Nature子刊：全球首臺基於芯片的可攜式3D打印機問世，尺寸僅有硬幣大小
2024年6月7日，南極熊獲悉，來自麻省理工學院和德克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員推出了首臺基於芯片的 3D 打印機，設備大小相當於毫米級光子芯片，使用可重構光束將樹脂固化成固體形狀。這種小型便攜式打印設備可以輕鬆握在手掌中，能夠讓用戶隨時隨地快速製造出個性化的實用物品，例如用於修復搖晃的自行車車輪的緊固件或用於重要醫療手術的部件。
相關研究以題爲“Paper: “Silicon-photonics-enabledchip-based 3D printer/基於硅光子學的芯片式3D打印機””的論文被髮表在Nature子刊《light: science & applications》上。論文由Jelena Notaros主要完成，他是電氣工程和計算機科學 (EECS) 的 Robert J. Shillman 職業發展教授，也是電子研究實驗室的成員。與Notaros 一起參與該論文的還有論文的第一作者、EECS 研究生 Sabrina Corsetti、Milica Notaros 博士（23 屆）、EECS 研究生 TalSneh、德克薩斯大學奧斯汀分校應屆畢業生 Alex Safford 以及德克薩斯大學奧斯汀分校化學工程系助理教授 Zak Page聯合撰寫。
相關論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01478-2
本研究中的概念驗證設備由一個毫米級光子芯片組成，該芯片將可重構光束髮射到樹脂孔中，當光線照射到樹脂孔中時，樹脂孔會固化成固體形狀。
△基於芯片的 3D 打印機概念
原型芯片沒有移動部件，而是依靠微型光學天線陣列來控制光束。光束向上投射到液態樹脂中，這種樹脂在暴露於光束波長的可見光下時會迅速固化。
通過結合硅光子學和光化學，這個跨學科研究團隊成功研發出一種芯片，可以引導光束 3D 打印任意二維圖案，包括字母 MIT。只需幾秒鐘，形狀就可以完全成型。
從長遠來看，他們設想的系統是將光子芯片放置在樹脂井的底部，併發射可見光的 3D 全息圖，只需一步即可快速固化整個物體。
這種便攜式 3D 打印機有很多應用，例如允許臨牀醫生創建定製的醫療設備組件或允許工程師在工作現場製作快速原型。
論文作者 Jelena Notaros 說道：“該系統完全重新定義了 3D 打印機。它不再是一個放在實驗室工作臺上用來製造物品的大盒子，而是一個可以手持和攜帶的東西。想想由此可能產生的新應用以及 3D 打印領域將如何改變，真是令人興奮。”
使用芯片進行打印
Notaros 團隊是硅光子學專家，他們之前開發了集成光學相控陣系統，該系統使用一系列採用半導體制造工藝在芯片上製造的微型天線來控制光束。通過加速或延遲天線陣列兩側的光信號，他們可以將發射光束移向某個方向。
△3D打印機集成光學相控陣架構
△基於芯片的 3D 打印機設置、輻射模式和體素特徵。
此類系統是激光雷達傳感器的關鍵，激光雷達傳感器通過發射紅外光束，這些光束從附近的物體上反射回來，從而繪製周圍環境的地圖。最近，該團隊專注於爲增強現實應用發射和引導可見光的系統。
他們想知道這種設備是否可以用於基於芯片的 3D 打印機。就在他們開始集思廣益的同時，德克薩斯大學奧斯汀分校的 Page Group 首次展示了可使用可見光波長快速固化的專用樹脂，這是推動基於芯片的3D 打印機轉化爲現實產品所急缺的部分。
Corsetti 說道：“光固化樹脂很難在紅外波長下完全固化，而過去集成光學相控陣系統在激光雷達中就是在紅外波長下工作的。在這裡，我們通過使用可見光固化樹脂和可見光發射芯片，在標準光化學和硅光子學之間找到平衡，打造出這款基於芯片的 3D 打印機。這是將兩種技術融合成一個全新想法。”
他們的設備原型由一個光子芯片組成，芯片上包含一組厚度爲 160 納米的光學天線。（一張紙的厚度約爲 100,000 納米。）整個芯片可裝在一枚 25 美分硬幣上。
當由芯片外激光器供電時，天線會將一束可操縱的可見光發射到光固化樹脂槽中。芯片位於透明載玻片下方，類似於顯微鏡中使用的載玻片，載玻片上有一個淺凹口，用於容納樹脂。研究人員使用電信號非機械地操縱光束，使樹脂在光束照射到的地方固化。
協作方式
通常來講，有效調製可見光波長的光（包括改變其振幅和相位）尤其困難。一種常用方法需要加熱芯片，但這種方法效率低下，而且佔用大量物理空間。
