Künstlerische Darstellung des 3D-Druck-Chips des MIT. (Bild: Sampson Wilcox, RLE)
Ein 3D-Drucker, der auf die Fläche einer Hand passt. Forscher des MIT und der University of Texas in Austin haben mit der Demonstration des ersten chipbasierten 3D-Druckers einen wichtigen Schritt zur Verwirklichung dieser Idee gemacht. Ihr Proof-of-Concept-Gerät besteht aus einem einzigen, millimetergroßen photonischen Chip, der rekonfigurierbare Lichtstrahlen in ein Harz-Reservoir sendet. Details ihrer Arbeit haben die Forschenden in einem Artikel im Magazin Nature Light Science and Applications veröffentlicht.
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Der Prototyp besteht aus einem einzigen photonischen Chip, der eine Anordnung von 160 Nanometer starken optischen Antennen enthält. Der gesamte Chip passt dabei auf eine amerikanische Vierteldollar-Münze, die einen Durchmesser von knapp 25 Millimetern hat. Der Chip sitzt dabei unter einem durchsichtigen Objektträger, der eine flache Vertiefung enthält, die das flüssige Harz aufnimmt. Trifft der Lichtstrahl aus dem Chip auf das speziell für die Anwendung entwickelte Harz, härtet dieses sofort aus. Durch die Kombination von Silizium-Photonik und Photochemie konnte das interdisziplinäre Forschungsteam demonstrieren, wie der Chip beliebige zweidimensionale Muster wie etwa die Buchstaben M-I-T druckt und damit schichtweise 3D-Strukturen aufbaut.
Stichwort: Silizium-Photonik
Als Experten für Silizium-Photonik hat die Gruppe Notaros bereits integrierte optische Phased-Array-Systeme entwickelt, die Lichtstrahlen mit einer Reihe von mikroskopisch kleinen Antennen lenken, die mit Hilfe von Halbleiterfertigungsverfahren auf einem Chip hergestellt werden. Durch Beschleunigen oder Verzögern des optischen Signals auf beiden Seiten der Antennengruppe können sie den Lichtstrahl in eine bestimmte Richtung lenken. Solche Systeme sind der Schlüssel für Lidar-Sensoren (Light Detection and Ranging), die ihre Umgebung kartieren, indem sie infrarote Lichtstrahlen aussenden, die an Objekten in der Nähe abprallen. In letzter Zeit hat sich die Gruppe auf Systeme konzentriert, die sichtbares Licht für Augmented-Reality-Anwendungen aussenden und lenken.
Die effektive Modulation von Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich, bei der Amplitude und Phase des Lichts verändert werden müssen, ist jedoch besonders schwierig. Eine gängige Methode erfordert die Erwärmung des Chips, was jedoch ineffizient ist und viel Platz in Anspruch nimmt. Stattdessen verwendeten die Forscher Flüssigkristalle, um kompakte Modulatoren herzustellen, die sie in den Chip integrieren. Dank der einzigartigen optischen Eigenschaften des Materials sind die Modulatoren äußerst effizient und nur etwa 20 Mikrometer lang.
Ein einziger Wellenleiter auf dem Chip nimmt das Licht des Off-Chip-Lasers auf. Entlang des Wellenleiters befinden sich winzige Anzapfungen, die für jede der Antennen einen kleinen Teil des Lichts abzapfen. Die Forscher stimmen die Modulatoren aktiv mit Hilfe eines elektrischen Feldes ab, das die Flüssigkristallmoleküle in eine bestimmte Richtung lenkt. Auf diese Weise können sie die Amplitude und Phase des Lichts, das zu den Antennen geleitet wird, genau steuern.
"Mit diesem System wird die Bedeutung eines 3D-Druckers völlig neu überdacht. Er ist nicht länger eine große Kiste, die auf einem Labortisch steht und Objekte erstellt, sondern etwas, das in der Hand gehalten wird und tragbar ist", sagt Jelena Notaros, Professorin für Electrical Engineering and Computer Science (EECS) am MIT.
Langfristig stellen sie sich die Forschenden allerdings ein System vor, bei dem ein photonischer Chip auf dem Boden eines Harzbehälters sitzt und ein 3D-Hologramm aus sichtbarem Licht aussendet, das ein ganzes Objekt in einem einzigen Schritt aushärtet. Diese Art von tragbarem 3D-Drucker könnte in vielen Bereichen eingesetzt werden, z. B. bei der Herstellung von maßgeschneiderten Komponenten für medizinische Geräte oder bei der schnellen Herstellung von Prototypen am Einsatzort durch Techniker.