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.
Mă bucur să fiu aici în seara asta, să vă spun la ce lucrăm de peste doi ani. Este în domeniul fabricării aditive, cunoscută și ca „imprimare 3D”. Vedeți obiectul acesta?
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.
Pare destul de simplu, dar e foarte complex în același timp. Este un set de structuri geodezice concentrice, cu legături între ele. În acest context, nu poate fi produs prin tehnici traditionale de producție. Din cauza simetriei nu poate fi produs prin injecție într-o matriță. Nu poate fi nici prelucrat prin așchiere. Asta e o treabă pentru o imprimantă 3D. Dar majoritatea imprimantelor 3D au nevoie de 3–10 ore s-o fabrice. Noi ne vom încumeta s-o realizăm acum pe scenă, în cele 10 minute ale acestei prezentări. Urați-ne noroc.
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.
De fapt denumirea de <i>imprimare 3D</i> e improprie. În realitate e imprimare 2D repetată de multe ori. De fapt utilizează tehnologii asociate cu imprimarea 2D. De exemplu, imprimanta cu jet de cerneală pune cerneală pe pagină ca să facă litere. Apoi faci asta iar și iar ca să construiești un obiect 3D. În microelectronică se folosește litografia pentru a face în mod similar tranzistori și circuite integrate, pentru a construi o structură de mai multe ori. Toate astea sunt tehnologii de imprimare 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.
Eu sunt chimist, și studiez și materiale, iar co-inventatorii mei studiază și ei materialele, unul e chimist, celalalt fizician, și am început să fim interesați de imprimarea 3D. Foarte adesea, după cum știți, ideile noi sunt simple conexiuni între oameni cu experiențe diferite în comunități diferite. Tot asta e și povestea noastră.
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.
Noi am fost inspirați de scena din „Terminator 2” cu T-1000. Ne-am gândit: de ce n-ar putea o imprimantă 3D să facă asta, să ai un obiect care se ridică dintr-o baltă, practic în timp real, practic fără risipă de materiale, pentru a face un produs excelent? Exact ca în filme. Am putea fi oare inspirați de Hollywood să găsim metode de a realiza asta în realitate? Asta ne-am propus. Prin abordarea noastră, dacă am reuși, am putea rezolva fundamental cele trei probleme care împiedică imprimarea 3D să fie un proces de producție.
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.
Mai întâi, imprimarea 3D durează o veșnicie. Există ciuperci care cresc mai repede decât piesele imprimate 3D. (Râsete) Procesul de imprimare strat cu strat duce la defecte în proprietățile mecanice. Printr-o creștere continuă am putea elimina aceste defecte. Iar dacă am putea crește foarte repede, am putea începe să folosim materiale care se cimentează de la sine și am putea avea proprietăți uimitoare. Dacă am reuși să imităm Hollywood-ul, am putea să rezolva producția 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.
Abordarea noastră e de a folosi cunoștințe standard din chimia polimerilor, de a folosi lumina și oxigenul pentru a crește piesele continuu. Lumina și oxigenul funcționează în moduri diferite. Lumina poate converti o rășină într-un corp solid, poate converti un lichid într-un solid. Oxigenul inhibă acest proces. Așadar lumina și oxigenul sunt la poli opuși din punct de vedere chimic, și dacă am putea controla în spațiu lumina și oxigenul, am putea controla acest proces. L-am denumit CLIP: producție continuă la interfața cu lichidul. Are trei componente funcționale. Mai întâi are un rezervor care conține lichid, exact ca T-1000 din film. La fund rezervorul are o fereastră specială. Mă voi întoarce la ea. Apoi are o placă pe care o coborâm în lichid și care va ridica obiectul din lichid. A treia componentă e un sistem digital de proiecție a luminii, sub rezervor, care iluminează cu lumină ultravioletă.
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.
Elementul cheie e fereastra de la fundul rezervorului, care e un compozit, o fereastră foarte specială. Nu e doar transparentă pentru lumină, ci și permeabilă pentru oxigen. Are caracteristicile unei lentile de contact. Iată cum se desfășoară procesul. Vedeți cum la coborârea plăcii în lichid, în procesul tradițional, cu o fereastră impermeabilă la oxigen, faci un tipar bidimensional și rămâi cu tiparul lipit pe geam, cu fereastra tradițională, așa încât ca să produci următorul strat trebuie să-l separi, să introduci din nou rășină, să-l repoziționezi și să repeți procesul iar și iar. Dar cu fereastra noastră specială, când vine oxigenul prin partea de jos și dă peste el lumina, oxigenul acela inhibă reacția. Formăm o zonă moartă. Această zonă moartă e groasă de ordinul zecilor de microni, adică de 2–3 ori cât diametrul unei globule roșii, la interfața cu fereastra rămâne lichid. Ridicăm acest obiect, și, cum spuneam în articolul din <i>Science</i>, schimbând concentrația de oxigen putem schimba grosimea zonei moarte. Așadar avem mai multe variabile cheie pe care le controlăm: cantitatea de oxigen, lumina, intensitatea luminii, doza de cimentat, vâscozitatea, geometria, și utilizăm programe foarte sofisticate pentru a controla acest proces.
