DLP光固化3D打印氧化釔陶瓷光學(xué)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(chǎn)復(fù)雜幾何形狀。增材制造技術(shù)可制作高分辨率3D結(jié)構(gòu)，但打印過程中產(chǎn)生的缺陷和階梯效應(yīng)仍會(huì)影響透明度和表面質(zhì)量。近日，韓國(guó)大田科學(xué)技術(shù)大學(xué)Hui-suk Yun團(tuán)隊(duì)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(shù)制備了不同打印層厚度的氧化釔（Y₂O₃）透明陶瓷，重點(diǎn)研究了層厚度對(duì)其光學(xué)和機(jī)械性能的影響。

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

研究?jī)?nèi)容
氧化釔（Y₂O₃）陶瓷在寬光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的透明性，適用于激光窗口和光學(xué)器件。傳統(tǒng)制造方法如CIP和SPS面臨復(fù)雜幾何形狀的挑戰(zhàn)，而增材制造（AM）技術(shù)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(shí)現(xiàn)高透明度和表面質(zhì)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(jié)構(gòu)和透明度。薄層提高分辨率但易引入缺陷，厚層則可能導(dǎo)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�，F(xiàn)有研究集中于平面結(jié)構(gòu)，但仍缺乏針對(duì)3D陶瓷的拋光技術(shù)。

為此，本文研究了層厚度對(duì)透明Y₂O₃陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)、表面質(zhì)量和光學(xué)性能的影響，并開發(fā)了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的3D拋光后處理方法，以提升DLP制備陶瓷的光學(xué)性能。

以下是文章的研究方法及數(shù)據(jù)：

△圖1，3D拋光技術(shù)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(jié)構(gòu)，(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(guān)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(jié)體的橫截面顯微結(jié)構(gòu)。(f) 不同層厚制作的Y₂O₃燒結(jié)體的相對(duì)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(qiáng)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(dòng)拋光和SiC粉末，(e) 離心拋光和Al₂O₃粉末，(f) 振動(dòng)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(dòng)拋光和SiC粉末，(e) 離心拋光和Al₂O₃粉末，(f) 振動(dòng)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(dòng)拋光和SiC粉末，(j) 平面拋光，(k) 離心拋光和Al₂O₃粉末，(l) 振動(dòng)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(jìn)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(dòng)拋光和Al₂O₃粉末結(jié)合拋光后的Z軸表面形貌，(c) 與膠體SiO₂懸浮液結(jié)合拋光后的Z軸表面形貌。Y₂O₃陶瓷通過 (e) 振動(dòng)拋光和Al₂O₃粉末結(jié)合拋光后的XY軸表面形貌，(f) 與膠體SiO₂懸浮液結(jié)合拋光后的XY軸表面形貌。Y₂O₃陶瓷表面XPS光譜 (h) 化學(xué)機(jī)械拋光前，(i) 化學(xué)機(jī)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(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械拋光前后的狀態(tài)。

△圖13，三維透鏡陣列的CT圖像：(a) 振動(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械拋光前，(b) 振動(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械拋光后。

結(jié)論
本研究探討了層厚度對(duì)DLP陶瓷3D打印制備Y₂O₃陶瓷微觀結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，增加層厚度可使Y₂O₃陶瓷微觀結(jié)構(gòu)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(shí)，陶瓷在波長(zhǎng)1,100 nm處的透過率達(dá)97.73％，相對(duì)密度為99.95％。此外，采用振動(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)，結(jié)合Al₂O₃粉末和膠體SiO₂溶液，實(shí)現(xiàn)了高效的3D透明Y₂O₃制備。該技術(shù)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(shù)成功提升了AM制備透明Y₂O₃陶瓷的光學(xué)性能。