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.
Cieszę się, że tu jestem, aby podzielić się z wami czymś, nad czym pracuję od ponad dwóch lat. To technika wytwarzania przyrostowego, znana także jako drukowanie 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.
Widzicie piłeczkę. Wygląda w miarę prosto, ale równocześnie jest bardzo złożona. Składa się ze struktur geometrycznych połączonych między sobą. Nie da się jej wyprodukować tradycyjnymi metodami. Ma strukturę, która nie pozwala użyć formy wtryskowej. Nie można jej wyfrezować. To robota dla drukarki 3D, ale większości z nich drukowanie zajęłoby od 3 do 10 godzin. My zaś podejmiemy wyzwanie stworzenia tego samego tu, na scenie, przez następne 10 minut. Życzcie nam powodzenia.
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.
"Drukowanie 3D" to tak naprawdę zła nazwa. To drukowanie 2D kolejnych warstw, i tak naprawdę wykorzystuje techniki związane z drukiem 2D. To tak, jakby drukarka atramentowa kładła tusz, żeby wydrukować litery, po czym powtarzała to wielokrotnie, żeby stworzyć obiekt trójwymiarowy. W mikroelektronice używamy litografii, aby produkować układy scalone, wielowarstwowe, powtarzając tę metodę kilkukrotnie. To wszystko są techniki 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.
Jestem chemikiem i materiałoznawcą, a moi koledzy też badają materiały, jeden to chemik, drugi to fizyk. Razem zainteresowaliśmy się drukiem 3D. Jak wiadomo, nowe pomysły są często prostym połączeniem ludzi z różnymi doświadczeniami i z różnych społeczności, i tak było w naszym przypadku.
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.
Zainspirowani sceną z T-1000 w "Terminatorze 2", pomyśleliśmy, że tak mogłaby działać drukarka 3D. Produkt powstaje z kałuży tuszu, właściwie w czasie rzeczywistym, zasadniczo bez odpadów, i staje się czymś wspaniałym. Tak, jak w filmach. Czy Hollywood może zainspirować naprawdę działające wynalazki? To było nasze wyzwanie. Chcieliśmy sprawdzić, czy rozwiążemy trzy problemy powstrzymujące druk 3D od przemiany w proces przemysłowy.
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.
Po pierwsze, drukowanie 3D strasznie się wlecze. Niektóre grzyby rosną szybciej, niż produkty drukarki 3D. (Śmiech) Proces budowy warstwa po warstwie prowadzi do wad mechanicznych, co drukowanie ciągiem mogłoby wyeliminować. Szybki wzrost pozwoliłby na użycie materiałów samoutwardzalnych, co dałoby niesamowite właściwości. Jeżeli nam się uda skopiować Hollywood, możemy rozpocząć prawdziwą produkcję elementów 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.
Chcieliśmy użyć podstawowej wiedzy z chemii polimerów, żeby wykorzystać światło i tlen do ciągłej budowy elementów drukowanych. Światło działa inaczej niż tlen. Światło może zamienić żywicę w ciało stałe, może zamienić płyn w ciało stałe. Tlen hamuje ten proces. Światło i tlen są przeciwieństwami z chemicznego punktu widzenia. Kontrola przestrzeni zajmowanej przez światło i tlen, pozwoli kontrolować ten proces. Nazwaliśmy to CLIP. [Ciągła produkcja za pomocą cieczy] Ma trzy główne elementy. Posiada zbiornik tuszu, tak jak T-1000. Na dnie zbiornika jest specjalne okienko, ale o tym później. Ma też podstawkę zanurzoną w tuszu, która wynurza się wraz z obiektem. Trzecim elementem jest cyfrowy system projekcji światła, znajdujący się pod zbiornikiem. Świeci on światłem ultrafioletowym.
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.
Najważniejsze jest to okienko na dnie zbiornika. Jest stworzone z kompozytów, to wyjątkowy rodzaj szkła. Przepuszcza nie tylko światło, ale i tlen. Ma charakterystykę soczewek kontaktowych. Możemy zobaczyć, jak to działa. Jak widać podczas zanurzania podstawki, w tradycyjnym drukowaniu, z oknem nieprzepuszczającym tlenu tworzy się dwuwymiarowy wzór i przykleja do szyby z tradycyjnym szkłem, trzeba więc kłaść następną warstwę, oddzielać je od siebie, wprowadzić nową żywicę, zmienić jej położenie, powtarzać ten sam proces w kółko. Ale z naszym, specjalnym szkłem można działać dzięki zawartemu w zbiorniku tlenowi. Kiedy tlen trafia na światło, spowalnia reakcję i tworzy martwą strefę. Ta strefa ma grubość kilkudziesięciu mikronów, czyli średnicy dwóch-trzech czerwonych krwinek. Pozostaje płynna tuż przy oknie zbiornika i wypycha te obiekty w górę. Pisaliśmy o tym w Science. Zmieniając zawartość tlenu, można zmienić rozmiar martwej strefy. Można kontrolować wiele kluczowych wartości: zawartość tlenu, światło i jego natężenie, siłę utwardzenia, lepkość i geometrię. Używamy wyrafinowanego programu komputerowego.
