Представьте себе портативный 3D-принтер, который можно держать в ладони. Такое устройство позволяет быстро создавать индивидуальные недорогие предметы на ходу, например, крепления для ремонта велосипеда или компоненты для медицинских операций.
Исследователи из Массачусетского технологического института и Техасского университета в Остине сделали значительный шаг к реализации этой идеи, представив первый 3D-принтер на базе чипа. Их экспериментальное устройство состоит из фотонного чипа миллиметрового масштаба, который направляет лучи света на резервуар со смолой, затвердевающей при воздействии света.
Прототип чипа не имеет движущихся частей, полагаясь на массив крошечных оптических антенн, направляющих световой луч. Луч попадает в жидкую смолу, которая быстро затвердевает под воздействием видимого света.
Объединив кремниевую фотонику и фотохимию, исследовательская группа смогла продемонстрировать чип, который направляет световые лучи для 3D-печати двумерных узоров, включая буквы MIT. Формы могут быть полностью сформированы за считанные секунды. В долгосрочной перспективе они планируют создать систему, где фотонный чип будет излучать трехмерную голограмму видимого света, быстро затвердевая весь объект за один этап.
Такой портативный 3D-принтер может найти применение в медицине, позволяя врачам создавать индивидуальные компоненты оборудования, или в инженерии, обеспечивая быструю разработку прототипов на месте. В работе над статьей также участвовали Сабрина Корсетти, Милика Нотарос, Тал Снех, Алекс Саффорд и Зак Пейдж. Исследование опубликовано в журнале Nature Light Science and Applications.
Печать с помощью чипа
Группа Нотарос, специалисты в области кремниевой фотоники, ранее разработала оптические системы с фазированной решеткой, которые управляют лучами света с помощью микроантенн. Они использовали этот подход для лидарных датчиков и дополненной реальности.
Когда они начали изучать возможность создания 3D-принтера на базе чипа, группа Пейджа уже продемонстрировала специализированные смолы, быстро затвердевающие при воздействии видимого света. Это стало недостающим элементом, позволившим реализовать 3D-принтер на базе чипа.
Прототип состоит из фотонного чипа с массивом оптических антенн толщиной 160 нанометров. При питании от внешнего лазера антенны излучают видимый свет в резервуар со смолой, которая затвердевает под воздействием света.
Для эффективной модуляции видимого света исследователи использовали жидкие кристаллы, создавая компактные модуляторы, интегрированные в чип. Эти модуляторы позволяют точно контролировать световой луч, направляемый на антенны.
Взаимодействие с новой фотоотверждаемой смолой стало отдельной задачей. Группа Пейджа тесно сотрудничала с группой Нотарос, корректируя химические комбинации и концентрации для достижения оптимальных результатов.
Исследователи успешно использовали прототип для 3D-печати двумерных фигур за считанные секунды. В будущем они планируют разработать систему, где чип будет излучать голограмму видимого света для объемной 3D-печати за один шаг.