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.
אני נרגש להיות פה הערב כדי לחלוק איתכם משהו שעבדנו עליו במשך יותר משנתיים. וזה בתחום היצור המוסף. שידוע גם כהדפסה תלת מימדית.
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.
אתם רואים את העצם הזה פה. זה נראה די פשוט, אבל זה די מורכב באותו זמן. זה סט של מבנים גאודזיים ממורכזים עם חיבורים בין אחד לשני. בהקשר הזה, זה לא ניתן ליצור על ידי שיטות יצור מסורתיות, יש לזה סימטריה כזו שאי אפשר לייצר את זה בתבנית הזרקה. אי אפשר לייצר את זה בחריטה. זו עבודה למדפסת תלת מימדית, אבל רוב המדפסות התלת מימדיות ידרשו בין שלוש לעשר שעות כדי לייצר את זה, ואנחנו עומדים לקחת את הסיכון הלילה כדי לנסות לייצר את זה על הבמה במהלך הרצאה של 10 דקות. תאחלו לנו בהצלחה.
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.
עכשיו, הדפסה תלת מימדית היא למעשה הגדרה לא מתאימה. זה למעשה הדפסה דו מימדית שוב ושוב, ולמעשה היא משתמשת בטכנולוגיות שמקושרות להדפסה דו מימדית. חשבו על מדפסות הזרקת דיו בהן אתם מניחים דיו על דף כדי ליצור מכתבים, ואז אתם עושים את זה שוב ושוב כדי לבנות עצם תלת מימדי. במיקרו אלקטרוניקה הם משתמשים במשהו שנקרא ליטוגרפיה כדי לעשות את אותו הדבר, כדי ליצור טרנזיסטורים ומעגלים משולבים ולבנות מבנה כמה פעמים. כל אלה שיטות הדפסה דו מימדיות.
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.
עכשיו, אני כימאי, וגם מדען חומרים, והממציאים השותפים שלי הם גם מדעני חומרים, אחד כימאי, אחד פיזיקאי, והתחלנו להתעניין בהדפסה תלת מימדית. והרבה פעמים כמו שאתם יודעים, רעיונות חדשים הם קישורים פשוטים בין אנשים עם נסיונות שונים בקהילות שונות, וזה הסיפור שלנו.
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.
עכשיו, קיבלנו השראה מהסצנה של ה T1000 בטרמינטור 2, וחשבנו, למה שמדפסת תלת מימד לא תוכל לעבוד כך, שיש לכם אובייקט שיוצא מתוך שלולית בעצם בזמן אמת ללא בזבוז בכלל כדי ליצוא אובייקט נפלא? אוקיי, ממש כמו בסרט. והאם נוכל לקבל השראה מהוליווד ולהעלות דרך לגרום לזה למעשה לעבוד? וזה היה האתגר שלנו. והגישה שלנו תהיה, אם נוכל לעשות זאת, אז נוכל בעיקרון לטפל בשלוש הבעיות שעוצרות הדפסה תלת מימדית מלהפוך לתהליך יצור.
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.
אחת, הדפסה תלת מימדית לוקחת לתמיד. יש פטריות שגדלות מהר יותר מהדפסת חלקים תלת מימדיים. (צחוק) תהליך השכבה אחרי שכבה מוביל לפגמים בתכונות מכניות, ואם נוכל לגדול בהתמדה, נוכל להפתר מהפגמים האלה. ולמעשה, אם נוכל לגדול ממש מהר, נוכל גם להתחיל להשתמש בחומרים שמתקנים את עצמם, ויוכלו להיות לכם תכונות מדהימות. אז אם נוכל להצליח בזה, לחקות את הוליווד, נוכל למעשה להצליח בהדפסה תלת מימדית.
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.
