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.
ผมตื่นเต้นมากกับที่นี่ในคืนนี้ เพื่อที่จะแชร์งานที่พวกผมตั้งใจทำกันมา กินเวลากว่า 2 ปี และในงานขึ้นรูปแบบเติมวัสดุ (Additive Manufacturing) หรือที่รู้จักกันในชื่อการพิมพ์ 3 มิติ
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.
คุณเห็นเจ้านี่ไหมครับ มันดูธรรมดาแต่ในขณะเดียวกันก็ซับซ้อน มันเกิดจากโครงสร้างแบบจุดศูนย์กลางร่วม หลาย ๆ อัน มีก้านเชื่อมต่อถึงกันหมด ลักษณะแบบนี้ เราจึงใช้เทคนิคทางอุตสาหกรรมแบบเดิมไม่ได้ มันมีสัดส่วนที่ไม่สามารถทำเบ้าหล่อได้ การกัดก็ใช้ไม่ได้เช่นกัน ต้องยกงานนี้ให้เครื่องพิมพ์ 3 มิติครับ เครื่องพิมพ์ 3 มิติปัจจุบัน ใช้เวลาถึง 3-10 ชั่วโมง แต่คืนนี้เราจะลองเสี่ยงทำบนเวที ระหว่าง 10 นาทีที่ผมบรรยายนี้กัน หวังว่าโชคจะเข้าข้างนะครับ
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.
จริง ๆ เครื่องพิมพ์ 3 มิติไม่ใช่ชื่อที่ถูก มันเป็นการพิมพ์ 2 มิติซ้อนกันไปเรื่อย ๆ และจริง ๆ ก็ใช้เทคโนโลยี การพิมพ์ 2 มิติปกติแหละครับ นึกถึงเครื่องอิงค์เจ็ทที่ พิมพ์หมึกลงบนกระดาษให้เป็นตัวอักษร แล้วทำเช่นนั้นซ้ำ ๆ เพื่อให้ยกตัวขึ้นเป็นรูปทรง 3 มิติ ในด้านไมโครอิเล็กทรอนิกส์ มีเทคนิคนี้อยู่ เรียกว่าการพิมพ์หิน ซึ่งใช้วิธีเดียวกัน เพื่อสร้างทรานซิสเตอร์และแผงวงจรขึ้นมา โดยวางโครงสร้างซ้อนกันขึ้นไป ทั้งหมดคือเทคโนโลยีการพิมพ์ 2 มิติครับ
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.
ตอนนี้ผมเป็นทั้งนักเคมีและนักวัสดุ และผู้ร่วมลงทุนก็เป็นนักวัสดุด้วย คนหนึ่งเป็นนักเคมี อีกคนเป็นนักฟิสิกส์ และเราเริ่มมาสนใจเครื่องพิมพ์ 3 มิติ อย่างที่เราพบบ่อยว่า ไอเดียใหม่ ๆ เกิดจากการร่วมมือกัน ระหว่างผู้คนที่มีประสบการณ์ที่แตกต่าง ในสิ่งแวดล้อมที่ต่างกัน นั่นคือเรื่องราวของเราครับ
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.
เราได้รับแรงบันดาลใจ จากหนัง "เทอมิเนเตอร์ 2" ในฉากนี้ ของ ที-1000 เราเลยคิดได้ว่า ทำไมเครื่องพิมพ์ 3 มิติ จึงไม่ขึ้นรูปในรูปแบบนี้บ้างนะ แบบที่วัตถุเกิดขึ้นด้วยการยกตัวขึ้น จากของเหลว โดยทำงานแบบเรียลไทม์ สร้างวัตถุใหญ่ ๆ ได้ โดยสิ้นเปลืองน้อยที่สุด ได้หรือเปล่า โอเค เอาแบบในหนังเลย ดูกันว่าเราจะเอาจินตนาการจากฮอลลีวูด เอามาทำให้ใช้งานได้จริง ได้หรือไม่ นั่นคือความท้าทายสำหรับเรา และด้วยวิธีประมาณนี้ ถ้าเราทำได้ เราจะสามารถกำจัด 3 ต้นเหตุ ที่ถ่วงไม่ให้การพิมพ์ 3 มิติ พัฒนาไปสู่ระดับอุตสาหกรรมได้เสียที
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.
