Ce petit appareil pourrait permettre à un utilisateur de créer rapidement des objets personnalisés et peu coûteux en déplacement, comme une attache pour réparer une roue de vélo bancale ou un composant pour une opération médicale critique. Crédit : Sampson Wilcox, RLE
Plus petit qu’une pièce de monnaie, ce minuscule dispositif optique pourrait permettre un prototypage rapide en déplacement.
Des chercheurs de MIT et l'Université du Texas ont développé un prototype d'imprimante 3D portable à puce utilisant une puce photonique qui émet des faisceaux de lumière pour transformer la résine en objets solides. Cette technologie innovante pourrait révolutionner la production mobile d’objets personnalisés à faible coût et a des applications potentielles dans les domaines médical et technique.
Technologie d'impression 3D portable
Imaginez une imprimante 3D portable que vous pourriez tenir dans la paume de votre main. Ce petit appareil pourrait permettre à un utilisateur de créer rapidement des objets personnalisés et peu coûteux en déplacement, comme une attache pour réparer une roue de vélo bancale ou un composant pour une opération médicale critique.
Des chercheurs du MIT et de l’Université du Texas à Austin ont franchi une étape majeure pour concrétiser cette idée en présentant la première imprimante 3D à puce. Leur dispositif de validation de principe consiste en une seule puce photonique à l'échelle millimétrique qui émet des faisceaux de lumière reconfigurables dans un puits de résine qui durcit pour prendre une forme solide lorsque la lumière le frappe.
Le prototype de puce ne comporte aucune pièce mobile, mais repose sur un réseau de minuscules antennes optiques pour diriger un faisceau de lumière. Le faisceau se projette dans une résine liquide conçue pour durcir rapidement lorsqu'elle est exposée à la longueur d'onde de la lumière visible du faisceau.
Innovations dans l'impression 3D sur puce
En combinant la photonique sur silicium et la photochimie, l'équipe de recherche interdisciplinaire a pu démontrer la mise au point d'une puce capable de diriger des faisceaux lumineux pour imprimer en 3D des motifs bidimensionnels arbitraires, notamment les lettres MIT. Les formes peuvent être entièrement formées en quelques secondes.
À long terme, ils envisagent un système dans lequel une puce photonique se trouverait au fond d’un puits de résine et émettrait un hologramme 3D de lumière visible, durcissant rapidement un objet entier en une seule étape.
Ce type d'imprimante 3D portable pourrait avoir de nombreuses applications, par exemple en permettant aux cliniciens de créer des composants de dispositifs médicaux sur mesure ou aux ingénieurs de réaliser des prototypes rapides sur un chantier.
Repenser l'impression 3D traditionnelle
« Ce système repense complètement ce qu’est une imprimante 3D. Il ne s’agit plus d’une grosse boîte posée sur un banc dans un laboratoire créant des objets, mais de quelque chose de portable et de poche. Il est passionnant de réfléchir aux nouvelles applications qui pourraient en découler et à la manière dont le domaine de l'impression 3D pourrait changer », déclare l'auteure principale Jelena Notaros, professeure de développement de carrière Robert J. Shillman en génie électrique et informatique (EECS), et membre du Laboratoire de Recherche en Electronique.
Sabrina Corsetti, auteure principale et étudiante diplômée de l'EECS, se joint à Notaros pour l'article ; Milica Notaros PhD '23; Tal Sneh, étudiant diplômé de l'EECS ; Alex Safford, récemment diplômé de l'Université du Texas à Austin ; et Zak Page, professeur adjoint au Département de génie chimique de l'UT Austin. La recherche a été publiée récemment dans Science et applications de la lumière naturelle.
Imprimer avec une puce
Expert en photonique sur silicium, le groupe Notaros a précédemment développé des systèmes intégrés de réseau optique à commande de phase qui dirigent les faisceaux de lumière à l'aide d'une série d'antennes à micro-échelle fabriquées sur une puce à l'aide de processus de fabrication de semi-conducteurs. En accélérant ou en retardant le signal optique de chaque côté du réseau d’antennes, ils peuvent déplacer le faisceau de lumière émis dans une certaine direction.
