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.
İki yıldır üzerinde çalışmakta olduğumuz bir şeyi sizinle paylaşmak için burada olduğumdan dolayı çok heyecanlıyım ve bu 3B baskı olarak da bilinen katmanlı üretim konusuyla ilgili.
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.
Burada bu objeyi görüyorsunuz. Oldukça basit görünüyor, ama aynı zamanda oldukça kompleks. Birbiri arasında bağlantıları olan eşmerkezli jeodezik bir yapı seti. Bu kapsamda, geleneksel üretim teknikleriyle üretilemez. Simetrisinden dolayı enjeksiyon kalıplama yapamazsınız. Frezeleme ile bile imal edemezsiniz. Bu 3B yazıcının yapabileceği bir iş, ama çoğu 3B yazıcının bunu imal etmesi üç ila on saat arasında sürer. Bu akşam bu 10 dakikalık konuşma sırasında sahnede bunu imal etme riskini alacağız. Bize şans dileyin.
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.
3B baskı aslında yanlış bir tanımlama. Aslında bu tekrar tekrar 2B basım yapmak ve doğrusu 2B baskıyla ilgili teknolojileri kullanıyor. Mürekkep püskürtmeli yazıcıyla basımı düşünün. Harfleri elde etmek için sayfaya mürekkep bırakırsınız ve üç boyutlu bir obje oluşturmak için bunu üst üste yaparsınız. Mikro elektronikte buna benzer şeyler yapmak için, transistör ve entegre devreler yapmak için, pek çok defa bir yapıyı elde etmek için litografi denen şey kullanılır. Bunların hepsi 2B baskı teknolojileri.
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.
Ben bir kimyagerim ve bir malzeme bilimciyim, yanımdaki mucitler de malzeme bilimci, biri kimyager, diğeri fizikçi ve 3B baskıyla ilgilenmeye başladık. Bildiğiniz gibi çoğunlukla yeni fikirler farklı alanlardan, farklı deneyimlere sahip insanlar arasındaki basit bağlantılardır ve bu bizim hikâyemiz.
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.
Biz Terminatör 2'deki T-1000 sahnesinden esinlendik ve neden bir 3B yazıcı bu şekilde çalışmasın diye düşündük. Harika bir obje yapmak üzere gerçek zamanlı olarak, hiçbir atık olmadan sıvı içinden çıkan bir objeniz var. Evet, aynı filmdekiler gibi. Hollywood'dan esinlenip gerçekte bunun olması için yollar bulabilir miydik? İşte bu bizim uğraştığımız şeydi. Bizim yaklaşımımız, bunu yapabildiğimiz zaman, aslında 3B baskının üretim süreci olmasını önleyen üç soruna çözüm getirebilmiş olmaktı.
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.
Birincisi, 3B baskı çok uzun sürüyor. 3B ile basılan parçalardan daha hızlı büyüyen mantarlar var. (Gülüşmeler) Katmanlı süreç mekanik özelliklerde hatalara sebep oluyor. Eğer kesintisiz büyümesini sağlarsak, o hataları önleyebilirdik. Aslında gerçekten çok hızlı büyümesini sağlarsak, kendiliğinden kürlemeyi sağlayan malzemeleri kullanmaya da başlayabilirdik ve harika özelliklere sahip olurduk. Eğer bunu başarabilirsek, Hollywood'u taklit edebilirsek, doğrusu 3B üretime çözüm bulabilirdik.
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.