ปัจจัยแรก การพิมพ์ 3 มิติใช้เวลาทั้งชาติ เห็ดบางชนิดยังโตไวกว่า ชิ้นงานพิมพ์ 3 มิติด้วยซ้ำ (เสียงหัวเราะ) การพิมพ์กลับไปกลับมาทีละชั้นนั้น สร้างความเสียหายของคุณสมบัติเชิงกล (mechanical properties) แต่ถ้าเราขึ้นชิ้นงานได้อย่างต่อเนื่อง เราจะสามารถลดความเสียหายได้ และอันที่จริง ถ้าขึ้นชิ้นงานได้เร็ว เราก็จะเลือกวัสดุแบบ ที่ซ่อมแซมตัวเองได้ (self-curing) ซึ่งจะให้ชิ้นงานที่ยอดเยี่ยมกว่า ดังนั้นถ้ากำจัดจุดอ่อนพวกนี้ได้ แล้วเลียนแบบฮอลลีวูด เราจะสร้างอุตสาหกรรม 3 มิติของจริงได้
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.
วิธีการของเราใช้ความรู้มาตรฐานทั่วไป ทางด้านเคมีพอลิเมอร์ นั่นคือพลังงานแสง และออกซิเจน เพื่อขึ้นชิ้นงานได้เร็วและต่อเนื่อง แสงและออกซิเจนทำหน้าที่ต่างกัน แสงเข้าจับตัวกับเรซิน และเปลี่ยนมันให้เป็นของแข็ง มันเปลี่ยนของเหลวเป็นของแข็ง แต่ออกซิเจนเป็นตัวขวางกระบวนการเปลี่ยนนั้น ดังนั้น แสง กับ ออกซิเจน ทำงานตรงข้ามกัน คนละขั้ว ถ้าเรามองจากทฤษฎีทางเคมี ดังนั้น ถ้าเราควบคุมการให้ แสงและออกซิเจนได้ถูกระยะ เราก็จะสามารถควบคุมกระบวนการได้นั่นเอง และเราให้ชื่อระบบนี้ว่า CLIP (Continuous Liquid Interface Production) มันมีส่วนประกอบสำคัญ 3 ตัวคือ หนึ่ง อ่างสำหรับเก็บของเหลว เหมือนกับ ที-1000 เลย ข้างใต้อ่าง เป็นช่องพิเศษ เดี๋ยวผมค่อยกลับมาอธิบายนะครับ ส่วนต่อไปคือแท่นที่จะจุ่มลงไปในของเหลว และดึงชิ้นงานขึ้นมาจากของเหลว ส่วนที่สาม คือ ระบบฉายแสงแบบดิจิตัล ซึ่งอยู่ข้างใต้อ่างของเหลว ทำหน้าที่ฉายแสงอัลตร้าไวโอเลต
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.
กุญแจหลักอยู่ตรงช่อง ใต้อ่างของเหลวนี่แหละครับ มันเกิดจากหลายส่วนประกอบ เป็นช่องพิเศษ ที่ไม่ใช่เฉพาะแสงที่ผ่านได้ แต่ออกซิเจนก็ซึมผ่านได้ คุณสมบัติคล้ายกับคอนแทคเลนส์ ตอนนี้เราเห็นภาพกระบวนการทั้งหมดแล้ว คุณจะเห็นว่า เมื่อคุณเอาแท่นจุ่มลงไป ด้วยกระบวนการเคมีแบบเดิม ๆ นี้ เมื่อออกซิเจนซึมผ่านช่องที่เปิดให้ผ่านได้ คุณก็จะสร้างแพทเทิร์นแบบ 2 มิติขึ้น เมื่อหน้าต่างปิด มันก็จะติดอยู่บนแท่น และถ้าเราต้องการสร้างชั้นต่อไป คุณต้องแยกมันออกก่อน เติมเรซินใหม่ เลื่อนแท่นลง แล้วทำกระบวนการเดิมซ้ำไปซ้ำมา แต่ด้วยหน้าต่างแบบพิเศษนี้ ซิ่งที่เราทำคือ เมื่อออกซิเจนซึมผ่านจากข้างล่าง และแสงมากระทบ ออกซิเจนจะยับยั้งปฎิกิริยา ซึ่งสร้าง dead zone ขึ้น ซึ่ง dead zone นี้ ถูกทำให้มีขนาด หนาเพียง 10 ไมครอน เทียบได้กับเส้นผ่าศูนย์กลางของ เม็ดเลือดแดง 2-3 เซลเท่านั้น โดยตรงหน้าต่างคงรูปของเหลวไว้ และเราดึงส่วนที่แข็งตัวขึ้น อย่างที่เราทราบจากงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เมื่อเราปรับปริมาณออกซิเจน เราก็จะปรับความหนาของ dead zone ได้ ดังนั้น เราจึงมีตัวแปลหลัก ที่เราต้องควบคุม คือ ปริมาณออกซิเจน แสง ความเข้มของแสง ปริมาณสารที่ต้องขึ้นรูป ความหนืด หลักเรขาคณิต เราจึงมีซอร์ฟแวร์ที่ซับซ้อนมาก เพื่อควบคุมกระบวนการนี้
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.
