首台芯片级3D打印机
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研发团队下一步将开发可单步全息固化的光子芯片系统。
近日,麻省理工学院(MIT)与得克萨斯大学奥斯汀分校联合开发出了全球首款芯片级3D打印机原型。相关成果已发表于《自然》子刊,团队下一步将开发可单步全息固化的光子芯片系统。
据悉,原型芯片搭载 160 纳米厚光学天线(普通纸张约 10 万纳米厚),整体尺寸甚至小于 25 美分硬币,可通过毫米级光子芯片发射可重构光束,使树脂在可见光波长照射下快速固化成型。
研究人员透露,他们融合了硅光子学和光化学领域的技术,首次提出了基于芯片的3D打印机方案。他们强调,该系统仅包含一枚毫米级的单一光子芯片,无任何移动部件。该芯片向一个简单、静止的树脂槽发射可重构的可见光全息图,从而实现了非机械式的3D打印。
该团队通过实验,展示了一个受立体光刻启发的、基于芯片的3D打印机的概念验证版本。他们使用了可见光束转向集成光学相控阵和可见光固化树脂,首次展示了使用芯片系统进行3D打印。
值得一提的是,实验中的树脂经过特殊优化设计,可在特定可见光波长下迅速固化。研究人员成功打印出包括“M-I-T”字母在内的任意二维图案,全程仅需几秒时间。设备工作时,外部激光驱动天线向树脂槽发射可控可见光束。研究人员采用液晶材料制成紧凑型调制器(长约20微米),通过电场精确调控光束振幅与相位,实现非机械式光束转向。
研究人员宣称,他们的方法为实现下一代高度紧凑、便携且低成本的3D打印机解决方案迈出了第一步。仅用一枚光子芯片就能在手掌中秒级创建3D物体,这将变革现代制造业,正如3D打印已经彻底改变了创新者在现代社会几乎所有领域的创造方式。
目前的3D打印机依赖庞大且复杂的机械系统来实现材料的逐层叠加。这限制了打印速度、分辨率、便携性、外形尺寸和材料的复杂性。但麻省理工团队的最新创新解决了这些局限。
他们还创造了一种微型“牵引光束”(tractor beam),利用芯片发出的光束捕获和操控生物粒子。这可以帮助生物学家研究DNA或探究疾病机制,而不会污染组织样本。
这个微型装置使用高度聚焦的光束来捕获和操控细胞。这项创新为集成光学镊子(optical tweezers)引入了一种新模式,极大地扩展了其效用及与现有应用(尤其是生物实验)的兼容性。
研究人员预计,这项工作中引入的基于芯片的3D打印技术,有潜力为下一代3D打印机提供高度紧凑、便携且低成本的解决方案。根据团队的方法,这种解决方案将为生成3D物体提供更易获取且更快速的机制,影响包括军事、医疗、工程和消费领域在内的广泛应用领域。
迄今为止,已有多种3D打印方法实现了商业化,包括挤出(extrusion)、粉末床熔融(powder-bed fusion)、喷墨(jetting)和光诱导聚合(light-induced polymerization)等技术。在消费级层面,熔融沉积建模(Fused Deposition Modeling, FDM),一种基于挤出的方法是最广泛使用的3D打印类型。
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