Yaklaşımımız, parçaları kesintisiz büyütmek için ışığı ve oksijeni kullanmak üzere polimer kimyasındaki bazı standart bilgileri kullanmak. Işık ve oksijen farklı şekillerde işler. Işık reçineyi alıp bir katıya dönüştürebilir, bir sıvıyı katıya dönüştürebilir. Oksijen bu süreci engeller. Yani kimyasal bakış açısıyla, ışık ve oksijen birbirinin tam tersidirler. Eğer ışık ve oksijeni uzaysal olarak kontrol edebilirsek, bu süreci kontrol edebiliriz. Buna CLIP [Sürekli Sıvı Arayüz Üretimi] adını veriyoruz. Üç işlevsel bileşeni var. Birincisi, sıvıyı tutan bir rezervuarı olması, tıpkı T-1000 gibi. Rezervuarın altında özel bir penceresi bulunuyor. Buna sonra değineceğim. Buna ek olarak, sıvının içine doğru inen ve objeyi sıvıdan çıkaran bir tablası var. Üçüncü bileşeni ise rezervuarın altında bulunan dijital ışık yansıtma sistemi, morötesi bölgede ışıkla aydınlanıyor.
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.
Kilit nokta, rezervuarın altındaki bu pencerenin kompozit olması, çok özel bir pencere olması. Sadece ışığa geçirgen değil, aynı zamanda oksijene de geçirgen. Kontak lens gibi özellikleri var. Sürecin nasıl işlediğini görebiliyoruz. Görülmeye başlandığı gibi, orada tablayı alçalttığınızda, geleneksel süreçte, oksijeni geçirmeyen bir pencereyle iki boyutlu desen yaparsınız ve geleneksel pencere olunca pencereye yapıştırmak durumunda kalırsınız. Bir sonraki katmanı başlatmak için, ayırmak zorundasınız, yeni reçine koyup, yeniden yerleştirip, tekrar tekrar bu süreci yapmak zorundasınız. Ama çok özel penceremizle yaptığımız şey, ışık vurup alttan oksijen geldiğinde, o oksijenin reaksiyon oluşturması ve ölü bir kuşak oluşturmamız. Bu ölü bölge yaklaşık onlarca mikron kalınlığında, bu iki veya üç çap kalınlığında alyuvar kadar, tam pencere arayüzünde sıvı olarak kalıyor ve bu objeyi yukarı çekiyoruz. Bir bilim dergisinde bahsettiğimiz gibi, oksijen içeriğini değiştirince, ölü kuşak kalınlığını değiştirebiliyoruz. Yani kontrol edebildiğimiz birkaç kilit değişkenimiz var: Oksijen içeriği, ışık, ışık yoğunluğu, kürlemek için dozaj, akışkanlık, geometri ve bu süreci kontrol etmek için çok sofistike bir yazılım kullanıyoruz.
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.
Sonuç oldukça şaşırtıcı. Geleneksel 3B yazıcıdan 25 ila 100 kat daha hızlı, ki bu da oyunu değiştiriyor. Ayrıca o arayüze sıvı aktarma kabiliyetimiz yüzünden, inanıyorum ki, 1.000 kat hızlı yapabiliriz ve aslında bu durum çok fazla ısının yaratılmasına imkân sağlıyor. Bir kimya mühendisi olarak, ısı transferi ve bir gün suyla soğutulan 3B yazıcıların olması fikri ile ilgili olarak heyecanlanıyorum, çünkü çok hızlılar. Buna ek olarak, nesneleri büyüttüğümüz için katmanları elimine ediyoruz ve parçalar yekpare. Yüzey yapısını görmüyorsunuz. Moleküler olarak pürüzsüz yüzeyleriniz var. 3B yazıcıda yapılan çoğu parçanın mekanik özelliklerinin, bastığınız yöne bağlı olan özelliklere sahip olmasıyla bilinmesinin sebebi ise katmanımsı yapısı. Ancak objeleri bu şekilde büyütürseniz, özellikler basım yönüne bağlı olarak değişmez. Bunlar enjeksiyon kalıplama ile yapılan parçalara benziyor, geleneksel 3B üretimden çok farklılar. Ayrıca, buna bütün polimer kimyası ders kitabını dâhil edebildik ve bir 3B basılan objede gerçekten istediğiniz özellikleri ortaya çıkaracak madde yapılarını tasarlayabildik.
