TED日本語 - ジョゼフ・デシモン: 3Dプリンターを100倍高速化する技術

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TED日本語 - ジョゼフ・デシモン: 3Dプリンターを100倍高速化する技術

TED Talks

3Dプリンターを100倍高速化する技術
What if 3D printing was 100x faster?
ジョゼフ・デシモン
Joseph DeSimone

内容

私たちが3Dプリントと思っているものは、実際には2Dプリントを繰り返しているに過ぎず、しかも、非常に遅いのだとジョゼフ・デシモンは言います。TED2015のステージで彼が披露するのは、ターミネーター2に触発されたという新技術で、従来の25~100倍という速さで、均質な強いパーツを作ることができます。3Dプリントが約束してきた大きな夢が、ついに実現されるのでしょうか?

Script

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

(Applause)

There it is. That's great. You always take the risk that something like this won't work onstage, right?

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.

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.

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.

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.

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.

Thanks for listening.

(Applause)

私たちがこれまで 2年以上取り組んできたことを 今日この場で ご紹介できるのを とても喜ばしく思っています 新しい付加製造技術で 3Dプリントという名でも 知られているものです

これをご覧ください ごくシンプルですが 同時にとても複雑なものです 同心測地線の集まりで それぞれが中心と 繋がっています 従来の製造技術では 作り出すことのできないものです 射出成形できないような 対称的な形で フライス加工でも 作れません 3Dプリンターの仕事です しかし多くの3Dプリンターでは これを作るのに3~10時間かかるでしょう それをこの10分の講演の間に ステージ上で作るということに 挑戦したいと思います どうか幸運を祈ってください

3Dプリントという呼び名は 正確ではありません 実際には2Dプリントを 繰り返しているにすぎません 使われている技術も 2Dプリント関連の技術です インクジェット印刷を考えてみてください 文字を出すためにページの上にインクを置きます これを繰り返すことで 3次元的なオブジェクトを作り出すのです マイクロエレクトロニクスにも リソグラフィーという 同様のことを行う技術があって トランジスタや 集積回路といった構造を 繰り返し印刷して 作り上げますが これも2次元印刷技術です

私は化学者であり 材料科学者です 私の共同考案者もまた 材料科学者で 1人は化学者 1人は物理学者ですが 私たちは3Dプリントに 興味を持つようになりました 新しいアイデアというのは 得てして 異なる領域の異なる経験を持つ人の 繋がりから生まれますが 私たちの場合もそうでした

私たちが触発されたのは 映画『ターミネーター2』の中で T-1000が出てくるシーンです 3Dプリンターでこんな風に できないものかと思いました すごい形状のものが 水たまりの中から リアルタイムで 材料の無駄もなく できあがっていくんです ちょうどあの映画みたいに ハリウッド映画に 触発されたアイデアを 実現する方法を 考え出すことなんてできるのか? これは難題でした もしそれができたなら 3Dプリントが本格的な 製造プロセスとなることを妨げている 3つの問題を解決できます

第1の問題は 3Dプリントには 延々と時間がかかること 3Dプリンターで作るよりも早く成長する キノコがあるくらいです (笑) 層を重ねていく というプロセスは 力学的性質の弱さを もたらしますが 連続的に成長させていくことができれば この欠点を取り除けます とても速く成長させることができれば 自己回復素材などを使うこともでき 素晴らしい性質を持たせることができます もしハリウッドの フィクションを実現できれば 3D製造の問題を 解決できるのです

私たちのアプローチでは 高分子化学の領域では よく知られたことを 使っています 光と酸素を利用して連続的に パーツを成長させるのです 光と酸素は逆方向に作用します 光は樹脂を 液体から固体に変えます 酸素はこのプロセスを阻害します だから光と酸素は化学的に 正反対の働きをするわけです 光と酸素を空間的に 制御してやることで このプロセスを 制御できるようになります 私たちはこれを CLIP(連続的液体面生成)と呼んでいます これには3つの 構成要素があります 1つは貯水槽で あのT-1000が出てくる場面のように 液体を保持します この貯水槽の底には 特別な窓がありますが これについては 後ほど説明します これに加えて台があって 貯水槽に降りてきて 液体からオブジェクトを 引き出していきます 3番目の要素は 貯水槽の下にある デジタル投影システムで 紫外線領域の 光を投影します

