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.
Me ilusiona estar aquí esta noche compartiendo algo en lo que estamos trabajando desde hace dos años, algo del campo de la fabricación por adición, también conocida como impresión 3D. Vean este objeto.
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.
Parece bastante sencillo, pero es muy complejo a la vez. Es un conjunto de estructuras geodésicas concéntricas con conexiones entre cada una. En su contexto, no se puede fabricar con técnicas tradicionales de manufactura. Tiene una simetría tal que no se puede moldear por inyección. No se puede fabricar por fresado. Es un trabajo para una impresora 3D, pero la mayoría de las impresoras 3D gastarían de 3 a 10 horas fabricándolo. Nosotros vamos a arriesgarnos a fabricarlo en el escenario esta noche durante esta charla de diez minutos. Deséennos suerte.
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.
La impresión 3D es, en realidad, un nombre inapropiado. Es, en realidad, impresión en 2D una sobre otra, y se usan, de hecho, tecnologías asociadas con la impresión 2D. Piensen en la impresión de inyección, donde se pone tinta en un hoja para hacer letras, y luego se hace lo mismo una y otra vez para construir un objeto tridimensional. En microelectrónica se usa algo llamado litografía para hacer lo mismo, para hacer transistores y circuitos integrados y construir una estructura varias veces. Esas son todas tecnologías de impresión en 2D.
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.
Ahora bien, soy químico y científico de materiales, y mis co-inventores son también científicos de materiales, químico el uno, físico el otro, y nos empezamos a interesar en la impresión 3D. Es bien sabido que, muchas veces, la ideas nuevas son simples conexiones entre personas de comunidades diferentes con experiencias diferentes, y ese es nuestro caso.
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.
Fuimos inspirados por la escena del T-1000 de "Terminator 2", que nos llevó a preguntamos, ¿por qué una impresora 3D no podría operar de esta forma, haciendo que un objeto emergiera de un charco, en esencia, en tiempo real y, esencialmente, con cero desperdicio para hacer un objeto grande? Si, exactamente como en la película. ¿Podríamos, inspirados en Hollywood, encontrar formas de hacer que esto realmente funcionara? Y ese fue nuestro reto. Nuestro enfoque sería, si pudiéramos hacer esto, podríamos, en lo fundamental, resolver los tres problemas que no dejan que la impresión 3D se convierta en un proceso de manufactura.
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.
Uno: la impresión 3D dura una eternidad. Hay hongos que crecen más rápido que las partes impresas en 3D. (Risas) El proceso, capa por capa, produce defectos en las propiedades mecánicas, y si pudiéramos proceder de forma continua podríamos eliminar estos defectos. Y si pudiéramos proceder más rápido, podríamos, de hecho, empezar a usar materiales de autocurado y tener propiedades sorprendentes. Si pudiéramos sacar esto adelante, imitar a Hollywood, podríamos, de hecho, encarar la manufactura 3D.
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.
Nuestro enfoque es usar conocimientos estándar de la química de polímeros para aprovechar la luz y el oxígeno en la fabricación continua de partes. La luz y el oxígeno funcionan de manera diferente. La luz puede tomar una resina y convertirla en un sólido, puede convertir un líquido en sólido. El oxígeno inhibe ese proceso. Así que la luz y el oxígeno están en polos opuestos desde el punto de vista químico, y si pudiéramos controlar en el espacio la luz y el oxígeno, podríamos controlar este proceso. Nos referimos a esto como Interfaz de Producción Líquida Continua, CLIP, su sigla en inglés. Tiene tres componentes funcionales. Uno, un tanque que contiene el charco como el del T-1000. En el fondo del tanque hay una ventana especial, volveré a eso luego. Tiene además, una plataforma que descenderá dentro del charco y sacará el objeto del líquido. El tercer componente es un sistema de proyección de luz digital que va debajo del tanque que ilumina con luz ultravioleta.
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.
La clave es que esta ventana en el fondo del tanque, es un compuesto, es una ventana muy especial. No solo es transparente a la luz, sino que es permeable al oxígeno. Tiene características de lente de contacto. Así que podemos ver cómo funciona el proceso. Empiecen notando que si se hace descender una plataforma allí en un proceso tradicional, con una ventana impermeable al oxígeno, se hace un patrón de dos dimensiones que termina pegándose en la ventana, en el caso de una ventana tradicional, y para colocar la siguiente capa, se tiene que separar aquello, poner más resina, reposicionar las cosas y hacer este proceso una y otra vez. Pero con nuestra ventana especial, somos capaces de hacer que el oxígeno que pasa por el fondo mientras la luz actúa, inhiba la reacción y se forme una zona muerta. Esta zona muerta tiene unas decenas de micras de espesor, dos o tres veces el diámetro de un glóbulo rojo, justo en la ventana de la interfaz que se conserva líquida, y hacemos que se levante este objeto, y como lo mencionamos en un artículo en Science, cambiando el contenido de oxígeno, cambiamos el grosor de la zona muerta. Y así tenemos una serie de variables que podemos controlar: el contenido de oxígeno, la luz, la intensidad de la luz, la dosis a curar, la viscosidad, la geometría, y usamos software muy sofisticado para controlar este proceso.
