Zwei Technologien verschmelzen zu einer neuen Chip-basierter 3D-Drucker im Münzformat

Forscher und Forscherinnen des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der University of Texas in Austin haben mit der Demonstration des ersten Chip-basierten 3D-Druckers einen wichtigen Schritt zur Verwirklichung dieser Idee getan. Ihr Proof-of-Concept-Gerät besteht aus einem einzigen, millimetergroßen Photonenchip, der rekonfigurierbare Lichtstrahlen in eine Harzmatrix sendet, die aushärtet, wenn das Licht darauf trifft, und eine feste Form annimmt.

Die Zukunft des 3D-Drucks

Der Prototyp-Chip besitzt keine beweglichen Teile, sondern stützt sich auf eine Anordnung winziger optischer Antennen, um einen Lichtstrahl zu lenken. Der Strahl dringt in ein flüssiges Harz ein, das schnell aushärtet, wenn es der Wellenlänge des sichtbaren Lichts ausgesetzt wird.

Durch die Kombination von Silizium-Photonik und Photochemie konnte das interdisziplinäre Forschungsteam einen Chip demonstrieren, der Lichtstrahlen so lenken kann, dass er beliebige zweidimensionale Muster wie die Buchstaben M-I-T in 3D druckt. Die Formen können innerhalb von Sekunden vollständig ausgeformt werden.

Langfristig stellen sich die Forscher ein System vor, bei dem ein photonischer Chip auf dem Boden eines Harzbehälters sitzt und ein 3D-Hologramm aus sichtbarem Licht aussendet, das ein ganzes Objekt in einem einzigen Schritt aushärtet.

Durch dieses System neu gedacht

Diese Art tragbarer 3D-Drucker könnte in vielen Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise zur Herstellung maßgeschneiderter Komponenten für medizinische Geräte oder zur schnellen Herstellung von Prototypen durch Ingenieure vor Ort.

„Mit diesem System wird die Bedeutung eines 3D-Druckers völlig neu überdacht. Es handelt sich nicht mehr um einen großen Kasten, der auf einem Labortisch steht und Objekte herstellt, sondern um etwas, das in der Hand gehalten wird und tragbar ist. Es ist aufregend, über die neuen Anwendungen nachzudenken, die sich daraus ergeben könnten, und darüber, wie sich der Bereich des 3D-Drucks verändern könnte“, sagt die Hauptautorin Jelena Notaros, die Professorin am Electrical Engineering and Computer Science (EECS) und Mitglied des Research Laboratory of Electronics ist.

Neben Notaros arbeiteten an der Studie Sabrina Corsetti, Hauptautorin und EECS-Absolventin, Milica Notaros, Doktorandin, Tal Sneh, EECS-Absolvent, Alex Safford, Absolvent der University of Texas in Austin, und Zak Page, Assistenzprofessor an der Fakultät für Chemieingenieurwesen der UT Austin.

Drucken mit einem Chip

Als Experten auf dem Gebiet der Silizium-Photonik hat die Notaros-Gruppe bereits integrierte optische Phased-Array-Systeme entwickelt, die Lichtstrahlen mit einer Reihe mikroskopisch kleiner Antennen lenken, die mit Halbleiterherstellungsverfahren auf einem Chip gefertigt werden. Durch Beschleunigen oder Verzögerung des optischen Signals auf beiden Seiten der Antennengruppe kann der Lichtstrahl in eine bestimmte Richtung gelenkt werden.

Solche Systeme sind der Schlüssel für Lidar-Sensoren, die ihre Umgebung abbilden, indem sie infrarote Lichtstrahlen aussenden, die von Objekten in der Nähe abprallen. In jüngster Zeit hat sich die Gruppe auf Systeme konzentriert, die sichtbares Licht für Augmented-Reality-Anwendungen aussenden und lenken. Sie fragten sich, ob sich ein solches Gerät auch für einen Chip-basierten 3D-Drucker eignen würde.

Etwa zur gleichen Zeit, als sie mit dem Brainstorming begannen, demonstrierte die Page-Gruppe an der Universität von Texas in Austin zum ersten Mal spezielle Harze, die mit Wellenlängen des sichtbaren Lichts schnell aushärten. Dies war das fehlende Teil, um den 3D-Drucker auf Chip-Basis Wirklichkeit werden zu lassen.

