Jsem nadšený, že tu dnes večer můžu být, abych se s vámi podělil o něco, na čem jsme pracovali přes 2 roky a co se týká oblasti aditivní výroby, která je jinak známá jako 3D tisk.
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.
Vidíte zde tento předmět. Vypadá poměrně jednoduše, ale současně je docela komplikovaný. Je to soustava soustředných geodetických struktur, které jsou mezi sebou propojeny. V takové podobě je předmět tradičními výrobními technikami nevyrobitelný. Má takovou symetrii, že se nedá vstřikovat do formy. Dokonce se nedá ani vyfrézovat. Je to práce pro 3D tiskárnu. Ale většině 3D tiskáren by výroba trvala od 3 do 10 hodin a my to dnes večer riskneme a zkusíme ho vyrobit na jevišti během 10minutové přednášky. Držte nám palce.
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.
3D tisk je vlastně nevhodné pojmenování. Jde v podstatě o opakovaný 2D tisk a používá vlastně technologie spojované s 2D tiskem. Představte si tisk inkoustem, kde nanášíte inkoust na stránku, aby vytvořil písmena a jak to pak děláte pořád dokola, abyste vystavěli trojrozměrný objekt. V mikroelektronice k tomu samému účelu používají něco, čemu se říká litografie, na výrobu tranzistorů a integrovaných obvodů a několikeré nanášení struktury. To všechno jsou technologie 2D tisku.
Now, 3D printing is actually a misnomer. 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.
Já jsem chemik a také materiálový vědec a mí spoluobjevitelé jsou také materiáloví vědci, jeden je chemik, jeden fyzik a 3D tisk nás začal zajímat. Velmi často, jak sami víte, vzniknou nové nápady jednoduchým spojením různorodých zkušeností lidí z odlišných komunit a to je i náš příběh.
Now, I'm a chemist, a material scientist too, 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.
U T-1000 jsme se inspirovali scénou z filmu „Terminátor 2“ a přemýšleli jsme: proč by 3D tiskárna také nemohla pracovat tímto způsobem, kdy objekt vyvstane z louže a v podstatě v reálném čase a bez jakýchkoliv ztrát vytvoří úžasnou věc? Fajn, zrovna jako ve filmu. A proč bychom se nemohli nechat inspirovat Hollywoodem a přijít s postupem, kterým vlastně otestujeme, jestli to funguje? To pro nás byla výzva. A náš přístup k věci by, pokud by se nám to podařilo, mohl v podstatě vyřešit tři problémy, které 3D tisku brání, aby se stal výrobním procesem.
Now, we were inspired 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.
Za prvé, 3D tisk trvá věčnost. To už houby rostou rychleji, než díly tištěné pomocí 3D. (Smích) Natištění jedné vrstvy na druhou vede k narušení mechanických vlastností a nepřerušovaným tiskem bychom mohli tyto defekty eliminovat. A kdybychom dokázali tisknout opravdu rychle, mohli bychom použít samovytvrzovací materiály a dosáhnout úžasných vlastností. Pokud by se nám v tomhle podařilo napodobit Hollywood, byla by tím vyřešena i 3D výroba.
One, 3D printing takes forever. 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.
Náš přístup spočívá ve využití běžných znalostí z polymerové chemie, ve spřažení práce světla a kyslíku, aby součásti vyrůstaly kontinuálně. Světlo a kyslík fungují rozdílným způsobem. Světlo dokáže přeměnit pryskyřici na pevnou hmotu, tekutinu na pevnou látku. Kyslík tento proces zpomaluje. Takže světlo a kyslík tvoří z pohledu chemie vzájemné protipóly, a pokud je dokážeme směrovat v prostoru, mohli bychom tento proces řídit. Říkáme tomu CLIP. [Kontinuální výroba v tekutém rozhraní] Skládá se ze tří funkčních komponent. Za prvé je to nádrž, ve které je tavenina, zrovna jako u T-1000. Na spodu nádrže je speciální okno. Ještě se k němu vrátím. Kromě toho tu máme rampu, která sestupuje do taveniny a vytáhne předmět z tekutiny. Třetí komponentou je systém digitální projekce světla, který je umístěný pod nádrží a který vyzařuje světlo v ultrafialovém pásmu.
Our approach is to use some standard knowledge in polymer chemistry 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.
Klíčové je okno vespod této nádrže, je to velmi speciální okno, které je vyrobené z kompozitu. Nejenom že je průchozí pro světlo, ale propouští i kyslík. Má vlastnosti kontaktní čočky. Podívejme se, jak celý proces funguje. Bude to patrné, jakmile rampu ponoříte dovnitř. U tradičního procesu, kde okno nepropouští kyslík, vyrobíte dvojrozměrný vzor a ten vám zůstane nalepený na okně, tedy u tradičního okna, a když chcete začít s další vrstvou, musíte tu starou oddělit, nanést novou pryskyřici a vrátit se a opakovat tento proces stále dokola. Ale s naším speciálním oknem jsme schopni zařídit, aby kyslík procházející spodem utlumil světlem aktivovanou reakci, a tím dostaneme mrtvou zónu. Ta má tloušťku v řádu desítek mikronů, to jsou dva nebo tři průměry červené krvinky, je přímo v rozhraní okna a zůstává tekutá. Vytáhneme objekt nahoru a tak jak jsme o tom mluvili v časopise Science, nastavením obsahu kyslíku měníme tloušťku mrtvé zóny. Máme tak spoustu klíčových proměnných, které ovlivňujeme: množství kyslíku, světlo, intenzitu světla, vytvrzovací dávku, viskozitu, geometrii a k řízení tohoto procesu používáme velmi sofistikovaný software.
