硅基光电子芯片实现的3D打印技术

逍遥设计自动化 · 发表于 2024-9-5 08:07:00

引言3D打印技术已经在各个行业中彻底改变了制造方式，从消费品到医疗领域都有广泛应用。然而，目前的3D打印机依赖于庞大而复杂的机械系统，限制了其便携性、外形尺寸和材料复杂性。本文将探讨突破性的方法，结合了硅基光电子技术和光化学，创造出首个基于芯片的3D打印机[1]。

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基于芯片的3D打印概念传统的3D打印方法，如熔融沉积成型（FDM）和光固化立体成型（SLA），都有各自的局限性。FDM虽然应用广泛，但通常打印分辨率较低。SLA提供更高的分辨率，但需要庞大的机械系统来进行激光路由和平台移动。
基于芯片的3D打印机概念应运而生。这种创新方法使用一个没有任何移动部件的毫米级光电子芯片。该芯片向固定的树脂槽中发射可重构的可见光全息图，实现非机械式3D打印。这种设计有望为下一代3D打印机提供高度紧凑、便携和低成本的解决方案。

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图1：对比了商业3D打印机（a）与提出的基于芯片的3D打印机概念（c）及其概念验证实现（d），展示了尺寸和复杂性的显著降低。
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基于芯片的3D打印机的关键组件1.硅基光电子芯片系统的核心是集成了可见光光学相控阵列的硅基光电子芯片。这种阵列可以在没有任何机械部件的情况下发射和引导光束。
2.可见光固化树脂使用了定制的三组分光系统树脂，专为可见光波段的高效光固化而设计。这一点很重要，因为硅基光电子系统通常在红外或可见光波段工作，传统的紫外线固化树脂不兼容。
3.液晶相移器系统使用基于液晶的相移器来实现非机械式光束引导。这个组件允许在没有移动部件的情况下精确控制光束的方向。
概念验证演示研究人员开发了受光固化立体成型技术启发的基于芯片的3D打印机版本，以证明该概念的可行性。这个系统由一个可见光集成光学相控阵列组成，可以向装有可见光固化树脂的槽中发射和非机械式引导光束。

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图2：展示了3D打印机集成光学相控阵列的架构，包括液晶沟道、电极和天线等关键组件。

8 ~$ D4 Q1 y3 E9 s实验设置和结果实验设置涉及将制造和封装好的3D打印机光电子芯片安装在夹具上，上方放置一个支持液态树脂槽的样品台。通过一根劈裂光纤，将来自芯片外二极管激光器的光路由到芯片上系统。
1.光束形成研究人员首先表征了集成光学相控阵列发射的光束。光束的半功率全宽为0.4°×1.6°，与孔径尺寸预期的光束大小非常接近。

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图3：显示了可见光集成光学相控阵列发射的远场辐射模式的测量结果，展示了主瓣和栅瓣。

2.体素打印系统成功演示了在树脂中打印单个体素（3D像素）的能力。研究人员通过测量体素大小随固化时间的变化来表征固化速率。

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图4：左图显示了液态树脂中3D打印的体素及分离后的照片。右图展示了不同打印时间的体素测量尺寸，展示了体素形成随时间的变化。

3.非机械式光束引导这个系统的一个关键创新是能够在没有任何机械部件的情况下引导光束。通过在基于液晶的相移器上施加电压，研究人员可以在±3.4 V范围内将光束引导最多7.2°。

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图5：展示了当在基于液晶的相移器上施加不同峰值电压的方波时，主瓣的电控光束引导效果。

4.线条和图案打印基于光束引导能力，研究人员演示了在二维平面上3D打印线条和任意图案。

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图6：显示了液态树脂中3D打印的线条及分离后的照片。图4c展示了使用基于芯片的打印机创建的3D打印MIT标志。

优势和未来的潜力基于芯片的3D打印方法相比传统方法有几个优势：1.紧凑尺寸：整个系统比传统3D打印机小得多，可能实现手持设备。
2.无移动部件：使用非机械式光束引导消除了复杂机械系统的需求，减少了磨损和潜在故障点。
3.快速打印：系统展示了在几秒钟内打印亚毫米级体素的能力。
4.更高分辨率的潜力：未来使用聚焦集成光学相控阵列的迭代可能实现微米级体素的打印，超过当前商业标准。
5.多功能性：系统可以适应各种可见光固化树脂，为广泛的材料和应用打开了可能性。
未来发展研究人员概述了推进这项技术的几个步骤：1.设备实现基于波长的光束引导，以实现无机械部件的全3D控制。
2.改造商业SLA打印机以集成基于芯片的系统，展示其作为现有光学系统替代品的潜力。
3.开发聚焦集成光学相控阵列，实现高分辨率、完全非机械式的3D打印。
4.使用基于全息光学相控阵列像素的架构创建真正的单次曝光体积3D打印系统。
5.改进可见光固化树脂，使其与全息3D打印兼容，可能使用双光子吸收技术。
挑战和考虑因素基于芯片的3D打印概念显示出巨大的潜力，但仍有几个挑战需要解决：1.打印速度：目前的演示相对于商业打印机来说较慢。增加光功率和优化树脂可以提高打印速度。
2.打印尺寸：当前的光束引导范围限制了打印对象的最大尺寸。减小天线间距可以增加光束引导范围，实现更大尺寸的打印。
3.分辨率：虽然存在高分辨率的潜力，但在更大的打印范围内实现一致的微米级特征仍需进一步发展。
4.树脂兼容性：开发更广泛的具有各种材料特性的可见光固化树脂，对扩展这项技术的应用重要。
5.多功能性：系统可以适应各种可见光固化树脂，为广泛的材料和应用打开了可能性。
结论硅基光电子芯片实现的3D打印机代表了增材制造技术的范式转变。通过结合先进的光电子技术和新型光化学，这种方法有潜力创造高度紧凑、便携和多功能的3D打印机。随着技术的发展，我们可能很快就能看到可以放在手掌中的3D打印机。
参考文献[1]S. Corsetti et al., "Silicon-photonics-enabled chip-based 3D printer," Light: Science & Applications, vol. 13, no. 1, p. 132, 2024, doi: 10.1038/s41377-024-01478-2

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