DLP光固化3D打印氧化釔陶瓷光學性能的優(yōu)化研究

來源：奇遇科技

氧化釔（Y₂O₃）陶瓷具有優(yōu)異透明性,，但傳統(tǒng)制造方法難以生產復雜幾何形狀,。增材制造技術可制作高分辨率3D結構,，但打印過程中產生的缺陷和階梯效應仍會影響透明度和表面質量。近日,，韓國大田科學技術大學Hui-suk Yun團隊在《Journal of Materials Science & Technology》發(fā)表了題為《Overcoming transparency limitations in 3D-printed yttria ceramics》的研究,，探討了DLP光固化3D打印技術制備了不同打印層厚度的氧化釔（Y₂O₃）透明陶瓷，重點研究了層厚度對其光學和機械性能的影響。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.11.019

研究內容
氧化釔（Y₂O₃）陶瓷在寬光譜范圍內表現(xiàn)出優(yōu)異的透明性,，適用于激光窗口和光學器件,。傳統(tǒng)制造方法如CIP和SPS面臨復雜幾何形狀的挑戰(zhàn)，而增材制造（AM）技術如數(shù)字光處理（DLP）提供了更高的幾何靈活性,。然而,，DLP打印的透明陶瓷在實現(xiàn)高透明度和表面質量方面仍存在光散射和階梯現(xiàn)象等問題。

已有研究表明,，層厚度影響增材制造陶瓷的固化深度,、微觀結構和透明度。薄層提高分辨率但易引入缺陷,，厚層則可能導致過度固化和階梯現(xiàn)象,。優(yōu)化層厚度有助于改善表面光潔度和透明度。現(xiàn)有研究集中于平面結構,，但仍缺乏針對3D陶瓷的拋光技術,。

為此，本文研究了層厚度對透明Y₂O₃陶瓷的微觀結構,、表面質量和光學性能的影響,，并開發(fā)了一種經濟實惠的3D拋光后處理方法，以提升DLP制備陶瓷的光學性能,。

以下是文章的研究方法及數(shù)據(jù)：

△圖1,，3D拋光技術的示意圖。

△圖2,，(a–e) 不同層厚（20,、25、35,、45 和 55 µm）打印的胚體表面顯微結構,，(f) 不同層厚打印的胚體密度。

△圖3,，(a) 摻雜Y₂O₃粉末的粒度分布,，(b) 摻雜Y₂O₃粉末的掃描電鏡（SEM）圖像。(c) 層厚與粒度之間關系的示意圖,。

△圖4,，(a–e) 不同層厚（20、25,、35,、45 和 55 µm）制作的Y₂O₃燒結體的橫截面顯微結構。(f) 不同層厚制作的Y₂O₃燒結體的相對密度,。

△圖5,，(a) 不同層厚的3D打印Y₂O₃陶瓷的收縮率,，(b) 在線透射率，(c) 照片,。

△圖6,，(a) 不同層厚的3D打印Y₂O₃陶瓷的彎曲強度，(b) 表面粗糙度,。

△圖7,，(a) 表面粗糙度，(b) 在線透射率,，(c) 使用不同方法拋光的Y₂O₃陶瓷照片,。

△圖8，Y₂O₃陶瓷Z軸表面的掃描電鏡（SEM）圖像：(a) 拋光前,，使用以下組合拋光后的表面：(b) 離心拋光和SiC粉末,，(c) 振動拋光和SiC粉末，(e) 離心拋光和Al₂O₃粉末,，(f) 振動拋光和Al₂O₃粉末,。(d) Z軸表面示意圖。

△圖9,，Y₂O₃陶瓷的Z軸表面形貌：(a) 拋光前,，使用以下組合拋光后的表面形貌：(b) 離心拋光和SiC粉末，(c) 振動拋光和SiC粉末,，(e) 離心拋光和Al₂O₃粉末,，(f) 振動拋光和Al₂O₃粉末。(d) XY軸和Z軸表面示意圖,。Y₂O₃陶瓷的XY軸表面形貌：(g) 拋光前,，使用以下組合拋光后的表面形貌：(h) 離心拋光和SiC粉末，(i) 振動拋光和SiC粉末,，(j) 平面拋光,，(k) 離心拋光和Al₂O₃粉末，(l) 振動拋光和Al₂O₃粉末,。

△圖10,，(a) 使用不同拋光方法的材料去除率，(b) 使用不同拋光粉末的材料去除率,。3000目 (c) SiC 和 (e) Al₂O₃拋光粉末的掃描電鏡（SEM）圖像,。使用 (d) 角形粉末顆粒和 (f) 圓形粉末顆粒進行表面拋光的示意圖。

△圖11,，(a) 不同拋光方法下Y₂O₃陶瓷的材料去除率,，(f) 在線透射率，(g) Y₂O₃陶瓷通過不同拋光方法拋光后的照片,。Y₂O₃陶瓷通過 (b) 振動拋光和Al₂O₃粉末結合拋光后的Z軸表面形貌，(c) 與膠體SiO₂懸浮液結合拋光后的Z軸表面形貌。Y₂O₃陶瓷通過 (e) 振動拋光和Al₂O₃粉末結合拋光后的XY軸表面形貌,，(f) 與膠體SiO₂懸浮液結合拋光后的XY軸表面形貌,。Y₂O₃陶瓷表面XPS光譜 (h) 化學機械拋光前，(i) 化學機械拋光后,。

△圖12,，(a) 梯度角穹頂、(b) 菲涅爾透鏡和 (c) 三維透鏡陣列的照片,，分別顯示振動輔助化學機械拋光前后的狀態(tài),。

△圖13，三維透鏡陣列的CT圖像：(a) 振動輔助化學機械拋光前,，(b) 振動輔助化學機械拋光后,。

結論
本研究探討了層厚度對DLP陶瓷3D打印制備Y₂O₃陶瓷微觀結構和表面質量的影響。結果表明,，增加層厚度可使Y₂O₃陶瓷微觀結構致密,，透過率提高，且表面粗糙度降低,。特別是在層厚度為45 µm時,，陶瓷在波長1,100 nm處的透過率達97.73％，相對密度為99.95％,。此外,，采用振動輔助化學機械拋光技術，結合Al₂O₃粉末和膠體SiO₂溶液,，實現(xiàn)了高效的3D透明Y₂O₃制備,。該技術降低了表面粗糙度95.42%，提高了透過率66.12%,，并消除了階梯現(xiàn)象,。優(yōu)化層厚度和開發(fā)3D拋光技術成功提升了AM制備透明Y₂O₃陶瓷的光學性能。