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硬币大的3D打印机！Nature发布光芯片固化
当3D打印光路不再通过机械控制，当微型光芯片与3D打印完美邂逅，当3D打印摆脱机械结构实现巴掌大的尺寸，作为3D打印从业者的你，是否窥探了行业变革的味道？
麻省理工学院MIT的科研团队近日在Nature子刊《Light: Science & Applications》上发表了一项开创性的研究成果。
（https://doi.org/10.1038/s41377-024-01478-2）
他们首次将硅光子芯片技术引入3D打印领域，开创了「芯片级3D打印」的全新范式。这意味着什么？
未来我们或许只需一枚硬币大小的芯片，就能随时随地打印出所需物件。
3D打印的分辨率以及打印效率或许能按照芯片行业的摩尔定律快速发展！
这个概念有多革命性? AM易道带你梳理这全新的3D打印技术概念。
基于光芯片的3D打印概念，设备及成型原理
这种全新的3D打印技术范式定义为「硅光子增材制造」(Silicon Photonics Additive Manufacturing)。
它利用微小芯片发射可重构可见光全息图。实现了无机械运动的快速3D打印，有望开启3D打印的便携化时代。
让我们一起走进这项黑科技的核心,探寻它的独特魅力。 直接上图，看看设备的概念核心。
图(a): 商用3D打印机这是一台典型的商用3D打印机，旁边展示了一块光子芯片以供对比。该图展示了现有商用3D打印机的复杂性和体积。
图(b): 制作和封装后的光子芯片这里展示了制作和封装后的光子芯片，这个芯片是新型基于芯片3D打印机的核心组件。它展示了芯片的紧凑和高效设计。
图(c): 基于芯片的3D打印机概念图此图展示了基于芯片的3D打印机的概念图，显示了芯片在树脂腔中形成全息图的过程。
这说明了光子芯片如何在没有机械部件的情况下进行3D打印。
图(d): 实验验证的芯片3D打印机原型概念图
此图展示了本次研究中实际演示的芯片3D打印机原型概念图，显示了受立体光刻启发的芯片3D打印系统。通过这张图，可以理解实验装置的整体结构和工作原理。
光子芯片
位于图d下方，是整个3D打印系统的核心组件。这个芯片负责发射和控制可见光束，以实现对树脂的精确固化。
输入光纤
位于图d右侧，从外部激光器将光线传输到光子芯片。光纤传输的光线是系统的光源，通常是可见光波长。
树脂腔
位于图d中部，由透明材料制成的容器，用于盛放可固化的液态树脂。树脂腔的顶部是开放的，以便光线从光子芯片射入。
液态树脂
填充在树脂腔内，树脂的特性是能够在特定波长的光照射下迅速固化。液态树脂的选择是根据光子芯片的光波长来定制的。
光束投射
光子芯片发射的光束经过精确控制，以全息图的形式投射到树脂腔中的液态树脂上。通过调节光束的相位和振幅，可以在树脂腔内形成复杂的3D图案。
成型过程
光子芯片发射的光束在树脂腔内形成特定的光图案，这些光图案会使树脂在特定区域固化。这个过程是逐层进行的，通过调整光束的投射方向和强度，可以逐步构建出完整的3D结构。
光束非机械性扫描
该系统的一个关键特点是光束的非机械性扫描。传统3D打印机需要移动打印头或平台，而这个系统通过光子芯片直接控制光束，实现无机械部件的3D打印。这不仅简化了结构，还大大提高了打印速度和精度。
外部激光器
虽然图中未详细展示，但输入光纤连接的外部激光器是系统的重要组成部分。激光器提供稳定的光源，以确保光子芯片能持续高效地工作。
小芯片撬动大变革：光学架构核心
传统光固化3D打印，如SLA、DLP等，虽在打印精度上胜于FDM，但仍需要激光扫描仪、升降平台等复杂机械结构。这不仅限制了打印速度和材料选择，更制约了设备的小型化。
MIT研究人员的芯片级3D打印系统，由一个毫米级硅光子芯片和装有光敏树脂的固定腔体组成。
芯片向上发射与目标物体形状匹配的可见光全息图，引导树脂选择性固化,快速形成3D实体。整个过程无需任何机械运动，打破了传统3D打印的诸多桎梏。
这项技术的核心，是硅基集成光子相控阵列(Optical Phased Array)。相控阵列由规则排列的片上天线集成光路精准调控振幅和相位，进而实现对自由空间辐射光的动态重构。这种光束调控能力，为3D打印提供了全新思路。
下图：液晶基集成光相控阵系统
图(a): 液晶基相控阵的顶视图这是一张液晶基相控阵的顶视图，展示了从输入到天线的光传输路径。图中展示了光如何从输入光纤传输到液晶填充的波导阵列，再到达天线进行发射。
图(b): 波导和液晶填充槽的结构图这张图展示了硅光子芯片中的波导结构和液晶填充槽。光线从单模波导传输到填充液晶的波导中，实现光的相位调控。
图(c): 液晶封装过程的横截面图这是一张展示液晶封装过程的横截面图，描述了波导、液晶和电极的相对位置。这个结构是实现光子芯片动态相位调控的关键。