הגישה שלנו היא להשתמש בידע סטנדרטי בכימיה פולימרית כדי לרתום אור וחמצן כדי לגדל חלקים באופן רציף. אור וחמצן עובדים בדרכים שונות. אור יכול לקחת שרף ולהפוך אותו למוצק. יכול להפוך נוזל למוצק. חמצן יכול לעכב את התהליך הזה. אז אור וחמצן הם ניגודים קוטביים אחד של השני מנקודת מבט כימיקלית, ואם נוכל לשלוט מרחבית באור ובחמצן, נוכל לשלוט בתהליך הזה. ואנחנו מתייחסים לזה כ CLIP, [יצור מתמשך בממשק נוזלי.] יש לו שלושה חלקים פונקציונליים. אחד, יש לו מאגר שמחזיק את השלולית, ממש כמו ה T1000. בתחתית המאגר יש חלון מיוחד. אני אחזור לזה. בנוסף, יש לו במה שתורד אל תוך המאגר ותמשוך את העצם מתוך הנוזל. החלק השלישי הוא מערכת אור דיגיטלית מתחת למאגר, שמאירה אור בתחום האולטרה סגול.
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.
עכשיו, המפתח הוא שהחלון הזה בתחתית המאגר, הוא מורכב, זה חלון מאוד מיוחד. הוא לא רק שקוף לאור, הוא גם חדיר לחמצן. יש לו תכונות כמו עדשת מגע. אז אנחנו יכולים לראות איך התהליך עובד. אתם יכולים להתחיל לראות שכשאתם מורידים את הבמה פה, בתהליך המקורי, עם חלון אטום לחמצן, אתם יוצרים דוגמה דו מימדית ואתם מדביקים את זה לחלון עם חלון מסורתי, וכך כדי להניח את השכבה הבאה, אתם חייבים להפריד אותה, להניח שרף חדש, ולמקם מחדש, ולעשות את התהליך שוב ושוב. אבל עם החלון המיוחד שלנו, מה שהיינו מסוגלים לעשות זה, עם חמצן שמגיע דרך התחתית כשאור פוגע בו, החמצן הזה מונע את התגובה, ואנחנו יוצרים אזור מת. האזור המת הזה הוא בקנה מידה של עשרות מיקרונים, אז זה שניים או שלושה קטרים של תא דם אדום, ממש על פני החלון שנשאר נוזלי, ואנחנו מושכים את העצם למעלה, וכמו שכתבנו במאמר מדעי, כשאנחנו משנים את רמות החמצן, אנחנו יכולים לשנות את עובי האזור המת. אז כך יש לנו מספר משתנים עיקריים שאנחנו שולטים ברמות החמצן, האור, עוצמת האור, הכמות להתקשות, הצמיגות, הגאומטריה, ואנחנו משתמשים בתוכנה מאוד מתוחכמת כדי לשלוט בתהליך.
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.
התוצאה היא די מדהימה. זה מהיר פי 25 עד 100 ממדפסות תלת מימד מסורתיות, שזה משנה את כללי המשחק. בנוסף, כשהיכולת שלנו לספק נוזל לממשק הזה, אנחנו יכולים להגיע למהירות גדולה פי 1000 אני מאמין, וזה למעשה פותח את ההזדמנות ליצר הרבה חום, וכמהנדס כימי, אני מאוד מתרגש ממעבר חום והרעיון שאולי יום אחד יהיו לנו מדפסות תלת מימד מקוררות מים, מפני שהן עובדות כל כך מהר. בנוסף, בגלל שאנחנו מגדלים דברים, אנחנו נפתרים מהשכבות, והחלקים הם מונוליטיים. אתם לא רואים את מבנה פני השטח. יש לכם פני שטח חלקים מולקולרית. והתכונות המכניות של רוב החלקים שעשויים במדפסת תלת מימד ידועים לשמצה שיש להם תכונות שתלויות בכיוון בהם הדפסתם אותם, בגלל המבנה דמוי השכבות. אבל כשאתם מגדלים עצם כך, התכונות לא משתנות עם כיוון ההדפסה. אלה נראים כמו חלקים מוזרקים, שזה מאוד שונה מיצור תלת מימדי מסורתי. בנוסף, אנחנו מסוגלים לזרוק את כל ספר הלימוד על כימיית פולימרים על זה, ואנחנו מסוגלים לעצב כימיות שיכולות לתת להעלות את התכונות שאתם באמת רוצים במודל תלת מימדי.
