Nature子刊：全球首台基于芯片的可携式3D打印机问世，尺寸仅有硬币大小
2024年6月7日，南极熊获悉，来自麻省理工学院和德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员推出了首台基于芯片的 3D 打印机，设备大小相当于毫米级光子芯片，使用可重构光束将树脂固化成固体形状。这种小型便携式打印设备可以轻松握在手掌中，能够让用户随时随地快速制造出个性化的实用物品，例如用于修复摇晃的自行车车轮的紧固件或用于重要医疗手术的部件。
相关研究以题为“Paper: “Silicon-photonics-enabledchip-based 3D printer/基于硅光子学的芯片式3D打印机””的论文被发表在Nature子刊《light: science & applications》上。论文由Jelena Notaros主要完成，他是电气工程和计算机科学 (EECS) 的 Robert J. Shillman 职业发展教授，也是电子研究实验室的成员。与Notaros 一起参与该论文的还有论文的第一作者、EECS 研究生 Sabrina Corsetti、Milica Notaros 博士（23 届）、EECS 研究生 TalSneh、德克萨斯大学奥斯汀分校应届毕业生 Alex Safford 以及德克萨斯大学奥斯汀分校化学工程系助理教授 Zak Page联合撰写。
相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01478-2
本研究中的概念验证设备由一个毫米级光子芯片组成，该芯片将可重构光束发射到树脂孔中，当光线照射到树脂孔中时，树脂孔会固化成固体形状。
△基于芯片的 3D 打印机概念
原型芯片没有移动部件，而是依靠微型光学天线阵列来控制光束。光束向上投射到液态树脂中，这种树脂在暴露于光束波长的可见光下时会迅速固化。
通过结合硅光子学和光化学，这个跨学科研究团队成功研发出一种芯片，可以引导光束 3D 打印任意二维图案，包括字母 MIT。只需几秒钟，形状就可以完全成型。
从长远来看，他们设想的系统是将光子芯片放置在树脂井的底部，并发射可见光的 3D 全息图，只需一步即可快速固化整个物体。
这种便携式 3D 打印机有很多应用，例如允许临床医生创建定制的医疗设备组件或允许工程师在工作现场制作快速原型。
论文作者 Jelena Notaros 说道：“该系统完全重新定义了 3D 打印机。它不再是一个放在实验室工作台上用来制造物品的大盒子，而是一个可以手持和携带的东西。想想由此可能产生的新应用以及 3D 打印领域将如何改变，真是令人兴奋。”
使用芯片进行打印
Notaros 团队是硅光子学专家，他们之前开发了集成光学相控阵系统，该系统使用一系列采用半导体制造工艺在芯片上制造的微型天线来控制光束。通过加速或延迟天线阵列两侧的光信号，他们可以将发射光束移向某个方向。
△3D打印机集成光学相控阵架构
△基于芯片的 3D 打印机设置、辐射模式和体素特征。
此类系统是激光雷达传感器的关键，激光雷达传感器通过发射红外光束，这些光束从附近的物体上反射回来，从而绘制周围环境的地图。最近，该团队专注于为增强现实应用发射和引导可见光的系统。
他们想知道这种设备是否可以用于基于芯片的 3D 打印机。就在他们开始集思广益的同时，德克萨斯大学奥斯汀分校的 Page Group 首次展示了可使用可见光波长快速固化的专用树脂，这是推动基于芯片的3D 打印机转化为现实产品所急缺的部分。
Corsetti 说道：“光固化树脂很难在红外波长下完全固化，而过去集成光学相控阵系统在激光雷达中就是在红外波长下工作的。在这里，我们通过使用可见光固化树脂和可见光发射芯片，在标准光化学和硅光子学之间找到平衡，打造出这款基于芯片的 3D 打印机。这是将两种技术融合成一个全新想法。”
他们的设备原型由一个光子芯片组成，芯片上包含一组厚度为 160 纳米的光学天线。（一张纸的厚度约为 100,000 纳米。）整个芯片可装在一枚 25 美分硬币上。
当由芯片外激光器供电时，天线会将一束可操纵的可见光发射到光固化树脂槽中。芯片位于透明载玻片下方，类似于显微镜中使用的载玻片，载玻片上有一个浅凹口，用于容纳树脂。研究人员使用电信号非机械地操纵光束，使树脂在光束照射到的地方固化。
协作方式
通常来讲，有效调制可见光波长的光（包括改变其振幅和相位）尤其困难。一种常用方法需要加热芯片，但这种方法效率低下，而且占用大量物理空间。
