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.
Tôi rất vui mừng được ở đây tối nay để chia sẻ với quí vị vài điều chúng tôi đã đang nghiên cứu hơn 2 năm qua, và nó nằm trong lĩnh vực sản xuất đầy mê hoặc, cũng được gọi là In 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.
Quí vị có thể nhìn thấy vật thể đây. Nó nhìn có vẻ khá đơn giản, nhưng nó cũng đồng thời khá phức tạp. Nó là một khối các cấu trúc trắc địa đồng tâm với các liên kết giữa chính chúng. Trong bối cảnh đó, nó không thể sản xuất được bằng các công nghệ sản xuất truyền thống. Nó có một sự đối xứng mà quí vị không thể nào tạo khuôn được. Quí vị thậm chí không thể tạo ra nó bằng cách khắc cạnh được. Đây là một công việc của máy in 3D, nhưng hầu hết máy in 3D đều mất từ 3 đến 10 tiếng để chế tạo nó, và chúng tôi sẽ liều thử trong tối nay cố để tạo ra nó trên sân khấu này trong suốt 10 phút nói chuyện này. Cầu mong chúng tôi được may mắn.
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.
Ngày nay, In 3D thật ra là một sự nhầm tên. Nó thật ra là In 2D lặp đi lặp lại, và trong thực tế nó sử dụng các công nghệ in của kỹ thuật in 2D. Hãy nghĩ về công nghệ in phun mà quí vị dùng mực in trên trang giấy để tạo ra các mẫu tự, và sau đó làm đi làm lại để tạo ra một đối tượng 3 chiều. Trong vi điện tử, họ dùng cái được gọi là thuật in thạch bản để làm các công việc tương tự, để tạo ra các transitor và các bản mạch tích hợp và xây dựng một cấu trúc trong nhiều lần. Đó tất cả đều là những công nghệ in 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.
Tôi là một nhà hóa học, cũng là một nhà khoa học vật liệu, và những người đồng phát minh cũng là những nhà khoa học vật liệu, một người bên hóa học, một người bên vật lý, và chúng tôi đã bắt đầu bị mê hoặc trong lĩnh vực in 3D. Và rất thường xuyên, như các bạn biết đấy, những ý tưởng mới thường là những mối liên kết giản đơn giữa những người với những kinh nghiệm khác nhau trong những cộng đồng khác nhau, và đó là câu chuyện của chúng tôi.
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.
Chúng tôi đã được truyền cảm hứng từ cảnh phim của bộ phim "Terminator 2" về robot T-1000, và chúng tôi nghĩ, tại sao máy in 3D lại không thể vận hành theo kiểu này, bạn có một vật thể trồi lên từ vũng nước trong thời gian thực cần thiết không chất thải cần thiết để tạo ra một vật thể tuyệt vời? Okay, giống như trong các bộ phim. Và liệu chúng ta có thể lấy cảm hứng từ Hollywood và đưa ra những cách để làm cho nó hiện thực thật sự? Và đó là thử thách của chúng tôi. Và giải pháp có thể được, nếu chúng tôi làm được điều này, thì chúng tôi có thể giải quyết căn bản 3 vấn đề kiềm hãm công nghệ in 3D trở thành một qui trình sản xuất.
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.
Một, In 3D mất mãi mãi. Nấm còn mọc nhanh hơn là các thành phần phần được in 3D. (Cười) Việc xử lý hết lớp này đến lớp khác dẫn đến những khuyết điểm trong các đặc tính kỹ thuật, và nếu chúng tôi phát triển liên tục, chúng tôi có thể loại bỏ những khiếm khuyết này. Và thật sự, nếu chúng tôi có thể phát triển nhanh, chúng tôi cũng có thể bắt đầu sử dụng vật liệu tự khắc phục, và chúng tôi có thể sẽ có những thứ rất tuyệt vời. Vì thế nếu chúng tôi làm được điều này, bắt chước Hollywood, chúng tôi thật sự có thể xử lý việc sx 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.
