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.
Ik ben blij om hier vanavond over iets te kunnen spreken waar we meer dan twee jaar aan hebben gewerkt. Het gaat over additief fabriceren, ook bekend als 3D-printen.
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.
Je ziet hier dit object. Het lijkt vrij eenvoudig, maar tegelijk is het vrij complex. Het is een verzameling van concentrische geodetische structuren met koppelingen tussen elk ervan. Het is niet te maken met traditionele productietechnieken. Het heeft een symmetrie die je niet kunt hebben met spuitgieten. Je kunt het ook niet maken door frezen. Dit is een taak voor een 3D-printer, maar de meeste 3D-printers zouden er drie tot tien uur werk aan hebben, en vanavond gaan we het risico nemen om het ter plekke te fabriceren tijdens deze talk van 10 minuten. Duimen maar.
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-printen is eigenlijk een foute benaming. Het is eigenlijk herhaaldelijk 2D-printen, gebruik makend van 2D-printtechnologie. Bij het inkjetprinten maak je met inkt letters op een pagina. Doe je dit telkens opnieuw dan krijg je een driedimensionaal object. In de micro-elektronica gebruiken ze daarvoor iets soortgelijks. Dat heet lithografie. Zo maken ze transistors en geïntegreerde schakelingen door een structuur in meerdere fasen op te bouwen. Dat zijn allemaal 2D-druktechnieken.
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.
Ik ben chemicus en materiaalkundige. Ook mijn mede-uitvinders zijn materiaalkundigen: een is chemicus, een fysicus. We raakten geïnteresseerd in 3D-printing. Zoals je weet komen nieuwe ideeën vaak van de wisselwerking tussen mensen met achtergronden in verschillende disciplines. Dit is ons verhaal.
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.
De Terminator 2-scène voor T-1000 inspireerde ons om met een 3D-printer een object uit een plas te laten oprijzen, in realtime. Zou je zo zonder afval, net als in de film, een groot object kunnen maken? Zou Hollywood ons kunnen inspireren om dit te proberen? Dat was onze uitdaging. Als we daarin zouden slagen, zouden we drie kwesties kunnen aanpakken die verhinderen dat 3D-printen uitgroeit tot een fabricageproces.
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.
Eén: 3D-printen duurt een eeuwigheid. Er zijn paddenstoelen die sneller groeien dan 3D-geprinte onderdelen. (Gelach) Het laag-na-laagproces leidt tot defecten in de mechanische eigenschappen. Continu kweken kan deze gebreken elimineren. Als we echt snel kunnen kweken, kunnen we ook zelfuithardende materialen gaan gebruiken. Met verbazingwekkende eigenschappen. Als we Hollywood konden nadoen, waren we klaar voor 3D-productie.
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.
Onze aanpak vertrekt van standaardkennis uit de polymeerchemie: licht en zuurstof benutten om onderdelen continu te laten groeien. Licht en zuurstof werken op verschillende manieren. Licht kan een hars omzetten in een vaste stof, een vloeistof converteren naar een vaste stof. Zuurstof remt dat proces. Zo zijn licht en zuurstof vanuit chemisch oogpunt elkaars tegenpolen. Als we licht en zuurstof ruimtelijk kunnen beheersen dan kunnen we dit proces sturen. We noemen dit CLIP. [Continue Liquid Interface Production.] Er zijn drie functionele componenten. Eén: een reservoir met de vloeistof, net als de T-1000. Aan de onderzijde van het reservoir zit een speciaal venster. Later meer daarover. Daarnaast een plateau dat in de vloeistof zakt en het voorwerp uit de vloeistof trekt. De derde component zit onder het reservoir: een digitaal lichtprojectiesysteem met ultraviolet licht.
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.
De sleutel is dit venster in de bodem van dit reservoir. Het is een composiet, een zeer speciaal venster. Het laat niet alleen licht, maar ook zuurstof door. Net als bij een contactlens. Zo kunnen we zien hoe het proces werkt. Als je het plateau laat zakken zal je bij een traditioneel proces, met een venster dat geen zuurstofdoorlaat, een tweedimensionaal patroon maken dat vastgelijmd zit op het traditionele venster. Om de volgende laag te introduceren, moet je het eerst losmaken, nieuw hars introduceren, herpositioneren, en dat telkens weer. Maar met ons zeer speciale venster kunnen we zuurstof door de bodem laten komen. Als er licht op valt, verhindert zuurstof de reactie en vormen we een dode zone. Deze dode zone is maar enkele tientallen micron dik. Ongeveer twee tot drie keer de dikte van een rode bloedcel. Tegen het raam blijft het dus vloeibaar. Dan trekken we het object omhoog. In een artikel in Science legden we uit hoe we door het zuurstofgehalte te wijzigen, we de dikte van de dode zone kunnen wijzigen. We controleren dus een aantal belangrijke variabelen: zuurstofgehalte, licht, lichtintensiteit, dosis om uit te harden, viscositeit, geometrie. We gebruiken zeer geavanceerde software om dit proces te sturen.