相反，研究人员使用液晶制作集成到芯片上的紧凑型调制器。该材料独特的光学特性使调制器非常高效，长度仅为 20 微米左右。芯片上的单个波导可容纳来自片外激光器的光。波导上布满了微小的分接头，它们将少量光分接至每个天线。
研究人员利用电场主动调节调制器，将液晶分子重新定向到特定方向。这样，他们就能精确控制传送到天线的光的振幅和相位。但形成和控制光束只是成功的一半。与新型光固化树脂连接则是一个完全不同的挑战。
德克萨斯大学奥斯汀分校的 Page 团队与麻省理工学院的 Notaros 团队密切合作，精心调整化学组合和浓度，最终找到一种能够延长保质期并快速固化的配方。最终，该团队利用他们的原型在几秒钟内 3D 打印出任意二维形状。
△基于芯片的3D打印机非机械光束控制、线打印和任意2D图案打印。
基于这个原型，他们希望开发一个像他们最初概念化的系统——一个在树脂井中发射可见光全息图的芯片，只需一个步骤即可实现体积 3D 打印。
Jelena Notaros 说道：“为了实现这一点，我们需要一个全新的硅光子芯片设计。我们已经在这篇论文中详细阐述了最终系统将是什么样子。现在，我们很高兴能继续努力实现这一最终演示。”
这项工作部分由美国国家科学基金会、美国国防高级研究计划局、罗伯特·A·韦尔奇基金会、麻省理工学院罗尔夫·G·洛赫捐赠奖学金以及麻省理工学院弗雷德里克和芭芭拉·克罗宁奖学金资助。
据南极熊了解，体积3D打印技术，已经有厂商做出商业化的产品。
Vitro3D：高维体积3D打印，无支撑、可打印高粘度树脂材料
2023年11月，有外媒采访了Vitro3D的首席执行官兼联合创始人，Camila Uzcategui。他介绍了体积3D打印目前的发展状况与应对的挑战。下面就请跟随南极熊一起，去了解Vitro3D的体积3D打印吧！
Camila Uzcategui 是Vitro3D的首席执行官兼联合创始人。Uzcategui 获得了材料科学与工程博士学位，专注于 3D 打印应用领域，并于 2021 年完成他的论文。他的论文重点是针对组织工程和再生的3D打印材料的表征，了解树脂以预测3D打印结构的质量准确。Uzcategui 表示：“如果能够准确表征树脂，那么就能更好地匹配这些特定类型组织的机械性能。”在2022年11月，也就是一年前，来自科罗拉多大学博尔德分校孵化公司Vitro3D在科罗拉多州生命科学孵化计划的种子轮融资中获得了130万美元，这推动容积式3D打印技术的商业化进程。
△在 Vitro3D 实验室制作 HD-VAM 系统原型
开创性的体积增材制造：Vitro3D 向行业相关解决方案的战略转变
体积增材制造是先进制造技术的一个新兴且十分有前景的一个领域，虽然传统的逐层3D打印是 Uzcategui 博士期间的研究重点，但对体积增材制造的探索是在她博士后工作期间进行的。Uzcategui 强调了体积技术相对于传统 3D 打印方法的优势，体积打印可以不需要支撑结构或处理高粘度树脂。
在战略愿景方面，Vitro3D积极主动地寻找医疗保健以外的行业，这些行业可以立即从这项技术中受益，并承认实现组织工程的“大梦想”将是一项长期的努力，可能需要5到10年的时间。Vitro3D 现在正在关注电子和牙科等行业，体积技术可能在短期内产生重大影响。这种务实的方法旨在确保公司不会“在没有收入的情况下筹集资金 5 年”，而是参与有意义的、创收的企业，从而更接近彻底改变组织工程和再生的最终目标。
△Vitro3D 作为一种工业流程，可以是独立流程，也可以是集成流程
立体增材制造的复杂性
Uzcategui 表示体积3D打印是操纵不同角度的光线，从虚拟模型创建3D实体。算法是最重要的部分，需要获取3D虚拟对象并以不同角度分解它，然后重新投影它，以在树脂中创建3D对象，这一切都基于生成投影图像的复杂算法。考虑材料特性和树脂对光的反应至关重要，以确保树脂接收到聚合所需的精确光量，可以说该软件是解锁此功能的关键。
在进一步探讨这一机制时，Uzcategui 提到 Vitro3D 发明了一种新的高维体积增材制造 (HD VAM) 方法，其利用平移二维光锥，从而将四个维度的信息输入到材料中，而不是传统的三个维度。称之为高维VAM，是因为不只是通过旋转和二维图像输入三个维度的信息，而是通过 X 和 Y 以及二维光锥的平移来输入四个维度的信息。
光源（通常是激光）保持长焦点的高质量光线对于投射整个体积至关重要。Uzcategui 表示：“我们希望焦深尽可能大，从 3 厘米开始。”为了解决体积 3D 打印深度尺寸的限制，Uzcategui 还介绍了 HD VAM 方法如何解耦尺寸，允许 X 和 Y 上更大的尺寸，同时保留较小的深度尺寸。Vitro3D 的方法着眼于更广泛的工业应用。