(Applause)
(Alkış)
There it is. That's great. You always take the risk that something like this won't work onstage, right?
İşte burada. Bu harika. Bunun gibi bir şeyin sahnede başarılı olmaması riskini hep alırsınız, değil mi?
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.
Ancak harika mekanik özelliklere sahip malzemelere sahip olabiliriz. İlk defa yüksek esneklik veya yüksek nemlendirmeye sahip elastomerlere sahip olabildik. Örneğin, titreşim kontrolü veya iyi lastik ayakkabıları düşünün. Olağanüstü mukavemete, yüksek dayanım-ağırlık oranına, gerçekten dayanıklı materyallere, gerçekten harika elastomerlere sahip malzemeler yapabiliriz. Bunu burada seyirciye atalım. Yani harika malzeme özellikleri.
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.
Şimdiki fırsat şu, final parça olacak özellikleri olan bir parça gerçekten yaparsan ve bunu oyunu değiştiren bir hızda yaparsan, gerçekten de üretimi değiştirebilirsin. Şu an üretimde olan şey, dijital üretimdeki dijital ip adı verilen şey. BDT (CAD) çizimden, tasarımdan prototipe, üretime gidiyoruz. Dijital ip çoğunlukla prototip aşamasında kopuyor, çünkü üretime kadar gidemiyorsunuz, çünkü parçaların çoğunluğunun final parça olabilecek özellikleri bulunmuyor. Artık dijital ipi başından sonuna, tasarımdan prototiplemeye ve üretime kadar bağlayabiliriz. Bu olanak her türlü şeyin kapılarını açıyor, harika kafes özellikleriyle, yüksek dayanım-ağırlık oranıyla daha fazla yakıt tasarrufuna sahip arabalar, yeni türbin kanatları, her türlü harika şey.
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.
Acil bir durumda stente ihtiyacınız olduğunu düşünün, doktorun standart büyüklükteki bir stenti raftan alması yerine, sizin için, kendi anatominiz için, kendi kanallarınızla tasarlanan, 18 ay sonra kaybolacak özelliklerle acil durum anında gerçek zamanlı olarak basılan bir stente sahip olmak: Gerçekten oyunu değiştirici. Ya da dijital dişçilik ve hâlâ dişçi koltuğundayken bu tür yapıları yapmak. Kuzey Karolina Üniversitesi'nde öğrencilerimin yaptığı yapılara bakın. Bunlar inanılmaz mikro ölçekteki yapılar.
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.
Biliyorsunuz ki, dünya nano fabrikasyonda gerçekten iyi. Moore Yasası, nesneleri 10 mikronun altına indirdi. Bunda gerçekten iyiyiz, ama 10 mikrondan 1.000 mikrona kadar, orta ölçekte şeyler yapmak oldukça güç. Silikon endüstrisindeki eksiltici teknikler bunu çok iyi yapamıyor. Devre levhalarını o kadar iyi aşındıramıyorlar. Ancak bu süreç çok hassas, bu objeleri aşağıdan yukarıya katmanlı imalat ile büyütebiliyoruz ve onlarca saniye içinde harika şeyler yapabiliyoruz, yeni sensör teknolojileri ortaya çıkarabiliyoruz, yeni ilaç teslimi teknikleri, yeni yonga üstünde laboratuvar (lab-on-a-chip) uygulamaları, gerçekten oyunu değiştiren şeyler.
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.
Yani final bir parçanın özelliklerine sahip bir parçayı gerçek zamanlı olarak yapma olanağı 3B imalatı gerçekten geliştiriyor. Donanım, yazılım ve moleküler bilim arasındaki kesişime gerçekten sahip olmak açısından bu bizim için çok heyecan verici. Dünyanın dört bir yanındaki tasarımcıların ve mühendislerin bu harika araçla neler yapabileceğini görmek için sabırsızlanıyorum.
Thanks for listening.
Dinlediğiniz için teşekkürler.
(Applause)
(Alkış)