來自麻省理工學院和德克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員推出了首臺基于芯片的 3D 打印機，設備大小相當于毫米級光子芯片，使用可重構光束將樹脂固化成固體形狀。這種小型便攜式打印設備可以輕松握在手掌中，能夠讓用戶隨時隨地快速制造出個性化的實用物品，例如用于修復搖晃的自行車車輪的緊固件或用于重要醫療手術的部件。
相關研究以題為“Paper: “Silicon-photonics-enabledchip-based 3D printer/基于硅光子學的芯片式3D打印機””的論文被發表在《light: science & applications》期刊上。論文由Jelena Notaros主要完成，他是電氣工程和計算機科學 (EECS) 的 Robert J. Shillman 職業發展教授，也是電子研究實驗室的成員。與Notaros 一起參與該論文的還有論文的第一作者、EECS 研究生 Sabrina Corsetti、Milica Notaros 博士（23 屆）、EECS 研究生 TalSneh、德克薩斯大學奧斯汀分校應屆畢業生 Alex Safford 以及德克薩斯大學奧斯汀分校化學工程系助理教授 Zak Page聯合撰寫。
相關論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01478-2
本研究中的概念驗證設備由一個毫米級光子芯片組成，該芯片將可重構光束發射到樹脂孔中，當光線照射到樹脂孔中時，樹脂孔會固化成固體形狀。
△基于芯片的 3D 打印機概念
原型芯片沒有移動部件，而是依靠微型光學天線陣列來控制光束。光束向上投射到液態樹脂中，這種樹脂在暴露于光束波長的可見光下時會迅速固化。
通過結合硅光子學和光化學，這個跨學科研究團隊成功研發出一種芯片，可以引導光束 3D 打印任意二維圖案，包括字母 MIT。只需幾秒鐘，形狀就可以完全成型。
從長遠來看，他們設想的系統是將光子芯片放置在樹脂井的底部，并發射可見光的 3D 全息圖，只需一步即可快速固化整個物體。
這種便攜式 3D 打印機有很多應用，例如允許臨床醫生創建定制的醫療設備組件或允許工程師在工作現場制作快速原型。
論文作者 Jelena Notaros 說道：“該系統完全重新定義了 3D 打印機。它不再是一個放在實驗室工作臺上用來制造物品的大盒子，而是一個可以手持和攜帶的東西。想想由此可能產生的新應用以及 3D 打印領域將如何改變，真是令人興奮。”
使用芯片進行打印
Notaros 團隊是硅光子學專家，他們之前開發了集成光學相控陣系統，該系統使用一系列采用半導體制造工藝在芯片上制造的微型天線來控制光束。通過加速或延遲天線陣列兩側的光信號，他們可以將發射光束移向某個方向。
△3D打印機集成光學相控陣架構
△基于芯片的 3D 打印機設置、輻射模式和體素特征。
此類系統是激光雷達傳感器的關鍵，激光雷達傳感器通過發射紅外光束，這些光束從附近的物體上反射回來，從而繪制周圍環境的地圖。最近，該團隊專注于為增強現實應用發射和引導可見光的系統。
他們想知道這種設備是否可以用于基于芯片的 3D 打印機。就在他們開始集思廣益的同時，德克薩斯大學奧斯汀分校的 Page Group 首次展示了可使用可見光波長快速固化的專用樹脂，這是推動基于芯片的3D 打印機轉化為現實產品所急缺的部分。
Corsetti 說道：“光固化樹脂很難在紅外波長下完全固化，而過去集成光學相控陣系統在激光雷達中就是在紅外波長下工作的。在這里，我們通過使用可見光固化樹脂和可見光發射芯片，在標準光化學和硅光子學之間找到平衡，打造出這款基于芯片的 3D 打印機。這是將兩種技術融合成一個全新想法。”
他們的設備原型由一個光子芯片組成，芯片上包含一組厚度為 160 納米的光學天線。（一張紙的厚度約為 100,000 納米。）整個芯片可裝在一枚 25 美分硬幣上。
當由芯片外激光器供電時，天線會將一束可操縱的可見光發射到光固化樹脂槽中。芯片位于透明載玻片下方，類似于顯微鏡中使用的載玻片，載玻片上有一個淺凹口，用于容納樹脂。研究人員使用電信號非機械地操縱光束，使樹脂在光束照射到的地方固化。
協作方式
通常來講，有效調制可見光波長的光（包括改變其振幅和相位）尤其困難。一種常用方法需要加熱芯片，但這種方法效率低下，而且占用大量物理空間。
相反，研究人員使用液晶制作集成到芯片上的緊湊型調制器。該材料獨特的光學特性使調制器非常高效，長度僅為 20 微米左右。芯片上的單個波導可容納來自片外激光器的光。波導上布滿了微小的分接頭，它們將少量光分接至每個天線。
研究人員利用電場主動調節調制器，將液晶分子重新定向到特定方向。這樣，他們就能精確控制傳送到天線的光的振幅和相位。但形成和控制光束只是成功的一半。與新型光固化樹脂連接則是一個完全不同的挑戰。
德克薩斯大學奧斯汀分校的 Page 團隊與麻省理工學院的 Notaros 團隊密切合作，精心調整化學組合和濃度，最終找到一種能夠延長保質期并快速固化的配方。最終，該團隊利用他們的原型在幾秒鐘內 3D 打印出任意二維形狀。
△基于芯片的3D打印機非機械光束控制、線打印和任意2D圖案打印。
基于這個原型，他們希望開發一個像他們最初概念化的系統——一個在樹脂井中發射可見光全息圖的芯片，只需一個步驟即可實現體積 3D 打印。
Jelena Notaros 說道：“為了實現這一點，我們需要一個全新的硅光子芯片設計。我們已經在這篇論文中詳細闡述了最終系統將是什么樣子。現在，我們很高興能繼續努力實現這一最終演示。”
這項工作部分由美國國家科學基金會、美國國防高級研究計劃局、羅伯特·A·韋爾奇基金會、麻省理工學院羅爾夫·G·洛赫捐贈獎學金以及麻省理工學院弗雷德里克和芭芭拉·克羅寧獎學金資助。
來源:南極熊
