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.
Sono emozionato di essere qui stasera per condividere una cosa su cui abbiamo lavorato per oltre due anni. Il mio settore è quello della produzione additiva, conosciuta anche come stampa in 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.
Vedete questo oggetto? Sembra abbastanza semplice, ma al contempo è piuttosto complesso. Si tratta di una serie di strutture geodesiche concentriche, ognuna collegata a un'altra. Così com'è, non si può produrre con tecniche tradizionali. Ha una simmetria che non può essere resa dalla stampa a iniezione. Non si può neanche realizzare con una fresatrice. Questo è un lavoro per una stampante 3D, ma la maggior parte delle stampanti 3D impiegherebbero da 3 a 10 ore per farlo. Stasera proveremo a farlo qui sul palco, nei dieci minuti di questo intervento. Augurateci buona fortuna.
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.
"Stampa 3D" è in realtà una definizione impropria. In realtà si tratta di una stampa 2D iterata più volte, e infatti usa le tecnologie associate alla stampa in 2D. Pensate alla stampa a getto di inchiostro, che deposita inchiostro su carta per formare le lettere e ripetete tante volte fino a creare un oggetto tridimensionale. In microelettronica usano qualcosa chiamata litografia per fare la stessa cosa, per creare i transistor e i circuiti integrati e per costruire molte volte una struttura. Sono tutte tecniche di stampa 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.
Io sono un chimico e scienziato della materia, e anche i miei co-ideatori sono scienziati della materia, uno è un chimico e l'altro un fisico, e abbiamo iniziato a interessarci alla stampa 3D. Molto spesso, lo saprete, le idee nuove sono collegamenti semplici tra persone con diverse esperienze che vivono in ambienti diversi, e questa è anche la nostra storia.
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.
Siamo stati ispirati dalla scena di T-1000 in Terminator 2 e abbiamo pensato che una stampante 3D potrebbe funzionare allo stesso modo, cioè un oggetto che emerge da una pozza, praticamente in tempo reale, senza sprechi, e si realizza un grande oggetto. Sì, proprio come nei film. Potevamo essere ispirati da Hollywood e trovare dei modi per provare a farlo davvero? Questa è stata la nostra sfida. Il nostro approccio era: se possiamo farlo davvero, dovremo affrontare i tre ostacoli che impediscono alla stampa 3D di essere un processo produttivo maturo. Uno: la stampa 3D ha tempi eterni.
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.
Ci sono funghi che crescono più veloci di parti stampate in 3D. (Risate) Il processo "strato dopo strato" porta a difetti delle proprietà meccaniche e se progredissimo continuamente potremmo eliminare quei difetti. E se progredissimo molto velocemente potremmo anche iniziare ad usare materiali che si auto-consolidano, e otterremmo delle proprietà incredibili. Quindi se riuscissimo a fare tutto questo, a imitare Hollywood, renderemmo possibile la manifattura 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.
Il nostro approccio è quello di usare le conoscenze standard della chimica dei polimeri e sfruttare luce e ossigeno per costruire componenti senza sosta. La luce e l'ossigeno funzionano in modi diversi. La luce è in grado di trasformare la resina in un solido, può trasformare un liquido in un solido. L'ossigeno inibisce quel processo. Quindi luce e ossigeno sono l'uno l'antidoto dell'altro, da un punto di vista chimico. E se possiamo controllare luce e ossigeno nello spazio, allora potremmo controllare questo processo. Chiamiamo questo processo C.L.I.P. Ha tre componenti funzionali. Un serbatoio che contiene il liquido, proprio come il T-1000. Alla base del serbatoio c'è una finestra speciale, ne parlerò dopo. Poi ha una piattaforma che si immerge nel liquido estraendone un oggetto. Il terzo componente è un sistema digitale di proiezione della luce: si trova sotto il serbatoio, e lo illumina con luce ultravioletta.
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 chiave di tutto è che questa finestra alla base del serbatoio è una finestra molto speciale, di un materiale composito. Non è solo trasparente alla luce ma è anche permeabile all'ossigeno. Ha caratteristiche simili a quelle delle lenti a contatto. Possiamo vedere come funziona il processo. Si può iniziare a vederlo quando la piattaforma si immerge. In un processo tradizionale, con una finestra impermeabile all'ossigeno si crea uno schema a due dimensioni che si incollerà alla finestra, se questa è di tipo tradizionale, e quindi prima del nuovo strato si deve staccare l'oggetto dalla finestra, inserire altra resina, riposizionarlo e ripetere il processo ancora e ancora. Ma con la nostra finestra speciale che permette di inserire ossigeno dal basso, quando la luce viene a contatto con l'ossigeno l'ossigeno inibisce la reazione e si forma una zona morta. Lo spessore di questa zona morta è dell'ordine di decine di micron, quindi come il diametro di due o tre globuli rossi, proprio sull'interfaccia della finestra dove c'è il liquido residuo, e tiriamo fuori questo oggetto. Come abbiamo già detto in un articolo su Science, cambiando la quantità di ossigeno cambia anche lo spessore della zona morta. Abbiamo molte variabili da controllare: la quantità di ossigeno, la luce, l'intensità della luce, la dose necessaria per indurire, la viscosità, la geometria, e controlliamo questo processo attraverso software molto sofisticati.
