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.
Estou emocionado por estar aqui esta noite, e compartilhar algo em que estamos trabalhando há mais de dois anos, na área da fabricação aditiva, também conhecida como impressão 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.
Veja este objeto aqui. Parece simples, mas ao mesmo tempo é bem complexo. É um conjunto concêntrico de estruturas geodésicas com ligações entre cada uma delas. Neste contexto, não se pode produzi-lo pelas técnicas tradicionais de fabricação. É de uma tal simetria que você não pode moldá-lo. Nem mesmo produzi-lo em larga escala. Este é um trabalho para uma impressora 3D, mas a maioria das impressoras 3D levaria de três a dez horas para fabricá-lo, e nos desafiamos a tentar fabricá-lo no palco esta noite, durante esta palestra de 10 minutos. Deseje-nos sorte.
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.
Agora, impressão 3D é de fato um termo errôneo. É, na verdade, impressão 2D repetidas vezes, e, de fato, usa a tecnologia associada à impressão 2D. Pense na impressão a jato de tinta, onde fixa-se a tinta numa página para formar letras, e então faça isso repetidas vezes para construir um objeto tridimensional. Em microeletrônica, eles usam algo chamado litografia para fazer o mesmo tipo de coisa; fazer os transistores e circuitos integrados, e construir uma estrutura várias vezes. Tudo isso é tecnologia de impressão 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.
Bem, eu sou um químico, cientista de materiais também, e os meus colegas também são cientistas de materiais, um é químico, o outro é físico, e começamos a nos interessar pela impressão 3D. E, às vezes, como vocês sabem, novas ideias são simples conexões entre pessoas com experiências diferentes em comunidades diferentes, e esta é a nossa história.
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.
Bom, fomos inspirados pela cena do T-1000 do "Exterminador do Futuro 2", e pensamos: "Por que uma impressora 3D não poderia operar desta maneira, onde você tem um objeto surgindo de uma poça em tempo real, sem nenhum desperdício, criando um objeto grande? Assim como nos filmes. E, poderíamos nos inspirar em Hollywood e desenvolver maneiras de fazer com que isto realmente funcione? E esse era o nosso desafio. E nossa abordagem seria... Se pudéssemos fazer isto, então, poderíamos tratar das três questões que impedem a impressão 3D de ser um processo de fabricação.
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.
Um deles: a impressão 3D leva uma eternidade. Existem cogumelos que crescem mais rápidos do que objetos impressos em 3D. (Risos) O processo camada por camada leva a defeitos em propriedades mecânicas, e se pudéssemos produzir continuamente, eliminaríamos estes defeitos. E, se pudéssemos produzir bem rápido, poderíamos também começar a usar materiais que são autocuráveis e teríamos propriedades incríveis. Então, se conseguíssemos isto, imitar Hollywood, poderíamos, de fato, resolver a questão da fabricação 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.
Nossa abordagem é usar algum conhecimento-padrão em química de polímeros para aproveitar luz e oxigênio e produzir objetos continuamente. Luz e oxigênio funcionam de formas diferentes. A luz pode pegar uma resina e deixá-la sólida, pode converter um líquido em sólido. O oxigênio inibe este processo. Então, luz e oxigênio são polos opostos entre si, do ponto de vista químico. E se pudermos controlar a luz e o oxigênio espacialmente, poderemos controlar este processo. E nos referimos a isto como CLIP. [Produção Contínua em Interface Líquida] Ele tem três componentes funcionais. Primeiro, há um reservatório que detém a poça, como o T-1000. No fundo do reservatório está uma janela especial. Voltarei a isto. Além disso, há uma etapa em que a poça irá diminuir e puxará o objeto para fora do líquido. O terceiro componente é um sistema de projeção digital de luz, abaixo do reservatório, iluminado com luz na região ultravioleta.
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.
Agora, o segredo é que esta janela, no fundo do reservatório, é um composto, é uma janela muito especial. Não é apenas transparente à luz, mas é permeável ao oxigênio. Possui características como as lentes de contato. Então, podemos ver como o processo funciona. Você começa a ver que assim que você termina uma etapa lá, num processo tradicional, com uma janela impermeável ao oxigênio, você cria um padrão bidimensional, e você acaba colando na janela, com uma janela tradicional, e para introduzir a próxima camada, você tem que separá-la, introduzir uma nova resina, reposicioná-la e fazer este processo repetidas vezes. Mas, com nossa janela especial, o que somos capazes de fazer é, com o oxigênio vindo através do fundo, assim que a luz o atinge, o oxigênio inibe a reação e formamos uma zona morta. Esta zona morta é da ordem de dezenas de mícrons de espessura, isto equivale a dois ou três diâmetros de um glóbulo vermelho, bem na interface da janela que permanece em estado líquido, e puxamos este objeto, e assim como falamos sobre isto no artigo de ciências, conforme mudamos o teor de oxigênio, podemos mudar a espessura da zona morta. E assim temos um número de variáveis-chave que controlamos: teor de oxigênio, a luz, a intensidade da luz, a dose para endurecer, a viscosidade, a geometria... e usamos um software muito sofisticado para controlar este processo.
