Imagina una impresora 3D portátil que puedes sostener en la palma de tu mano. Este pequeño dispositivo podría permitir a los usuarios crear rápidamente objetos personalizados y de bajo costo en cualquier lugar, como un sujetador para reparar una rueda de bicicleta tambaleante o un componente crítico para una operación médica.
Investigadores del MIT y la Universidad de Texas en Austin han dado un gran paso hacia esta realidad al demostrar la primera impresora 3D basada en un chip. Su dispositivo de prueba de concepto consiste en un solo chip fotónico a escala milimétrica que emite haces de luz reconfigurables en un pozo de resina que se cura en una forma sólida al ser alcanzada por la luz.
El prototipo no tiene partes móviles, sino que utiliza una matriz de pequeñas antenas ópticas para dirigir un haz de luz. Este haz se proyecta hacia una resina líquida diseñada para curarse rápidamente cuando se expone a la longitud de onda de luz visible del haz.
Al combinar fotónica de silicio y fotoquímica, el equipo de investigación interdisciplinario pudo demostrar un chip que puede dirigir haces de luz para imprimir patrones bidimensionales arbitrarios, incluyendo las letras M-I-T. Las formas pueden formarse completamente en cuestión de segundos.
A largo plazo, envisionan un sistema donde un chip fotónico se sitúe en el fondo de un pozo de resina y emita un holograma 3D de luz visible, curando rápidamente un objeto entero en un solo paso.
Este tipo de impresora 3D portátil podría tener muchas aplicaciones, como permitir a los clínicos crear componentes de dispositivos médicos a medida o permitir a los ingenieros hacer prototipos rápidos en el lugar de trabajo.
“Este sistema está replanteando completamente lo que es una impresora 3D. Ya no es una caja grande en un banco de laboratorio creando objetos, sino algo que se puede llevar en la mano y es portátil. Es emocionante pensar en las nuevas aplicaciones que podrían surgir de esto y cómo podría cambiar el campo de la impresión 3D”, dice Jelena Notaros, profesora de Desarrollo de Carrera Robert J. Shillman en Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) y miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica.
Expertos en fotónica de silicio, el grupo de Notaros previamente desarrolló sistemas de matriz de fase óptica integrada que dirigen haces de luz usando una serie de antenas a microescala fabricadas en un chip mediante procesos de fabricación de semiconductores. Al acelerar o retrasar la señal óptica a ambos lados de la matriz de antenas, pueden mover el haz de luz emitida en una dirección determinada.
Estos sistemas son clave para los sensores lidar, que mapean su entorno emitiendo haces de luz infrarroja que rebotan en objetos cercanos. Recientemente, el grupo se ha centrado en sistemas que emiten y dirigen luz visible para aplicaciones de realidad aumentada. Se preguntaron si un dispositivo así podría usarse para una impresora 3D basada en un chip.
Casi al mismo tiempo que empezaron a idear, el Grupo Page en UT Austin demostró resinas especializadas que pueden curarse rápidamente usando longitudes de onda de luz visible por primera vez. Esto fue la pieza faltante que impulsó la impresora 3D basada en un chip hacia la realidad.
“Con las resinas fotocurables, es muy difícil lograr que se curen completamente en longitudes de onda de infrarrojo, que es donde los sistemas de matriz de fase óptica integrada estaban operando en el pasado para el lidar”, dice Corsetti. “Aquí, estamos encontrando un punto medio entre la fotoquímica estándar y la fotónica de silicio usando resinas curables con luz visible y chips emisores de luz visible para crear esta impresora 3D basada en chip. Tienes esta fusión de dos tecnologías en una idea completamente nueva”.
Su prototipo consiste en un solo chip fotónico que contiene una matriz de antenas ópticas de 160 nanómetros de grosor. (Una hoja de papel tiene aproximadamente 100,000 nanómetros de grosor). Todo el chip cabe en una moneda de un cuarto de dólar estadounidense.
Cuando se alimenta con un láser externo, las antenas emiten un haz de luz visible dirigible en el pozo de resina fotocurable. El chip se sitúa debajo de una diapositiva transparente, como las usadas en microscopios, que contiene una pequeña indentación que sostiene la resina. Los investigadores utilizan señales eléctricas para dirigir el haz de luz sin mecanismos, haciendo que la resina se solidifique dondequiera que el haz la toque.
Pero modular eficazmente la luz de longitud de onda visible, lo que implica modificar su amplitud y fase, es especialmente complicado. Un método común requiere calentar el chip, pero esto es ineficiente y requiere mucho espacio físico.
En cambio, los investigadores utilizaron cristal líquido para crear moduladores compactos que integran en el chip. Las propiedades ópticas únicas del material permiten que los moduladores sean extremadamente eficientes y de solo unos 20 micrones de longitud.
Una única guía de ondas en el chip contiene la luz del láser externo. A lo largo de la guía de ondas hay pequeñas tomas que extraen un poco de luz hacia cada una de las antenas.
Los investigadores ajustan activamente los moduladores usando un campo eléctrico, que reorienta las moléculas de cristal líquido en una dirección determinada. De esta manera, pueden controlar con precisión la amplitud y la fase de la luz que se dirige a las antenas.
Pero formar y dirigir el haz es solo la mitad de la batalla. Interactuar con una nueva resina fotocurable fue un desafío completamente diferente.
El Grupo Page en UT Austin trabajó estrechamente con el Grupo Notaros en el MIT, ajustando cuidadosamente las combinaciones químicas y concentraciones para afinar una fórmula que proporcionara una larga vida útil y curado rápido. Al final, el grupo utilizó su prototipo para imprimir en 3D formas bidimensionales arbitrarias en cuestión de segundos.
Basándose en este prototipo, quieren avanzar hacia el desarrollo de un sistema como el que originalmente conceptualizaron: un chip que emita un holograma de luz visible en un pozo de resina para permitir la impresión 3D volumétrica en un solo paso.
“Para poder hacer eso, necesitamos un diseño de chip de fotónica de silicio completamente nuevo. Ya hemos delineado gran parte de lo que sería ese sistema final en este artículo. Y, ahora, estamos emocionados de continuar trabajando hacia esta demostración definitiva”, dice Jelena Notaros.