图(d): 光子芯片的天线排布图这张图展示了光子芯片上的天线排布，每个天线通过相控阵技术发射光线，实现精确的光束控制。
当然,要让硅光子芯片驱动3D打印，还需要匹配的光敏树脂。
MIT团队专门开发了一种可见光快速固化树脂，其吸收峰值在660nm附近，与芯片637nm工作波长接近。
树脂中还加入了双引发剂体系，可在数秒内实现亚毫米尺度的快速固化。
硅光子芯片光固化的3D打印成果
研究者成功演示了设备概念机并进行任意一维、二维图案的快速打印，展示了该技术的应用潜力。
下图：芯片3D打印机的实验设置、辐射图和体素表征
图(a): 实验设置照片该图展示了用于验证3D打印机原型的实验设置，包括输入光纤、光子芯片和树脂井。通过这张图，读者可以直观了解实验的具体布置。
图(b): 远场辐射图这是一张测量的远场辐射图，展示了用于芯片3D打印的可见光集成光相控阵的主瓣和光栅瓣。这张图有助于理解光子芯片如何控制光束方向。
图(c): 3D打印体素照片该图展示了使用芯片3D打印机打印的体素，分为在树脂井中和从树脂井中分离后的两张照片。通过这种对比，展示了光子芯片如何实现高精度的树脂固化。
图(d): 体素的测量尺寸这张图展示了不同打印时间下（3秒、4秒、5秒和10秒）体素的测量尺寸，通过这张图可以看到打印时间对体素尺寸的影响。
下图是基于芯片的3D打印非机械光束控制、线条打印和任意2D图案打印
图(a): 电控光束控制此图展示了在液晶相位调制器上应用不同电压时，3D打印芯片的光束控制能力。通过控制电压，实现光束在不同角度的精确调控。
图(b): 3D打印线条照片该图展示了使用芯片3D打印机打印的线条照片，分别展示了在树脂井中的线条和从树脂井中分离后的线条。通过这张图，展示了芯片3D打印机打印高精度线条的能力。
图(c): MIT标志的3D打印照片此图展示了使用芯片3D打印机打印的MIT标志，左图展示了带有美分硬币对比的整体标志，右图是放大的细节图。这张图说明了芯片3D打印机在打印复杂图案方面的能力。
未来的技术发展和愿景
AM易道再次总结下光子芯片3D打印的关键技术优势：
高分辨率：硅光子芯片能够实现亚毫米级的打印分辨率，这是传统3D打印技术难以达到的。
快速打印：通过非机械性光束控制，打印速度得到了显著提升，能够在几秒钟内完成一个体素的打印。
低成本：由于系统结构的简化，制造和维护成本得到了大幅度降低。
便携性：紧凑的芯片设计使得3D打印机可以做到手持式，适合各种应用场景。
然后要最终实现真正的三维体光固化芯片级打印的产业转化，还需要攻克一系列技术难题。比如AM易道猜测，相控阵列需要在更短的紫外波段工作以匹配常用树脂，需要集成更多阵列单元以实现更大视场角，需要优化树脂配方以适应更强的散射等。这需要硅光子、集成光学、材料、算法等多学科协同创新。
MIT团队描绘了这项技术的发展路线图。其短期目标包括:
将可调谐可见光激光耦合入芯片实现二维无机械扫描，改装商用SLA打印机以验证芯片简化光路的优势，研发聚焦型相控阵列以实现完全无机械运动的3D打印。
长期愿景则是：通过此技术平台，实现真正意义上的一步成型、整体打印。届时，手持大小3D打印机将梦想成真，开启增材制造的新门类。
芯片遇上3D打印：催生新商机
芯片级3D打印的出现，开创了硅光子技术与增材制造跨界融合的先河，必将碰撞出更多创新的火花。
对芯片制造业而言，3D打印为硅光子芯片开辟了全新的应用空间。芯片厂商可以针对3D打印特定需求，在硅光子平台上开发专用的相控阵列芯片形成差异化竞争优势。
传统CMOS工厂或许也可借此实现产能的柔性切换，缓解周期性波动的影响。
对3D打印设备制造商而言，芯片的引入将从根本上简化打印机的结构，降低设计难度和制造成本。
设备商可聚焦于打印头的小型化、集成化，开发与芯片匹配的光学、电学、散热等周边模块，形成技术护城河。
同时，随着设备的小型化，还可开拓教育、医疗、家用等全新市场。
对3D打印耗材供应商而言，芯片级3D打印对光敏树脂提出了更高要求。通过开发高性能树脂配方，在材料端形成竞争壁垒，材料商有望分享更多产业链增值。
除直接参与者外，芯片级3D打印或许也将重塑电子、机械、医疗等下游应用的创新范式。
在个性化定制3D电子、柔性可穿戴、植入式医疗器件等领域，小型化、一体化的3D打印设备将成为关键工具，催生出更多创新业态。
写在最后
硅光子芯片3D打印，开创了集成电路制造与增材制造跨界融合的新范式。
它彻底改变了对于3D打印的传统认知，以芯片之微撬动了制造之巨。这项变革性技术的出现，将重构3D打印的技术形态。
当3D打印跃出机械控制领域的定义，投入芯片和微电子产业的怀抱，将重塑我们对增材制造的根本认知和发展逻辑。
3D打印领域或将有自己的摩尔定律，正如芯片性能的指数级增长重塑了电子产业，在未来，光芯片3D打印或许也会让3D打印分辨率和集成度飞跃提升。
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