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引言3D打印技術已經(jīng)在各個行業(yè)中徹底改變了制造方式,從消費品到醫(yī)療領域都有廣泛應用。然而,目前的3D打印機依賴于龐大而復雜的機械系統(tǒng),限制了其便攜性、外形尺寸和材料復雜性。本文將探討突破性的方法,結(jié)合了硅基光電子技術和光化學,創(chuàng)造出首個基于芯片的3D打印機[1]。" W7 `8 o6 I7 K$ u+ E7 x7 l) |/ `
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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,但需要龐大的機械系統(tǒng)來進行激光路由和平臺移動。5 U4 H8 U( W' y4 P% J! @& \
基于芯片的3D打印機概念應運而生。這種創(chuàng)新方法使用一個沒有任何移動部件的毫米級光電子芯片。該芯片向固定的樹脂槽中發(fā)射可重構(gòu)的可見光全息圖,實現(xiàn)非機械式3D打印。這種設計有望為下一代3D打印機提供高度緊湊、便攜和低成本的解決方案。
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圖1:對比了商業(yè)3D打印機(a)與提出的基于芯片的3D打印機概念(c)及其概念驗證實現(xiàn)(d),展示了尺寸和復雜性的顯著降低。
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+ ^ \7 ^: f9 \0 ?) v基于芯片的3D打印機的關鍵組件1.硅基光電子芯片系統(tǒng)的核心是集成了可見光光學相控陣列的硅基光電子芯片。這種陣列可以在沒有任何機械部件的情況下發(fā)射和引導光束。
5 ~" {9 ]5 G5 j9 E, S0 } A9 G2.可見光固化樹脂使用了定制的三組分光系統(tǒng)樹脂,專為可見光波段的高效光固化而設計。這一點很重要,因為硅基光電子系統(tǒng)通常在紅外或可見光波段工作,傳統(tǒng)的紫外線固化樹脂不兼容。9 y' l0 I- C7 y8 L
3.液晶相移器系統(tǒng)使用基于液晶的相移器來實現(xiàn)非機械式光束引導。這個組件允許在沒有移動部件的情況下精確控制光束的方向。. T% X7 y+ }/ S( a o# m/ Z) B% j
概念驗證演示研究人員開發(fā)了受光固化立體成型技術啟發(fā)的基于芯片的3D打印機版本,以證明該概念的可行性。這個系統(tǒng)由一個可見光集成光學相控陣列組成,可以向裝有可見光固化樹脂的槽中發(fā)射和非機械式引導光束。
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圖2:展示了3D打印機集成光學相控陣列的架構(gòu),包括液晶溝道、電極和天線等關鍵組件。1 b6 J0 ]* B3 G0 \ Q& u
$ W+ L+ S; a' F: ~5 a實驗設置和結(jié)果實驗設置涉及將制造和封裝好的3D打印機光電子芯片安裝在夾具上,上方放置一個支持液態(tài)樹脂槽的樣品臺。通過一根劈裂光纖,將來自芯片外二極管激光器的光路由到芯片上系統(tǒng)。# ]( L3 a- l1 K4 H
1.光束形成研究人員首先表征了集成光學相控陣列發(fā)射的光束。光束的半功率全寬為0.4°×1.6°,與孔徑尺寸預期的光束大小非常接近。. P+ }: Q0 d3 J/ s
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圖3:顯示了可見光集成光學相控陣列發(fā)射的遠場輻射模式的測量結(jié)果,展示了主瓣和柵瓣。4 t; F- L: ^6 A& q- B8 t
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2.體素打印系統(tǒng)成功演示了在樹脂中打印單個體素(3D像素)的能力。研究人員通過測量體素大小隨固化時間的變化來表征固化速率。
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圖4:左圖顯示了液態(tài)樹脂中3D打印的體素及分離后的照片。右圖展示了不同打印時間的體素測量尺寸,展示了體素形成隨時間的變化。0 b8 T6 F8 @6 i' ^* |
