基于双功能姜黄素光散射抑制的高保真DLP陶瓷打印新策略

光散射是陶瓷光固化（DLP）过程中固有的难题，也是实现高精度、高分辨率成形的关键障碍。尽管已提出多种散射抑制策略，但效果有限，严重制约了特征尺寸在数十微米级的功能器件制造，限制了该技术的广泛应用。

近日，湖南大学韩晓筱教授团队在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊发表了题为“A dual-functional curcumin strategy for light scattering mitigation in high-fidelity DLP ceramic 3D printing"的研究论文。该研究提出了一种新型光散射抑制策略，引入多功能反应性添加剂姜黄素，有效抑制了由散射光引起的非目标区域聚合，制造出尺寸保真度接近光学分辨率极限（~2.6 pixels）的精细结构。该策略在低浓度下即可有效抑制散射，成本低，工艺窗口宽，且可推广至多种陶瓷体系。为提升DLP陶瓷打印的分辨率提供了一种简单且通用的方法，推动了精细尺度（<50 μm）陶瓷结构的可靠制造。

研究首先揭示了陶瓷浆料中以米氏散射为主、瑞利散射为辅的光散射机制（图1a，b）。当非目标区域的散射光能量超过聚合阈值时，会发生非预期固化，表现为固化宽度增大、深度减小（图1c），进而导致横向分辨率降低和层间结合强度下降（图1d）。传统光吸收剂（图1e）抑制散射光能力有限，且过量添加会牺牲打印效率与力学性能。为此，团队引入兼具物理光吸收与化学自由基清除功能的多功能反应性添加剂——姜黄素（图1f），有效抑制了由散射光引起的非目标区域聚合。

为阐明姜黄素抑制光散射的机理（图2a），首先通过电子顺磁共振（EPR）实验发现，仅添加0.02 wt%的姜黄素即可使自由基信号强度显著下降，证实了其高效的自由基清除能力（图2b）。进一步利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）实验（图2c-g）表明，相较于树脂单体，自由基优先与姜黄素发生反应，验证姜黄素具有更强的自由基捕获能力。通过调节姜黄素浓度，可选择性地抑制非目标区域的固化，从而有效提升打印精度。

为系统分析不同添加剂体系对打印分辨率的影响，研究首先采用轮辐图案对分辨率进行量化（图3a）。对比单层打印实验（图3b-e），无论是在纯树脂体系，还是在Al2O3或SiC浆料体系中，姜黄素均能维持极低的未解析分数，且对光强变化表现出极不敏感性，综合性能远超传统光吸收剂。中空通道结构实验（图3f-k）进一步证实，姜黄素体系中所有通道均保持畅通无阻塞，而其他体系在通道变窄、高度增大时则出现严重堵塞。工艺窗口分析（图3l,m）揭示，姜黄素可在宽曝光范围内稳定维持高打印精度。

为探究该体系在尺寸与复杂结构下的成形能力，采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch® S140，精度：10 μm）开展了实验。在正特征分辨率（线宽，图4a,c）方面，纯Al2O3浆料的打印线宽与设计值偏差高达5.7倍，而姜黄素体系打印线宽仅为26.1 μm（约2.6像素），偏差缩至1.6倍。负特征分辨率（圆孔阵列，图4b,d）结果显示，纯陶瓷体系中50 μm的孔堵塞，姜黄素体系则有效保证了微小负型特征的成形。进一步打印TPMS结构（图4e-m）进行验证：纯浆料出现孔道堵塞和薄壁缺失，而含姜黄素浆料打印的Al2O3和SiC结构均高度复现了设计构型。上述结果证实了姜黄素在实现几何复杂陶瓷结构高精度打印中的实用价值。

为研究添加姜黄素对关键性能的影响，首先采用TG-DSC对含与不含姜黄素的Al2O3生坯进行对比分析（图5a, b）。结果显示，二者在室温至600 ℃范围内的失重阶段高度一致，表明姜黄素并未改变树脂的热降解行为。经脱脂烧结处理后（图5c, d），两组陶瓷的相对密度和弯曲模量均无显著差异（图5e）。低浓度姜黄素对脱脂、烧结及力学性能均无负面影响，其抑制光散射的优势可与热加工过程良好兼容，证实了姜黄素作为功能性添加剂的可行性。

为验证姜黄素作为光散射抑制剂的普适性，研究将该策略拓展至ZrO2、SiO2和SiC等多种陶瓷体系（图6a-d），成功打印出壁厚低于100 μm的复杂部件，展现出广泛的材料兼容性和普适性。

总结：本研究提出以天然化合物姜黄素作为陶瓷浆料添加剂，利用其物理光吸收和化学自由基清除双重功能，有效抑制了DLP陶瓷3D打印中光散射导致的非目标区域过度固化，显著提高了打印精度。该策略为光聚合陶瓷打印长期存在的光散射难题提供了一种简便、低成本的通用解决方案，可实现复杂陶瓷结构的高分辨率、高保真制造，在工业部件、生物医学器械及精密结构元件等领域具有重要的应用优势。