De tels systèmes sont essentiels pour les capteurs lidar, qui cartographient leur environnement en émettant des faisceaux de lumière infrarouge qui rebondissent sur les objets proches. Récemment, le groupe s'est concentré sur les systèmes qui émettent et dirigent la lumière visible pour des applications de réalité augmentée.
Ils se demandaient si un tel appareil pouvait être utilisé pour une imprimante 3D à puce.
Au même moment où ils ont commencé à réfléchir, le groupe Page de l'Université du Texas à Austin a présenté pour la première fois des résines spécialisées qui peuvent être rapidement durcies à l'aide de longueurs d'onde de lumière visible. C'est ce qui manquait à l'imprimante 3D à puce pour devenir réalité.
« Avec les résines photodurcissables, il est très difficile de les faire durcir jusqu'aux longueurs d'onde infrarouges, là où les systèmes à réseaux optiques intégrés fonctionnaient dans le passé pour le lidar », explique Corsetti. « Ici, nous nous trouvons à mi-chemin entre la photochimie standard et la photonique sur silicium en utilisant des résines durcissables à la lumière visible et des puces émettant de la lumière visible pour créer cette imprimante 3D à base de puces. Vous avez cette fusion de deux technologies dans une idée complètement nouvelle.
Leur prototype consiste en une seule puce photonique contenant un réseau d’antennes optiques de 160 nanomètres d’épaisseur. (Une feuille de papier a une épaisseur d'environ 100 000 nanomètres.) La puce entière tient sur une pièce de monnaie américaine.
Lorsqu'elles sont alimentées par un laser hors puce, les antennes émettent un faisceau orientable de lumière visible dans le puits de résine photodurcissable. La puce se trouve sous une lame transparente, comme celles utilisées dans les microscopes, qui contient une indentation peu profonde qui retient la résine. Les chercheurs utilisent des signaux électriques pour diriger le faisceau lumineux de manière non mécanique, provoquant la solidification de la résine partout où le faisceau la frappe.
Défis et solutions dans l’impression 3D photonique
Mais moduler efficacement la lumière de longueur d’onde visible, ce qui implique de modifier son amplitude et sa phase, est particulièrement délicat. Une méthode courante consiste à chauffer la puce, mais cette méthode est inefficace et prend beaucoup d'espace physique.
Au lieu de cela, les chercheurs ont utilisé des cristaux liquides pour créer des modulateurs compacts qu’ils ont intégrés à la puce. Les propriétés optiques uniques du matériau permettent aux modulateurs d'être extrêmement efficaces et d'une longueur d'environ 20 microns seulement.
Un seul guide d'onde sur la puce retient la lumière du laser hors puce. Le long du guide d’ondes se trouvent de minuscules prises qui envoient un peu de lumière à chacune des antennes.
Les chercheurs règlent activement les modulateurs à l’aide d’un champ électrique, qui réoriente les molécules de cristaux liquides dans une certaine direction. De cette manière, ils peuvent contrôler avec précision l’amplitude et la phase de la lumière acheminée vers les antennes.
Mais former et diriger le faisceau ne représente que la moitié de la bataille. L'interfaçage avec une nouvelle résine photodurcissable était un défi complètement différent.
Le groupe Page de l'UT Austin a travaillé en étroite collaboration avec le groupe Notaros du MIT, ajustant soigneusement les combinaisons chimiques et les concentrations pour obtenir une formule offrant une longue durée de conservation et un durcissement rapide.
En fin de compte, le groupe a utilisé son prototype pour imprimer en 3D des formes bidimensionnelles arbitraires en quelques secondes.
En s'appuyant sur ce prototype, ils souhaitent développer un système similaire à celui qu'ils avaient initialement conceptualisé : une puce qui émet un hologramme de lumière visible dans un puits de résine pour permettre l'impression 3D volumétrique en une seule étape.
« Pour y parvenir, nous avons besoin d’une toute nouvelle conception de puce silicium-photonique. Nous avons déjà expliqué en grande partie à quoi ressemblerait ce système final dans cet article. Et maintenant, nous sommes ravis de continuer à travailler à cette démonstration ultime », déclare Jelena Notaros.
Ce travail a été financé, en partie, par la National Science Foundation des États-Unis, la US Defense Advanced Research Projects Agency, la Fondation Robert A. Welch, la bourse MIT Rolf G. Locher Endowed et la bourse MIT Frederick et Barbara Cronin.