ผลลัพธ์ยังค่อนข้างแกว่ง มันเร็วกว่าปริ้นเตอร์ 3 มิติแบบเดิม 25 ถึง 100 เท่าตัว ซึ่งนี่แหละที่พลิกโลก อีกอย่าง ประสิทธิภาพของเราที่ สร้างชั้นพื้นผิวด้วยของเหลวนี้ ทำให้ผมเชื่อว่า 1000 เท่า เราก็ทำได้ครับ ซึ่งนั่นจะทำให้มีโอกาสในการสร้าง ความร้อนได้มาก ในฐานะวิศวกรเคมี ผมตื่นเต้นเกี่ยวกับการถ่ายเทความร้อนมาก ๆ และคิดว่าในวันหนึ่งเราจะมี เครื่องพิมพ์สามมิติที่คุมความเย็นด้วยน้ำ เพราะมันจะพัฒนาไปเร็วมาก และเพราะเราสร้างชิ้นงาน โดยไม่ใช้วิธีซ้อนกันเป็นชั้น และวัตถุดิบเป็นแบบพื้นผิวผลึก คุณจะไม่เห็นพื้นผิวเป็นโครงขรุขระ คุณจะได้พื้นผิวเรียบเนียนระดับโมเลกุล และด้วยโครงสร้างของชิ้นงานที่สร้างจาก เครื่องพิมพ์ 3 มิติ เป็นที่รู้กันว่าคุณสมบัติของงาน ขึ้นอยู่กับวิธีตั้งว่าพิมพ์แนวตั้งหรือนอน ซึ่งก็มาจากวิธีการพิมพ์ เพราะโครงสร้างของมันเป็นชั้น แต่เมื่อคุณสร้างวัตถุด้วยวิธีนี้ ชิ้นงานจะไม่บิดเบี้ยว จากทิศทางของการพิมพ์ งานจะเหมือนกับวิธีฉีดเข้าแม่พิมพ์ ซึ่งต่างจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ แบบเดิมอย่างมาก อีกอย่างนึงครับ เราแทบจะโยน ตำราเคมีโพลิเมอร์ทั้งเล่มใส่เครื่องนี่ เพื่อออกแบบ องค์ประกอบทางเคมี ที่จะสร้างชิ้นงานให้ออกมา แบบที่คุณอยากได้จากพิมพ์ 3 มิติจริง ๆ
(Applause)
(เสียงปรบมือ)
There it is. That's great. You always take the risk that something like this won't work onstage, right?
นี่แหละครับ เยี่ยมเลยใช่ไหม คุณต้องเสี่ยงหน่อย เพราะทำอะไรแบบนี้ บนเวทีอาจไม่รอด ใช่ไหมครับ
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.
แต่เรามีอุปกรณ์ ที่มีคุณสมบัติทางวิศกรรมที่ยอดเยี่ยม เป็นครั้งแรก ที่ชิ้นงานมีความยืดหยุ่นด้วย มีทั้ง ยืดหยุ่นสูงก็ได้ หรือ มีความถ่วงสูงก็ได้ ลองคิดถึงการกันกระเทือน หรือรองเท้าผ้าใบที่สุดยอด เป็นต้น เราสามารถสร้างวัสดุที่แข็งแรง อย่างไม่น่าเชื่อ ที่มีความแข็งแรงสูงเทียบกับน้ำหนักที่เบา ชิ้นงานที่แข็งแรงมาก หรือที่มีความยืดหยุ่นสูง ที่โยนให้ผู้ชมได้แบบนี้ คุณสมบัติเหล่านั้นมันเยี่ยมมากครับ
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.