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.
Rezultatul este uimitor. Este de 25–100 de ori mai rapid decât imprimarea 3D tradițională. E ceva revoluționar. În plus, în funcție de capacitatea de a aduce lichid la acea suprafață, putem mări viteza de 1000 de ori, cred eu. Iar asta aduce posibilitatea generării de multă căldură și, ca inginer chimist, mă bucur de transferul de căldură și de ideea că vom avea cândva imprimante 3D răcite cu apă pentru că funcționează așa rapid. În plus, pentru că producem prin creștere, eliminăm stratificarea, iar piesele sunt monolitice. Nu se mai vede structura suprafeței. Avem suprafețe netede la nivel molecular. Proprietățile mecanice ale celor mai multe piese imprimate 3D sunt renumite că depind de orientarea imprimării, din cauza structurii stratificate. Dar prin metoda noastră proprietățile nu mai depind de direcția imprimării. Acestea arată ca niște piese create prin injecție, metodă foarte diferită de imprimarea 3D tradițională. Mai mult, ne putem utiliza întregul manual de chimie a polimerilor, putem gândi procese chimice care să dea proprietățile dorite obiectului 3D. (Aplauze)
(Applause)
There it is. That's great. You always take the risk that something like this won't work onstage, right?
Iată-l! E grozav! Riști mereu ca experimentul să nu funcționeze pe scenă.
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.
Putem avea materiale cu proprietăți mecanice grozave. Pentru prima dată, putem crea elastomeri cu elasticitate mare sau cu amortizare mare. Gândiți-vă la controlul vibrațiilor sau teniși grozavi, de exemplu. Putem face materiale cu o rezistență incredibilă, raport rezistență/masă excelent, materiale foarte rezistente, elastomeri realmente grozavi. Prindeți-o acolo în public. Deci proprietăți materiale grozave.
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.
Șansa pe care o avem acum, dacă putem crea o piesă care să aibă proprietățile piesei finite, și o facem la viteze revoluționare, putem transforma radical industria prelucrătoare. În prezent în industrie are loc așa-zisul proces digital de producție: pornim de la desenele CAD, un proiect, la un prototip, apoi la producție. Adesea procesul digital este întrerupt direct la prototip, nu se ajunge la producție, majoritatea pieselor neavând proprietățile produsului finit. Acum putem conecta procesul digital de la proiect, la prototip, la producție. Această șansă deschide multe posibilități, de la mașini eficiente cu proprietăți structurale grozave, cu un raport rezistență/masă mare, elici noi pentru turbine, tot felul de lucruri minunate.
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.
Gândiți-vă că aveți nevoie de un stent într-o situație de urgență. În loc ca medicul să scoată un stent din dulap, unde are doar mărimi standard, ai putea avea un stent făcut pentru tine, pentru propria ta anatomie, pentru vasele tale de sânge, imprimat într-o situație de urgență, în timp real, cu proprietăți încât stentul să se dizolve în 18 luni. Cu adevărat revoluționar. Sau stomatologie digitală, să ți se imprime aceste structuri în timp ce ești pe scaunul stomatologului. Iată ce structuri fac studenții mei la Universitatea Carolina de Nord. Sunt structuri microscopice uimitoare. Știți, omenirea se pricepe bine la nanofabricație.
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.
Legea lui Moore a împins lucrurile până la 10 microni și mai jos. Suntem foarte buni. Dar este foarte greu să faci lucruri între 10 și 1000 microni, scala mezo. Tehnicile substractive din industria siliciului nu pot face asta prea bine, nu poți coroda plachetele așa bine. Dar acest proces e atât de blând, putem crește aceste obiecte de jos în sus folosind un proces aditiv și face lucruri uimitoare în zeci de secunde, deschizând calea pentru noi tehnologii de senzori, noi metode de medicație, noi aplicații „laborator pe un cip”, lucruri absolut revoluționare.
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.
Așadar șansa de a face o piesă în timp real cu proprietăți piesă finită deschide larg porțile imprimării 3D. Iar noi ne bucurăm imens, pentru că ne plasează la intersecția dintre hardware, software și știința moleculară. Și abia aștept să-i văd pe designerii și inginerii din întreaga lume punând la treabă această tehnologie.
Thanks for listening.
Mulțumesc că m-ați ascultat.
(Applause)
(Aplauze)