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.
El resultado es realmente asombroso. Es de 25 a 100 veces más rápido que las impresoras 3D tradicionales, lo cual es revolucionario. Además, en cuanto a nuestra capacidad para suministrarle líquido a la interfaz, podemos ir 1000 veces más rápido, creo. Y esto nos da la oportunidad de generar una gran cantidad de calor, y como ingeniero químico, me emociona la transferencia de calor y la idea de que un día podamos tener impresoras 3D enfriadas con agua, por lo que van muy rápido. Además, como estamos haciendo que las cosas crezcan, eliminamos las capas y las partes son monolíticas. No se ve la estructura de la superficie. Se tienen superficies molecularmente lisas. La mayoría de partes que se hacen en una impresora 3D, se reconocen porque tienen propiedades mecánicas que dependen de la orientación con que se imprimieron, debido a la estructura como de capas. Pero cuando sacamos objetos de esta forma, las propiedades no varían con la dirección de impresión. Parecen partes moldeadas por inyección, lo cual es muy diferente de la fabricación en 3D tradicional. Además, estamos en capacidad de añadirle todo el libro de química de polímeros, y estamos en capacidad de diseñar químicas que le den nacimiento a las propiedades que hemos querido tener en objetos impresos a 3D. (Aplausos)
(Applause)
Ahí está.
There it is. That's great. You always take the risk that something like this won't work onstage, right?
Es grandioso. (Aplausos) Siempre se corre el riesgo de que algo así no funcione en el escenario, ¿verdad?
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.
Podemos tener materiales con propiedades mecánicas geniales. Por primera vez, podemos tener elastómeros altamente elásticos o que realmente amortigüen. Por ejemplo, para el control de vibración o para zapatillas especiales. Podemos hacer materiales que tengan una fuerza increíble, de una alta relación resistencia-peso, materiales realmente fuertes, elastómeros realmente grandiosos. Lancémosle esto al auditorio. Materiales con propiedades extraordinarias.
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.
La oportunidad que se crea ahora es, si en verdad se hacen partes que tengan propiedades de acabado final y se hacen a velocidades innovadoras, la de poder transformar la manufactura. Lo que sucede hoy día en la manufactura, es el así llamado hilo digital. En la manufactura digital, se va del diseño asistido por computador, CAD, su sigla en inglés, a un prototipo y de este a la manufactura. Con frecuencia, el hilo digital se rompe en el prototipo porque no se puede pasar a la fabricación, pues la mayoría de las partes no tienen propiedades de acabado final. Ahora podemos conectar el hilo digital hasta el final, del diseño al prototipo y del prototipo a la fabricación, y esa oportunidad realmente nos abre a toda suerte de cosas, desde carros más eficientes en el consumo de combustible, por las propiedades de la estructura reticular con una alta relación peso-resistencia,
a nuevas hojas de turbinas, toda clase de cosas maravillosas.
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.
Piensen que llegan a necesitar un 'stent' en una situación de emergencia, y que en lugar de sacar uno estándar del estante, el doctor toma uno que está diseñado para Uds., para su anatomía y sus arterias, impreso en una situación de emergencia en tiempo real con la propiedad de que puede desaparecer a los 18 meses: revolucionario en verdad. O la odontología digital y la elaboración de esas estructuras incluso mientras Uds. están en la silla del odontólogo. Miren las estructuras que mis alumnos están haciendo en la Universidad de Carolina del Norte. Son estructuras sorprendentes a micro-escala.
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.
Ya Uds. saben lo buenos que somos en el campo de la nanofrabricación. La ley de Moore ha llevado las cosas al orden de las 10 micras y menos todavía. Somos realmente buenos en eso, pero es realmente duro hacer cosas entre 10 y 1000 micras, la mesoescala. Y las técnicas sustractivas de la industria del silicón no pueden hacer esto bien. No pueden grabar obleas así de bien. Pero este proceso es tan suave, que podemos sacar estos objetos del fondo usando la fabricación aditiva y hacer cosas sorprendentes en cuestión de segundos, abriendo camino a nuevas tecnologías de sensores, nuevas técnicas para la administración de drogas, nuevas aplicaciones de laboratorio-en-un-chip,
So the opportunity of making a part in real time
cosas realmente revolucionarias.
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.
La posibilidad de hacer una parte con propiedades de acabado final en tiempo real, realmente facilita la fabricación en 3D, y para nosotros esto es muy excitante porque significa tener posesión de la intersección entre hardware, software y ciencia molecular, y no puedo esperar a ver lo que diseñadores e ingenieros alrededor del mundo van a poder hacer con esta grandiosa herramienta.
Thanks for listening.
Gracias por escuchar.
(Applause)
(Aplausos)