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.
Өнөөдөр энд ирсэндээ би их баяртай байна. Бид сүүлийн хоёр жилийн турш өөрсдийн хийсэн зүйлээ хуваалцах болно. Энэ бол давхарлах үйлдвэрлэл буюу 3D хэвлэлийн салбар.
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.
Энэ зүйлийг та бүхэн харж байна. Харахад харьцангуй энгийн мэт боловч, үнэндээ нилээд төвөгтэй. Ерөнхий төвтэй, хэмжигч бүтцийн багц ба тус бүр хоорондоо холбогчтой. Өнөөгийн нөхцөлд үйлдвэрлэлийн уламжлалт аргаар үйлдвэрлэх боломжгүй. Шахаж хэвэнд оруулах боломжгүй тэгш хэмтэй. Зорох аргаар ч хийж чадахгүй. Энэ 3D хэвлэгч машины хийх зүйл боловч, ихэнх хэвлэгчид гурваас 10 цаг зарцуулна. Харин бид аз туршин одоо яг энэ тайзан дээр 10 минутын илтгэлийнхээ үеэр хэвлэхийг оролдох болно. Бидэнд амжилт хүсээрэй.
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.
3D хэвлэл яг үнэндээ бол буруу нэршил. Энэ бол дахин дахин хийсэн 2D хэвлэл. Тэр 2D хэвлэлийн технологи ашигладаг. Хэвлэлийн хор ашиглан хуудсан дээр үсэг гаргадаг аргыг төсөөл дөө. Тэрийгээ дахин дахин хийсээр гурван хэмжээст дүрс бүтээх болно. Бичил электроникийн салбарт литограф гэдэг тун төстэй арга хэрэглэдэг. Ингэж хүлээн авагч, нэгдмэл шугам үүсгэн хэд хэдэн удаа бүтэц хийдэг. Эдгээр нь бүгд 2D хэвлэлийн технологи.
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.
Би бол химич, мөн эд материал судлаач. Хамтрагчид маань ч мөн эд материал судлаачид: нэг нь химич, нөгөө нь физикч. Тэгээд бид 3D хэвлэлийг сонирхож эхэлсэн. Ихэвчлэн шинэ санаанууд өөр өөр туршлагатай, өөр нийгмийн хүмүүсийн энгийн харилцаанаас бий болдог. Энэ бол бидний түүх.
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.
Бид "Терминатор-2" киноны Т-1000 робот гардаг хэсгээс санаа авч "3D хэвлэгч яагаад энэ аргаар ажиллаж болохгүй гэж?" гэж бодсон. Энэ үед зуурмагнаас тухайн биет яг бодит цагт, ямар ч хог хаягдалгүйгээр гайхамшиг бүтээхээр гарч ирнэ. Яг кинонд гардаг шиг. Бид Холливудын киноноос санаа авч ажил хэрэг болгож чадах болов уу? Энэ бидний сорилт байсан юм. Бид хэрвээ үүнийг хийж чадвал 3D хэвлэлийн үйлдвэрлэлд гардаг гурван гол хүндрэлийг шийдэж чадах байлаа.
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.
Нэгт, 3D-гээр хэвлэхэд маш уддаг. Зарим мөөгнүүд 3D-гээр хэвлэхээс хурдан ургадаг. (Инээд) Үе үеээр давхарлах нь механик шинж чанарын хувьд гологдол үүсгэдэг. Бид үргэлжилсэн байдлаар хэвлэж сурвал тэдгээр гологдлоос ангижирна. Үнэндээ маш хурдан ургуулж чадвал өөрөө засардаг материал ашиглаж гайхалтай шинж чанар бий болгох байсан. Холливудыг дуурайн үүнийг хийж чадах юм бол 3D хэвлэлд ашиглах боломжтой.
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.
Полимерийн химийн тухай ерөнхий мэдлэгийг ашиглан гэрэл болон хүчилтөрөгчийн тусламжтайгаар хэсгүүдийг тасралтгүй ургуулахыг зорьсон. Гэрэл, хүчилтөрөгч хоёр өөр өөр аргаар ажилладаг. Гэрэл нь давирхайг хатуу биет, шингэнийг хатуу биет болгодог. Хүчилтөрөгч нь тэр үйл явцыг зогсоодог. Тэгэхээр химийн өнцгөөс харахад, гэрэл ба хүчилтөрөгч нь хоорондоо эсрэг туйлууд юм. Хэрвээ эдгээрийг орон зайн талаас нь хянаж чадвал явцыг мөн хянах боломжтой. Бид үүнийг ҮШХҮ гэж нэрлэдэг. [Үргэлжилсэн Шингэн Холболтын Үйлдвэрлэл.] Гурван төрлийн үүрэг бүхий бүтэцтэй. Нэг нь, зуурмагыг хадгалах савтай, яг л Т-1000 шиг. Савны ёроолд тусгай цонхтой. Үүнийг удахгүй тайлбарлана. Мөн зуурмаг руу доош бууж биетийг татаж гаргах тавцан бий. Гурав дах бүтэц нь гэрэл тусгах тоон системийг агуулах савны доод талд байрлуулсан. Тэр нь хэт ягаан туяаны хэсэг рүү гэрэл гаргадаг.