△以工业规模生产个性化零件的 Vitro3D 系统的渲染图
体积增材制造：对更大尺寸和材料多功能性的探索
该公司正在不断努力确定其技术可能实现的最大打印尺寸，目前的最大直径为八厘米。将 HD-VAM 工艺无缝集成到现有生产线中，有望开创现场大规模增材制造的新时代。这一努力的核心是他们的专有算法，Uzcategui 将其描述为技术背后的“魔力”，该算法在开始之前能够复制打印过程，确保树脂仅在需要的地方聚合。Uzcategui 解释说：“该算法接收有关材料、光学和机械的信息，并模拟打印过程。”
体积 3D 打印的一个显着优势是能够处理高粘度树脂，这对传统的逐层系统来说是一个挑战。在标准系统中，层补充的树脂流动十分耗时，特别是对于高粘度树脂。然而，Vitro3D 的技术绕过了这个障碍，因为打印过程中压根就没有树脂流动！
Vitro3D 应对3D打印中的新材料挑战
用于制造电子元件和连接器等高粘度的树脂，对传统3D打印机提出了粘度挑战。在处理此类材料时现有逐层打印技术有很大的局限性；此外，纳米凝胶在牙科领域的应用，也具有粘度挑战。粘度随着纳米凝胶的加载而增加，需要创新的加工方法来有效地处理它们。
Vitro3D 的 HD-VAM 技术是一种很有前途的解决方案，非常适合加工这些创新但具有挑战性的材料，而无需像某些逐层打印机所要求的那样需要额外的加热过程。这种优势不仅体现在打印过程本身（体积打印同时实现物体），而且可以扩展到后处理阶段。
Uzcategui 解释说：“我们在速度方面拥有巨大优势，因为零件会立即实现，用户不需要逐层打印，会非常显着地降低每个零件的速度。” 这种速度的提高至关重要，因为它直接影响生产排期，而生产提前是缩短上市时间的关键因素。此外，他深入研究了后处理的关键方面，强调体积 3D 打印中缺乏支撑结构可显着减少打印后清理所花费的时间。
Uzcategui 还谈到了确保零件质量和可重复性的一个要点，他表示：“我们公司的一个重点是自动化后处理，以获得更可靠的零件，不仅在打印方面，而且在材料特性本身方面。” Vitro3D 的方法不仅加速打印过程，而且简化后处理，反映了对工业生产需求的全面理解。
体积增材制造的成本效率：Vitro3D 以软件为中心的方法
Vitro3D 正准备提供一种经济高效的 3D 打印方法，其重点不是昂贵的硬件，而是智能软件。Uzcategui 解释说，与某些可能花费高达 100 万美元的 3D 打印设置不同，他们的系统使用标准的硬件组件，与传统的逐层 3D 打印机中使用的硬件组件类似。区别在于其专有算法，能够驱动体积3D打印过程。
这种以软件为中心的方法不仅可以控制硬件成本，还可以开发适合客户需求的定制硬件解决方案。Uzcategui 补充道：“相信开放式树脂系统可以让客户在 HD-VAM 系统中使用自己的材料，只需经过 Vitro3D 认证并添加到算法的材料库中即可。”
体积 3D 打印的挑战和前景
体积 3D 打印在新生阶段具有固有的局限性，特别是在尺寸和分辨率方面。然而Uzcategui相信，尽管存在这些限制，他们的 HD-VAM 体积 3D 打印工艺有望解决某些行业中的重大挑战，是目前逐层3D打印无法实现的。
Uzcategui 强调了欧洲对 PFAS 和 PFOA 等“永久化学品”的使用越来越多的限制，预计这些限制很快将成为全球规范。他表示，“我们可以使用高粘度树脂，这些树脂在韧性方面通常具有更好的材料性能，使得体积3D打印成为创造这些化学品替代品的可能选择。“
体积3D打印因其创建高价值、高混合、小批量零件的能力而大放异彩。Uzcategui 认为这是快速迭代新技术的途径，在不断变化和收缩的移动树脂漩涡中确保精确的材料行为是复杂的，需要对光与材料的相互作用有深刻的理解和细致的控制。Uzcategui 注意到像 Carbon 这样的公司在了解材料与光如何相互作用方面投入了大量资金所取得的成功，并强调了这种相互作用在体积增材制造中的重要性。
着眼于商业化，Vitro3D 有望于2024年部署其首个场外系统，并正在与早期采用者讨论定于 2024 年末进行的试点项目。这家初创公司的商业化之旅以协作精神为基础，旨在与行业参与者一起制定解决特定制造挑战的解决方案。作为一家羽翼未丰的初创公司，Vitro3D 坚信，他们的定制方法能让自己在竞争激烈的市场中脱颖而出，它正一步步接近其目标——成为工业技术颠覆性力量、准确满足客户挑战。
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