Wat als 3D-printen 100 maal sneller ging?

Wat wij 3D-printen noemen, zegt Joseph DeSimone, is eigenlijk gewoon 2D-printen, maar telkens opnieuw en... langzaam. Op TED2015 onthult hij een gedurfde nieuwe techniek - geïnspireerd, ja, door Terminator 2 - die 25 tot 100 keer sneller is en gladde, sterke onderdelen creëert.
Zou de enorme belofte van 3D-printen eindelijk in vervulling gaan?

Ik ben blij om hier vanavond

over iets te kunnen spreken

waar we meer dan twee jaar
aan hebben gewerkt.

Het gaat over additief fabriceren,

ook bekend als 3D-printen.

Je ziet hier dit object.

Het lijkt vrij eenvoudig,
maar tegelijk is het vrij complex.

Het is een verzameling
van concentrische geodetische structuren

met koppelingen tussen elk ervan.

Het is niet te maken
met traditionele productietechnieken.

Het heeft een symmetrie
die je niet kunt hebben met spuitgieten.

Je kunt het ook niet maken door frezen.

Dit is een taak voor een 3D-printer,

maar de meeste 3D-printers zouden er
drie tot tien uur werk aan hebben,

en vanavond gaan we het risico nemen
om het ter plekke te fabriceren

tijdens deze talk van 10 minuten.

Duimen maar.

3D-printen is eigenlijk
een foute benaming.

Het is eigenlijk herhaaldelijk 2D-printen,

gebruik makend van 2D-printtechnologie.

Bij het inkjetprinten maak je met inkt
letters op een pagina.

Doe je dit telkens opnieuw
dan krijg je een driedimensionaal object.

In de micro-elektronica gebruiken ze
daarvoor iets soortgelijks.

Dat heet lithografie.

Zo maken ze transistors
en geïntegreerde schakelingen

door een structuur
in meerdere fasen op te bouwen.

Dat zijn allemaal 2D-druktechnieken.

Ik ben chemicus en materiaalkundige.

Ook mijn mede-uitvinders
zijn materiaalkundigen:

een is chemicus, een fysicus.

We raakten geïnteresseerd in 3D-printing.

Zoals je weet komen nieuwe ideeën
vaak van de wisselwerking

tussen mensen met achtergronden
in verschillende disciplines.

Dit is ons verhaal.

De Terminator 2-scène voor T-1000

inspireerde ons

om met een 3D-printer

een object uit een plas te laten oprijzen,

in realtime.

Zou je zo zonder afval,

net als in de film,

een groot object kunnen maken?

Zou Hollywood ons kunnen inspireren

om dit te proberen?

Dat was onze uitdaging.

Als we daarin zouden slagen,

zouden we drie kwesties kunnen aanpakken

die verhinderen dat 3D-printen
uitgroeit tot een fabricageproces.

Eén: 3D-printen duurt een eeuwigheid.

Er zijn paddenstoelen die sneller groeien
dan 3D-geprinte onderdelen.

(Gelach)

Het laag-na-laagproces

leidt tot defecten
in de mechanische eigenschappen.

Continu kweken
kan deze gebreken elimineren.

Als we echt snel kunnen kweken,

kunnen we ook zelfuithardende
materialen gaan gebruiken.

Met verbazingwekkende eigenschappen.

Als we Hollywood konden nadoen,

waren we klaar voor 3D-productie.

Onze aanpak vertrekt

van standaardkennis uit de polymeerchemie:

licht en zuurstof benutten
om onderdelen continu te laten groeien.

Licht en zuurstof
werken op verschillende manieren.

Licht kan een hars omzetten
in een vaste stof,

een vloeistof converteren
naar een vaste stof.

Zuurstof remt dat proces.

Zo zijn licht en zuurstof

vanuit chemisch oogpunt
elkaars tegenpolen.

Als we licht en zuurstof
ruimtelijk kunnen beheersen

dan kunnen we dit proces sturen.

We noemen dit CLIP.
[Continue Liquid Interface Production.]

Er zijn drie functionele componenten.

Eén: een reservoir met de vloeistof,

net als de T-1000.

Aan de onderzijde van het reservoir
zit een speciaal venster.

Later meer daarover.

Daarnaast een plateau
dat in de vloeistof zakt

en het voorwerp uit de vloeistof trekt.

De derde component
zit onder het reservoir:

een digitaal lichtprojectiesysteem

met ultraviolet licht.

De sleutel is dit venster
in de bodem van dit reservoir.

Het is een composiet,
een zeer speciaal venster.

Het laat niet alleen licht,
maar ook zuurstof door.

Net als bij een contactlens.

Zo kunnen we zien hoe het proces werkt.

Als je het plateau laat zakken

zal je bij een traditioneel proces,
met een venster dat geen zuurstofdoorlaat,

een tweedimensionaal patroon maken

dat vastgelijmd zit
op het traditionele venster.

Om de volgende laag te introduceren,
moet je het eerst losmaken,

nieuw hars introduceren, herpositioneren,

en dat telkens weer.

Maar met ons zeer speciale venster

kunnen we zuurstof
door de bodem laten komen.

Als er licht op valt,

verhindert zuurstof de reactie

en vormen we een dode zone.

Deze dode zone is
maar enkele tientallen micron dik.

Ongeveer twee tot drie keer
de dikte van een rode bloedcel.

