DLP光硬化3Dプリント酸化イットリウムセラミックスの光学特性の最適化

出典: Qiyu Technology

イットリア（Y₂O₃）セラミックは透明性に優れていますが、従来の製造方法では複雑な形状を製造することが困難です。付加製造技術は高解像度の 3D 構造を生成できますが、印刷プロセス中に生成される欠陥や段差効果は依然として透明性と表面品質に影響を与えます。最近、韓国の大田科学技術大学のユン・ヒュイスク氏のチームが「3Dプリントされたイットリアセラミックスの透明性の限界を克服する」と題する研究をJournal of Materials Science & Technologyに発表しました。この研究では、DLP光硬化3Dプリント技術を使用して、異なる印刷層の厚さを持つイットリア（Y₂O₃）透明セラミックスを準備し、層の厚さがその光学的および機械的特性に与える影響に焦点を当てました。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.11.019

研究内容 イットリア (Y₂O₃) セラミックは、広いスペクトル範囲にわたって優れた透明性を示し、レーザーウィンドウや光学デバイスに適しています。 CIP や SPS などの従来の製造方法では複雑な形状に課題がありますが、デジタル光処理 (DLP) などの付加製造 (AM) 技術ではより優れた形状の柔軟性が得られます。しかし、DLP 印刷された透明セラミックでは、高い透明性と表面品質を実現する上で、光の散乱や段差現象などの問題が依然として残っています。

層の厚さは、積層造形セラミックスの硬化深度、微細構造、透明性に影響を与えることが示されています。層が薄いと解像度は向上しますが、欠陥が発生しやすくなり、層が厚いと過剰硬化や段差が発生する可能性があります。層の厚さを最適化すると、表面仕上げと透明度が向上します。既存の研究は平面構造に焦点を当てていますが、3Dセラミックの研磨技術はまだ不足しています。

この目的のために、本論文では、透明 Y₂O₃ セラミックスの微細構造、表面品質、光学特性に対する層厚の影響を研究し、DLP で製造されたセラミックスの光学特性を向上させるための手頃な 3D 研磨後処理方法を開発します。

記事の研究方法とデータは次のとおりです。

△図1、3D研磨技術の概略図。
△図2、(a～e) 異なる層厚（20、25、35、45、55µm）で印刷された胚の表面微細構造、(f) 異なる層厚で印刷された胚の密度。
△図3、(a) Y₂O₃ドープ粉末の粒度分布、(b) Y₂O₃ドープ粉末の走査型電子顕微鏡（SEM）画像。 (c) 層の厚さと粒子サイズの関係を示す模式図。
△図4、(a-e) 異なる層厚（20、25、35、45、55µm）で作製されたY₂O₃焼結体の断面微細構造。 (f) 異なる層厚で作られたY₂O₃焼結体の相対密度。 △図5、(a) 異なる層厚の3DプリントY₂O₃セラミックスの収縮率、(b) オンライン透過率、(c) 写真。 △図6、(a) 異なる層厚を持つ3DプリントY₂O₃セラミックスの曲げ強度、(b) 表面粗さ。
△図7、(a)表面粗さ、(b)オンライン透過率、(c)異なる方法で研磨したY₂O₃セラミックスの写真。
△図8、Y₂O₃セラミックスのZ軸表面の走査型電子顕微鏡（SEM）画像：（a）研磨前、および以下の組み合わせを使用して研磨した後の表面：（b）遠心研磨とSiC粉末、（c）振動研磨とSiC粉末、（e）遠心研磨とAl₂O₃粉末、（f）振動研磨とAl₂O₃粉末。 (d) Z軸表面の模式図。
△図9、Y₂O₃セラミックスのZ軸表面形態：（a）研磨前、以下の組み合わせを使用した研磨後の表面形態：（b）遠心研磨とSiC粉末、（c）振動研磨とSiC粉末、（e）遠心研磨とAl₂O₃粉末、（f）振動研磨とAl₂O₃粉末。 (d) XY軸とZ軸の表面の概略図。 Y₂O₃セラミックスのXY軸表面形態：（g）研磨前と次の組み合わせを使用した研磨後の表面形態：（h）遠心研磨とSiC粉末、（i）振動研磨とSiC粉末、（j）平面研磨、（k）遠心研磨とAl₂O₃粉末、（l）振動研磨とAl₂O₃粉末。
△図10、(a)異なる研磨方法を使用した材料除去率、(b)異なる研磨粉末を使用した材料除去率。 3000メッシュ（c）SiCおよび（e）Al₂O₃研磨粉末の走査型電子顕微鏡（SEM）画像。 (d) 角型粉末粒子と (f) 丸型粉末粒子を使用した表面研磨の概略図。
△図11、(a) 異なる研磨方法によるY₂O₃セラミックスの材料除去率、(f) オンライン透過率、(g) 異なる研磨方法による研磨後のY₂O₃セラミックスの写真。 (b) 振動研磨および Al₂O₃ 粉末による研磨、(c) コロイド状 SiO₂ 懸濁液による研磨後の Y₂O₃ セラミックスの Z 軸表面形態。 (e) 振動研磨および Al₂O₃ 粉末による研磨、および (f) コロイド状 SiO₂ 懸濁液による研磨後の Y₂O₃ セラミックスの XY 軸表面形態。 Y₂O₃セラミック表面のXPSスペクトル（h）化学機械研磨前、（i）化学機械研磨後。
△図12、(a)傾斜角ドーム、(b)フレネルレンズ、(c)3次元レンズアレイの写真。それぞれ振動アシスト化学機械研磨の前後の状態を示しています。
△図13、3次元レンズアレイのCT画像：（a）振動補助化学機械研磨前、（b）振動補助化学機械研磨後。
結論この研究では、DLP セラミック 3D プリントによって作製された Y₂O₃ セラミックの微細構造と表面品質に対する層厚の影響を調査します。結果は、層の厚さを増やすと、Y₂O₃セラミックの微細構造が緻密になり、透過率が向上し、表面粗さが減少することを示しています。特に、層厚45μmのセラミックは、波長1,100nmでの透過率が97.73%、相対密度が99.95%です。さらに、振動支援化学機械研磨技術をAl₂O₃粉末とコロイドSiO₂溶液と組み合わせて使用することで、効率的な3D透明Y₂O₃の製造を実現しました。この技術により、表面粗さが95.42%減少し、透過率が66.12%向上し、段差現象が解消されました。層厚の最適化と 3D 研磨技術の開発により、AM で製造された透明 Y₂O₃ セラミックスの光学特性を向上させることに成功しました。

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