光散射是陶瓷光固化（DLP）過程中固有的難題，也是實現高精度、高分辨率成形的關鍵障礙。盡管已提出多種散射抑制策略，但效果有限，嚴重制約了特征尺寸在數十微米級的功能器件制造，限制了該技術的廣泛應用。近日，湖南大學韓曉筱教授團隊在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊發表了題為“A dual-functional curcumin strategy for light scattering mitigation in high-fidelity DLP ceramic 3D printing”的研究論文。該研究提出了一種新型光散射抑制策略，引入多功能反應性添加劑姜黃素，有效抑制了由散射光引起的非目標區域聚合，制造出尺寸保真度接近光學分辨率極限（~2.6 pixels）的精細結構。該策略在低濃度下即可有效抑制散射，成本低，工藝窗口寬，且可推廣至多種陶瓷體系。為提升DLP陶瓷打印的分辨率提供了一種簡單且通用的方法，推動了精細尺度（<50 μm）陶瓷結構的可靠制造。
研究首先揭示了陶瓷漿料中以米氏散射為主、瑞利散射為輔的光散射機制。當非目標區域的散射光能量超過聚合閾值時，會發生非預期固化，表現為固化寬度增大、深度減小，進而導致橫向分辨率降低和層間結合強度下降。傳統光吸收劑抑制散射光能力有限，且過量添加會犧牲打印效率與力學性能。為此，團隊引入兼具物理光吸收與化學自由基清除功能的多功能反應性添加劑——姜黃素，有效抑制了由散射光引起的非目標區域聚合。
為闡明姜黃素抑制光散射的機理，首先通過電子順磁共振（EPR）實驗發現，僅添加0.02 wt%的姜黃素即可使自由基信號強度顯著下降，證實了其高效的自由基清除能力。進一步利用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）實驗表明，相較于樹脂單體，自由基優先與姜黃素發生反應，驗證姜黃素具有更強的自由基捕獲能力。通過調節姜黃素濃度，可選擇性地抑制非目標區域的固化，從而有效提升打印精度。
為系統分析不同添加劑體系對打印分辨率的影響，研究首先采用輪輻圖案對分辨率進行量化。對比單層打印實驗，無論是在純樹脂體系，還是在Al2O3或SiC漿料體系中，姜黃素均能維持極低的未解析分數，且對光強變化表現出極不敏感性，綜合性能遠超傳統光吸收劑。中空通道結構實驗進一步證實，姜黃素體系中所有通道均保持暢通無阻塞，而其他體系在通道變窄、高度增大時則出現嚴重堵塞。工藝窗口分析揭示，姜黃素可在寬曝光范圍內穩定維持高打印精度。
為探究該體系在極端尺寸與復雜結構下的成形能力，采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術（nanoArch? S140，精度：10 μm）開展了實驗。在正特征分辨率（線寬，圖a,c）方面，純Al2O3漿料的打印線寬與設計值偏差高達5.7倍，而姜黃素體系打印線寬僅為26.1 μm（約2.6像素），偏差縮至1.6倍。負特征分辨率（圓孔陣列，圖b,d）結果顯示，純陶瓷體系中50 μm的孔完全堵塞，姜黃素體系則有效保證了微小負型特征的成形。進一步打印TPMS結構（圖e-m）進行驗證：純漿料出現孔道堵塞和薄壁缺失，而含姜黃素漿料打印的Al2O3和SiC結構均高度復現了設計構型。上述結果證實了姜黃素在實現幾何復雜陶瓷結構高精度打印中的實用價值。
圖. 利用摩方精密S140構建極端尺寸與復雜結構。
為研究添加姜黃素對關鍵性能的影響，首先采用TG-DSC對含與不含姜黃素的Al2O3生坯進行對比分析。結果顯示，二者在室溫至600?℃范圍內的失重階段高度一致，表明姜黃素并未改變樹脂的熱降解行為。經脫脂燒結處理后，兩組陶瓷的相對密度和彎曲模量均無顯著差異。低濃度姜黃素對脫脂、燒結及力學性能均無負面影響，其抑制光散射的優勢可與熱加工過程良好兼容，證實了姜黃素作為功能性添加劑的可行性。為驗證姜黃素作為光散射抑制劑的普適性，研究將該策略拓展至ZrO2、SiO2和SiC等多種陶瓷體系，成功打印出壁厚低于100 μm的復雜部件，展現出廣泛的材料兼容性和普適性。
總結：本研究提出以天然化合物姜黃素作為陶瓷漿料添加劑，利用其物理光吸收和化學自由基清除雙重功能，有效抑制了DLP陶瓷3D打印中光散射導致的非目標區域過度固化，顯著提高了打印精度。該策略為光聚合陶瓷打印長期存在的光散射難題提供了一種簡便、低成本的通用解決方案，可實現復雜陶瓷結構的高分辨率、高保真制造，在工業部件、生物醫學器械及精密結構元件等領域具有重要的應用優勢。
原文鏈接：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae6b19
