Tiny Titan: Printer 3D Seukuran Koin Revolusioner MIT yang Muat di Saku Anda

Lebih kecil dari koin, perangkat optik kecil ini dapat memungkinkan pembuatan prototipe cepat saat bepergian.

Peneliti dari Universitas Massachusetts dan Universitas Texas telah mengembangkan prototipe untuk printer 3D genggam berbasis chip yang menggunakan chip fotonik yang memancarkan sinar cahaya untuk mengubah resin menjadi objek padat. Teknologi inovatif ini dapat merevolusi produksi objek yang disesuaikan dan berbiaya rendah saat bepergian dan memiliki aplikasi potensial di bidang medis dan teknik.

Teknologi Percetakan 3D Portabel

Bayangkan sebuah printer 3D portabel yang dapat Anda pegang di telapak tangan Anda. Perangkat mungil ini dapat memungkinkan pengguna untuk membuat objek yang disesuaikan dengan cepat dan murah saat bepergian, seperti pengikat untuk memperbaiki roda sepeda yang goyang atau komponen untuk operasi medis yang penting.

Para peneliti dari MIT dan Universitas Texas di Austin mengambil langkah besar untuk mewujudkan ide ini dengan mendemonstrasikan printer 3D berbasis chip pertama. Perangkat pembuktian konsep mereka terdiri dari satu chip fotonik berskala milimeter yang memancarkan berkas cahaya yang dapat dikonfigurasi ulang ke dalam sumur resin yang mengeras menjadi bentuk padat saat terkena cahaya.

Prototipe chip tersebut tidak memiliki bagian yang bergerak, melainkan mengandalkan serangkaian antena optik kecil untuk mengarahkan seberkas cahaya. Berkas cahaya tersebut diproyeksikan ke dalam resin cair yang telah dirancang untuk mengeras dengan cepat saat terkena panjang gelombang cahaya tampak.

Inovasi dalam Percetakan 3D Berbasis Chip

Dengan menggabungkan fotonik silikon dan fotokimia, tim peneliti interdisipliner ini mampu menunjukkan sebuah chip yang dapat mengarahkan berkas cahaya untuk mencetak pola dua dimensi secara 3D, termasuk huruf MIT. Bentuk dapat terbentuk sepenuhnya dalam hitungan detik.

Dalam jangka panjang, mereka membayangkan suatu sistem di mana sebuah chip fotonik berada di dasar sumur resin dan memancarkan hologram 3D cahaya tampak, yang dengan cepat mengeringkan seluruh objek dalam satu langkah.

Jenis printer 3D portabel ini dapat memiliki banyak aplikasi, seperti memungkinkan dokter membuat komponen perangkat medis yang dibuat khusus atau memungkinkan teknisi membuat prototipe cepat di lokasi kerja.

Memikirkan Kembali Percetakan 3D Tradisional

“Sistem ini benar-benar mengubah konsep printer 3D. Printer ini bukan lagi kotak besar yang diletakkan di bangku laboratorium untuk membuat objek, tetapi sesuatu yang dapat digenggam dan dibawa-bawa. Sangat menarik untuk memikirkan aplikasi baru yang dapat dihasilkan dari sistem ini dan bagaimana bidang pencetakan 3D dapat berubah,” kata penulis senior Jelena Notaros, Profesor Pengembangan Karier Robert J. Shillman di bidang Teknik Elektro dan Ilmu Komputer (EECS), dan anggota Laboratorium Riset Elektronika.

Bergabung dengan Notaros dalam makalah tersebut adalah Sabrina Corsetti, penulis utama dan mahasiswa pascasarjana EECS; Milica Notaros PhD '23; Tal Sneh, mahasiswa pascasarjana EECS; Alex Safford, lulusan baru dari College of Texas di Austin; dan Zak Web page, asisten profesor di Departemen Teknik Kimia di UT Austin. Penelitian tersebut baru-baru ini dipublikasikan dalam jurnal Ilmu Cahaya Alam dan Aplikasinya.

Mencetak dengan Chip

Sebagai pakar fotonik silikon, grup Notaros sebelumnya mengembangkan sistem array fase optik terpadu yang mengarahkan berkas cahaya menggunakan serangkaian antena skala mikro yang dibuat pada chip menggunakan proses produksi semikonduktor. Dengan mempercepat atau menunda sinyal optik di kedua sisi array antena, mereka dapat menggerakkan berkas cahaya yang dipancarkan ke arah tertentu.

Sistem semacam itu merupakan kunci bagi sensor lidar, yang memetakan lingkungan sekitarnya dengan memancarkan sinar inframerah yang memantul dari objek di dekatnya. Baru-baru ini, kelompok tersebut berfokus pada sistem yang memancarkan dan mengarahkan cahaya tampak untuk aplikasi augmented actuality.

Mereka bertanya-tanya apakah perangkat semacam itu dapat digunakan untuk printer 3D berbasis chip.

