Imaginez une imprimante 3D portable que l'on pourrait tenir dans la paume de la main. Une telle innovation permettrait de créer rapidement des objets personnalisés et peu coûteux, comme des fixations pour réparer une roue de vélo ou des composants critiques pour des interventions médicales. Cette vision futuriste se rapproche de la réalité grâce aux chercheurs du MIT et de l'Université du Texas à Austin, qui ont mis au point la première imprimante 3D basée sur une puce.
Ce minuscule appareil pourrait permettre à un utilisateur de créer rapidement des objets personnalisés et peu coûteux en déplacement, comme une attache pour réparer une roue de vélo bancale ou un composant pour une opération médicale.
Crédits: Sampson Wilcox, RLE
Le dispositif de démonstration se compose d'une unique puce photonique millimétrique, émettant des faisceaux de lumière reconfigurables dans une résine liquide.
Cette résine durcit instantanément lorsqu'elle est exposée à la lumière visible émise par la puce. Contrairement aux imprimantes 3D traditionnelles, le prototype ne possède aucune pièce mobile. Il repose sur un réseau de minuscules antennes optiques pour orienter le faisceau lumineux avec précision.
En combinant la photonique sur silicium et la photochimie, l'équipe de recherche a réussi à imprimer des motifs bidimensionnels arbitraires, comme les lettres "MIT", en quelques secondes. Jelena Notaros, professeure au MIT et auteure principale de l'étude, décrit cette technologie comme une réinvention de l'imprimante 3D:
"Ce système repense complètement ce qu'est une imprimante 3D. Il ne s'agit plus d'une grosse boîte posée sur un banc dans un laboratoire créant des objets, mais de quelque chose de portable. Il est passionnant de penser aux nouvelles applications qui pourraient en découler et à la façon dont le domaine de l'impression 3D pourrait changer".
Les chercheurs envisagent à terme un système où une puce photonique placée au fond d'un puits de résine émettrait un hologramme 3D de lumière visible, permettant de durcir un objet entier en une seule étape. Une telle imprimante 3D portable pourrait révolutionner de nombreux domaines, en particulier le médical, en permettant la création de composants sur mesure directement sur le site d'utilisation.
(a) Imprimante 3D commerciale typique avec une puce photonique (encadrée en noir) pour comparaison et (b) une puce photonique fabriquée et emballée.
(c) Diagramme conceptuel de l'imprimante 3D à puce proposée, montrant un hologramme formé par une puce dans une chambre en résine (pas à l'échelle).
(d) Diagramme conceptuel de l'imprimante 3D à puce inspirée de la stéréolithographie démontrée dans ce travail (pas à l'échelle) Le prototype repose sur une puce photonique de 160 nanomètres d'épaisseur (à titre de comparaison, une feuille de papier mesure 100 000 nanomètres d'épaisseur). Alimentée par un laser externe, la puce émet un faisceau lumineux dans une résine photopolymérisable, durcissant là où le faisceau frappe. Pour contrôler ce faisceau, les chercheurs utilisent des modulateurs compacts en cristal liquide, intégrés à la puce et réglés via un champ électrique.
La collaboration étroite entre le groupe Notaros du MIT, spécialisé dans la photonique sur silicium, et le groupe Page de l'Université du Texas à Austin, expert en résines photopolymérisables, a été essentielle. Ensemble, ils ont ajusté les formulations chimiques pour obtenir une résine à longue durée de vie et à durcissement rapide.
Sabrina Corsetti, étudiante diplômée en génie électrique et informatique, précise:
"Ici, nous nous trouvons à mi-chemin entre la photochimie standard et la photonique du silicium en utilisant des résines durcissant à la lumière visible et des puces émettant de la lumière visible pour créer cette imprimante 3D sur puce. Il s'agit d'une fusion de deux technologies en une idée totalement nouvelle".
Les perspectives d'application de cette technologie sont vastes. En plus des utilisations médicales et de prototypage rapide, l'équipe vise à développer une puce capable de générer des hologrammes 3D, améliorant ainsi l'efficacité de l'impression 3D.