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.
Je suis ravi d'être ici ce soir pour partager avec vous un projet sur lequel nous travaillons depuis plus de deux ans, dans le domaine de la fabrication additive, autrement dit, l'impression 3D.
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.
Regardez cet objet. Il paraît assez simple, mais en fait, il est assez complexe. C'est un ensemble de structures géodésiques concentriques qui sont toutes liées entre elles. Il est donc impossible de les fabriquer avec des méthodes classiques. Sa symétrie ne permet pas un moulage par injection. On ne peut pas le produire par fraisage. C'est un travail pour une imprimante 3D. Or, la plupart des imprimantes 3D nécessitent entre 3 à 10 heures pour le fabriquer. Je vais prendre le pari de le fabriquer ce soir sur le plateau pendant cette présentation de 10 minutes. Souhaitez-moi bonne chance.
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.
Le terme d'impression 3D est inapproprié. En réalité, il s'agit d'impressions 2D superposées à de nombreuses reprises. On utilise des technologies associées à l'impression 2D. Ça ressemble à une imprimante jet d'encre qui applique de l'encre pour former des lettres. En accumulant les couches, on construit un objet tridimentionnel. La microélectronique utilise un procédé similaire, la lithographie, pour fabriquer transistors, circuits intégrés, et d'autres structures en continu. Toutes ces technologies d'impression sont du 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.
Je suis chimiste, et j'étudie la science des matériaux. Mes co-inventeurs, un chimiste et un physicien, sont aussi spécialisés dans les matériaux. On s'est progressivement intéressé à l'impression 3D. Les idées neuves sont souvent le fruit de connexions simples entre des personnes avec des formations et expériences différentes. Voilà notre histoire en deux mots.
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.
Une scène de T-1000 dans Terminator 2 nous a inspirés. On a pensé qu'une imprimante 3D pourrait opérer de cette manière. Un objet s'élève d'une flaque pour créer en temps réel un objet fantastique, sans déchet. Exactement comme au cinéma. Pourquoi pas s'inspirer d'Hollywood et inventer des procédés qui rendrait ça possible ? Tel fut notre défi. Si nous y parvenions, nous souhaitions améliorer les trois obstacles qui empêchent l'impression 3D de percer en tant que processus de fabrication.
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.
D'abord, ça prend un temps fou. Certains champignons poussent plus vite que des pièces imprimées en 3D. (Rires) Le processus d'addition de couches provoque des défauts dans les propriétés mécaniques, qui peuvent être éliminés en croissance continue. Si on atteint une vitesse critique, on pourrait utiliser des matériaux auto-polymérisables avec des propriétés époustouflantes. Si on gagne notre pari, et qu'on imite vraiment Hollywood, on apportera une solution à la fabrication 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.
Notre approche est la suivante : on se base sur les connaissances usuelles de la chimie des polymères pour mettre à contribution la lumière et l'oxygène et fabriquer des pièces en continu. La lumière et l'oxygène agissent de manière différente. La lumière peut transformer une résine en un solide. Elle transforme des liquides en solides. L’oxygène inhibe ce processus. D’un point de vue chimique, la lumière et l’oxygène sont situés sur des pôles opposés. En contrôlant l’espace entre la lumière et l’oxygène, on pourrait contrôler ce processus. Nous appelons ça: IPLC. (Interface de Production Liquide Continue) Elle est articulée autours de 3 composants fonctionnels. Le réservoir qui contient la flaque, comme pour T-1000. Il y a une fenêtre spéciale au fond du réservoir. J'y reviendrai plus tard. Ensuite, il y a une plateforme qui descend dans la flaque pour en extraire l’objet. Le troisième composant est un système digital de projection de lumière, positionné en dessous du réservoir. La lumière projetée est de l’ultraviolet.
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 petite fenêtre dans le fond du réservoir est capitale. C’est une fenêtre très particulière, en composite. Elle est transparente à la lumière, et perméable à l’oxygène. Ses caractéristiques sont identiques à des verres de contact. Observons comment ça fonctionne. Sous un procédé traditionnel, avec une fenêtre imperméable à l’oxygène, on constate ceci : quand on descend la plateforme, on crée un patron bi-dimensionnel que l’on va coller sur cette fenêtre, à l’aide d’un cache traditionnel. Avant d'ajouter une nouvelle couche, on sépare le cache de la couche précédente, on introduit de la résine, on la dépose, et on répète ce processus autant de fois que nécessaire. Par contre, avec notre fenêtre spéciale, voici ce que nous sommes capables de faire : quand la lumière entre en contact avec l’oxygène, l’oxygène inhibe la réaction. On crée ainsi une zone morte d’une épaisseur d’une dizaine de microns, soit l’équivalent de trois fois le diamètre d’un globule rouge, localisée sur la surface liquide de la fenêtre. On tire l’objet vers le haut. On l’a détaillé dans une revue scientifique, en altérant le volume d’oxygène, on modifie l’épaisseur des zones mortes. On contrôle un certain nombre de variables clefs à l’aide de logiciel très sophistiqués : le volume d’oxygène, la lumière et son intensité, les doses, la viscosité, la géométrie.
