Исследователи демонстрируют первый 3D-принтер на основе чипов

Концепция 3D-принтера на основе чипов.Фотографии, показывающие типичный коммерческий 3D -принтер с фотонным чипом (обрисованным в черном цвете) для масштаба и B изготовленный и упакованный фотонный чип.C Концептуальная диаграмма предложенного 3D-принтера на основе чипов, показывающая голограмму, образованную чипом в камере смолы (не для масштабирования).D Концептуальная диаграмма трехмерного принтера на основе стереолитографии, вдохновленного чипами, продемонстрированная на основе чипов, продемонстрированная в этой работе (не масштабировать).Кредит: Свет: Наука и приложения (2024).Doi: 10.1038/s41377-024-01478-2

Исследователи из Массачусетского технологического института и Техасского университета в Остине сделали серьезный шаг к тому, чтобы сделать эту идею реальностью, продемонстрировав первый 3D-принтер на основе чипов.Их устройство для проверки концепции состоит из единого, миллиметрового фотонного чипа, который излучает реконфигурируемые лучи света в скважину смолы, которая лежит в твердой форме, когда свет ударяет его.

Прототип чип не имеет движущихся частей, вместо этого полагаясь на массив крошечных оптических антенн, чтобы провести луч света.Луч проецируется в жидкую смолу, которая была разработана для быстрого лечения при воздействии длины волны луча видимого света.

Комбинируя кремниевую фотонику и фотохимию, междисциплинарная исследовательская группа смогла продемонстрировать чип, который может направлять лучи света до 3D-печатных произвольных двухмерных двухмерных шаблонов, включая буквы M-I-T.Формы могут быть полностью сформированы за считанные секунды.

В долгосрочной перспективе они представляют систему, в которой фотонный чип сидит в нижней части скважины смолы и излучает трехмерную голограмму видимого света, быстро отвергая весь объект за один шаг.

Этот тип портативного 3D-принтера может иметь много применений, таких как позволение клиницистам создавать специальные компоненты медицинского устройства, созданные специально разработанными, или позволить инженерам делать быстрые прототипы на рабочем месте.

“Эта система полностью переосмысливает, что такое 3D -принтер. Это больше не большая коробка, сидящая на скамейке в лаборатории, создавая объекты, а то, что является портативным и портативным. Это интересно думать о новых приложениях, которые могут выйтиИз этого и того, как может измениться область 3D -печати », - говорит старший автор Джелена Нотарос, профессор развития карьеры Роберта Дж. Шиллмана в области электротехники и компьютерных наук (EECS) и член исследовательской лаборатории электроники.

В документе присоединяются нотарос на газете Сабрина Корсетти, ведущий автор и аспирант EECS;Милика Notaros Ph.D.23;Тал Снех, аспирант EECS;Алекс Саффорд, недавний выпускник Техасского университета в Остине;и Зак Пейдж, доцент кафедры химического машиностроения в UT Austin.Исследование опубликовано сегодня (6 июня) в свете: наука и приложения.

Эксперты в кремниевой фотонике, группа Notaros, ранее разработала интегрированные оптические системы, которые управляют лучами света, используя серию микромасштабных антенн, изготовленных на чипе, используя процессы производства полупроводников.Ускоряя или задерживая оптический сигнал по обе стороны от массива антенн, они могут перемещать луч излучаемого света в определенном направлении.

Такие системы являются ключом к датчикам лидара, которые отображают их окружение, испуская инфракрасные световые балки, которые отскакивают от близлежащих объектов.Недавно группа сосредоточилась на системах, которые испускают и направляют видимый свет для применений с дополненной реальностью.

Они задавались вопросом, можно ли использовать такое устройство для 3D-принтера на основе чипов.

Примерно в то же время они начали мозговой штурм, группа страниц в UT Austin продемонстрировала специализированные смолы, которые можно быстро вылечить, используя длины волн видимого света впервые.Это была недостающая часть, которая подтолкнула 3D-принтер на основе чипов в реальность.

«С помощью фотооцентрируемых смол очень трудно заставить их вылечить все время на инфракрасных длинах волн, где в прошлом работали интегрированные оптические системы на основе мастерной массы»,-говорит Корсетти.«Здесь мы встречаемся в середине между стандартной фотохимией и кремниевой фотоникой, используя видно-светлые смолы и микросборные чипы для создания этого 3D-принтера на основе чипов. У вас есть это объединение двух технологий в совершенно новуюИдея. ”

Их прототип состоит из одного фотонного чипа, содержащего массив из оптических антенн толщиной толщиной 160 нанометра.(Лист бумаги имеет толщину около 100 000 нанометров.) Весь чип вписывается в квартал США.

При питании от лазера вне чип, антенны излучают управляемый луча видимого света в скважину фотооцентрируемой смолы.Чип расположен ниже прозрачного слайда, подобного тем, которые используются в микроскопах, который содержит мелкое отступление, которое удерживает смолу.Исследователи используют электрические сигналы, чтобы немеханически управлять лучом света, в результате чего смола затвердевает, где бы ни его ударил.

Но эффективно модулирование видимой длины волны, который включает в себя изменение его амплитуды и фазы, особенно сложно.Один общий метод требует нагревания чипа, но это неэффективно и занимает большое количество физического пространства.

Вместо этого исследователи использовали жидкие кристалл для модных компактных модуляторов, которые они интегрируют в чип.Уникальные оптические свойства материала позволяют модуляторам быть чрезвычайно эффективными и длиной всего около 20 микрон.

Один волновой инициатор на чипе удерживает свет от не-чип-лазера.Вдоль волновода - это крошечные краны, которые отрываются от небольшого света на каждую из антенн.

Исследователи активно настраивают модуляторы, используя электрическое поле, которое повторяет жидкокристаллические молекулы в определенном направлении.Таким образом, они могут точно контролировать амплитуду и фазу света, направляемой на антенны.

Но формирование и управление лучом - это лишь половина битвы.Взаимодействие с новой фотоокурируемой смолой было совершенно другой проблемой.

Группа Page в UT Austin тесно сотрудничала с группой Notaros в MIT, тщательно корректируя химические комбинации и концентрации, чтобы нулевой в формуле, которая обеспечивала длительный срок годности и быстрое отверждение.

В конце концов, группа использовала свой прототип для 3D-печати произвольных двухмерных форм в течение нескольких секунд.

Создавая этот прототип, они хотят перейти к разработке системы, подобной той, которую они первоначально концептуализировали - чип, который издает голограмму видимого света в скважине смолы, чтобы обеспечить объемную 3D -печать всего за один шаг.

«Чтобы иметь возможность сделать это, нам нужен совершенно новый дизайн чипа кремниевой фотонике. Мы уже изложили многое из того, как будет выглядеть эта окончательная система в этой статье. И теперь мы рады продолжать работать над этимДемонстрация, - говорит Нотарос.

More information: Sabrina Corsetti et al, Silicon-photonics-enabled chip-based 3D printer, Light: Science & Applications (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01478-2