Now, the key is that this window in the bottom of this reservoir, it's a composite, it's a very special window. 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.
Výsledek je ohromující. Tisk je 25 až 100krát rychlejší než u tradičních 3D tiskáren, což zcela mění situaci v oboru. Navíc podle toho, jak jsme schopni přivádět kapalinu do rozhraní, věřím, že dokážeme být tisíckrát rychlejší, což by vlastně znamenalo velkou produkci tepla a já jako chemik-technolog přenosy tepla zbožňuji, stejně jako pomyšlení, že možná jednou budeme tiskárny chladit vodou, protože budou tak rychlé. A navíc, protože my věci necháváme vyrůstat, nemáme žádné vrstvy a součástky jsou jednolité. Strukturu na jejich povrchu nerozeznáte. Povrch je molekulárně hladký. Mechanické vlastnosti většiny součástí vyrobených na 3D tiskárně jsou pověstné svými vlastnostmi, které jsou závislé na směru, kterým jste je vytiskli, kvůli vrstevnaté struktuře. Ale když necháte předměty vyrůstat, vlastnosti na směru nezávisí. Vypadají jako součásti vstřikované do forem, úplně jinak než při tradiční 3D výrobě. Navíc se do toho můžeme pustit s celou učebnicí o polymerové chemii a navrhnout chemické složení, které umožní dosáhnout vlastností, jaké si jen u tištěných 3D objektů budete přát.
The result is pretty staggering. It's 25 to 100 times faster than traditional 3D printers, which is game-changing. 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.
(Potlesk)
(Applause)
Je to tam. To je skvělé. Vždycky riskujete, že vám taková věc při předvádění nezafunguje, že?
There it is. That's great. You always take the risk that something like this won't work onstage, right?
Ale my máme materiály se skvělými mechanickými vlastnostmi. Poprvé v historii můžeme použít elastomery s vysokou pružností nebo tlumením. Představte si například tlumení vibrací nebo skvělé tenisky. Vyrábíme materiály, které jsou neuvěřitelně pevné, mají vysoký poměr pevnosti a hmotnosti, jsou to opravdu pevné materiály, opravdu skvělé elastomery, hoďte si tímhle tam v hledišti. Takže skvělé vlastnosti materiálu.
But we can have materials with great mechanical properties. For the first time, we can have elastomers that are high elasticity or high dampening. 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.
Představte si tu možnost vyrobit součástku, která má finální vlastnosti, a udělat to dosud nevídanou rychlostí, můžete tím vlastně změnit průmyslovou výrobu. Právě teď je ve výrobě trendem takzvané digitální vlákno v procesu digitální výroby. Vycházíme od CAD výkresu, což je návrh, přes prototyp, až k výrobě. Často se digitální vlákno přeruší hned při výrobě prototypu, jelikož si nemůžete dovolit to samé, co při výrobě, protože většina součástí nemá vlastnosti hotových výrobků. My teď dokážeme spojit celý proces v digitálním vlákně bez přerušení, od návrhu přes prototyp až k výrobě a tahle možnost opravdu zpřístupňuje celou řadu věcí, od aut s menší spotřebou díky skvělým konstrukčním vlastnostem s vysokým poměrem pevnosti a hmotnosti, nové lopatky pro turbíny, celou řadu nádherných věcí.
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, 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.
Představte si, kdybyste v nouzové situaci potřebovali nitrožilní výztuž, jinou než tu, kterou doktor vytáhne z police a která má standardní rozměry. Výztuž navrženou pro vás, podle vaší vlastní anatomie, vašeho krevního řečiště, vytištěnou v naléhavém případě v reálném čase a s takovými vlastnostmi, že se vám po 18 měsících vstřebá: to je opravdu převratné. Nebo digitální zubní lékařství a výrobu podobných věcí, zatímco vy ještě sedíte v křesle. A podívejte se, co vyrábí moji studenti na Státní univerzitě v Severní Karolíně. Tohle jsou úžasné mikrostruktury.
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, 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.
Víte, celosvětově jsme opravdu dobří v nanovýrobě. Moorův zákon řídí věci od 10 mikronů níže. V tomhle jsme opravdu dobří, ale je vlastně velmi obtížné vyrobit věci v rozmezí od 10 do 1 000 mikronů, tedy středně velkých. Ani subtraktivní techniky z křemíkového průmyslu to moc dobře udělat nedokážou. Neumí tak dobře vyleptat wafery. Ale tenhle proces je tak jemný, že můžeme nechat vyrůstat tyhle předměty odzdola použitím aditivní výroby, vyrábět úžasné věci za desítky sekund a otevřít nové možnosti pro technologie senzorů, nové technologie podávání léků, nové „lab-on-a-chip“ aplikace, opravdu přelomové věci.
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, 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.
Možnost vyrábět v reálném čase věci, které mají vlastnosti hotových součástí, opravdu otevírá dveře pro 3D výrobu a my jsme tím velmi nadšení, protože je to opravdové vítězství propojení hardware, software a molekulárních věd a já už se nemůžu dočkat, až uvidím, co návrháři a technici z celého světa s tímto skvělým nástrojem dokážou udělat.
So the opportunity of making a part in real time that has the properties to be a final part really opens up 3D manufacturing, 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.
Díky za pozornost. (Potlesk)
Thanks for listening. (Applause)