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.
Izgatottan állok itt ma este, hogy elmondjam önöknek, min dolgozom több mint két éve, ez pedig az ún. növesztő gyártás területe, másként: 3D-nyomtatás.
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.
Itt egy tárgy. Elég egyszerűnek látszik, de ugyanakkor nagyon bonyolult. Koncentrikus geodetikus szerkezetek sorából áll, amelyek össze vannak kapcsolódva. A darabot nem lehet hagyományos gyártási eljárással elkészíteni. Olyan a szimmetriája, hogy fröccsöntéssel nem állítható elő. Marással sem lehet legyártani. Ez 3D-nyomtatónak való feladat, de a legtöbb 3D-nyomtatónak a gyártás 3-10 órába telne, de ma este megkockáztatjuk, hogy tízperces előadásom alatt a munkadarab elkészüljön. Kívánjanak hozzá sok szerencsét.
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.
A 3D-nyomtatás voltaképpen helytelen elnevezés. Az eljárás valójában folytonosan ismételt 2D-nyomtatás, amely a 2D-nyomtatás technológiáját alkalmazza. Pl. a tintasugaras nyomtatóval a papírra festéket juttatunk, ebből lesznek a betűk. Az eljárást ismételgetve háromdimenziós tárgyat növeszthetünk. A mikroelektronikában erre a célra litográfiának nevezett eljárást használnak tranzisztor és integrált áramkör gyártására, ismétléssel építve föl a szerkezetet. Ezek mind 2D-s nyomtatási technológiák.
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.
Vegyész vagyok, és anyagtudománnyal is foglalkozom, akárcsak feltaláló-társaim. Egyikük vegyész, a másik fizikus. Felkeltette az érdeklődésünket a 3D-nyomtatás. Mint tudják, gyakori, hogy új ötletek eltérő körbe tartozó, más tapasztalattal bíró emberekhez kapcsolódnak, így történt velünk is.
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.
Az ihletet a Terminator 2 T-1000 jelenetétől kaptuk. Az jutott eszünkbe, miért ne működhetne ugyanígy egy 3D-nyomtató, ahol egy tárgy egy tócsából nőne ki lényegében azonnal, és lényegében hulladék nélkül: így keletkezne egy nagy tárgy? Mint a filmekben. De a Hollywoodtól nyert ihlet elég lesz-e, hogy működjön is a szerkezet? Ebben állt a feladatunk. Úgy véltük, ha ez sikerül, akkor elhárítottuk a három nehézséget, amely miatt a 3D-nyomtatás alkalmatlan a gyártási folyamatokra.
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.
Az első: a 3D-nyomtatás soká tart. Egyes gombák gyorsabban nőnek, mint a 3D-vel nyomtatott alkatrészek. (Nevetés) A rétegenkénti technológia a mechanikai tulajdonságok hibáit okozza. Ha folyamatosan növeszthetjük az alkatrészt, a hibák elkerülhetők. Ha pedig a növesztés elég gyors, használhatunk önjavító anyagokat, és pompás tulajdonságokat hozhatnánk ki belőlük. Ha ez Hollywood nyomán sikerülne, megoldanánk a 3D gyártást.
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.
Arra gondoltunk, alkalmazni kellene némi általános ismeretet a polimerek kémiájából, hogy a fényt és az oxigént az alkatrészek folyamatos növesztésére igába fogjuk. A fény és az oxigén különbözőképp működik. A fény megszilárdíthatja a gyantát, a folyadékot átalakíthatja szilárd halmazállapotú anyaggá. Az oxigén késlelteti a folyamatot. Tehát a fény és az oxigén kémiai szempontból homlokegyenest ellenkező hatásúak, és ha a térben adagolni tudjuk őket, szabályozhatjuk magát a folyamatot is. Az eljárás neve: CLIP. [Folyamatos folyadék határfelületű gyártás] A berendezés három részből áll. Az első a tócsát tartalmazó medence, akárcsak a T-1000 esetében. A medence alján van egy különleges rés. Erre még visszatérek. Ezen kívül van egy gépfej, amely belemerül a tócsába, és kihúzza a tárgyat a folyadékból. A harmadik egy digitális fényvető rendszer a medence alatt, amely ultraibolya sugarakkal világítja meg a munkadarabot.
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.
A lényeg, hogy a medence alján lévő rés egy kompozit, s abból a szempontból különleges, hogy nemcsak fényáteresztő, de az oxigén is áthatol rajta. Olyan tulajdonságai vannak, mint a kontaktlencséknek. A folyamat a következőképpen zajlik. Az elején a hagyományos módszernél ahogy süllyesztjük a gépfejet, az oxigénnek áthatolhatatlan ablakkal egy kétdimenziós mintázatot alakítunk ki, s azt beragasztjuk a hagyományos réssel a résbe, a következő réteghez szét kell választanunk őket, új gyantaadagot kell bejuttatni, vissza be kell állítani, és többször kell ismételni a folyamatot. De a mi résünk nagyon különleges. mert ahogy az alját fény éri, áthalad rajta az oxigén, az oxigén fékezi a reakciót, kialakul egy holtsáv, amely néhány tucat mikron vastagságú, a vörösvérsejt átmérőjének 2-3-szorosa, közvetlenül a rés határfelületén. A tárgyat fölfelé húzzuk, s mint a Science-cikkben leírtuk, az oxigén mennyiségének módosításával a holtsáv vastagsága változik. Tehát van néhány szabályozható változónk: az oxigén mennyisége, a fény, a fényerősség, az adagolás, a viszkozitás, az alakzat. Nagyon precíz szoftverrel szabályozzuk a folyamatot.