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.
Rezultaty są oszałamiające. Okazało się, że to od 25 do 100 razy szybsze od tradycyjnej drukarki. To zmiana reguł gry. Ponadto, dzięki możliwości wykorzystania płynu można działać tysiąc razy szybciej. Ten fakt pozwala też na tworzenie dużej ilości ciepła, którego transfer fascynuje mnie jako inżyniera-chemika. Kiedyś być może powstaną drukarki chłodzone wodą, tak szybko będą działać. Drukując w ten sposób eliminujemy warstwy, części stają się zintegrowane. Nie zobaczycie struktury powierzchni, jest jednostajna. Właściwości mechaniczne większości elementów z drukarki 3D zależą od kierunku, w którym zostały wydrukowane z powodu struktury podobnej do warstw. Kiedy tworzysz obiekty naszym sposobem, właściwości nie zależą od kierunku drukowania. Wyglądają na części wykonane wtryskowo, inaczej niż w tradycyjnej produkcji 3D. Można też wykorzystać wszystkie dostępne polimery z podręcznika do chemii, aby stworzyć substancje, które mogą dać właściwości, pożądane w wydruku 3D.
(Applause)
(Brawa)
There it is. That's great. You always take the risk that something like this won't work onstage, right?
Mamy to. Świetnie. Zawsze istnieje ryzyko, że coś nie zadziała na scenie.
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.
Można więc użyć materiałów o świetnych właściwościach. Po raz pierwszy można użyć elastomerów, które mogą być bardzo elastyczne lub wytłumione. Pomyślcie o kontroli wibracji lub na przykład świetnych trampkach. Można użyć materiałów o niesamowitej wytrzymałości, mocnych materiałów o dużej proporcji wytrzymałości do masy, świetnych elastomerów. Zobaczcie sami. Mamy materiał o świetnych własnościach.
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.
Mamy możliwość, aby stworzyć część, która od razu działa, jak skończone urządzenie. Ponieważ dodatkowo wygraliśmy w kategorii czasowej, można zmienić sposób produkcji. Ostatnim trendem w produkcji jest tak zwany "cyfrowy wątek", cyfrowa produkcja. Mamy rysunek CAD, projekt prototypu do wytworzenia. Często wątek cyfrowy jest uszkodzony już jako prototyp, bo nijak nie da się go wykonać. Większość części nie ma właściwości produktu końcowego. Możemy wykorzystać wątek cyfrowy na wszystkich etapach - od projektu przez prototyp do produkcji. To otwiera przed nami wielkie możliwości, od bardziej efektywnych samochodów, dzięki właściwościom kratowicowym i stosunku wytrzymałości do masy, aż do nowych łopatek turbin, wielu wspaniałych rzeczy.
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.
Jeśli nagle potrzebny jest stent, proteza rozszerzająca naczynia, zamiast wyciągać z szafki stent o standardowej wielkości, doktor może mieć stent dobrany do pacjenta, z jego własnymi naczyniami, możliwy do wydrukowania natychmiast, w czasie rzeczywistym, który może rozpuścić się po półtora roku. Pomyśl o cyfrowej dentystyce, tworzeniu takich rodzajów struktur, gdy siedzisz na fotelu dentystycznym. Popatrzcie na to, co wyprodukowali moi studenci na Uniwersytecie Północnej Kalifornii. To niesamowite obiekty w mikroskali.
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.
Świat jest bardzo dobry w nanoprodukcji. Praw Moora napędziło elementy mniejsze niż dziesięć mikronów. Świetnie nam to idzie, ale bardzo trudno tworzyć rzeczy mające od dziesięciu do tysiąca mikronów, w mezoskali. Subtraktywne techniki przemysłu krzemowego nie radzą sobie z tym dobrze. Nie sprawdzają się. Choć to delikatny proces, można tworzyć obiekty od podstaw, używając wytwarzania przyrostowego. W kilkadziesiąt sekund mogą powstać nowe rzeczy, nowe technologie czujników, nowe sposoby dostarczania leków, nowe rodzaje czipów laboratoryjnych, rzeczy, które zmienią zasady gry.
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.
Możliwość tworzenia elementów w czasie rzeczywistym elementów mających właściwości końcowego produktu naprawdę otwiera możliwości druku 3D. To dla nas bardzo ekscytujące połączenie sprzętu, oprogramowania i nauki molekularnej. Nie mogę się doczekać, co inżynierowie i projektanci będą mogli dzięki temu stworzyć.
Thanks for listening.
Dziękuję za wysłuchanie.
(Applause)
(Brawa)