Giải pháp của chúng tôi là sử dụng các kiến thức cơ bản trong hóa học polymer để sử dụng ánh sáng và khí oxy để gia tăng các thành phần một cách liên tục. Ánh sáng và khí oxy hoạt động theo nhiều cách khác nhau. Tia sáng có thể dùng nhựa thông và chuyển đổi chúng sang thể rắn, có thể chuyển đổi một chất lòng sang rắn. Khí oxy thì kiềm chế quá trình đó. Vì thế tia sáng và khí oxy là các địa cực đối đầu nhau từ cái nhìn của hóa học, và nếu chúng tôi có thể kiểm soát tia sáng và khí oxy có trong không gian, thì chúng ta có thể kiểm soát quá trình này. Và chúng tôi gọi nó là CLIP. (Continuous Liquid Interface Production.) Nó có 3 thành phần chức năng. Một là, nó có một hồ chứa chứa vũng nước nhỏ, giống như robot T-1000. Dưới đấy hồ là một cửa sổ đặc biệt. Tôi sẽ trở lại vấn đề này sau. Ngoài ra, nó có 1 cái bệ dùng để hạ thấp xuống vùng nước và kéo vật thể ra khỏi chất lỏng. Thành phần thứ 3 là một hệ thống máy chiếu tia sáng kĩ thuật số năm phía dưới cái hồ, chiếu sáng bằng tia sáng nằm trong vùng cực tím.
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.
Mấu chốt là cái tấm kính nằm dưới đáy cái hồ này, nó là một hỗn hợp, nó là một tấm kính rất đặc biệt. Nó không những trong suốt với ánh sáng mà còn khí oxy còn có thể thấm qua được. Nó có những thuộc tính giống như một kính áp tròng. Vì vậy chúng ta có thể nhìn thấy quá trình xử lý như thế nào. Quí vị có thể bắt đầu thấy rằng khi bạn hạ cái bệ xuống, theo qui trình truyền thống, với một tấm kính thẩm thấu oxy, bạn tạo ra một mô hình 2 chiều và cuối cùng bạn gắn lại vào tấm kính với một tấm kính truyền thống, và để tạo ra lớp kế tiếp, bạn phải tách rời nó, đưa vào lớp nhựa mới, sắp xếp nó lại, và thực hiện quá trình này hết lần này lần khác. Nhưng với tấm kính đặc biệt của chúng tôi, cái mà chúng ta có thể làm là, với khí oxy đi xuyên qua đáy khi tia sáng chiếu trúng vào nó, oxy sẽ kiềm hãm phản ứng, và chúng ta tạo ra một vùng nước đọng. Vùng nước đọng này là một sự sắp xếp của hàng chục micron mỏng, có đường kính gấp 2 hoặc 3 đường kính của một tế bào máu đỏ, ở ngay trên bề mặt tấm kính chứa chất lỏng, và chúng tôi kéo vật thể lên, và như chúng tôi đã nói trên báo Khoa Học, khi chúng tôi thay đổi lượng oxy, chúng tôi có thể thay đổi độ dày của vùng nước. Và như vậy chúng tôi có một số các biến cần điều khiển: lượng oxy, ánh sáng, cường độ ánh sáng, liều lượng xử lý, tính sệt, hình học, và chúng tôi sử dụng một phần mềm khá phức tạp để điều khiển quá trình này.
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.
Kết quả khá là kinh ngạc. Nó nhanh gấp 25 đến 100 lần so với in 3D thông thường, và sẽ thay đổi luật chơi. Thêm vào đó, với khả năng cung cấp chất lỏng cho bề mặt, chúng tôi tin rằng có thể làm nhanh hơn 1000 lần, và sẽ thật sự mở ra cơ hội để sinh ra rất nhiều nhiệt, và là một kỹ sư hóa học, tôi rất thích thú với việc truyền tải nhiệt và ý tưởng rằng chúng ta một ngày nào đó có thể có máy in nước đá 3D, bởi vì chúng hoạt động rất nhanh. Thêm nữa, bởi vì chúng ta đang tạo ra vật thể, chúng ta sẽ loại bỏ đi các layer, và các thành phần sẽ chắc như đá. Bạn không thể nhìn thấy cấu trúc bề mặt. Bạn sẽ có bề mặt phân tử mượt mà. Và các đặc tính kỹ thuật của hầu hết các thành phần được làm từ máy in 3D đều khét tiếng là có những thuộc tính phụ thuộc và sự định hướng khi bạn in nó, bởi vì có cấu trúc giống các lớp. Nhưng khi bạn tạo những vật như thế này, các thuộc tính sẽ cố định so với hướng in. Chúng giống như những bộ phận được đúc khuôn bằng nhiệt, rất khác biệt so với việc sx 3D truyền thống. Thêm vào đó, chúng ta có thể quăng vào đó toàn bộ cuốn sách hóa học bằng polymer, và chúng ta có thể thiết kế những chất hóa học mà có thể giúp tạo ra những thuộc tính mà bạn thực sự muốn cho vật thể in 3D.
(Applause)
(Vỗ tay)
There it is. That's great. You always take the risk that something like this won't work onstage, right?