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.
Het resultaat is buitengewoon. Het gaat 25 tot 100 maal sneller dan de traditionele 3D-printers. Dat is baanbrekend. Als we bovendien de vloeistof sneller naar die interface krijgen, dan kunnen we volgens mij 1.000 keer sneller gaan, en dat gaat veel warmte genereren. Als chemisch ingenieur ben ik erg geïnteresseerd in warmteoverdracht. Ooit krijgen we misschien watergekoelde 3D-printers. Omdat het zo snel gaat. Omdat we dingen kweken, elimineren we de lagen en worden de onderdelen monolithisch. Je ziet geen oppervlaktestructuur meer. Je hebt moleculair gladde oppervlakken. De mechanische eigenschappen van de meeste 3D-geprinte onderdelen zijn berucht omdat hun eigenschappen afhangen van de oriëntatie waarmee geprint wordt door de structuur in lagen. Maar als je objecten op deze manier kweekt, zijn de eigenschappen onafhankelijk van de printrichting. Het lijken spuitgegoten onderdelen, heel anders dan bij de traditionele 3D-productie. Daarbij kunnen we de hele polymeerchemie hierop toepassen. We kunnen chemische technieken ontwerpen die net die eigenschappen geven die je echt wil hebben in een 3D-geprint object.
(Applause)
(Applaus)
There it is. That's great. You always take the risk that something like this won't work onstage, right?
Daar is het. Dat is geweldig. Je loopt altijd het risico dat zoiets tijdens een demonstratie net niet lukt.
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.
We krijgen materialen met interessante mechanische eigenschappen. Voor het eerst kunnen we elastomeren krijgen met een hoge elasticiteit en hoge demping. Bijvoorbeeld trillingbeheersing of geweldige loopschoenen. We kunnen ongelooflijk sterke materialen maken, met een hoge sterkte-gewichtsverhouding, echt sterke materialen, echt geweldige elastomeren. Dit gooi ik even in het publiek. Geweldige materiaaleigenschappen dus.
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.
Je hebt nu de mogelijkheid om een onderdeel te maken met de eigenschappen van een eindproduct. Als je dat baanbrekend snel doet, krijg je een totaal nieuw soort productieproces. Op dit moment heb je in de industrie de zogenaamde digitale draad bij digitale productie. We gaan uit van een CAD-tekening naar ontwerp, prototype, vervaardigen. Vaak wordt de digitale draad net bij het prototype onderbroken, omdat je de hele weg naar productie niet kan gaan omdat de meeste delen geen eigenschappen van een eindproduct hebben. Nu kunnen we de digitale draad helemaal vanaf het ontwerp tot prototype tot productie doen aansluiten. Dat maakt allerlei dingen mogelijk. Van zuinigere auto's, geweldige roostereigenschappen met hoge sterkte-gewichtsverhouding, tot nieuwe turbinebladen, allerlei prachtige dingen.
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.
Denk je eens in dat je een stent nodig hebt in een noodsituatie. In plaats van een stent uit het schap met standaardmaten, krijg je een stent op maat van je eigen anatomie met je eigen aderstructuur, in een noodsituatie in real time geprint zodat hij na 18 maanden kan oplossen, echt baanbrekend. Of digitale tandheelkunde: ze maken dit soort structuren terwijl je in de tandartsstoel zit. Kijk eens naar de structuren die mijn studenten maken aan de Universiteit van North Carolina. Het zijn geweldige microschaalstructuren.
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.
De wereld is echt goed in nano-fabricage. De wet van Moore gaat over dingen van 10 micron en minder. Daar zijn we echt goed in, maar het is heel moeilijk om dingen te maken van 10 tot 1.000 micron, de mesoschaal. Met de subtractieve technieken uit de siliciumindustrie lukt dat niet erg goed. Wafers etsen kunnen ze niet zo goed. Maar dit proces is zo subtiel. We kunnen objecten van beneden af kweken, met additief fabriceren, en in tientallen seconden verbazingwekkende dingen maken. Dat opent de weg voor nieuwe sensortechnologieën, nieuwe technieken voor medicatietoediening, nieuwe lab-on-a-chip-toepassingen, weer baanbrekende dingen.
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.
Dus de mogelijkheid om in realtime een onderdeel te maken met de eigenschappen van een afgewerkt product opent echt de weg naar 3D-productie. Voor ons is dit erg spannend, nu zijn we echt baas over het kruispunt van hardware, software en moleculaire wetenschappen. Ik kan niet wachten op wat ontwerpers en ingenieurs over de hele wereld met deze geweldige methode gaan kunnen doen.
Thanks for listening.
Bedankt voor jullie aandacht.
(Applause)
(Applaus)