南極熊導讀：電子束選區熔化技術(SEBM)是一種獨具特色的金屬增材制造技術，這種打印技術具有能量密度高、生產效率快、成形應力低、真空環境無污染等特點，SEBM技術尤其適合于鈦及鈦合金、難熔金屬(鎢、鉬、鉭、鈮）、脆性材料（鈦鋁合金）以及銅、金等高反射材料的快速成形。

2023年4月20日，南極熊獲悉，西安賽隆率先推出了搭載間熱式鎢陰極電子槍的商業化電子束金屬3D打印機，并形成批量銷售，西安賽隆采用間熱式陰極原理，結合SEBM技術工藝需求開展了結構創新及功能擴展，研制出了大功率、高精度、長壽命的低成本間熱式電子槍，并實現核心器件的自主可控。

△SEBM技術成形的鈦合金骨科植入物（圖片來源西安賽隆）

國內外SEBM電子槍發展歷程

由于設備的高技術門檻，國內外具備商業化電子束3D打印設備制造能力的企業較少。而電子槍是SEBM設備的核心，決定了裝備的成形尺寸、打印精度以及成形零件的質量和性能。與激光選區熔化（SLM）裝備的專用激光器不同，目前國內外尚無專用電子槍的商業化產品，各SEBM設備制造商在研制設備之前必須首先研發出專用電子槍。

近年來，美國、中國、日本、瑞典、英國等國家均加大SEBM設備專用電子槍的研發力度，并陸續研制出了以鎢和單晶LaB6為陰極的直熱式電子槍。以鎢為陰極的直熱式電子槍是第一代商業化SEBM設備使用的電子槍，具有成本低、性能穩定等優勢，但在大功率下存在壽命短（＜100 h）、束斑直徑大（200-300μm）等缺點。

為了解決該問題，相關企業又推出了以LaB6陰極的第二代直熱式電子槍。相對于鎢陰極，LaB6陰極具有壽命長（＞500 h）、功率大（6kW）、束斑直徑小（140μm）的優勢，但該材質的陰極成本高，單根售價在10000-15000元之間。此外，LaB6陰極易污染，對真空度要求較高（10-4 Pa），這也加大了電子槍的使用及維護成本。對于追求低成本的工業化規模生產而言，直熱式的LaB6陰極較為“奢侈”。因此，如何解決電子槍功率、壽命、精度與成本之間的矛盾是制約SEBM裝備及技術發展的瓶頸。

△直熱式電子槍結構示意圖

西安賽隆搭載間熱式鎢陰極電子槍的商業化SEBM設備

作為國內最早開展商業化SEBM設備開發的企業之一，西安賽隆增材技術股份有限公司（西安賽隆）在國際上率先推出了搭載間熱式鎢陰極電子槍的商業化SEBM設備。

為了規避直熱式電子槍的問題，西安賽隆技術團隊以鎢為陰極材質，采用間熱式陰極原理，結合SEBM技術工藝需求開展了結構創新及功能擴展，研制出了大功率、高精度、長壽命的低成本間熱式電子槍，并實現核心器件的自主可控。

據悉，該間熱式電子槍功率最高可達6kW，可快速將寬幅面粉床預熱至1300℃并大幅提高了打印效率。電子槍整體陰極組件使用壽命在500小時以上，與直熱式LaB6陰極的實際使用時間相當，滿足大尺寸零件或長時間堆疊打印的制造需求。通過改變陰極的截面特性，使得高功率下的束斑直徑可控，可實現寬幅域下束斑直徑＜100μm的精確掃描，滿足零件高精度的制造要求。電子槍陰極與輔助陰極均采用鎢材質，耐造性好，成本不足直熱式LaB6陰極的30%，滿足零件批量低成本的生產需求。

△間熱式電子槍的技術參數

針對不同的應用場景，西安賽隆已推出不同成形尺寸、搭載不同功率間熱式電子槍的系列化SEBM裝備，如Y150 Plus型(電子槍功率3kW，成形尺寸170×170×180 mm)，T200型 (電子槍功率6kW，成形尺寸200×200×450 mm)，H400型 (電子槍功率6kW，成形尺寸400×400×400 mm)，相關設備已成功實現了醫用鈦合金、鈦鋁、純銅等復雜零件的高精度、低成本、批量化制造。以T200型SEBM設備為例，該設備單爐次(100小時內)可生產288件鈦合金髖臼杯，多孔部分桿筋成形精度＜0.1mm，單個髖臼杯制造成本在100元以內。

△西安賽隆搭載間熱式電子槍的系列化SEBM設備

△搭載間熱式電子槍SEBM設備打印的鈦合金髖臼杯

△搭載間熱式電子槍SEBM設備打印的高精度鈦合金椎間融合器

△搭載間熱式電子槍SEBM設備打印的多孔鈦合金表面設計圖（左）、成形形貌圖（右）

△搭載間熱式電子槍SEBM設備打印的鈦鋁葉片出爐圖

西安賽隆在間熱式電子槍的技術突破，標志著我國在SEBM裝備核心器件上取得了重要的進展，并逐步建立起了自主可控、自主創新的技術體系，為該技術在相關領域的大規模推廣應用提供了有力保障。

來源：南極熊3D打印微信公眾號