Photonik: MIT-Forscher entwickeln kompakten 3D-Drucker ohne bewegliche Teile

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Ein Team des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der University of Texas at Austin hat einen Proof of Concept eines 3D-Druckers auf Basis eines einzelnen photonischen Chips entwickelt. Das Konzept veröffentlichten sie nun in der Fachzeitschrift "Nature Light Science and Applications" als Open Access.

Das Konzept kommt ohne bewegliche Teile aus und könnte den Weg für kompakte, mobile 3D-Drucker ebnen. Der Ansatz kombiniert Silizium-Photonik und Photochemie: Der millimetergroße Chip sendet rekonfigurierbare Lichtstrahlen in ein Harzbecken. Das Harz härtet aus, sobald es von Licht einer bestimmten Wellenlänge getroffen wird. Anstelle beweglicher Teile steuert der Chip den Lichtstrahl über ein Array winziger optischer Antennen. Zweidimensionale Formen wie Buchstaben lassen sich so in Sekundenschnelle drucken.

"Dieses System definiert den 3D-Drucker völlig neu. Er ist nicht mehr ein großer Kasten, der auf einer Werkbank im Labor steht und Objekte erzeugt, sondern etwas Tragbares, das in die Hand passt", sagt Jelena Notaros, Hauptautorin der Studie und Professorin für Elektrotechnik und Informatik am MIT.

Lichtstrahl bestimmt Form des Objekts

Der Prototyp besteht aus einem einzigen photonischen Chip, der ein Array optischer Antennen mit einer Dicke von 160 Nanometern enthält. Der gesamte Chip passt auf eine amerikanische Vierteldollarmünze – vergleichbar mit einer europäischen 50-Cent-Münze.

Wird der Chip mit einem externen Laser bestrahlt, senden die Antennen einen steuerbaren Lichtstrahl in das Harzbecken. Der Chip befindet sich unter einem transparenten Objektträger, wie er auch in Mikroskopen verwendet wird. Dieser enthält eine flache Vertiefung, in der sich das Harz befindet. Mit elektrischen Signalen steuern die Forscher den Lichtstrahl nicht-mechanisch. Dort, wo der Strahl auftrifft, härtet das Harz aus.

Um die sichtbare Wellenlänge des Lichts zu modulieren, verwenden die Forscher Flüssigkristalle. Deren optische Eigenschaften ermöglichen es, Amplitude und Phase des zu den Antennen geleiteten Lichts präzise zu steuern.

Aushärtung mit sichtbarem Licht dank Spezialharz

Ein Team um Zachariah Page von der University of Texas at Austin entwickelte parallel spezielle Harze, die sich mit Wellenlängen des sichtbaren Lichts schnell aushärten lassen. Bisher war es schwierig, photohärtende Harze mit Infrarotwellenlängen auszuhärten, mit denen integrierte optische Phased-Array-Systeme in der Vergangenheit für Lidar-Anwendungen arbeiteten.

Langfristig stellen sich die Forscher ein System vor, bei dem ein photonischer Chip am Boden eines Harzbeckens sitzt und ein 3D-Hologramm aus sichtbarem Licht emittiert, das ein ganzes Objekt in einem einzigen Schritt schnell aushärtet.

Vision: 3D-Hologramm aus sichtbarem Licht

Solche mobilen 3D-Drucker könnten eingesetzt werden, um etwa maßgeschneiderte medizinische Produkte herzustellen oder Ingenieuren Rapid Prototyping vor Ort zu ermöglichen. Um dies zu erreichen, sei laut den Forschenden ein neues Design für silizium-photonische Chips erforderlich. Die Studie skizziert bereits, wie ein solches System aussehen könnte.

(vza)