(Applause)
(מחיאות כפיים)
There it is. That's great. You always take the risk that something like this won't work onstage, right?
הנה זה, זה נפלא. אתם תמיד לוקחים סיכון שמשהו כמו זה לא יעבוד על הבמה, נכון?
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.
אבל יכולים להיות לנו חומרים עם תכונות מכאניות מעולות. בפעם הראשונה, יש לנו אלסטומרים שיש להם אלסטיות גבוהה או שיכוך גבוה. חשבו על שליטה ברטט או נעלי התעמלות מעולים, לדוגמה. אנחנו יכולים ליצור חומרים שיש להם חוזק עצום, יחס כוח למשקל גבוה, באמת חומרים חזקים, אלסטומרים באמת מעולים, אז אזרוק את זה לקהל שם. אז תכונות חומרים מעולות.
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.
וכך ההזדמנות עכשיו, אם תוכלו למעשה לייצר חלק שיש לו תכונות של חלק סופי, ואתם עושים אתה במהירות שמשנה כללי משחק, אתם יכולים למעשה להפוך את היצור. כרגע, ביצור מה שקורה זה, התהליך הלכאורה דיגיטלי ביצור דיגיטלי, אנחנו עוברים משרטוט CAD, עיצוב, לאב טיפוס ליצור. פעמים רבות, התהליך הדיגיטלי נשבר באב הטיפוס, מפני שאתם לא יכולים לעבור כל הדרך ליצור מפני שלרוב החלקים אין את התכונות להיות מוצר סופי. אנחנו יודעים עכשיו לחבר את התהליך הדיגיטלי כל הדרך מעיצוב לאב טיפוס ליצור וההזדמנות הזו באמת פותחת כל מיני סוגים של דברים, ממכוניות חסכוניות יותר שמתעסקות עם תכונות שבכה מעולות עם יחס כוח למשקל גבוה, להבי טורבינה חדשים, כל מיני סוגים של דברים נפלאים.
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.
חשבו על אם נצטרך סטנט במצב חירום, במקום שהרופא יקח סטנט מהמדף שהוא בגודל סטנדרטי, יהיה לו סטנט מתוכנן בשבילכם, לאנטומיה שלכם עם תכונות כלי הדם שלכם, מודפס במצב חירום בזמן אמת מהתכונות האלו כך שהסטנט יוכל להעלם תוך 18 חודשים: באמת משנה חוקי משחק. או רפואת שיניים דיגיטלית, ובניית הסוגים האלה של מבנים אפילו בעודכם בכסא רופא השיניים. והביטו במבנים שהסטודנטים שלי יוצרים באוניברסיטת צפון קרולינה. אלה מבנים מדהימים בקנה מידה מיקרוני.
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.
אתם יודעים, העולם באמת טוב בננו יצור. חוק מור דחף דברים מ 10 מיקרון ומטה. אנחנו באמת טובים בזה, אבל זה למעשה מאוד קשה ליצור דברים מ 10 מיקרון ל 1,000 מיקרון, קנה מידה המזו. וטכנולוגיות הפחתיות מתעשיית הסיליקון לא יכולות לעשות את זה ממש טוב. הם גם לא יכולים לצרוב וואפרים. אבל התהליך הזה הוא כל כך עדין, שאנחנו יכולים לגדל את העצמים האלה מהתחתית בשימוש ביצור מוסף ולעשות דברים מדהימים בעשרות שניות, לפתוח טכנולוגיות חיישנים חדשות, טכנולוגיות העברת תרופות חדשות, אפיקציות מעבדה על שבב חדשות, באמת דברים משנים כללי משחק.
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.
אז ההזדמנות ליצור חלק בזמן אמת שיש לו את התכונות של החלק הסופי באמת פותחת את היצור התלת מימדי, ובשבילנו, זה מאוד מרגש מפני שזה באמת מקיים את החיתוך בין חומרה,תוכנה ומדע מולקולרי, ואני לא יכול לחכות לראות מה מעצבים ומהנדסים מסביב לעולם יהיו מסוגלים לעשות עם הכלי הנפלא הזה.
Thanks for listening.
תודה שהקשבתם.
(Applause)
(מחיאות כפיים)