ان يكون لدينا لدائن مرنة جدا أو ماصّة جيدة للصدمات.
For the first time, we can have elastomers that are high elasticity or high dampening.
فكروا بالتحكم في الاهتزازات أو أحذية رياضيه عظيمة، على سبيل المثال. من الممكن تصنيع مواد لها صلابة هائلة، صلابة عالية لكل وحده وزن، مواد قوية حقا، لدائن عظيمة حقا، اذن أقذف هذا للمستمعين هناك. خواص عظيمة للمواد. و كذلك الفرصه الآن، لو قمنا تصنيع جسم له خصائص تصلح لمنتج نهائي، و أنت تفعل ذلك بسرعات مختلفة،
Think about vibration control or great sneakers, for example. We can make materials that have incredible strength, high strength-to-weight ratio, really strong materials, really great elastomers, so throw that in the audience there. So great material properties. And so the opportunity now, if you actually make a part that has the properties to be a final part, and you do it in game-changing speeds,
يمكنك فعلا تغيير التصنيع. حاليا، في التصنيع، ما يحدث هو، ما يسمى بالخيط الرقمي في الصناعة الرقمية. فنحن نستطيع البدء من رسم بالكومبيوتر، تصميم نموذج للتصنيع. عادة تنقطع الخيوط عند مرحله النمذجة، لأنك لا تستطيع المرور بكل الطريق نحو التصنيع ﻷن معظم الشياء لا تملك الخصائص التي تمكنها من جعلها منتج نهائي. يمكننا الآن ربط الخيوط الرقمية على طول الطريق من التصميم الى النمذجة الى التصنيع. و هذه الفرصة حقا تفتح المجال لكل انواع الأشياء، من سيارات أكفأ في استخدام الوقود تتعامل مع خصائص شعرية عظيمة بمقدار عالي من نسبة القوة الى الوزن، ريش محركات جديدة، كل اﻷشياء الرائعه. فكروا لو أنكم تحتاجون دعامة في موقف طارئ، فبدلا من أن يقوم الطبيب بأخة دعامة من على الرف حيث هناك أحجام قياسية فقط،
you can actually transform manufacturing. Right now, in manufacturing, what happens is, the so-called digital thread in digital manufacturing. We go from a CAD drawing, a design, to a prototype to manufacturing. Often, the digital thread is broken right at prototype, because you can't go all the way to manufacturing because most parts don't have the properties to be a final part. We now can connect the digital thread all the way from design to prototyping to manufacturing, and that opportunity really opens up all sorts of things, from better fuel-efficient cars dealing with great lattice properties with high strength-to-weight ratio, new turbine blades, all sorts of wonderful things. Think about if you need a stent in an emergency situation, instead of the doctor pulling off a stent out of the shelf that was just standard sizes,
ستحصل على دعامه ممصمة لك، طبقا لتشريح جسدك باستخدام أجزاء من جسدك، الطباعة في المواقف الطارئة في وقت آني و يمكن لهذه الدعامة أن تخرج بعد 18 شهرا فعلا تغيير في قواعد اللعبة. أو في طب اﻷسنان الرقمي هذا النوع من التركيبات حتى أثناء جلوسك على كرسي طبيب اﻷسنان. و تنظر الى التركيبات التي قد يصنعها طلابي في جامعة كارولينا الشمالية. هذه تركيبات دقيقة رائعة. تعلمون، العالم حقا جيد التصنيع الدقيق جدا (النانو). قانون مور أثبت أشياء من 10 ميكرون و أقل. حقا نحن جيدين في هذا،
having a stent that's designed for you, for your own anatomy with your own tributaries, printed in an emergency situation in real time out of the properties such that the stent could go away after 18 months: really-game changing. Or digital dentistry, and making these kinds of structures even while you're in the dentist chair. And look at the structures that my students are making at the University of North Carolina. These are amazing microscale structures. You know, the world is really good at nano-fabrication. Moore's Law has driven things from 10 microns and below. We're really good at that,
و لكن في الواقع فأنه من الصعب جدا صنع أشياء من 10 الى 1000 ميكرون، في مقياس الميزو. و طرق الكشط من صناعة السيليكون لا تستطيع عمل هذا بشكل جيد. انها لا تستطيع حفر الرقائق جيدا. و لكن هذه الطريقة نستطيع انبات هذه الأجزاء من القاع الى اعلى باستخدام الصناعة بالاضافة. و صنع اشياء مذهلة في عشرات الثواني، تفتح عصرا جديدا في تكنولوجيا المستشعرات، طرق جديده لتوصيل اﻷدوية، تطبيقات جديده لمعمل على شريحة، حقا تغيير في قواعد اللعبة. لذلك فان فرصة صناعة أجزاء في وقت آني و لديها خصائص منتج نهائي تفتح الطريق حقا للصناعه ثلاثية البعد،
but it's actually very hard to make things from 10 microns to 1,000 microns, the mesoscale. And subtractive techniques from the silicon industry can't do that very well. They can't etch wafers that well. But this process is so gentle, we can grow these objects up from the bottom using additive manufacturing and make amazing things in tens of seconds, opening up new sensor technologies, new drug delivery techniques, new lab-on-a-chip applications, really game-changing stuff. So the opportunity of making a part in real time that has the properties to be a final part really opens up 3D manufacturing,
و بالنسبه لنا، فان هذا مثير جدا لأنه حقا يحتوي على التداخل بين العتاد ، و البرمجيات و علم الجزيئات و أنا لا استطيع الانتظار ﻷرى المصممين و المهندسين حول العالم على وشك القدره على انجاز أعمالهم بهذه الأداة. شكرا لاستماعكم. (تصفيق)
and for us, this is very exciting, because this really is owning the intersection between hardware, software and molecular science, and I can't wait to see what designers and engineers around the world are going to be able to do with this great tool. Thanks for listening. (Applause)