Đây nó đây. Tuyệt vời. Quí vị luôn chịu rủi ro rằng những thứ như vậy thường ko hoạt động, đúng ko?
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.
Nhưng chúng tôi có thể có những vật liệu với những thuộc tính kỹ thuật tuyệt vời. Lần đầu tiên, chúng ta có thể có những chất đàn hồi có tính co giãn cao hoặc giữ ẩm cao. Ví dụ, hãy nghĩ đến việc kiểm soát độ rung hoặc các giày đế mềm hữu ích. Chúng ta có thể tão ra những vật liệu có sức bền lạ thường, có tỉ lệ sức mạnh trên trọng lượng cao, những vật liệu thật sự chắc chắn, đàn hồi tuyệt vời, có thể ném xuống cho khán giả dưới kia. Những thuộc tính vật liệu tuyệt vời.
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.
Và cơ hội là đây, nếu bạn thật sự làm ra một bộ phận mà có những thuộc tính để là một bộ phận hoàn hảo, và bạn làm nó với tốc độ tốc độ thay đổi, bạn thật sự có thể làm chuyển biến việc sx. Tại thời điểm này, trong sản xuất, những gì đang diễn ra, chỉ là cái gọi là 1 tên gọi kts trong sx kts. Chúng tôi đi từ một bản vẽ CAD, một mẫu tk, đến một nguyên mẫu để sx. Thông thường, tên gọi KTS bị bẻ gãy ngay tại bước tạo nguyên mẫu, bởi vì bạn ko thể làm cách nào để sản xuất bởi vì hầu hết các bộ phận đều không có những đặc tính để là một bộ phận hoàn chỉnh. Chúng tôi giờ có thể kết nối tên gọi kts hoàn toàn từ thiết kế đến sx nguyên mẫu đến sx hàng loạt, và cơ hội đó thật sự mở ra nhiều thứ, từ những chiếc xe tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn những hàng rào lưới sắt to lớn với độ chịu trọng lượng cao, những cánh tuabin mới, hầu như tất cả những vật tuyệt vời.
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.
Hãy thử nghĩ bạn đang cần một thiết bị đặt bên trong cơ thể trong trường hợp khẩn cấp, thay vì vị bác sĩ lấy 1 thiết bị có kích cỡ chuẩn ra khỏi kệ, việc có được 1 thiết bị được thiết kế riêng cho bạn, cho riêng cơ thể bạn với những đặc thù riêng của bạn, được in ra trong trường hợp khẩn cấp trong thời gian thực với những thuộc tính mà một thiết bị có thể chịu được độ bền sau 18 tháng: thật sự là một thay đổi. Hoặc là nha khoa KTS, làm ra những dạng cấu trúc này thậm chí khi bạn còn đang ngồi trên ghế nha sĩ nữa. Và hãy nhìn vào những kiến trúc mà các sinh viên của tôi đang làm tại Đại học Bắc Carolina. Chúng thật là những cấu trúc thu nhỏ tuyệt vời.
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.
Như bạn biết đó, thế giới này thật tốt đẹp với những vi vật thể. Định luật Moore nói có những vật nhỏ từ 10 micron và hơn nữa. Chúng tôi có thể tạo ra được vậy, nhưng thật sự rất khó để tạo ra những vật từ 10 đến 1000 micron, 1 tỉ lệ trung gian. Và kỹ thuật chiết suất từ ngành công nghiệp silicon không thể làm tốt điều đó. Chúng ko thể khắc những miếng mỏng tốt được. Nhưng qui trình này lại rất nhẹ nhàng êm ái, chúng ta có thể lôi những vật thể lên từ dưới sử dụng chất phụ gia sản xuất và tạo ra những vật tuyệt hảo trong vòng mươi giay, mở ra công nghệ cảm biến mới, kỹ thuật cung ấp thuốc mới, những ứng dụng thư viện trên 1 chip, thứ thật sự làm thay đổi thế giới.
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.
Cơ hội để tạo ra 1 bộ phận trong thời gian thực có những thuộc tính để làm 1 bộ phận hoàn hảo thật sự mở ra công nghệ sx 3D, và đối với chúng tôi, diều này thật sự rất thú vị, bởi vì nó thật sự là sở hữu sự giao thoa giữa phần cứng, phần mềm và khoa học phân tử, và tôi háo hức để xem các designer và các kỹ sư trên toàn thế giới dự định sẽ làm gì với công cụ tuyệt vời này.
Thanks for listening.
Cám ơn các bạn đã lắng nghe.
(Applause)
(Vỗ tay)