相反，研究人員使用液晶製作集成到芯片上的緊湊型調製器。該材料獨特的光學特性使調製器非常高效，長度僅爲 20 微米左右。芯片上的單個波導可容納來自片外激光器的光。波導上佈滿了微小的分接頭，它們將少量光分接至每個天線。
研究人員利用電場主動調節調製器，將液晶分子重新定向到特定方向。這樣，他們就能精確控制傳送到天線的光的振幅和相位。但形成和控制光束只是成功的一半。與新型光固化樹脂連接則是一個完全不同的挑戰。
德克薩斯大學奧斯汀分校的 Page 團隊與麻省理工學院的 Notaros 團隊密切合作，精心調整化學組合和濃度，最終找到一種能夠延長保質期並快速固化的配方。最終，該團隊利用他們的原型在幾秒鐘內 3D 打印出任意二維形狀。
△基於芯片的3D打印機非機械光束控制、線打印和任意2D圖案打印。
基於這個原型，他們希望開發一個像他們最初概念化的系統——一個在樹脂井中發射可見光全息圖的芯片，只需一個步驟即可實現體積 3D 打印。
Jelena Notaros 說道：“爲了實現這一點，我們需要一個全新的硅光子芯片設計。我們已經在這篇論文中詳細闡述了最終系統將是什麼樣子。現在，我們很高興能繼續努力實現這一最終演示。”
這項工作部分由美國國家科學基金會、美國國防高級研究計劃局、羅伯特·A·韋爾奇基金會、麻省理工學院羅爾夫·G·洛赫捐贈獎學金以及麻省理工學院弗雷德裡克和芭芭拉·克羅寧獎學金資助。
據南極熊瞭解，體積3D打印技術，已經有廠商做出商業化的產品。
Vitro3D：高維體積3D打印，無支撐、可打印高粘度樹脂材料
2023年11月，有外媒採訪了Vitro3D的首席執行官兼聯合創始人，Camila Uzcategui。他介紹了體積3D打印目前的發展狀況與應對的挑戰。下面就請跟隨南極熊一起，去了解Vitro3D的體積3D打印吧！
Camila Uzcategui 是Vitro3D的首席執行官兼聯合創始人。Uzcategui 獲得了材料科學與工程博士學位，專注於 3D 打印應用領域，並於 2021 年完成他的論文。他的論文重點是針對組織工程和再生的3D打印材料的表徵，瞭解樹脂以預測3D打印結構的質量準確。Uzcategui 表示：“如果能夠準確表徵樹脂，那麼就能更好地匹配這些特定類型組織的機械性能。”在2022年11月，也就是一年前，來自科羅拉多大學博爾德分校孵化公司Vitro3D在科羅拉多州生命科學孵化計劃的種子輪融資中獲得了130萬美元，這推動容積式3D打印技術的商業化進程。
△在 Vitro3D 實驗室製作 HD-VAM 系統原型
開創性的體積增材製造：Vitro3D 向行業相關解決方案的戰略轉變
體積增材製造是先進製造技術的一個新興且十分有前景的一個領域，雖然傳統的逐層3D打印是 Uzcategui 博士期間的研究重點，但對體積增材製造的探索是在她博士後工作期間進行的。Uzcategui 強調了體積技術相對於傳統 3D 打印方法的優勢，體積打印可以不需要支撐結構或處理高粘度樹脂。
在戰略願景方面，Vitro3D積極主動地尋找醫療保健以外的行業，這些行業可以立即從這項技術中受益，並承認實現組織工程的“大夢想”將是一項長期的努力，可能需要5到10年的時間。Vitro3D 現在正在關注電子和牙科等行業，體積技術可能在短期內產生重大影響。這種務實的方法旨在確保公司不會“在沒有收入的情況下籌集資金 5 年”，而是參與有意義的、創收的企業，從而更接近徹底改變組織工程和再生的最終目標。
△Vitro3D 作爲一種工業流程，可以是獨立流程，也可以是集成流程
立體增材製造的複雜性
Uzcategui 表示體積3D打印是操縱不同角度的光線，從虛擬模型創建3D實體。算法是最重要的部分，需要獲取3D虛擬對象並以不同角度分解它，然後重新投影它，以在樹脂中創建3D對象，這一切都基於生成投影圖像的複雜算法。考慮材料特性和樹脂對光的反應至關重要，以確保樹脂接收到聚合所需的精確光量，可以說該軟件是解鎖此功能的關鍵。
在進一步探討這一機制時，Uzcategui 提到 Vitro3D 發明了一種新的高維體積增材製造 (HD VAM) 方法，其利用平移二維光錐，從而將四個維度的信息輸入到材料中，而不是傳統的三個維度。稱之爲高維VAM，是因爲不只是通過旋轉和二維圖像輸入三個維度的信息，而是通過 X 和 Y 以及二維光錐的平移來輸入四個維度的信息。
光源（通常是激光）保持長焦點的高質量光線對於投射整個體積至關重要。Uzcategui 表示：“我們希望焦深儘可能大，從 3 釐米開始。”爲了解決體積 3D 打印深度尺寸的限制，Uzcategui 還介紹了 HD VAM 方法如何解耦尺寸，允許 X 和 Y 上更大的尺寸，同時保留較小的深度尺寸。Vitro3D 的方法着眼於更廣泛的工業應用。
