Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der University of Texas at Austin haben einen bedeutenden Schritt in Richtung tragbarer 3D-Drucker gemacht, indem sie den ersten Chip-basierten 3D-Drucker vorstellten. Wie das MIT in einer Pressemitteilung berichten, besteht das Proof-of-Concept-Gerät aus einem millimetergroßen photonischen Chip, der rekonfigurierbare Lichtstrahlen in ein Harz lenkt, das beim Auftreffen des Lichts aushärtet.
Der Prototyp des Chips hat keine beweglichen Teile und nutzt stattdessen eine Anordnung winziger optischer Antennen, um den Lichtstrahl zu steuern. Der Strahl wird in ein flüssiges Harz projiziert, das speziell darauf ausgelegt ist, bei der Wellenlänge des sichtbaren Lichts schnell auszuhärten.
Durch die Kombination von Siliziumphotonik und Photochemie konnte das interdisziplinäre Forschungsteam einen Chip demonstrieren, der Lichtstrahlen lenken kann, um zweidimensionale Muster, wie die Buchstaben M-I-T, in Sekundenschnelle zu drucken.
Langfristig stellen sich die Forscher ein System vor, bei dem ein photonischer Chip am Boden eines Harzbehälters sitzt und ein 3D-Hologramm aus sichtbarem Licht ausstrahlt, um ein ganzes Objekt in einem einzigen Schritt schnell zu härten. Ein solch tragbarer 3D-Drucker könnte vielseitige Anwendungen haben, wie die Herstellung maßgeschneiderter medizinischer Geräteteile oder die schnelle Prototypenerstellung vor Ort.
Jelena Notaros, die Robert J. Shillman Career Development Professorin für Elektrotechnik und Informatik am MIT und Mitglied des Research Laboratory of Electronics, sagt dazu:
„Dieses System denkt den 3D-Druck völlig neu. Es ist nicht länger eine große Box, die im Labor Objekte erstellt, sondern etwas, das handgehalten und tragbar ist. Es ist spannend, über die neuen Anwendungen nachzudenken, die daraus entstehen könnten, und wie sich das Feld des 3D-Drucks verändern könnte.“
Der Weg zum Chip-basierten 3D-Drucker
Experten für Siliziumphotonik, die Notaros-Gruppe, entwickelten zuvor integrierte optische Phasenarraysysteme, die Lichtstrahlen mit einer Reihe von mikroskopischen Antennen steuern, die auf einem Chip mithilfe von Halbleiterfertigungsverfahren hergestellt werden. Durch die Beschleunigung oder Verzögerung des optischen Signals auf beiden Seiten der Antennenanordnung können sie den ausgesendeten Lichtstrahl in eine bestimmte Richtung bewegen.
Solche Systeme sind für Lidar-Sensoren entscheidend, die ihre Umgebung kartieren, indem sie Infrarotlichtstrahlen aussenden, die von nahegelegenen Objekten reflektiert werden. Kürzlich konzentrierte sich die Gruppe auf Systeme, die sichtbares Licht für Anwendungen in der erweiterten Realität (AR) aussenden und lenken.
Parallel dazu demonstrierte die Page-Gruppe an der University of Texas at Austin spezialisierte Harze, die erstmals mit sichtbarem Licht schnell aushärten können. Dies war das fehlende Element, das den Chip-basierten 3D-Drucker zur Realität machte.
Sabrina Corsetti, Hauptautorin und Doktorandin in Elektrotechnik und Informatik, sagt:
„Mit photohärtbaren Harzen ist es sehr schwierig, sie bis in den Infrarotbereich hinein zu härten, wo integrierte optische Phasenarraysysteme in der Vergangenheit für Lidar operierten. Hier treffen wir uns in der Mitte zwischen Standardphotochemie und Siliziumphotonik, indem wir sichtbares Licht härtende Harze und sichtbares Licht emittierende Chips verwenden, um diesen Chip-basierten 3D-Drucker zu schaffen. Es ist eine Verschmelzung zweier Technologien zu einer völlig neuen Idee.“
Der Prototyp besteht aus einem einzelnen photonischen Chip mit einer Anordnung von 160 Nanometer dicken optischen Antennen. Der gesamte Chip passt auf eine US-Münze. Mit einem externen Laserstrahl angetrieben, emittieren die Antennen einen lenkbaren sichtbaren Lichtstrahl in das Becken aus photohärtbarem Harz. Der Chip sitzt unter einem klaren Objektträger, der eine flache Vertiefung zur Aufnahme des Harzes enthält. Die Forscher verwenden elektrische Signale, um den Lichtstrahl nicht mechanisch zu lenken, wodurch das Harz überall dort aushärtet, wo der Strahl auftrifft.
Herausforderungen und Zukunftsaussichten
Die effektive Modulation von sichtbarem Licht, das bedeutet die Änderung seiner Amplitude und Phase, ist besonders knifflig. Eine gängige Methode erfordert das Erhitzen des Chips, was ineffizient ist und viel physischen Raum einnimmt. Stattdessen verwendeten die Forscher flüssige Kristalle, um kompakte Modulatoren zu erstellen, die sie in den Chip integrieren. Die einzigartigen optischen Eigenschaften des Materials ermöglichen es den Modulatoren, extrem effizient und nur etwa 20 Mikrometer lang zu sein.
Ein einzelner Lichtwellenleiter auf dem Chip hält das Licht vom externen Laser. Entlang des Wellenleiters befinden sich winzige Abzweigungen, die ein wenig Licht zu jeder der Antennen leiten. Die Forscher stimmen die Modulatoren aktiv mit einem elektrischen Feld ab, das die Flüssigkristallmoleküle in eine bestimmte Richtung ausrichtet. Auf diese Weise können sie die Amplitude und Phase des Lichts, das zu den Antennen geleitet wird, präzise steuern.
Zusammen mit dem Page-Team gelang es ihnen, eine chemische Formel zu finden, die eine lange Haltbarkeit und schnelles Aushärten bietet. Am Ende nutzte das Team den Prototyp, um zweidimensionale Formen in Sekundenschnelle zu drucken.
Aufbauend auf diesem Prototyp möchten die Forscher ein System entwickeln, das ein Hologramm aus sichtbarem Licht in einem Harzbecken emittiert, um volumetrischen 3D-Druck in nur einem Schritt zu ermöglichen.
Jelena Notaros:
„Um das zu erreichen, benötigen wir ein völlig neues Siliziumphotonik-Chipdesign. In diesem Artikel haben wir bereits viel von dem dargelegt, wie dieses endgültige System aussehen würde. Und jetzt freuen wir uns darauf, weiter in Richtung dieser ultimativen Demonstration zu arbeiten.“
Dieses Forschungsprojekt wurde teilweise von der US-amerikanischen National Science Foundation, der Defense Advanced Research Projects Agency, der Robert A. Welch Foundation, dem MIT Rolf G. Locher Endowed Fellowship und dem MIT Frederick and Barbara Cronin Fellowship finanziert. Mehr dazu kann auch im Nature-Magazin unter dem Titel „Silicon-photonics-enabled chip-based 3D printer“ nachgelesen werden.