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.
O resultado é bem impressionante. É de 25 a 100 vezes mais rápido do que as impressoras 3D tradicionais, o que é uma mudança no jogo. Além disso, com a nossa capacidade para fornecer líquido a esta interface, podemos ir mil vezes mais rápido, creio eu, e isto abre a oportunidade para gerar bastante calor, e como engenheiro químico, fico bem animado com a transferência de calor e a ideia de que um dia poderemos ter impressoras 3D refrigeradas a água, porque elas são bem rápidas. Além disso, como estamos criando coisas, eliminamos as camadas, e os objetos são monolíticos. Você não vê a estrutura da superfície. Você tem superfícies molecularmente lisas. E as propriedades mecânicas da maioria dos objetos feitos em impressora 3D são conhecidas por serem propriedades que dependem da orientação com a qual você as imprimiu, por causa da estrutura do tipo "camada". Mas quando você cria objetos como este, as propriedades não variam com a direção da impressão. Parecem objetos moldados por injeção, o que é bem diferente da fabricação tradicional 3D. Além disso, podemos mudar toda a teoria da química de polímeros com isto, e podemos desenvolver químicas que possam dar origem às propriedades que você realmente quer num objeto 3D.
(Applause)
(Aplausos)
There it is. That's great. You always take the risk that something like this won't work onstage, right?
É isso aí. Isto é ótimo! Você sempre corre o risco de algo assim não funcionar no palco, certo?
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.
Mas podemos ter materiais com excelentes propriedades mecânicas. Pela primeira vez, podemos ter elastômeros que são de alta elasticidade ou amortecimento elevado. Pense no controle de vibração dos grandes tênis, por exemplo. Podemos fazer materiais que tenham uma força incrível, uma elevada relação resistência-peso, materiais muito fortes, elastômeros realmente grandes, então jogo isto na plateia ali. Grandes propriedades materiais.
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.
E assim, a oportunidade agora, se você realmente faz um objeto que tenha as propriedades para ser um produto final, e faz isto na mesma velocidade em que as coisas mudam, você pode realmente transformar o processo de fabricação. Agora mesmo, o que está acontecendo no processo de fabricação é o chamado processo digital em fabricação digital. Partimos de um desenho no CAD, um projeto, para um protótipo para a fabricação. Às vezes, o processo digital é interrompido ainda no protótipo, pois não dá para chegar até a fabricação, pois a maioria dos objetos não tem as propriedades para ser um produto final. Agora, podemos conectar o processo digital, desde o projeto até o protótipo para a fabricação, e esta oportunidade dá espaço para todos os tipos de coisas: carros com consumo mais eficiente, lidar com grandes propriedades de treliça, com uma elevada relação resistência-peso; novas lâminas de turbina; todo o tipo de coisas maravilhosas.
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.
Imagine que você precise de um "stent" numa situação de emergência, em vez de o médico pegar um stent da prateleira, que é de tamanho-padrão, ter um stent projetado para você, para a sua anatomia, com suas próprias particularidades, impresso numa situação de emergência em tempo real, sem características como: validade de 18 meses, é uma mudança no jogo. Ou a odontologia digital; e fazer estes tipos de estruturas mesmo se você estiver na cadeira do dentista. Veja estas estruturas que os meus alunos estão criando, na Universidade da Carolina do Norte. Estas são incríveis estruturas em microescala.
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.
Sabe, o mundo é realmente bom em nanofabricação. A Lei de Moore criou coisas a partir de dez mícrons ou menos. Somos muito bons nisto, mas, de fato, é muito difícil fazer coisas de dez mícrons a mil mícrons, a mesoescala. E técnicas de subtração provenientes da indústria do silício, podem fazer isto muito bem. Não conseguem fazer "wafers" tão bem. Mas este processo é tão suave, que podemos produzir estes objetos, desde a base, usando a fabricação aditiva, e fazer coisas incríveis em dezenas de segundos, tornando disponível uma nova tecnologia de sensores; novas técnicas de administração de remédios; novas aplicações "lab-on-a-chip"; uma grande mudança no jogo.
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.
Então, a oportunidade de fazer um objeto em tempo real, que tenha as propriedades para ser um produto final, realmente torna possível a fabricação 3D. E, para nós, isto é muito animador, porque possui a convergência entre hardware, software e ciência molecular. E, mal posso esperar para ver o que projetistas e engenheiros pelo mundo serão capazes de fazer com esta grande ferramenta.
Thanks for listening.
Obrigado por ouvir.
(Applause)
(Aplausos)