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.
Les résultats sont stupéfiants. C’est de 25 à 100 fois plus rapide que l’impression 3D classique. C’est un élément déterminant. De plus, notre capacité d’apporter le liquide jusqu’à cette interface nous permettra d’augmenter la vitesse d’un facteur 1000. Ça va générer beaucoup de chaleur, En tant que chimiste, je suis passionné par les transferts de chaleur. Un jour, nos imprimantes 3D seront si rapides qu’elles seront refroidies à l’eau. Comme nous faisons croître les objets, il n’y a plus de couches. Les pièces sont monolithiques. On ne voit pas la structure de la surface. La surface est moléculairement lisse. Les propriétés mécaniques de la plupart des pièces imprimées en 3D sont notoirement influencées par l’orientation au moment de l’impression, à cause de la structure des couches additives. Mais si on fait croître des objets ainsi, l’orientation de l’impression n’influence pas leurs propriétés. Ils ressemblent à des pièces injectées dans un moule. C’est fondamentalement différent de la fabrication additive. Un autre avantage réside dans le fait que l'on peut utiliser n’importe quel polymère mentionné dans les livres de chimie. On peut concevoir des chimies qui offrent les propriétés vraiment recherchées dans un objet imprimé en 3D.
(Applause)
(Applaudissements)
There it is. That's great. You always take the risk that something like this won't work onstage, right?
Le voici ! Super ! Il y a toujours un risque que ça ne fonctionne pas sur scène.
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.
On peut avoir des matériaux aux propriétés mécaniques extra. On va pouvoir obtenir des élastomères très élastiques ou très amortissants. Je pense au contrôle des vibrations ou à des chaussures de course. On peut créer des matériaux d'une résistance incroyable, avec un rapport résistance-poids élevé. Des matériaux vraiment solides, des élastomères fabuleux. Je vous en lance un. Ces matériaux ont des propriétés fantastiques.
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.
Si on parvient à fabriquer des composants qui ont les propriétés pour devenir une pièce finale, et que la vitesse de production est révolutionnaire, ça nous ouvre l'opportunité de transformer l'industrie. Aujourd'hui, la fabrication inclut un soi-disant fil digital. Le processus est le suivant : on part d'un dessin CAD, on crée un prototype et on passe à la fabrication. Le fil digital est souvent rompu au prototype. Impossible de conserver ce fil digital parce que beaucoup de composants n'ont pas les propriétés de la pièce finale. Maintenant, nous pouvons conserver le fil digital du dessin à la fabrication en passant par le prototype. Ça ouvre tout un tas de possibilités : des véhicules plus efficients, avec de superbes propriétés structurelles, un ratio élevé de robustesse par rapport à son poids, des nouvelles pales de turbines, et plein d'autres merveilles.
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.
Imaginez que vous ayez besoin d'un stent pendant une urgence. Le docteur ne prendrait plus un stent aux dimensions standardisées dans une armoire. Il pourrait imprimer un stent conçu pour vous, pour votre anatomie, et qui prend en compte vos particularités. Cette impression sur mesure aurait lieu dans une situation d'urgence, et conduirait à rendre le stent inutile après 18 mois. Quel potentiel ! Imaginez une dentisterie digitale, qui fabriquerait ce type de structure pendant que vous êtes chez votre dentiste. Voici quelques structures créées par mes étudiants à l'Université de Caroline du Nord. Ce sont des microstructures remarquables.
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.
Partout dans le monde, nous avons du talent pour la nano-fabrication. La Loi de Moore conduit à des échelles plus petites que 10 microns. On est très fort. C'est par contre difficile de concevoir des objets entre 10 et 1000 microns, l'échelle moyenne. Les techniques par soustraction de l'industrie du silicone ne sont pas appropriées. La gravure n'est pas très bonne. Notre processus est doux. Il permet de construire ces objets par élévation, en utilisant la fabrication additive, en quelques secondes. Toutes les applications sont touchées : les capteurs, les laboratoires sur puce, les systèmes d'administration de médicaments.
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.
Pouvoir créer des composants en temps réel avec les propriétés des pièces finales rend la fabrication par impression 3D vraiment viable. C'est très enthousiasmant. Nous sommes à l'intersection entre les équipements, les logiciels et la science moléculaire. Je suis impatient de voir ce que les concepteurs et ingénieurs vont concevoir dans le monde avec cet instrument formidable.
Thanks for listening.
Merci.
(Applause)
(Applaudissements)