O minúsculo dispositivo poderia permitir ao usuário criar rapidamente objetos personalizados e de baixo custo em qualquer lugar, como um fixador para consertar uma roda de bicicleta bamba ou um componente para uma operação médica crítica. Crédito: Sampson Wilcox, RLE
Menor que uma moeda, este minúsculo dispositivo óptico poderia permitir a prototipagem rápida em qualquer lugar.
Pesquisadores de COM e a Universidade do Texas desenvolveram um protótipo para uma impressora 3D portátil baseada em chip, usando um chip fotônico que emite feixes de luz para curar resina em objetos sólidos. Esta tecnologia inovadora pode revolucionar a produção de objetos personalizados e de baixo custo em movimento e tem aplicações potenciais nas áreas médica e de engenharia.
Tecnologia de impressão 3D portátil
Imagine uma impressora 3D portátil que você pudesse segurar na palma da sua mão. O minúsculo dispositivo poderia permitir ao usuário criar rapidamente objetos personalizados e de baixo custo em qualquer lugar, como um fixador para consertar uma roda de bicicleta bamba ou um componente para uma operação médica crítica.
Pesquisadores do MIT e da Universidade do Texas em Austin deram um grande passo para tornar essa ideia realidade ao demonstrar a primeira impressora 3D baseada em chip. Seu dispositivo de prova de conceito consiste em um único chip fotônico em escala milimétrica que emite feixes de luz reconfiguráveis em um poço de resina que cura em uma forma sólida quando a luz o atinge.
O protótipo do chip não possui partes móveis, mas depende de um conjunto de pequenas antenas ópticas para direcionar um feixe de luz. O feixe se projeta em uma resina líquida que foi projetada para curar rapidamente quando exposta ao comprimento de onda da luz visível do feixe.
Inovações em impressão 3D baseada em chip
Ao combinar fotônica de silício e fotoquímica, a equipe de pesquisa interdisciplinar conseguiu demonstrar um chip que pode direcionar feixes de luz para imprimir em 3D padrões bidimensionais arbitrários, incluindo as letras MIT. As formas podem ser totalmente formadas em questão de segundos.
No longo prazo, eles imaginam um sistema onde um chip fotônico fica no fundo de um poço de resina e emite um holograma 3D de luz visível, curando rapidamente um objeto inteiro em uma única etapa.
Este tipo de impressora 3D portátil pode ter muitas aplicações, como permitir que os médicos criem componentes de dispositivos médicos feitos sob medida ou permitir que os engenheiros façam protótipos rápidos no local de trabalho.
Repensando a impressão 3D tradicional
“Este sistema está repensando completamente o que é uma impressora 3D. Não é mais uma grande caixa colocada em uma bancada de um laboratório criando objetos, mas algo que é portátil e portátil. É emocionante pensar sobre as novas aplicações que poderiam surgir disso e como o campo da impressão 3D poderia mudar”, diz a autora sênior Jelena Notaros, Professora de Desenvolvimento de Carreira Robert J. Shillman em Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS). e membro do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica.
Juntando-se a Notaros no artigo estão Sabrina Corsetti, autora principal e estudante de pós-graduação do EECS; Milica Notaros PhD ’23; Tal Sneh, estudante de pós-graduação do EECS; Alex Safford, recém-formado pela Universidade do Texas em Austin; e Zak Page, professor assistente do Departamento de Engenharia Química da UT Austin. A pesquisa foi publicada recentemente em Ciência e aplicações da luz natural.
Imprimindo com um chip
Especialistas em fotônica de silício, o grupo Notaros desenvolveu anteriormente sistemas ópticos integrados de phased array que direcionam feixes de luz usando uma série de antenas em microescala fabricadas em um chip usando processos de fabricação de semicondutores. Ao acelerar ou atrasar o sinal óptico em ambos os lados do conjunto de antenas, eles podem mover o feixe de luz emitida em uma determinada direção.
Tais sistemas são essenciais para sensores lidar, que mapeiam seus arredores emitindo feixes de luz infravermelha que ricocheteiam em objetos próximos. Recentemente, o grupo se concentrou em sistemas que emitem e direcionam luz visível para aplicações de realidade aumentada.