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.
Az eredmény eléggé meghökkentő. A munkadarab a hagyományos 3D-nyomtatókhoz képest 25-100-szor gyorsabban készül el. Ez óriási változás. De ha növelni tudjuk a folyadék-betáplálást a határfelületre, a sebesség 1000-szeresére nőhet, ez pedig lehetőséget nyújt nagy hőfejlesztésre. Mint vegyészmérnököt borzasztóan érdekel a hőátadás és a gondolat, hogy egykor vízhűtéses 3D-nyomtatóink lesznek, melyekkel még gyorsabban fogunk dolgozni. Ráadásul, mivel növeljük a méreteket, nem lesznek rétegek, és az alkatrészek monolitikusak lesznek. Észrevehetetlen lesz a felület szerkezete. Molekula szintű sima felületünk lesz. A 3D-nyomtatókkal gyártott alkatrészek mechanikai tulajdonságai hírhedtek, mert függnek a gyártás irányától, azaz hogy a réteges szerkezetet melyik irányban nyomtatták. De ha e technológiával növesztjük a tárgyakat, a tulajdonságok ugyanazok lesznek, bármely irányban nyomtassunk is. Olyanok, mintha fröccsöntöttük volna őket, ami eltér a hagyományos 3D-gyártástól. Sőt, rászabadíthatjuk az összes polimerkémiai tankönyvet, olyan összetételű anyagokat tervezhetünk, mellyel javíthatjuk a 3D-nyomtatású alkatrészek tulajdonságait.
(Applause)
(Taps)
There it is. That's great. You always take the risk that something like this won't work onstage, right?
Ez nagyszerű. Mindig megvan a kockázata, hogy a színpadon nem sikerül a bemutató.
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.
Lehetnek kiváló mechanikai tulajdonságú anyagaink. Első alkalom, hogy elasztomereket állíthatunk elő, amelyek nagyon rugalmasak vagy jól csillapítanak. Gondoljunk a rezgésszabályozásra vagy jó surranóra. Elképesztő szilárdságú anyagokat állíthatunk elő, melyeknél kiváló a szilárdság és a súly aránya, ezek tényleg ragyogó elasztomerek, csak dobálgassuk ezt a nézőtéren. Ilyen ragyogóak az anyag tulajdonságai.
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.
Most megvan a lehetőség: ha alkatrészt készítünk, melynek tulajdonságai megegyeznek a végtermékével, és szédületes sebességgel gyártunk, a gyártástechnológia teljesen átalakul. Jelenleg a termelésben egyre gyakoribb az ún. digitális gyártási folyamat. A CAD rajzoktól a tervezésen, a prototípuson át a gyártásig terjed. A digitális folyamat gyakorta megszakad a prototípusnál, mivel nem tudunk eljutni a gyártásig, mert a protó tulajdonságai eltérnek a végtermékéitől. Most a digitális folyamat szakadatlan: a tervezéstől a prototípuson át a gyártásig tart. Ez a lehetőség új távlatokat nyit a jobb üzemanyag-hatékonyságú, remek térhálós szerkezeti tulajdonságú, kiváló szilárdság-súly arányú kocsiktól új turbinalapátokig, más csodás dolgokig.
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.
Gondoljunk arra, ha vészhelyzetben sztentre van szükségünk. Az orvosnak nem kell a polcról elővennie egy szokásos méretű sztentet, ha van az önök anatómiájához szabott sztent, amely az ereikhez alkalmas. Vészhelyzetben a kívánt tulajdonságú sztent rögtön gyárható. Egyébként másfél évnél tovább úgysem jó. Digitális fogászat: ilyen szerkezetek készíthetők, miközben a páciens a fogorvosi székben ül. Ezeket a darabokat a diákjaim készítik az Észak-Karolinai Egyetemen. Csodás mikroszerkezetű darabok.
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.
A világon tényleg jól tudnak nanotárgyakat készíteni. A Moore-törvény érvényes, már bejutottunk a 10 mikron alá. Ebben igen jók vagyunk, de a 10 és a 10000 mikron közötti ún. mezoskála a nehéz ügy. A szilíciumipari leválasztásos technikák nem nagyon alkalmazhatók. Nem jól maratják a wafereket. De ez a folyamat annyira kímélő: így növeszthetjük ezeket a tárgyakat növesztő gyártással, s másodpercek alatt ragyogó dolgokat készíthetünk,. új érzékelő-technológiát, új gyógyszertechnológiát, új "labor egy csipen" technológiát alkalmazhatunk.
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.
Az, hogy azonnal elkészíthetünk egy alkatrészt, amely tulajdonságai azonosak a végtermékével, tényleg megnyitja az utat a 3D-gyártás előtt. Ez nagyon izgat bennünket, mert azt jelenti, hogy birtokoljuk a hardver, a szoftver és a molekuláris tudományok metszéspontját, és én türelmetlenül várom, világszerte mit hoznak ki tervezők, mérnökök ebből a nagyszerű eszközből.
Thanks for listening.
Köszönöm, hogy meghallgattak.
(Applause)
(Taps)