Silicon Photonics: Forscher arbeiten an 3D-Drucker für die Hosentasche
Es ist eines der Versprechen des 3D-Drucks: Einfach mal schnell ein dringend benötigtes Teil auszudrucken - jederzeit, bei Bedarf auch unterwegs. Das ist allerdings schwer, da 3D-Drucker bislang praktisch nicht mobil sind. Ändern wollen das Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT): Sie haben im Fachmagazin Nature Light Science and Applications einen Chip vorgestellt(öffnet im neuen Fenster) , der deutlich kompaktere Geräte auf Basis lichthärtender Kunstharze ermöglichen soll.
Möglich macht das der Verzicht auf mechanische Elemente, da eine elektrooptische Strahlsteuerung verwendet wird. Dafür wird das Prinzip des phasengesteuerten Felds(öffnet im neuen Fenster) (Phased Array) genutzt. Dabei werden mehrere Antennen verwendet, die alle dasselbe elektromagnetische Feld abstrahlen. Die Signale der Einzelantennen interferieren, wodurch eine gemeinsame Wellenfront entsteht.
Durch eine gezielte Phasenverschiebung der Signale, mit denen die einzelnen Antennen gespeist werden, kann die Wellenfront geschwenkt werden. Die Technik wurde ursprünglich für Radar entwickelt, auf das optische Spektrum übertragen wurde sie für Lidar-Systeme (öffnet im neuen Fenster) (Light Detection and Ranging), die eine zentrale Rolle beim autonomen Fahren spielen. Hier verspricht Silicon Photonics deutlich günstigere 3D-Sensoren. Der vorgestellte Chip kann einen Bereich von 7,2° abdecken.
Als Lichtquelle dient dabei ein Diodenlaser, dessen Licht über eine Glasfaser in den Chip gespeist wird. Die Phasenmodulation erfolgt mittels Flüssigkristallen, was allerdings auch die Intensität der in die 16 Antennen eingespeisten Strahlung beeinflusst. Das muss kompensiert werden, je weiter der Strahl geschwenkt wird, desto länger wird die Belichtungszeit.
Prototyp für den Prototyp
Die Belichtungszeit ist zudem ein Punkt, an dem der Chip noch weit von der Praxis entfernt ist: Um ein Voxel, also einen Raumpunkt, zu belichten, werden aktuell selbst ohne Intensitätskorrektur einige Sekunden benötigt. Die Belichtungszeit bedingt dabei auch, wie hoch die ausgehärtete Struktur ist.
Mit dem vorgestellten Chip lassen sich zudem lediglich Linien drucken, für zweidimensionale Objekte nutzten die Forscher die Positionierungseinheit eines Mikroskops. Die Forscher sehen den Chip allerdings lediglich als Machbarkeitsstudie, sie haben bereits ein Konzept für einen leistungsfähigeren Nachfolger.
Der soll mit einem zweidimensionalen Antennen-Array dann ein Hologramm ins Harz projizieren können. Damit wären dann auch dreidimensionale Objekte ohne Mechanik druckbar. Damit das in überschaubarer Zeit gelingt, diskutieren sie in der Veröffentlichung eine Erhöhung der Laserleistung und verbesserte Rezepturen für das verwendete Harz. Das ist nämlich ein eigenes Forschungsfeld.
Drucker braucht spezielles Harz
Maßgeblich zum Erfolg der MIT-Wissenschaftler trugen Kollegen der University of Texas in Austin bei. Denn die verfügbaren Harze für 3D-Drucker kann der photonische Chip nicht härten. Diese werden durch UV-Licht gehärtet, in diesem Spektralbereich weisen photonische Chips allerdings hohe Verluste auf. Daher arbeiten Lidar-Systeme im Infrarotbereich, als Kompromiss blieb noch der Bereich des sichtbaren Lichts. Die Forscher aus Texas entwickelten dafür eine speziell angepasste Harzmischung.
Mit einer weiteren Verbesserung der Mischung wollen sie den Aushärtegeschwindigkeiten UV-härtender Harze näher kommen - Zeit dafür haben sie noch, bis aus dem aktuellen Test-Chip ein kommerzielles Gerät wird, wird es noch eine Weile dauern. Wie attraktiv ein 3D-Drucker für die Hosentasche am Ende ist, steht dabei auf einem ganz anderen Blatt. Denn allzu große Objekte lassen sich damit nicht herstellen, die Pressemitteilung des MIT(öffnet im neuen Fenster) spricht etwa von kleinen Werkzeugen oder medizinischem Material.