硅基光電子芯片實(shí)現(xiàn)的3D打印技術(shù)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言3D打印技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)中徹底改變了制造方式，從消費(fèi)品到醫(yī)療領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。然而，目前的3D打印機(jī)依賴(lài)于龐大而復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，限制了其便攜性、外形尺寸和材料復(fù)雜性。本文將探討突破性的方法，結(jié)合了硅基光電子技術(shù)和光化學(xué)，創(chuàng)造出首個(gè)基于芯片的3D打印機(jī)[1]。


基于芯片的3D打印概念傳統(tǒng)的3D打印方法，如熔融沉積成型（FDM）和光固化立體成型（SLA），都有各自的局限性。FDM雖然應(yīng)用廣泛，但通常打印分辨率較低。SLA提供更高的分辨率，但需要龐大的機(jī)械系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行激光路由和平臺(tái)移動(dòng)。
基于芯片的3D打印機(jī)概念應(yīng)運(yùn)而生。這種創(chuàng)新方法使用一個(gè)沒(méi)有任何移動(dòng)部件的毫米級(jí)光電子芯片。該芯片向固定的樹(shù)脂槽中發(fā)射可重構(gòu)的可見(jiàn)光全息圖，實(shí)現(xiàn)非機(jī)械式3D打印。這種設(shè)計(jì)有望為下一代3D打印機(jī)提供高度緊湊、便攜和低成本的解決方案。


圖1：對(duì)比了商業(yè)3D打印機(jī)（a）與提出的基于芯片的3D打印機(jī)概念（c）及其概念驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)（d），展示了尺寸和復(fù)雜性的顯著降低。
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基于芯片的3D打印機(jī)的關(guān)鍵組件1.硅基光電子芯片系統(tǒng)的核心是集成了可見(jiàn)光光學(xué)相控陣列的硅基光電子芯片。這種陣列可以在沒(méi)有任何機(jī)械部件的情況下發(fā)射和引導(dǎo)光束。
2.可見(jiàn)光固化樹(shù)脂使用了定制的三組分光系統(tǒng)樹(shù)脂，專(zhuān)為可見(jiàn)光波段的高效光固化而設(shè)計(jì)。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)楣杌�光電子系統(tǒng)通常在紅外或可見(jiàn)光波段工作，傳統(tǒng)的紫外線固化樹(shù)脂不兼容。
' b7 ~8 |! m4 y$ U: W/ ^; _3.液晶相移器系統(tǒng)使用基于液晶的相移器來(lái)實(shí)現(xiàn)非機(jī)械式光束引導(dǎo)。這個(gè)組件允許在沒(méi)有移動(dòng)部件的情況下精確控制光束的方向。
5 p4 ^( t) R) Z/ C0 L; `概念驗(yàn)證演示研究人員開(kāi)發(fā)了受光固化立體成型技術(shù)啟發(fā)的基于芯片的3D打印機(jī)版本，以證明該概念的可行性。這個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)可見(jiàn)光集成光學(xué)相控陣列組成，可以向裝有可見(jiàn)光固化樹(shù)脂的槽中發(fā)射和非機(jī)械式引導(dǎo)光束。

圖2：展示了3D打印機(jī)集成光學(xué)相控陣列的架構(gòu)，包括液晶溝道、電極和天線等關(guān)鍵組件。

! `* z$ ]% V8 ~: R5 K$ s實(shí)驗(yàn)設(shè)置和結(jié)果實(shí)驗(yàn)設(shè)置涉及將制造和封裝好的3D打印機(jī)光電子芯片安裝在夾具上，上方放置一個(gè)支持液態(tài)樹(shù)脂槽的樣品臺(tái)。通過(guò)一根劈裂光纖，將來(lái)自芯片外二極管激光器的光路由到芯片上系統(tǒng)。
1.光束形成研究人員首先表征了集成光學(xué)相控陣列發(fā)射的光束。光束的半功率全寬為0.4°×1.6°，與孔徑尺寸預(yù)期的光束大小非常接近。

圖3：顯示了可見(jiàn)光集成光學(xué)相控陣列發(fā)射的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式的測(cè)量結(jié)果，展示了主瓣和柵瓣。
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2.體素打印系統(tǒng)成功演示了在樹(shù)脂中打印單個(gè)體素（3D像素）的能力。研究人員通過(guò)測(cè)量體素大小隨固化時(shí)間的變化來(lái)表征固化速率。

$ x1 k4 P+ \/ l5 I6 s6 a& I& G圖4：左圖顯示了液態(tài)樹(shù)脂中3D打印的體素及分離后的照片。右圖展示了不同打印時(shí)間的體素測(cè)量尺寸，展示了體素形成隨時(shí)間的變化。