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.
Il risultato è sbalorditivo. È da 25 a 100 volte più veloce delle stampanti 3D tradizionali. Questo cambia le regole del gioco. In più, con la possibilità di inviare liquido a quell'interfaccia, credo potremmo andare anche 1000 volte più veloci. e questo apre delle opportunità di generare molto calore, e da ingegnere chimico l'idea dello scambio di calore mi entusiasma, l'idea che un giorno potremmo avere stampanti 3D raffreddate ad acqua, perché saranno velocissime. Inoltre, poiché questi oggetti emergono, eliminiamo i solchi degli strati: le parti saranno monolitiche. Non si vede la struttura della superficie, si ottengono superfici molecolarmente lisce. La maggior parte dei componenti fatti da una stampante 3D è nota per avere proprietà che dipendono dall'orientamento con cui sono stati stampati, per via della struttura stratificata. Ma quando si realizzano oggetti in questo modo, le proprietà non dipendono dalla direzione di stampa. Sembrano parti stampate a iniezione, molto diverse da quelle realizzate con la stampa 3D tradizionale. Siamo anche in grado di sfruttare l'intera conoscenza dei manuali sulla chimica dei polimeri e possiamo progettare modelli chimici che rendono possibili quelle proprietà che si vorrebbero portare in un oggetto stampato in 3D.
(Applause)
(Applausi)
There it is. That's great. You always take the risk that something like this won't work onstage, right?
Eccolo qui. Fantastico. (Applausi) C'è sempre il rischio che una cosa del genere non funzioni sul palco, no?
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.
Possiamo ottenere materiali dalle proprietà meccaniche incredibili. Per la prima volta possiamo avere elastomeri, molto elastici, o che attutiscono molto l'impatto. Pensate al controllo della vibrazione o alle scarpe da ginnastica. Possiamo realizzare materiali dalla forza incredibile, con alta resistenza in rapporto al peso, materiali davvero forti, ottimi elastomeri. Lo lancio al pubblico. Materiali con proprietà incredibili.
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.
L'opportunità, se si realizza un componente che ha i requisiti per essere una parte finale e a velocità che cambiano le regole del gioco, è quella di trasformare davvero la produzione manifatturiera. Quello che succede adesso nel settore manifatturiero -- il cosiddetto digital thread nella produzione digitale -- si va da un disegno in CAD, un progetto, a un prototipo da realizzare. Spesso il digital thread si interrompe già al prototipo: non si può continuare a produrre, perché il più delle parti non ha i requisiti per essere una parte finale. Adesso possiamo sviluppare il digital thread in tutte le fasi, dal design al prototipo alla realizzazione. E questa opportunità apre davvero ogni tipo di scenario: automobili più efficienti, grazie alle proprietà del lattice che offre più forza in relazione al peso; nuove eliche a turbina; ogni tipo di cose meravigliose.
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.
Se avete bisogno di uno stent in una situazione di emergenza, pensate se un dottore, anziché prendere uno stent dallo scaffale, che era di una misura standard, avesse uno stent creato su misura per voi, sulla vostra anatomia, sulle vostre vene, stampato in una situazione di emergenza in tempo reale e con caratteristiche tali per cui lo stent possa togliersi dopo 18 mesi. Davvero rivoluzionario. O l'odontoiatria digitale, che realizzerebbe queste strutture anche mentre siete seduti sulla poltrona del dentista. E guardate le strutture che stanno realizzando i miei studenti dell'Università del North Carolina. Sono fantastiche strutture in microscala.
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.
Il mondo è proprio bravo nella nanofabbricazione. La legge di Moore ha portato a grandezze di 10 micron e anche meno. Siamo bravi in questo, ma è molto difficile realizzare oggetti da 10 a 10.000 micron, la cosiddetta mesoscala. Le tecniche sottrattive dell'industria del silicone non riescono a farlo molto bene. Non riescono a incidere così bene. Ma il nostro processo è molto delicato, e possiamo far crescere questi oggetti dal basso usando la produzione additiva, e creare cose incredibili in decine di secondi, aprendo la strada a nuove tecnologie di sensori, nuove tecniche di distribuzione dei farmaci, nuove applicazioni per i lab-on-a-chip. Roba davvero rivoluzionaria.
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.
La possibilità di creare in tempo reale delle parti che abbiano i requisiti per essere parti finali sprigiona davvero il potenziale della stampa in 3D, e per noi questo è esaltante, perché significa padroneggiare l'incrocio tra hardware, software e scienza molecolare, e non vedo l'ora di scoprire cosa potranno fare i designer e gli ingegneri di tutto il mondo con questo strumento grandioso.
Thanks for listening.
Grazie per avermi ascoltato.
(Applause)
(Applausi)