เราเอามาต่อยอดได้ ถ้าคุณเอาไปสร้างชิ้นส่วน ที่นำไปใช้งานได้จริง แถมยังผลิตได้เร็วแบบไม่เคยมีใครทำได้มาก่อน เท่ากับคุณพลิกโฉมอุตสาหกรรมการผลิดไปเลย ปัจจุบัน สิ่งที่เกิดขึ้นในกระบวนการผลิตคือ ส่วนการผลิตดิจิทัล(digital thread) ซึ่งอยู่ในกระบวนการผลิดแบบดิจิทัล เราเริ่มที่วาดแบบในโปรแกรม CAD เพื่อนำไปสร้างตัวต้นแบบก่อนผลิต ซึ่งส่วนการผลิตดิจิทัลจะไปตายที่ การทำตัวต้นแบบนี่แหละ เพราะคุณไม่สามารถเชื่อมไปถึง งานการผลิตได้ เพราะชิ้นส่วนหลาย ๆ ตัว ไม่สามารถสร้างเป็นผลิตภัณฑ์จริง ๆ ได้ สิ่งที่เราทำจะเชื่อมกับส่วนการผลิตดิจิทัล ตั้งแต่ออกแบบ ไปถึงตัวต้นแบบ ไปจนถึงสายการผลิต ซึ่งสร้างโอกาสในการผลิตชิ้นงาน ทุกประเภท ตั้งแต่ รถยนต์ประหยัดพลังงาน ที่ชิ้นส่วนสร้างแบบโครงตาข่าย ที่แข็งแรงมากแต่มีน้ำหนักที่เบาขึ้น หรือใบพัดแบบใหม่ และผลิตภัณฑ์ที่ยอดเยี่ยมทุกรูปแบบ
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.
หรือคิดถึงขดลวดที่ใช้ขยายหลอดเลือด (stent) ที่ต้องใช้แบบฉุกเฉินล่ะ แทนที่คุณหมอจะหยิบขดลวด ที่ตุนไว้ในชั้น ซึ่งมีขนาดเท่ากันหมด เปลี่ยนเป็นขดลวดที่ออกแบบ เฉพาะสำหรับร่างกายของคุณ ด้วยลักษณะเส้นเลือดของคุณเอง โดยพิมพ์ออกมาใช้ได้ทันท่วงที ในช่วงเวลาที่ฉุกเฉินนั้น โดยขดลวดจะหายไปเมื่อเลย 18 เดือน นี่เปลี่ยนเกมเลยนะครับ หรือระบบดิจิทัลสำหรับการทันตกรรม โดยพิมพ์โครงสร้างฟันแบบนี้ โดยที่คุณไม่ต้องลุกจากเตียงทำฟันด้วยซ้ำ และดูที่โครงสร้างเหล่านี้ ที่ลูกศิษย์ผมทำอยู่ ที่มหาวิทยาลัยนอร์ทแคโรไลนา นี่เป็นโครงสร้างขนาดเล็กที่สุดยอดมาก
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.
อย่างที่รู้ การผลิตแบบนาโนแพร่หลายทั่วโลก กฎของมัวร์ (Moore's law) ทำให้เกิดสิ่งที่ ขนาดเล็กกว่า 10 ไมครอนมากมาย เราเองก็เชี่ยวชาญครับ แต่ความยากอยู่ที่การผลิตที่ก้ำกึ่ง ระหว่าง 10 ไมครอน จนถึง 1000 ไมครอน หรือ ขนาดระดับกลาง (mesoscale) และจากเทคนิคการหักออก (subtractive) ในอุตสาหกรรมซิลิคอน ก็ยังทำไม่ได้ ยังแกะแบบที่เป็นเวเฟอร์ได้ไม่ดี แต่กระบวนการของเราทำได้ละเอียดมาก เราสามารถสร้างวัตถุจากล่างขึ้นบน โดยใช้การผลิตแบบเติมวัสดุ และสร้างสิ่งที่ยอดเยี่ยมได้ในไม่กี่วินาที ซึ่งทำให้เกิดเทคโนโลยีเซนเซอร์แบบใหม่ เทคนิคการฉีดยาแบบใหม่ ห้องปฎิบัติการบนชิพ (lap on a chip) แบบใหม่ ๆ
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.
นั่นคือโอกาสที่จะสร้างชิ้นส่วนแบบเรียลไทม์ และมีคุณสมบัติพอที่จะเป็นผลิตภัณฑ์ได้จริงๆ ซึ่งเป็นโอกาสของอุตสาหกรรมการพิมพ์ 3 มิติ และสำหรับเรา มันน่าตื่นเต้นมาก เพราะเราสร้างสิ่งที่ ผสมผสาน ฮาร์ดแวร์ ซอฟต์แวร์ และวิทยาศาสตร์โมเลกุลเข้าด้วยกัน ผมแทบรอไม่ไหวที่จะเห็นว่า นักออกแบบและวิศวกรทั่วโลก สามารถสร้างสรรค์อะไรได้บ้าง ด้วยอุปกรณ์นี้
Thanks for listening.
ขอบคุณครับ
(Applause)
(เสียงปรบมือ)