3.非機(jī)械式光束引導(dǎo)這個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新是能夠在沒(méi)有任何機(jī)械部件的情況下引導(dǎo)光束。通過(guò)在基于液晶的相移器上施加電壓，研究人員可以在±3.4 V范圍內(nèi)將光束引導(dǎo)最多7.2°。

圖5：展示了當(dāng)在基于液晶的相移器上施加不同峰值電壓的方波時(shí)，主瓣的電控光束引導(dǎo)效果。
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4.線條和圖案打印基于光束引導(dǎo)能力，研究人員演示了在二維平面上3D打印線條和任意圖案。
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圖6：顯示了液態(tài)樹(shù)脂中3D打印的線條及分離后的照片。圖4c展示了使用基于芯片的打印機(jī)創(chuàng)建的3D打印MIT標(biāo)志。

優(yōu)勢(shì)和未來(lái)的潛力基于芯片的3D打印方法相比傳統(tǒng)方法有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：1.緊湊尺寸：整個(gè)系統(tǒng)比傳統(tǒng)3D打印機(jī)小得多，可能實(shí)現(xiàn)手持設(shè)備。
2.無(wú)移動(dòng)部件：使用非機(jī)械式光束引導(dǎo)消除了復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的需求，減少了磨損和潛在故障點(diǎn)。
3.快速打印：系統(tǒng)展示了在幾秒鐘內(nèi)打印亞毫米級(jí)體素的能力。
4.更高分辨率的潛力：未來(lái)使用聚焦集成光學(xué)相控陣列的迭代可能實(shí)現(xiàn)微米級(jí)體素的打印，超過(guò)當(dāng)前商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
5.多功能性：系統(tǒng)可以適應(yīng)各種可見(jiàn)光固化樹(shù)脂，為廣泛的材料和應(yīng)用打開(kāi)了可能性。
/ o( k5 K. d& k7 m0 H) P7 ^6 }) Z未來(lái)發(fā)展研究人員概述了推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的幾個(gè)步驟：1.設(shè)備實(shí)現(xiàn)基于波長(zhǎng)的光束引導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械部件的全3D控制。
2.改造商業(yè)SLA打印機(jī)以集成基于芯片的系統(tǒng)，展示其作為現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)替代品的潛力。
3.開(kāi)發(fā)聚焦集成光學(xué)相控陣列，實(shí)現(xiàn)高分辨率、完全非機(jī)械式的3D打印。
, i0 {7 {$ K/ h; g  @1 U4.使用基于全息光學(xué)相控陣列像素的架構(gòu)創(chuàng)建真正的單次曝光體積3D打印系統(tǒng)。
' a; X! i5 P1 V( F3 M; }$ J) t/ t5.改進(jìn)可見(jiàn)光固化樹(shù)脂，使其與全息3D打印兼容，可能使用雙光子吸收技術(shù)。
$ ^( @9 u- t3 E挑戰(zhàn)和考慮因素基于芯片的3D打印概念顯示出巨大的潛力，但仍有幾個(gè)挑戰(zhàn)需要解決：1.打印速度：目前的演示相對(duì)于商業(yè)打印機(jī)來(lái)說(shuō)較慢。增加光功率和優(yōu)化樹(shù)脂可以提高打印速度。
2.打印尺寸：當(dāng)前的光束引導(dǎo)范圍限制了打印對(duì)象的最大尺寸。減小天線間距可以增加光束引導(dǎo)范圍，實(shí)現(xiàn)更大尺寸的打印。
3.分辨率：雖然存在高分辨率的潛力，但在更大的打印范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)一致的微米級(jí)特征仍需進(jìn)一步發(fā)展。
- y% Y* j( b+ P- i4.樹(shù)脂兼容性：開(kāi)發(fā)更廣泛的具有各種材料特性的可見(jiàn)光固化樹(shù)脂，對(duì)擴(kuò)展這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用重要。
5.多功能性：系統(tǒng)可以適應(yīng)各種可見(jiàn)光固化樹(shù)脂，為廣泛的材料和應(yīng)用打開(kāi)了可能性。
5 K( e: h9 h* ]2 ^- e9 R# x結(jié)論硅基光電子芯片實(shí)現(xiàn)的3D打印機(jī)代表了增材制造技術(shù)的范式轉(zhuǎn)變。通過(guò)結(jié)合先進(jìn)的光電子技術(shù)和新型光化學(xué)，這種方法有潛力創(chuàng)造高度緊湊、便攜和多功能的3D打印機(jī)。隨著技術(shù)的發(fā)展，我們可能很快就能看到可以放在手掌中的3D打印機(jī)。
參考文獻(xiàn)[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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