硅基光電子芯片實現(xiàn)的3D打印技術(shù)

逍遙設(shè)計自動化

引言3D打印技術(shù)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(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。然而，目前的3D打印機依賴于龐大而復(fù)雜的機械系統(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)造出首個基于芯片的3D打印機[1]。


  R& g6 ?/ X, {4 m$ l+ U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，但需要龐大的機械系統(tǒng)來進行激光路由和平臺移動。
* b7 }" v9 F) {6 M0 M1 c基于芯片的3D打印機概念應(yīng)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(shè)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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  O5 c: P, J) k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(fù)雜性的顯著降低。

基于芯片的3D打印機的關(guān)鍵組件1.硅基光電子芯片系統(tǒng)的核心是集成了可見光光學(xué)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(dǎo)光束。
9 \9 q* b/ `! k' z% J$ P2.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(shè)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。
. n0 o5 A6 e8 o3 t$ O" r3.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(dǎo)。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。
概念驗證演示研究人員開發(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(xué)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(dǎo)光束。
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圖2：展示了3D打印機集成光學(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。
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2 Y4 B4 D& ?8 I$ T- C實驗設(shè)置和結(jié)果實驗設(shè)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)。
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：顯示了可見光集成光學(xué)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。

. ]* E) a! w+ m9 t/ d2.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。

/ P) X& b7 k! L; }. L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。
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3.非機械式光束引導(dǎo)這個系統(tǒng)的一個關(guān)鍵創(chuàng)新是能夠在沒有任何機械部件的情況下引導(dǎo)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(dǎo)最多7.2°。

9 s/ A# c( `+ Q# M2 h) x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，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(shè)備。
6 g' @( `. K9 X( e1 w/ o1 U& D4 [0 x4 m2.無移動部件：使用非機械式光束引導(dǎo)消除了復(fù)雜機械系統(tǒng)的需求，減少了磨損和潛在故障點。
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。
, I" W4 e) {! L9 e4.更高分辨率的潛力：未來使用聚焦集成光學(xué)相控陣列的迭代可能實現(xiàn)微米級體素的打印，超過當(dāng)前商業(yè)標準。
: \9 A9 E; y/ q: g5.多功能性：系統(tǒng)可以適應(yīng)各種可見光固化樹脂，為廣泛的材料和應(yīng)用打開了可能性。
" S, q7 f+ J4 @! d& _未來發(fā)展研究人員概述了推進這項技術(shù)的幾個步驟：1.設(shè)備實現(xiàn)基于波長的光束引導(dǎo)，以實現(xiàn)無機械部件的全3D控制。
0 _2 p: K: h) j; r/ a/ Q! z2.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(xué)系統(tǒng)替代品的潛力。
3.開發(fā)聚焦集成光學(xué)相控陣列，實現(xiàn)高分辨率、完全非機械式的3D打印。
4.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)。
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(shù)。
! T  E% C2 j* c3 v, k$ K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。
2.打印尺寸：當(dāng)前的光束引導(dǎo)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(dǎo)范圍，實現(xiàn)更大尺寸的打印。
: `; k* t/ R+ g% A3.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。
* z- q1 ?: y2 b2 u! J7 }4 o0 H4.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(shù)的應(yīng)用重要。
( k# T( D: v9 q# J; g: S5.多功能性：系統(tǒng)可以適應(yīng)各種可見光固化樹脂，為廣泛的材料和應(yīng)用打開了可能性。
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(shù)的范式轉(zhuǎn)變。通過結(jié)合先進的光電子技術(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。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。
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
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