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.
Тэгэхээр хамгийн гол нь савны ёроолны цонх маш нарийн бүтэцтэй, тусгай цонх. Зөвхөн гэрэл нэвтрүүлээд зогсохгүй, мөн хүчилтөрөгчийг ч нэвтрүүлдэг. Нүдний линзтэй төстэй шинж чанартай. Тэгэхээр бид энэ хэрхэн ажилладгийг харж болно. Та бүхний харж байгаагаар тавцанг доошлуулахад, уламжлалт аргаар байсан бол хүчилтөрөгч нэвтэрдэггүй цонхоор хоёр хэмжээст загвар гаргаад тэрийгээ ердийн шилэнд наагаад дуусна. Дараагийн давхаргыг хийхийн тулд түүнийгээ салгаж аваад, дахин шинэ зуурмаг хийж байрлуулаад, дахин дахин үйлдлээ давтана. Харин бидний тусгай цонхны тусламжтай юу хийж болох вэ гэхээр хүчилтөрөгч доороос нь орж ирэхэд гэрэлд цохигдон урвал зогсоно. Ингэж хоосон бүс үүснэ. Энэ бүс нь хэдэн арван микроны зузаантай буюу цусны улаан бөөмийн диаметраас хоёроос гурав дахин илүү гэсэн үг. Цонхны гадаргуу дээр шингэн хэвээр байна. Шинжлэх ухааны нийтлэлдээ бичсэн шигээ тухайн биетийг дээш нь татахад хүчилтөрөгчийн агууламж өөрчлөгдөн хоосон бүсийн зузааныг өөрчилж болно. Ингээд бид хянах боломжтой гол хувьсагчуудтай боллоо: хүчилтөрөгчийн агууламж, гэрэл, гэрлийн хүч, хэлбэрийг засах хэмжээ, наалдамхай чанар, геометр. Мөн бид боловсронгуй програм\м ашиглан бүхий л үйл явцыг удирдсан.
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.
Үр дүн нь нилээд хэлбэлзэлтэй байсан. Энгийн 3D хэвлэгчээс 25-аас 100 дахин хурдан байсан. Энэ бол эргэлт хийх үзүүлэлт. Мөн шингэнийг гадаргууд хүргэх хурд нэмэгдэхийн хэрээр 1000 дахин хурдан хийж болно гэж бид итгэж байгаа. Энэ нь бас маш их дулаан ялгаруулах боломжтой. Би өөрөө химийн инженерийн хувьд, дулаан дамжуулна, мөн нэг өдөр усан хөргүүртэй 3D хэвлэгчтэй болно гэдэг санаа маш их таалагдсан. Учир нь энэ маш хурдацтай хөгжиж байгаа. Үүнээс гадна, бид ургуулж байгаа учраас, давхарга шаардлагагүй болж нэг бүхэл хэсгийг бүтээж байгаа юм. Гадаргууны бүтэц нь харагдахгүй. Молекулын хувьд гөлгөр гадаргуу бий болно. 3D аргаар хийсэн эд ангиуд нь давхарга бүтэцтэй тул хэвлэсэн чиглэлээс хамааран шинж чанар нь өөрчлөгддөгөөрөө онцлогтой. Гэхдээ ийм биетийг ургуулж байх үед шинж чанар нь хэвлэх чиглэлээс хамаарахгүй. Тэд шахаж зорсон хэсгүүд шиг л харагддаг. Энэ нь уламжлалт 3D үйлдвэрлэлээс тэс өөр. Мөн бид үүнд зориулж бүтэн химийн сурах бичиг бичсэн ч чадна. Бас 3D биетэд байвал зохих шинж чанарыг агуулах урвалуудыг зохиосон ч чадна.
(Applause)
(Алга ташилт)
There it is. That's great. You always take the risk that something like this won't work onstage, right?