鍵となるのは 貯水槽の下にある窓ですが これは複合的で 特別なものです 光を通すだけでなく 酸素も透過します コンタクトレンズのような性質を 持っているわけです このプロセスがどう働くか 見てみましょう 台が降りてきて 従来のプロセスだと 窓は酸素を透過せず 2次元的なパターンが 窓に張り付いた形でできます 次の層を作るためには 分離する必要があり 新しい樹脂を入れ 再配置する ― というプロセスを 何度も繰り返します しかし私たちの特別な窓を使うと 光を当てている間 下から酸素が上がって来て 反応を阻害することで 死角を作ることができます この死角は 厚さが数十ミクロンで 赤血球の2、3個分です 窓に接する部分は 液体の状態のままで オブジェクトを 引き上げていきます サイエンス誌の論文に 書きましたが 酸素含有量を変えることで この死角の厚みを変えることができます だから制御できる変数がたくさんあります 酸素含有量 光 光量 硬化線量 粘度 形状 そしてプロセスの制御のため 非常に洗練されたソフトウェアを使っています

結果はとても 目覚ましいものです 従来の3Dプリンターより 25~100倍高速です 業界を一変させられます 加えて境界の部分に 液体を送ることもできるので スピードは千倍にもできると 考えています これは多くの熱を 生み出すことになるでしょう 化学技術者として 熱伝導の問題と あまりに高速で水冷装置を 備えた3Dプリンターという考えには とても興奮を感じます 加えて 連続的に成長させるため 層構造がなくなって 均質になります 表面構造がなく なめらかなのが分かるでしょう 3Dプリンターで作られた部品の 力学的性質は 印刷した方向に依存するというのは よく知られていますが これは層構造によるものです しかしこのように 成長させることで 物質特性が印刷方向に 依存しなくなります 射出成型された部品のようで 従来の3Dプリンターで作られたものとは 大きく異なります 加えて 高分子化学の知識を 丸ごと投入して 3Dプリントされるオブジェクトに ほしい性質を生み出す 化学反応をデザインすることができます

(拍手)

できあがりましたね ほっとしました 本番の舞台になるとうまくいかないというのは よくあることですから

素材に優れた力学的性質を 持たせることもできます 高い弾性あるいは 緩衝性を持つ 高分子弾性体を 使うことができます 振動の制御や優れたスニーカーといった 応用が考えられます 非常に強い素材 高い強度重量比を持つ素材 非常に優れた高分子弾性体を 作り出すことができます どうぞ手に取ってご覧ください 優れた物質特性です

最終製品に使える特性を パーツに持たせることができて 画期的なスピードで 作れるとなれば 製造過程を大きく変えられる 可能性があります 現在製造業界が 取り組んでいるものに 「デジタルスレッド」と 呼ばれるものがあります CADによる設計から プロトタイプを経て 製造まで 一連の流れで行います 多くの場合 このデジタルスレッドが プロトタイプのところで切れていて 製造まで行けません パーツの多くが最終製品の性質を 持っていないためです 今や設計からプロトタイプ 製造へと 全体を通してデジタルスレッドを つなげられるようになり あらゆる可能性が広がります 高い強度重量比を持つ 優れた格子特性に取り組む 高燃費車から 新しいタービン翼まで あらゆる素晴らしいものです

緊急の状況で ステントが必要な時 医者は標準サイズのものを 棚から取り出す代わりに 患者の血管に合わせて 設計されたステントを使えます 緊急の際に リアルタイムでプリントし 18ヶ月すると消える性質を 持ったステントです あるいはデジタル歯科では このような構造を 患者が椅子に座っている間に 作ることができます ノースカロライナ大学の 私の学生たちの作った 構造を見てください 目を見張るような マイクロスケール構造です

ナノサイズについては 既に優れた製造技術があります 10ミクロン以下のサイズについては ムーアの法則が駆動してきました その面ではとても うまくいっています しかし10ミクロンから 1000ミクロンの間という 中規模のものを作るのが 難しいのです 半導体産業の 減法的技術は この領域では 上手く機能しません ウエハーを上手く エッチングできません しかしこの製造技術は とても静かに 底から物を成長させていく 加法的製造技術で 素晴らしい物を 数十秒で作れ 新しいセンサー技術 新しい薬物送達技術 新しいラボ・オン・チップ など 大きな可能性が開けます

ですから最終製品となりうる 性質を持つパーツを リアルタイムで作れることで 3D製造の夢が本物になります これは私たちにとって 非常にエキサイティングなことで これはハードウェアとソフトウェアと 分子科学の交わる部分だからです この優れたツールによって 世界のデザイナやエンジニアにどんなことができるようになるか 目にするのが待ち遠しいです

どうもありがとうございました

(拍手)

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品詞分類

  • 主語
  • 動詞
  • 助動詞
  • 準動詞
  • 関係詞等

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