Eles se perguntaram se tal dispositivo poderia ser usado para uma impressora 3D baseada em chip.
Quase ao mesmo tempo em que começaram o brainstorming, o Page Group da UT Austin demonstrou pela primeira vez resinas especializadas que podem ser curadas rapidamente usando comprimentos de onda de luz visível. Esta foi a peça que faltava para transformar a impressora 3D baseada em chip em realidade.
“Com resinas fotocuráveis, é muito difícil fazer com que elas curem completamente em comprimentos de onda infravermelhos, que é onde os sistemas integrados de phased array óptico operavam no passado para lidar”, diz Corsetti. “Aqui, estamos no meio termo entre a fotoquímica padrão e a fotônica de silício, usando resinas curáveis por luz visível e chips emissores de luz visível para criar esta impressora 3D baseada em chip. Você tem essa fusão de duas tecnologias em uma ideia completamente nova.”
Seu protótipo consiste em um único chip fotônico contendo um conjunto de antenas ópticas de 160 nanômetros de espessura. (Uma folha de papel tem cerca de 100.000 nanômetros de espessura.) O chip inteiro cabe em uma moeda americana.
Quando alimentadas por um laser fora do chip, as antenas emitem um feixe direcionável de luz visível no poço de resina fotocurável. O chip fica abaixo de uma lâmina transparente, como as usadas em microscópios, que contém uma reentrância rasa que contém a resina. Os pesquisadores usam sinais elétricos para direcionar o feixe de luz de forma não mecânica, fazendo com que a resina se solidifique onde quer que o feixe a atinja.
Desafios e soluções em impressão 3D fotônica
Mas modular eficazmente a luz no comprimento de onda visível, o que envolve modificar sua amplitude e fase, é especialmente complicado. Um método comum requer o aquecimento do chip, mas é ineficiente e ocupa muito espaço físico.
Em vez disso, os pesquisadores usaram cristal líquido para criar moduladores compactos que integraram ao chip. As propriedades ópticas exclusivas do material permitem que os moduladores sejam extremamente eficientes e tenham apenas cerca de 20 mícrons de comprimento.
Um único guia de ondas no chip retém a luz do laser fora do chip. Ao longo do guia de ondas há pequenas torneiras que direcionam um pouco de luz para cada uma das antenas.
Os pesquisadores sintonizam ativamente os moduladores usando um campo elétrico, que reorienta as moléculas de cristal líquido em uma determinada direção. Dessa forma, eles podem controlar com precisão a amplitude e a fase da luz direcionada às antenas.
Mas formar e direcionar a trave é apenas metade da batalha. A interface com uma nova resina fotocurável foi um desafio completamente diferente.
O Page Group da UT Austin trabalhou em estreita colaboração com o Notaros Group do MIT, ajustando cuidadosamente as combinações e concentrações químicas para atingir uma fórmula que proporcionasse um longo prazo de validade e uma cura rápida.
No final, o grupo usou seu protótipo para imprimir em 3D formas bidimensionais arbitrárias em segundos.
Construindo a partir deste protótipo, eles querem avançar para o desenvolvimento de um sistema como aquele que conceituou originalmente – um chip que emite um holograma de luz visível em um poço de resina para permitir a impressão 3D volumétrica em apenas uma etapa.
“Para poder fazer isso, precisamos de um design de chip fotônico de silício completamente novo. Já explicamos muito sobre como seria esse sistema final neste artigo. E, agora, estamos entusiasmados em continuar trabalhando para esta demonstração definitiva”, afirma Jelena Notaros.
Referência: “Impressora 3D baseada em chip habilitada para fotônica de silício” por Sabrina Corsetti, Milica Notaros, Tal Sneh, Alex Stafford, Zachariah A. Page e Jelena Notaros, 6 de junho de 2024, Luz: Ciência e Aplicações.
DOI: 10.1038/s41377-024-01478-2
Este trabalho foi financiado, em parte, pela US National Science Foundation, pela US Defense Advanced Research Projects Agency, pela Robert A. Welch Foundation, pela MIT Rolf G. Locher Endowed Fellowship e pela MIT Frederick and Barbara Cronin Fellowship.
