Imagine una impresora 3D portátil que pueda sostener en la palma de su mano. El pequeño dispositivo podría permitir al usuario crear rápidamente objetos personalizados y de bajo costo mientras viaja, como un sujetador para arreglar una rueda de bicicleta suelta o un componente para una operación médica crítica.

Investigadores del MIT y la Universidad de Texas en Austin dieron un gran paso para hacer realidad esta idea al demostrar la primera impresora 3D basada en chips. Su dispositivo de prueba de concepto consiste en un chip fotónico de escala milimétrica que emite rayos de luz reconfigurables en un pozo de resina que se endurece hasta convertirse en un sólido cuando la luz incide sobre él.

El chip prototipo no tiene partes móviles, sino que depende de una serie de pequeñas antenas ópticas para guiar el haz de luz. El haz se proyecta en una resina líquida que está diseñada para endurecerse rápidamente cuando se expone a la longitud de onda de la luz visible del haz.

Al combinar la fotónica del silicio y la fotoquímica, el equipo de investigación interdisciplinario pudo demostrar un chip que puede dirigir rayos de luz para imprimir en 3D patrones bidimensionales arbitrarios, incluidas las letras MIT. Los formularios se pueden crear completamente en segundos.

A más largo plazo, imaginan un sistema en el que un chip fotónico se asienta en el fondo de un pozo de resina y emite un holograma 3D de luz visible, solidificando rápidamente todo el objeto en un solo paso.

Este tipo de impresora 3D portátil puede tener muchas aplicaciones, como permitir a los médicos crear componentes personalizados para dispositivos médicos o permitir a los ingenieros crear rápidamente prototipos en el trabajo.

«Este sistema replantea por completo lo que es una impresora 3D. Ya no es una gran caja que se sienta en un banco en un laboratorio fabricando objetos, sino algo que es portátil y portátil. Es emocionante pensar en las nuevas aplicaciones que podrían surgir de ella. y cómo podría cambiar el campo de la impresión 3D», dice la autora principal Elena Notaros, Robert J. Robert J. Shillman Profesor de Desarrollo Profesional en Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS) y miembro del Laboratorio de Investigación en Electrónica.

A Notarios se unen en este artículo Sabrina Corsetti, autora principal y estudiante de posgrado de EECS; Milica Notaros PhD ’23; Tal Sneh, graduado de EECS; Alex Safford, recién graduado de la Universidad de Texas en Austin; y Zach Page, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Química de UT Austin. El estudio aparece hoy. Ciencias y aplicaciones de la luz natural..

Imprimir con un chip

El grupo Notaros, experto en fotónica de silicio, desarrolló previamente sistemas ópticos integrados en fase que dirigen haces de luz mediante un conjunto de antenas microscópicas fabricadas en un chip mediante procesos de fabricación de semiconductores. Al acelerar o retardar la señal óptica a ambos lados del conjunto de antenas, pueden mover el haz de luz emitido en una dirección determinada.

Estos sistemas son esenciales para los sensores lidar, que mapean su entorno emitiendo haces de luz infrarroja que rebotan en los objetos cercanos. Recientemente, el grupo se ha centrado en sistemas que emiten y dirigen luz visible para aplicaciones de realidad aumentada.

Se preguntaron si un dispositivo de este tipo podría usarse para una impresora 3D con chip.

Casi al mismo tiempo que comenzaron a intercambiar ideas, el Page Group de UT Austin demostró una resina especializada que, por primera vez, podía curarse rápidamente utilizando longitudes de onda de luz visible. Fue la pieza que faltaba la que hizo realidad la impresora 3D basada en chips.

«Con las resinas fotocurables, es muy difícil lograr que se curen completamente en las longitudes de onda infrarrojas donde los sistemas integrados de matriz óptica en fase solían funcionar para lidar», dice Corsetti. «Aquí nos encontramos en un punto intermedio entre la fotoquímica estándar y la fotónica de silicio, utilizando resinas curables con luz visible y chips emisores de luz visible para crear esta impresora 3D basada en chips. Esta combinación de dos tecnologías es una idea completamente nueva».

Su prototipo consiste en un único chip fotónico que contiene un conjunto de antenas ópticas de 160 nanómetros de espesor. (Una hoja de papel tiene aproximadamente 100.000 nanómetros de espesor.) El chip entero cabe en una moneda de veinticinco centavos de dólar estadounidense.

Cuando se alimentan con un láser fuera del chip, las antenas emiten un haz orientable de luz visible hacia una cavidad de resina fotocurable. El chip se encuentra debajo de un portaobjetos transparente, como el que se usa en los microscopios, que tiene una muesca poco profunda que contiene resina. Los investigadores utilizan señales eléctricas para guiar de forma no mecánica un haz de luz, lo que hace que la resina se endurezca dondequiera que el haz la golpee.

Enfoque colaborativo

Sin embargo, la modulación eficaz de la luz de longitud de onda visible, que implica modificar su amplitud y fase, es particularmente difícil. Un método común requiere calentar el chip, pero esto es ineficiente y ocupa mucho espacio físico.

En cambio, los investigadores utilizaron cristal líquido para crear los moduladores compactos que integran en el chip. Las propiedades ópticas únicas del material permiten que los moduladores sean extremadamente eficientes y tengan sólo unas 20 micras de largo.

Una única guía de ondas en el chip intercepta la luz del láser fuera del chip. A lo largo de la guía de ondas funciona un pequeño toque que toca cada antena con un poco de luz.

Los investigadores sintonizan activamente los moduladores utilizando un campo eléctrico que reorienta las moléculas de cristal líquido en una dirección específica. De esta forma, pueden controlar con precisión la amplitud y fase de la luz dirigida a las antenas.

Pero crear y dirigir el rayo es sólo la mitad de la batalla. La interfaz con nuevas resinas fotocurables fue un desafío completamente diferente.

El Page Group de UT Austin trabajó en estrecha colaboración con el Grupo Notaros del MIT, ajustando cuidadosamente las combinaciones y concentraciones químicas a cero, utilizando una fórmula que proporcionaba una larga vida útil y un curado rápido.

Al final, el grupo utilizó su prototipo para imprimir en 3D formas bidimensionales arbitrarias en segundos.

A partir de este prototipo, quieren avanzar hacia el desarrollo del sistema que conceptualizaron originalmente: un chip que emite luz visible en una cavidad de resina holográfica para permitir la impresión 3D volumétrica en un solo paso.

«Para poder hacer esto, necesitamos un diseño de chip de fotónica de silicio completamente nuevo. En este documento, ya hemos esbozado cómo será este sistema final. Y ahora estamos felices de seguir trabajando para lograr esta demostración final». dice Jelena Notarosa.

Este trabajo fue financiado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU., la Fundación Robert A. Welch, una beca Rolf G. Locher del MIT y una beca Frederick y Barbara Cronin del MIT.



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