キャンプ場でフックが必要になったが忘れてしまった時、その場ですぐに簡単に3Dプリンターで作製出来たら便利だろう。従来の3Dプリンターはいくら小型な機器でも卓上に据え付ける必要があるサイズではあり、持ち運びには適さない物だ。
だが今回、MITとUniversity of Texas at Austinのチームによる新たな研究の成果として、コインよりも小さな3Dプリンターのプロトタイプ開発に成功した事が報告されている。これが実用化されれば、カバンに入れて持ち運びが出来る3Dプリンターの実現に繋がるかも知れない。
極小のチップを使ってプリントを可能にする
MITとUniversity of Texas at Austinが開発したデバイスは、ミリメートルスケールのフォトニックチップ一つで構成されており、これが液体の樹脂に再構成可能な光線を放射し、光が当たると樹脂が固形化する仕組みだ。アームやモーターを使用してビームの焦点を変える代わりに、このプロトタイプは微小な光学アンテナのアレイを使用してビームを移動させ、望む形状を作り出すのだ。
今回の成果は、MITのシリコンフォトニクス研究の成果と、University of Texas at Austinのフォトケミストリー研究の2つの画期的な成果のコラボレーションにより実現した。
シリコンフォトニクスの専門家である上級著者であるMITのJelena Notaros教授のグループは、半導体製造プロセスを使用してチップ上に製造された一連のミクロスケールのアンテナを使用して光線を操る統合型光位相アレイシステムを以前に開発していた。アンテナアレイの両側の光信号を加速または遅延させることで、光線を特定の方向に移動させることができる。
彼らが、このようなデバイスがチップベースの3Dプリンターに応用できるかどうかを検討し始めた時期に、University of Texas at Austinの化学工学部門の助教授であるZak Page氏のグループが初めて可視光の波長を使用して急速に硬化する特殊な樹脂を実証した。
「フォト硬化樹脂の場合、赤外線波長まで完全に硬化させるのは非常に難しいのです。これまで統合型光位相アレイシステムがライダーのために動作していたのはこの波長でした。ここでは、標準的なフォトケミストリーとシリコンフォトニクスの中間点で出会い、可視光硬化樹脂と可視光発光チップを使用して、このチップベースの3Dプリンターを作り上げました。二つの技術が融合して完全に新しいアイデアが生まれたのです」と、リード著者でMITの大学院生であるSabrina Corsetti氏は説明する。
彼らの作成したプロトタイプは、160ナノメートル厚の光学アンテナのアレイを含む単一のフォトニックチップで構成されている。チップ全体は米国の25セント硬貨に収まるサイズだ。
オフチップレーザーによって駆動されると、アンテナは可視光の操作可能なビームをフォト硬化樹脂のウェルに放射する。チップは顕微鏡に使用されるスライドのような透明なスライドの下に配置されており、このスライドには樹脂を保持する浅いくぼみがある。研究者たちは電気信号を使用して非機械的に光線を操り、光線が当たる場所で樹脂を硬化させる。
しかし、可視波長の光を効果的に変調することは、振幅と位相を変更する必要があるため、特に難しい。一般的な方法ではチップを加熱する必要があるが、これは非効率であり、物理的スペースを大量に必要とする。
代わりに、研究者たちは液晶を使用してコンパクトな変調器を作り、チップに統合した。この材料のユニークな光学特性により、変調器は非常に効率的であり、長さ約20ミクロンしかない。
チップ上の単一の導波路にはオフチップレーザーからの光が保持されている。導波路に沿って、アンテナのそれぞれに少量の光を取り出す小さなタップが配置されている。
研究者たちは電場を使用して変調器を能動的に調整し、液晶分子を特定の方向に再配向させる。このようにして、アンテナに送られる光の振幅と位相を正確に制御することができる。
しかし、ビームを形成し操作することは戦いの半分に過ぎない。新しいフォト硬化樹脂とのインターフェースは全く異なる挑戦であった。
University of Texas at AustinのPage氏のグループはMITのNotaros氏のグループと密接に協力し、長い保存期間と急速な硬化を提供する化学組成と濃度を慎重に調整した。
研究チームは、プロトタイプを使用して実際に光線を操って2次元パターン（例として「M-I-T」の文字）を3Dプリントすることに成功した。形状は数秒で完全に形成されている。
もしこのチームがこのコンセプトを実用的な製品にすることに成功すれば、即時製造の概念を変える可能性がある。この手のひらサイズのプリンターの可搬性と速度により、エンジニア、医師、さらには救急隊員でさえ、大型で重い機器を運ばずに即座に現場で解決策を作成することができるようになるかもしれない。
例えば、整形外科医は手術室に3Dスキャナーを持ち込み、患者の骨折をスキャンすることができる。その後、生物医学エンジニアを呼び寄せて、骨折の治癒を助けるためのカスタム骨インプラントを作成し、この携帯型3Dプリンターで生物医学用樹脂を使用して印刷することができる。
あるいは、この小型3DプリンターはNASAの月面探査計画「アルテミス計画」に役立つ可能性がある。持ち運びやすく、他の代替品よりも軽量かつコンパクトであるため、乗組員が必要とするツールを即座に作成するのに役立つだろう。
「このシステムは、3Dプリンターの概念を完全に再考するものです。もはやラボのベンチに置かれた大きな箱ではなく、手持ち可能で携帯できるものなのです。これにより、新たな応用が生まれ、3Dプリンティングの分野がどのように変わるかを考えるとわくわくします」と、Notaros教授は述べている。
このプロトタイプを基に、彼らは当初概念化したシステムの開発に向けて前進することを目指している。つまり、樹脂のウェルに可視光のホログラムを放射して、ワンステップでボリューム3Dプリントを可能にするチップの実現だ。
「それを実現するためには、全く新しいシリコンフォトニクスチップの設計が必要です。この論文では、その最終システムの外観の多くを既にレイアウトしました。そして、今、私たちはこの最終的な実証に向けて作業を続けることに興奮しています」とNotaros教授は述べている。
論文
- Nature Light Science and Applications: Silicon-photonics-enabled chip-based 3D printer
参考文献
研究の要旨
フォトニックチップ1つで、手のひらサイズの3Dオブジェクトを数秒で作成できるとしたらどうだろう。3Dプリンティングは、現代社会のほぼすべての側面において、私たちの創造方法に革命をもたらしたが、現在の3Dプリンターは、材料を層ごとに追加できるようにするために、大規模で複雑な機械システムに依存している。このため、プリント速度、解像度、可搬性、フォームファクター、材料の複雑さが制限される。最近では、光を利用して液状樹脂から固形物へと高度な方法で物質を変化させる、光硬化ベースの新しい3Dプリンターの開発が進められているが、かさばる複雑な機械システムに依存していることに変わりはない。これらの限界に対処するため、我々はシリコンフォトニクスと光化学の分野を融合させ、初のチップベースの3Dプリンターを提案する。提案するシステムは、可動部のない単一のミリメートル・スケールのフォトニック・チップのみから構成され、再構成可能な可視光ホログラムを単純な静止樹脂ウェルに放出することで、非機械的な3Dプリンティングを可能にする。さらに、可視光ビームステアリング集積光フェーズドアレイと可視光硬化性樹脂を用いたチップベース3Dプリンターの概念実証版を実験的に実証し、チップベースのシステムを用いた3Dプリンティングを初めて示した。この研究は、次世代の3Dプリンターのための、非常にコンパクトで持ち運び可能な低コストソリューションへの第一歩を示すものである。
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