Pada saat yang hampir bersamaan mereka mulai bertukar pikiran, Web page Group di UT Austin mendemonstrasikan resin khusus yang dapat diawetkan dengan cepat menggunakan panjang gelombang cahaya tampak untuk pertama kalinya. Ini adalah bagian yang hilang yang mendorong printer 3D berbasis chip menjadi kenyataan.

“Dengan resin yang dapat diawetkan dengan cahaya, sangat sulit untuk membuatnya mengering sepenuhnya pada panjang gelombang inframerah, yang merupakan tempat sistem array fase optik terintegrasi beroperasi di masa lalu untuk lidar,” kata Corsetti. “Di sini, kami bertemu di tengah-tengah antara fotokimia standar dan fotonik silikon dengan menggunakan resin yang dapat diawetkan dengan cahaya tampak dan chip yang memancarkan cahaya tampak untuk membuat printer 3D berbasis chip ini. Anda memiliki penggabungan dua teknologi ini menjadi ide yang sama sekali baru.”

Prototipe mereka terdiri dari satu chip fotonik yang berisi serangkaian antena optik setebal 160 nanometer. (Selembar kertas tebalnya sekitar 100.000 nanometer.) Seluruh chip tersebut muat pada uang logam seperempat dolar AS.

Ketika ditenagai oleh laser off-chip, antena memancarkan sinar cahaya tampak yang dapat diarahkan ke dalam sumur resin yang dapat diawetkan dengan cahaya. Chip tersebut berada di bawah kaca objek bening, seperti yang digunakan dalam mikroskop, yang berisi lekukan dangkal yang menahan resin. Para peneliti menggunakan sinyal listrik untuk mengarahkan sinar cahaya secara nonmekanis, yang menyebabkan resin mengeras di mana pun sinar mengenainya.

Tantangan dan Solusi dalam Percetakan Fotonik 3D

Namun, memodulasi cahaya tampak dengan efektif, yang melibatkan modifikasi amplitudo dan fasenya, sangatlah sulit. Salah satu metode umum memerlukan pemanasan chip, tetapi ini tidak efisien dan membutuhkan banyak ruang fisik.

Sebaliknya, para peneliti menggunakan kristal cair untuk membuat modulator kompak yang mereka integrasikan ke dalam chip. Sifat optik unik dari materials tersebut memungkinkan modulator menjadi sangat efisien dan panjangnya hanya sekitar 20 mikron.

Satu pemandu gelombang pada chip menampung cahaya dari laser di luar chip. Di sepanjang pemandu gelombang terdapat keran kecil yang menyalurkan sedikit cahaya ke masing-masing antena.

Para peneliti secara aktif menyetel modulator menggunakan medan listrik, yang mengarahkan ulang molekul kristal cair ke arah tertentu. Dengan cara ini, mereka dapat secara tepat mengendalikan amplitudo dan fase cahaya yang diarahkan ke antena.

Namun, membentuk dan mengarahkan sinar hanyalah separuh dari perjuangan. Berinteraksi dengan resin fotokering yang baru merupakan tantangan yang sama sekali berbeda.

Web page Group di UT Austin bekerja sama erat dengan Notaros Group di MIT, dengan cermat menyesuaikan kombinasi dan konsentrasi bahan kimia untuk menemukan method yang memberikan masa simpan panjang dan proses pengawetan cepat.

Pada akhirnya, kelompok tersebut menggunakan prototipe mereka untuk mencetak 3D bentuk dua dimensi yang berubah-ubah dalam hitungan detik.

Berdasarkan prototipe ini, mereka ingin bergerak maju untuk mengembangkan sistem seperti yang awalnya mereka konseptualisasikan — sebuah chip yang memancarkan hologram cahaya tampak dalam sumur resin untuk memungkinkan pencetakan 3D volumetrik hanya dalam satu langkah.

“Untuk dapat melakukan itu, kami memerlukan desain chip silikon-fotonik yang benar-benar baru. Kami telah memaparkan banyak hal tentang seperti apa sistem remaining itu dalam makalah ini. Dan, sekarang, kami bersemangat untuk terus bekerja menuju demonstrasi akhir ini,” kata Jelena Notaros.

Referensi: “Printer 3D berbasis chip yang mendukung silikon-fotonik” oleh Sabrina Corsetti, Milica Notaros, Tal Sneh, Alex Stafford, Zachariah A. Web page dan Jelena Notaros, 6 Juni 2024, Cahaya: Sains dan Aplikasi.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1038/s41377-024-01478-2

Pekerjaan ini didanai, sebagian, oleh Yayasan Sains Nasional AS, Badan Proyek Penelitian Lanjutan Pertahanan AS, Yayasan Robert A. Welch, Beasiswa Abadi MIT Rolf G. Locher, dan Beasiswa MIT Frederick dan Barbara Cronin.