Tegen het raam blijft het dus vloeibaar.

Dan trekken we het object omhoog.

In een artikel in Science legden we uit

hoe we door het zuurstofgehalte
te wijzigen,

we de dikte van de dode zone
kunnen wijzigen.

We controleren dus
een aantal belangrijke variabelen:

zuurstofgehalte, licht, lichtintensiteit,
dosis om uit te harden,

viscositeit, geometrie.

We gebruiken zeer geavanceerde software
om dit proces te sturen.

Het resultaat is buitengewoon.

Het gaat 25 tot 100 maal sneller
dan de traditionele 3D-printers.

Dat is baanbrekend.

Als we bovendien de vloeistof
sneller naar die interface krijgen,

dan kunnen we volgens mij
1.000 keer sneller gaan,

en dat gaat veel warmte genereren.

Als chemisch ingenieur ben ik
erg geïnteresseerd in warmteoverdracht.

Ooit krijgen we misschien
watergekoelde 3D-printers.

Omdat het zo snel gaat.

Omdat we dingen kweken,
elimineren we de lagen

en worden de onderdelen monolithisch.

Je ziet geen oppervlaktestructuur meer.

Je hebt moleculair gladde oppervlakken.

De mechanische eigenschappen
van de meeste 3D-geprinte onderdelen

zijn berucht omdat hun eigenschappen
afhangen van de oriëntatie

waarmee geprint wordt
door de structuur in lagen.

Maar als je objecten
op deze manier kweekt,

zijn de eigenschappen
onafhankelijk van de printrichting.

Het lijken spuitgegoten onderdelen,

heel anders
dan bij de traditionele 3D-productie.

Daarbij kunnen we

de hele polymeerchemie hierop toepassen.

We kunnen chemische technieken ontwerpen
die net die eigenschappen geven

die je echt wil hebben
in een 3D-geprint object.

(Applaus)

Daar is het. Dat is geweldig.

Je loopt altijd het risico dat zoiets
tijdens een demonstratie net niet lukt.

We krijgen materialen met interessante
mechanische eigenschappen.

Voor het eerst
kunnen we elastomeren krijgen

met een hoge elasticiteit en hoge demping.

Bijvoorbeeld trillingbeheersing
of geweldige loopschoenen.

We kunnen
ongelooflijk sterke materialen maken,

met een hoge sterkte-gewichtsverhouding,
echt sterke materialen,

echt geweldige elastomeren.

Dit gooi ik even in het publiek.

Geweldige materiaaleigenschappen dus.

Je hebt nu de mogelijkheid
om een onderdeel te maken

met de eigenschappen van een eindproduct.

Als je dat baanbrekend snel doet,

krijg je een totaal nieuw soort
productieproces.

Op dit moment heb je in de industrie

de zogenaamde digitale draad
bij digitale productie.

We gaan uit van een CAD-tekening
naar ontwerp, prototype, vervaardigen.

Vaak wordt de digitale draad
net bij het prototype onderbroken,

omdat je de hele weg
naar productie niet kan gaan

omdat de meeste delen geen eigenschappen
van een eindproduct hebben.

Nu kunnen we de digitale draad
helemaal vanaf het ontwerp

tot prototype tot productie
doen aansluiten.

Dat maakt allerlei dingen mogelijk.

Van zuinigere auto's,
geweldige roostereigenschappen

met hoge sterkte-gewichtsverhouding,

tot nieuwe turbinebladen,
allerlei prachtige dingen.

Denk je eens in dat je een stent
nodig hebt in een noodsituatie.

In plaats van een stent uit het schap

met standaardmaten,

krijg je een stent
op maat van je eigen anatomie

met je eigen aderstructuur,

in een noodsituatie in real time geprint

zodat hij na 18 maanden kan oplossen,
echt baanbrekend.

Of digitale tandheelkunde:
ze maken dit soort structuren

terwijl je in de tandartsstoel zit.

Kijk eens naar de structuren
die mijn studenten maken

aan de Universiteit van North Carolina.

Het zijn geweldige microschaalstructuren.

De wereld is echt goed in nano-fabricage.

De wet van Moore gaat over dingen
van 10 micron en minder.

Daar zijn we echt goed in,

maar het is heel moeilijk om dingen
te maken van 10 tot 1.000 micron,

de mesoschaal.

Met de subtractieve technieken
uit de siliciumindustrie

lukt dat niet erg goed.

Wafers etsen kunnen ze niet zo goed.

Maar dit proces is zo subtiel.

We kunnen objecten
van beneden af kweken,

met additief fabriceren,

en in tientallen seconden
verbazingwekkende dingen maken.

Dat opent de weg
voor nieuwe sensortechnologieën,

nieuwe technieken
voor medicatietoediening,

nieuwe lab-on-a-chip-toepassingen,
weer baanbrekende dingen.

Dus de mogelijkheid om in realtime
een onderdeel te maken

met de eigenschappen
van een afgewerkt product

opent echt de weg naar 3D-productie.

Voor ons is dit erg spannend,
nu zijn we echt baas over het kruispunt

van hardware, software
en moleculaire wetenschappen.

Ik kan niet wachten op wat ontwerpers
en ingenieurs over de hele wereld

met deze geweldige methode
gaan kunnen doen.

Bedankt voor jullie aandacht.

(Applaus)