Энэ байна. Маш гайхалтай. Тайзан дээр бүтэхгүй байх эрсдэл үргэлж байдаг шүү дээ.
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.
Гайхалтай механик шинж чанартай материал бүтээж болно. Анх удаагаа бид маш уян хатан, чийг сайн даадаг уян полимер бүтээж болно. Жишээ нь, чичиргээ хянагч эсвэл гайхалтай пүүз. Маш бат бөх буюу маш өндөр хүч ба жингийн харьцаатай, маш бөх материал, үнэхээр чанартай уян полимер бүтээж болно. Үзэгчид рүү шидэж үзүүлье. Гайхалтай шинж чанар бүхий материал.
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.
Бидэнд дараах боломж байна. Эцсийн бүтээгдэхүүн болохуйц шинж чанартай эд ангийг өөрчлөлт хийхүйц хурдаар хийж сурвал үйлдвэрлэлийг жинхэнэ утгаар нь өөрчилнө. Яг одоо үйлдвэрлэл яаж явдаг вэ гэхээр тоон системийн үйлдвэрлэлд тоон хэлхээ гэдэг зүйл ашигладаг. CAD програмын зураг, зохиомж, анхны загвар, үйлдвэрлэл гэсэн дарааллаар явдаг. Ихэнхдээ тоон хэлхээ нь анхны загварыг гаргах шатанд гацдаг. Учир нь үйлдвэрлэл хүртэл явах нь ихэнх хэсгүүд эцсийн бүтээгдэхүүн болох шинж чанар агуулдаггүй. Бид одоо тоон хэлхээг зохиомжоос нь эхлээд анхны загвар, үйлдвэрлэл хүртэл холбох боломжтой болсон. Энэ бүх боломжууд нь маш олон зүйлсийг бидэнд нээж өгнө. Үүнд шатахуун бага зарцуулдаг, гайхалтай шинж чанар бүхий хүч ба жингийн үзүүлэлт өндөртэй, хөдөлгүүрийн цоо шинэ иртэй гэх мэт гайхалтай бүтэцтэй автомашин орно.
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.
Танд маш яаралтай судасны гуурс суулгах хэрэгтэй байлаа гэж бодъё. Эмч стандарт хэмжээтэй гуурсыг шүүгээнээс гаргаж ирэхийн оронд зөвхөн танд зориулан таны биеийн анатоми, онцлогт чинь тохируулан яаралтай тусламжийн үед тэр дор нь хэвлэсэн, 18 сарын дараа өөрөө уусдаг эдээр хийсэн гуурс суулгавал гайхалтай биш гэж үү? Аль эсвэл тоон системэн шүдний эмнэлэгт эмчийн өрөөнд байхад чинь үүнийг хийнэ. Эсвэл Хойд Каролинагийн Их Сургуулийн оюутнуудын маань хийсэн бүтцүүдийг үзээрэй. Тэдгээр нь бичил хэмжээтэй бүтцүүд байгаа.
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.
Дэлхий дахин нано-үйлдвэрлэлдээ их сайн. Мур-ын хууль 10 микроноос бага болгосон. Бид энэндээ гаргуун. Гэхдээ яг үнэндээ 10-аас 1000 микроны хэмжээтэй зүйлийг хийхэд маш хэцүү. Мезо хэмжээтэй. Цахиурын салбарын зорж хасах аргаар үүнийг сайн хийж чадахгүй. Өрмөнцөр дээр хээ гаргаж сайн чадахгүй. Энэ үйл явц маш дөлгөөхөн бөгөөд тэдгээр зүйлсийг доороос нь дээш давхарлах үйлдвэрлэлийн аргаар арав гаруйхан секундын дотор гайхалтай зүйлсийг хийнэ. Ингэснээр шинэ мэдрэгч технологи, эм бэлдмэл хүргэлтийн шинэ технологи, чипэнд суулгасан лаборатори зэрэг амьдралыг өөрчлөх зүйлсийг бий болгоно.
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.
Эцсийн бүтээгдэхүүн болж чадах хэсгүүдийг тэр дор нь хийх боломж нь 3D үйлдвэрлэлийг хөгжүүлнэ. Бидний хувьд энэ үнэхээр сэтгэл хөдөлгөм. Учир нь энэ нь эд анги, програм хангамж, молекулын шинжлэх ухааны огтолцол юм. Дэлхий даяар зохион бүтээгч, инженерүүд энэ гайхалтай аргыг ашиглан хийх зүйлсийг би тэсэн ядан хүлээж байна.
Thanks for listening.
Анхааран сонссонд баярлалаа.
(Applause)
(Алга ташилт)