全球首款芯片式3D打印机，可以实现随时随地快速制作原型

想象一下，一个可随身携带的3D打印机，小到可以握在掌心。这个微型设备可以让用户随时随地快速制作定制化、低成本的物品，例如修理摇晃的脚踏车轮的扣件，或者在紧急医疗手术中使用的零件。

麻省理工学院和德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员朝着这个想法迈出了重要的一步，他们展示了首款基于芯片的3D打印机。这个概念验证设备由一个单一的、毫米级的光子芯片组成，该芯片可以发射重组的光束到一个树脂池中，当光线照射到树脂时，树脂会固化成固体形状。

这个原型芯片没有任何移动零件，而是依靠一系列微型的光学天线来引导光束。光束向上投射到液态树脂中，当光束的可见光波长期看护射到树脂上时，树脂会迅速固化。

通过结合硅光子学和光化学，这个跨学科研究团队展示了一个可以引导光束以3D打印任意二维图案的芯片，包括M-I-T这些字母。形状可以在几秒钟内完全角成。

长期来看，他们设想了一个系统，光子芯片位于在树脂池底部，发射出一个可见光的3D全息图，进而在一步骤中快速固化整个物体。

这种便携式3D打印机可以有许多应用，例如使临床医生能够制作量身定制的医疗设备组件，或者允许工程师在工作现场制作快速原型。



“这个系统完全重新思考了什么是3D打印机。它不再是放在实验室里创造东西的一个大盒子，而是一个可以手持便携的东西。想想可能会出现的新应用以及3D打印领域可能会如何改变，这真是令人兴奋。”资深作者叶莱娜·诺塔洛斯（Jelena Notaros）说，她是Robert J. Shillman电气工程和计算机科学（EECS）的职业发展教授，也是电子研究实验室的成员。

与Notaros一起撰写这篇论文的有：EECS研究生、主要作者莎布丽娜·科塞蒂（Sabrina Corsetti）；2023年博士毕业的米莉卡·诺塔罗斯（Milica Notaros）；EECS研究生Tal Sneh；德克萨斯大学奥斯汀分校的应届毕业生艾力克斯·萨福德（Alex Safford）；以及德克萨斯大学奥斯汀分校化学工程系助理教授查扎克·佩奇（Zak Page）。这项研究今天发表在《Nature Light Science and Applications》上。



Notaros团队是硅光子学的专家，之前开发了集成的光学相控阵系统，通过在芯片上使用半导体制造工艺制造一系列微米级天线来引导光束。通过加速或延迟天线数组两侧的光信号，他们可以在某个方向上移动发射的光束。

这样的系统是光学雷达传感器的关键，这些传感器通过发射反射到附近物体的红外光束来搭建周围环境的地图。最近，该团队专注于发射和引导可见光的系统，用于增强现实应用。

他们想知道这样的设备是否可以用在基于芯片的3D打印机。

大约在他们开始集思广益的同时，德克萨斯大学奥斯汀分校的Page团队首次展示了可以快速固化的可见光波长专用树脂。这是推动基于芯片的3D打印机成为现实的关键因素。

“使用光固化树脂时，很难让它们在红外波长下完全固化，这是过去用于光学雷达的集成光学相控阵系统的运行波段。”科塞蒂说。“在这里，我们通过使用可见光固化树脂和可见光发射芯片，将标准光化学和硅光子学结合起来，创造出了这种基于芯片的3D打印机。这是两种技术的融合，形成了一个全新的概念。”

他们的原型由一个单一的光子芯片组成，包含一系列160纳米厚的光学天线。（一张纸的厚度约为100,000纳米。）整个芯片可以放在一枚美国25美分硬币上。

当由芯片外的激光器供电时，天线发射可引导的可见光束到光固化树脂池中。芯片位于一个像显微镜中使用的透明载玻片下方，载玻片上有一个浅的凹槽，用来容纳树脂。研究人员使用电信号非机械性地引导光束，使树脂在光束照射到的地方固化。



但有效地调节可见波长的光，包括修改其振幅和相位，尤其困难。一种常见的方法需要加热芯片，但这效率低下且占用大量物理空间。

相反，研究人员使用液晶制造紧凑的调制器，将其集成到芯片上。材料的独特光学特性使得调制器非常高效，长度仅约20微米。

芯片上的一个单一波导包含来自芯片外激光器的光。在波导上方有微小的分光点，这些分光点将少量光分配给每个天线。

研究人员通过使用电场主动调整调制器，重新定向液晶分子的方向。通过这种方式，他们可以精确控制传输到天线的光的振幅和相位。

但形成和操纵光束只是成功的一半。与新型光固化树脂的界面是一个完全不同的挑战。

德克萨斯大学奥斯汀分校的Page团队与麻省理工学院的Notaros团队紧密合作，仔细调整化学组合和浓度，精确确定了一个具有长保质期和快速固化的配方。

最终，该团队使用他们的原型在几秒钟内3D打印出任意的二维形状。

在这个原型的基础上，他们希望朝着开发他们最初构想的系统迈进——一个在树脂池中发射可见光全息图的芯片，使得在一步骤中实现体积3D打印。

“为了能够做到这一点，我们需要一个全新的硅光子芯片设计。我们已经在这篇论文中列出了最终系统的许多设计蓝图。现在，我们很高兴继续朝着这个最终展示的方向努力。”叶莱娜·诺塔洛斯说。

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