Elektrische Signale zum Lenken des Lichtstrahl

„Bei photohärtbaren Harzen ist es sehr schwierig, sie bis hinauf zu Infrarot-Wellenlängen auszuhärten, wo integrierte optische Phased-Array-Systeme in der Vergangenheit für Lidar eingesetzt wurden“, sagt Corsetti. „Hier treffen wir uns in der Mitte zwischen Standard-Photochemie und Silizium-Photonik, indem wir mit sichtbarem Licht aushärtende Harze und sichtbares Licht emittierende Chips verwenden, um diesen chipbasierten 3D-Drucker zu entwickeln. Es handelt sich um eine Verschmelzung zweier Technologien zu einer völlig neuen Idee.“

Ihr Prototyp besteht aus einem einzigen photonischen Chip, der eine Anordnung von 160 nm dicken optischen Antennen enthält. (Ein Blatt Papier ist etwa 100.000 nm dick.) Der gesamte Chip hat die Größe eines amerikanischen Vierteldollars. Wenn die Antennen von einem Laser außerhalb des Chips mit Energie versorgt werden, senden sie einen lenkbaren Strahl sichtbaren Lichts in eine Vertiefung aus lichthärtendem Harz.

Der Chip befindet sich unter einem durchsichtigen Objektträger, wie er auch in Mikroskopen verwendet wird, in dem sich eine flache Vertiefung befindet, die das Harz aufnimmt. Die Forscher nutzen elektrische Signale, um den Lichtstrahl nicht mechanisch zu lenken, sodass das Harz dort aushärtet, wo der Strahl auftrifft.

Ein gemeinschaftlicher Ansatz

Die effektive Modulation von Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich, bei der Amplitude und Phase des Lichts verändert werden müssen, ist jedoch besonders schwierig. Eine gängige Methode besteht darin, den Chip zu erhitzen, was ineffizient ist und viel Platz benötigt.

Stattdessen verwenden die Forscher Flüssigkristalle, um kompakte Modulatoren herzustellen, die sie in den Chip integrieren. Dank der einzigartigen optischen Eigenschaften des Materials sind die Modulatoren sehr effizient und nur etwa 20 µm lang. Ein einzelner Wellenleiter auf dem Chip sammelt das Licht des Off-Chip-Lasers. Entlang des Wellenleiters befinden sich winzige Anzapfungen, die für jede Antenne einen kleinen Teil des Lichts abgreifen.

Die Forscher stimmen die Modulatoren aktiv mithilfe eines elektrischen Feldes ab, das die Flüssigkristallmoleküle in eine bestimmte Richtung lenkt. Auf diese Weise können sie die Amplitude und Phase des Lichts, das zu den Antennen geleitet wird, genau steuern.

Innerhalb von Sekunden in 3D drucken

Doch die Formung und Steuerung des Strahls ist nur die halbe Miete. Die Kombination mit einem neuartigen lichthärtenden Harz war eine ganz andere Herausforderung. Die Gruppe um Page an der UT Austin arbeitete eng mit der Gruppe um Notaros am MIT zusammen und passte die chemischen Kombinationen und Konzentrationen sorgfältig an, um eine Formel zu finden, die lange Haltbarkeit und schnelle Aushärtung gewährleistet.

Am Ende konnte die Gruppe mit ihrem Prototyp jede zweidimensionale Form innerhalb von Sekunden in 3D drucken. Auf der Grundlage dieses Prototyps wollen sie ein System entwickeln, das ihrer ursprünglichen Idee entspricht – einen Chip, der ein Hologramm aus sichtbarem Licht in eine Harzvertiefung projiziert, um den volumetrischen 3D-Druck in nur einem Schritt zu ermöglichen.

„Dafür brauchen wir ein völlig neues Silizium-Photonik-Chipdesign. In dieser Arbeit haben wir bereits einen Großteil des endgültigen Systems beschrieben. Und jetzt freuen wir uns darauf, weiter an dieser ultimativen Demonstration zu arbeiten“, sagt Jelena Notaros.