3 z; A- v2 s, B/ \0 S3.非機械式光束引導這個系統(tǒng)的一個關鍵創(chuàng)新是能夠在沒有任何機械部件的情況下引導光束。通過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)將光束引導最多7.2°。
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圖5:展示了當在基于液晶的相移器上施加不同峰值電壓的方波時,主瓣的電控光束引導效果。. u- n* S4 N- e0 a4 |( K
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4.線條和圖案打印基于光束引導能力,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創(chuàng)建的3D打印MIT標志。
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優(yōu)勢和未來的潛力基于芯片的3D打印方法相比傳統(tǒng)方法有幾個優(yōu)勢:1.緊湊尺寸:整個系統(tǒng)比傳統(tǒng)3D打印機小得多,可能實現(xiàn)手持設備。 u/ G* m' j$ t; T7 \5 F# @
2.無移動部件:使用非機械式光束引導消除了復雜機械系統(tǒng)的需求,減少了磨損和潛在故障點。8 i6 E. b$ k/ a, j$ [- {6 Y
3.快速打印:系統(tǒng)展示了在幾秒鐘內(nèi)打印亞毫米級體素的能力。
H9 F5 ^/ N: s- n4.更高分辨率的潛力:未來使用聚焦集成光學相控陣列的迭代可能實現(xiàn)微米級體素的打印,超過當前商業(yè)標準。) l: _0 n+ y' b' F% \ K; q2 P
5.多功能性:系統(tǒng)可以適應各種可見光固化樹脂,為廣泛的材料和應用打開了可能性。! \6 N0 y+ b. I: E5 r
未來發(fā)展研究人員概述了推進這項技術的幾個步驟:1.設備實現(xiàn)基于波長的光束引導,以實現(xiàn)無機械部件的全3D控制。
6 ~0 e* Z7 u# v: G2.改造商業(yè)SLA打印機以集成基于芯片的系統(tǒng),展示其作為現(xiàn)有光學系統(tǒng)替代品的潛力。( l' G4 P9 v1 Q1 R* P. c. ~
3.開發(fā)聚焦集成光學相控陣列,實現(xiàn)高分辨率、完全非機械式的3D打印。
0 \8 E; E3 R* E+ w& C( ]7 W4.使用基于全息光學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)。; o6 Y3 \9 v" @" S! M
5.改進可見光固化樹脂,使其與全息3D打印兼容,可能使用雙光子吸收技術。
@+ c/ r+ ]3 R$ V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,但仍有幾個挑戰(zhàn)需要解決:1.打印速度:目前的演示相對于商業(yè)打印機來說較慢。增加光功率和優(yōu)化樹脂可以提高打印速度。( M7 T& x& e8 o0 T) X/ d9 g
2.打印尺寸:當前的光束引導范圍限制了打印對象的最大尺寸。減小天線間距可以增加光束引導范圍,實現(xiàn)更大尺寸的打印。
" ]1 K. _. Y$ y& M3.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)實現(xiàn)一致的微米級特征仍需進一步發(fā)展。
% \8 h* k5 W0 R# v9 L* r4.樹脂兼容性:開發(fā)更廣泛的具有各種材料特性的可見光固化樹脂,對擴展這項技術的應用重要。/ [+ J8 x8 U ?; h4 r! m6 v
5.多功能性:系統(tǒng)可以適應各種可見光固化樹脂,為廣泛的材料和應用打開了可能性。, `4 n9 X6 ~$ X# {) |: Z
結(jié)論硅基光電子芯片實現(xiàn)的3D打印機代表了增材制造技術的范式轉(zhuǎn)變。通過結(jié)合先進的光電子技術和新型光化學,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。隨著技術的發(fā)展,我們可能很快就能看到可以放在手掌中的3D打印機。
, j( g. E: r$ y5 {! @: b, S: t參考文獻[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! f1 A3 v' F9 k$ E. x0 t9 ^
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