△以工業規模生產個性化零件的 Vitro3D 系統的渲染圖
體積增材製造：對更大尺寸和材料多功能性的探索
該公司正在不斷努力確定其技術可能實現的最大打印尺寸，目前的最大直徑爲八釐米。將 HD-VAM 工藝無縫集成到現有生產線中，有望開創現場大規模增材製造的新時代。這一努力的核心是他們的專有算法，Uzcategui 將其描述爲技術背後的“魔力”，該算法在開始之前能夠複製打印過程，確保樹脂僅在需要的地方聚合。Uzcategui 解釋說：“該算法接收有關材料、光學和機械的信息，並模擬打印過程。”
體積 3D 打印的一個顯着優勢是能夠處理高粘度樹脂，這對傳統的逐層系統來說是一個挑戰。在標準系統中，層補充的樹脂流動十分耗時，特別是對於高粘度樹脂。然而，Vitro3D 的技術繞過了這個障礙，因爲打印過程中壓根就沒有樹脂流動！
Vitro3D 應對3D打印中的新材料挑戰
用於製造電子元件和連接器等高粘度的樹脂，對傳統3D打印機提出了粘度挑戰。在處理此類材料時現有逐層打印技術有很大的侷限性；此外，納米凝膠在牙科領域的應用，也具有粘度挑戰。粘度隨着納米凝膠的加載而增加，需要創新的加工方法來有效地處理它們。
Vitro3D 的 HD-VAM 技術是一種很有前途的解決方案，非常適合加工這些創新但具有挑戰性的材料，而無需像某些逐層打印機所要求的那樣需要額外的加熱過程。這種優勢不僅體現在打印過程本身（體積打印同時實現物體），而且可以擴展到後處理階段。
Uzcategui 解釋說：“我們在速度方面擁有巨大優勢，因爲零件會立即實現，用戶不需要逐層打印，會非常顯着地降低每個零件的速度。” 這種速度的提高至關重要，因爲它直接影響生產排期，而生產提前是縮短上市時間的關鍵因素。此外，他深入研究了後處理的關鍵方面，強調體積 3D 打印中缺乏支撐結構可顯着減少打印後清理所花費的時間。
Uzcategui 還談到了確保零件質量和可重複性的一個要點，他表示：“我們公司的一個重點是自動化後處理，以獲得更可靠的零件，不僅在打印方面，而且在材料特性本身方面。” Vitro3D 的方法不僅加速打印過程，而且簡化後處理，反映了對工業生產需求的全面理解。
體積增材製造的成本效率：Vitro3D 以軟件爲中心的方法
Vitro3D 正準備提供一種經濟高效的 3D 打印方法，其重點不是昂貴的硬件，而是智能軟件。Uzcategui 解釋說，與某些可能花費高達 100 萬美元的 3D 打印設置不同，他們的系統使用標準的硬件組件，與傳統的逐層 3D 打印機中使用的硬件組件類似。區別在於其專有算法，能夠驅動體積3D打印過程。
這種以軟件爲中心的方法不僅可以控制硬件成本，還可以開發適合客戶需求的定製硬件解決方案。Uzcategui 補充道：“相信開放式樹脂系統可以讓客戶在 HD-VAM 系統中使用自己的材料，只需經過 Vitro3D 認證並添加到算法的材料庫中即可。”
體積 3D 打印的挑戰和前景
體積 3D 打印在新生階段具有固有的侷限性，特別是在尺寸和分辨率方面。然而Uzcategui相信，儘管存在這些限制，他們的 HD-VAM 體積 3D 打印工藝有望解決某些行業中的重大挑戰，是目前逐層3D打印無法實現的。
Uzcategui 強調了歐洲對 PFAS 和 PFOA 等“永久化學品”的使用越來越多的限制，預計這些限制很快將成爲全球規範。他表示，“我們可以使用高粘度樹脂，這些樹脂在韌性方面通常具有更好的材料性能，使得體積3D打印成爲創造這些化學品替代品的可能選擇。“
體積3D打印因其創建高價值、高混合、小批量零件的能力而大放異彩。Uzcategui 認爲這是快速迭代新技術的途徑，在不斷變化和收縮的移動樹脂漩渦中確保精確的材料行爲是複雜的，需要對光與材料的相互作用有深刻的理解和細緻的控制。Uzcategui 注意到像 Carbon 這樣的公司在瞭解材料與光如何相互作用方面投入了大量資金所取得的成功，並強調了這種相互作用在體積增材製造中的重要性。
着眼於商業化，Vitro3D 有望於2024年部署其首個場外系統，並正在與早期採用者討論定於 2024 年末進行的試點項目。這家初創公司的商業化之旅以協作精神爲基礎，旨在與行業參與者一起制定解決特定製造挑戰的解決方案。作爲一家羽翼未豐的初創公司，Vitro3D 堅信，他們的定製方法能讓自己在競爭激烈的市場中脫穎而出，它正一步步接近其目標——成爲工業技術顛覆性力量、準確滿足客戶挑戰。
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