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高透明度和表面質量方面仍存在光散射和階梯現象等問題。

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象。優(yōu)化層厚度有助于改善表面光潔度和透明度�，F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據：

△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。