Stellen Sie sich einen tragbaren 3D-Drucker vor, den man in der Handfläche halten könnte. Eine solche Innovation würde die schnelle und kostengünstige Erstellung von maßgeschneiderten Objekten ermöglichen, wie z. B. Befestigungen zur Reparatur eines Fahrradreifens oder kritische Komponenten für medizinische Eingriffe. Diese futuristische Vision rückt dank Forschern des MIT und der Universität Texas in Austin näher an die Realität heran, die den ersten 3D-Drucker auf Basis eines Chips entwickelt haben.
Dieses winzige Gerät könnte es einem Benutzer ermöglichen, schnell und kostengünstig maßgeschneiderte Objekte unterwegs zu erstellen, wie z. B. eine Halterung zur Reparatur eines wackeligen Fahrradreifens oder eine Komponente für eine medizinische Operation.
Kredit: Sampson Wilcox, RLE Das Demonstrationsgerät besteht aus einem einzigen millimetergroßen photonischen Chip, der rekonfigurierbare Lichtstrahlen in ein flüssiges Harz abgibt.
Dieses Harz härtet sofort aus, wenn es dem von dem Chip emittierten sichtbaren Licht ausgesetzt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen 3D-Druckern besitzt der Prototyp keine beweglichen Teile. Stattdessen nutzt er ein Netzwerk winziger optischer Antennen, um den Lichtstrahl präzise zu lenken.
Durch die Kombination von Siliziumphotonik und Photochemie gelang es dem Forscherteam, willkürliche zweidimensionale Muster wie die Buchstaben „MIT“ in wenigen Sekunden zu drucken. Jelena Notaros, Professorin am MIT und Hauptautorin der Studie, beschreibt diese Technologie als eine Neuerfindung des 3D-Drucks:
„Dieses System überdenkt vollständig, was ein 3D-Drucker ist. Es handelt sich nicht mehr um eine große Kiste auf einem Labortisch, die Objekte erstellt, sondern um etwas Tragbares. Es ist aufregend, an die neuen Anwendungen zu denken, die daraus entstehen könnten, und daran, wie sich das Gebiet des 3D-Drucks verändern könnte“.
Die Forscher streben langfristig ein System an, bei dem ein photonischer Chip am Boden eines Harzbehälters ein dreidimensionales Hologramm aus sichtbarem Licht erzeugt, sodass ein ganzes Objekt in einem einzigen Schritt ausgehärtet werden kann. Ein solcher tragbarer 3D-Drucker könnte viele Bereiche revolutionieren, insbesondere den medizinischen, indem er die Erstellung maßgeschneiderter Komponenten direkt vor Ort ermöglicht.
(a) Typischer kommerzieller 3D-Drucker mit einem photonischen Chip (schwarz umrandet) zum Vergleich und (b) ein hergestellter und verpackter photonischer Chip.
(c) Konzeptuelles Diagramm des vorgeschlagenen 3D-Druckers auf Chip-Basis, das ein Hologramm zeigt, das von einem Chip in einer Harzkammer erzeugt wird (nicht maßstabsgetreu).
(d) Konzeptuelles Diagramm des 3D-Druckers auf Chip-Basis, inspiriert von der in dieser Arbeit demonstrierten Stereolithographie (nicht maßstabsgetreu) Der Prototyp basiert auf einem photonischen Chip mit einer Dicke von 160 Nanometern (zum Vergleich: Ein Blatt Papier ist 100.000 Nanometer dick). Angetrieben von einem externen Laser emittiert der Chip einen Lichtstrahl in ein photopolymerisierbares Harz, das aushärtet, wo der Strahl auftrifft. Um diesen Strahl zu steuern, verwenden die Forscher kompakte Flüssigkristallmodulatoren, die in den Chip integriert und durch ein elektrisches Feld eingestellt werden.
Die enge Zusammenarbeit zwischen der Gruppe von Notaros am MIT, spezialisiert auf Siliziumphotonik, und der Gruppe von Page an der Universität Texas in Austin, Experten für photopolymerisierbare Harze, war entscheidend. Gemeinsam passten sie die chemischen Formulierungen an, um ein langlebiges und schnell aushärtendes Harz zu erhalten.
Sabrina Corsetti, Doktorandin in Elektrotechnik und Informatik, präzisiert:
„Hier befinden wir uns auf halbem Weg zwischen der Standard-Photochemie und der Silizium-Photonik, indem wir lichtaushärtende Harze und Chips, die sichtbares Licht emittieren, verwenden, um diesen 3D-Drucker auf Chip-Basis zu schaffen. Es handelt sich um eine Verschmelzung zweier Technologien zu einer völlig neuen Idee“.
Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie sind vielfältig. Neben den medizinischen Anwendungen und dem schnellen Prototyping plant das Team die Entwicklung eines Chips, der 3D-Hologramme erzeugen kann, wodurch die Effizienz des 3D-Drucks verbessert wird.
Autor des Artikels: Cédric DEPOND
Quelle: Nature Light Science & Applications