电子枪核心器件获得突破，赛隆推出间热式钨阴极电子束金属3D打印机

南极熊导读：电子束选区熔化技术(SEBM)是一种独具特色的金属增材制造技术，这种打印技术具有能量密度高、生产效率快、成形应力低、真空环境无污染等特点，SEBM技术尤其适合于钛及钛合金、难熔金属(钨、钼、钽、铌）、脆性材料（钛铝合金）以及铜、金等高反射材料的快速成形。

2023年4月17日，南极熊获悉，西安赛隆率先推出了搭载间热式钨阴极电子枪的商业化电子束金属3D打印机，并形成批量销售，西安赛隆采用间热式阴极原理，结合SEBM技术工艺需求开展了结构创新及功能扩展，研制出了大功率、高精度、长寿命的低成本间热式电子枪，并实现核心器件的自主可控。

△SEBM技术成形的钛合金骨科植入物（图片来源西安赛隆）

国内外SEBM电子枪发展历程

由于设备的高技术门槛，国内外具备商业化电子束3D打印设备制造能力的企业较少。而电子枪是SEBM设备的核心，决定了装备的成形尺寸、打印精度以及成形零件的质量和性能。与激光选区熔化（SLM）装备的专用激光器不同，目前国内外尚无专用电子枪的商业化产品，各SEBM设备制造商在研制设备之前必须首先研发出专用电子枪。

近年来，美国、中国、日本、瑞典、英国等国家均加大SEBM设备专用电子枪的研发力度，并陆续研制出了以钨和单晶LaB6为阴极的直热式电子枪。以钨为阴极的直热式电子枪是第一代商业化SEBM设备使用的电子枪，具有成本低、性能稳定等优势，但在大功率下存在寿命短（＜100 h）、束斑直径大（200-300μm）等缺点。

为了解决该问题，相关企业又推出了以LaB6阴极的第二代直热式电子枪。相对于钨阴极，LaB6阴极具有寿命长（＞500 h）、功率大（6kW）、束斑直径小（140μm）的优势，但该材质的阴极成本高，单根售价在10000-15000元之间。此外，LaB6阴极易污染，对真空度要求较高（10-4 Pa），这也加大了电子枪的使用及维护成本。对于追求低成本的工业化规模生产而言，直热式的LaB6阴极较为“奢侈”。因此，如何解决电子枪功率、寿命、精度与成本之间的矛盾是制约SEBM装备及技术发展的瓶颈。

△直热式电子枪结构示意图

西安赛隆搭载间热式钨阴极电子枪的商业化SEBM设备

作为国内最早开展商业化SEBM设备开发的企业之一，西安赛隆增材技术股份有限公司（西安赛隆）在国际上率先推出了搭载间热式钨阴极电子枪的商业化SEBM设备。

为了规避直热式电子枪的问题，西安赛隆技术团队以钨为阴极材质，采用间热式阴极原理，结合SEBM技术工艺需求开展了结构创新及功能扩展，研制出了大功率、高精度、长寿命的低成本间热式电子枪，并实现核心器件的自主可控。

据悉，该间热式电子枪功率最高可达6kW，可快速将宽幅面粉床预热至1300℃并大幅提高了打印效率。电子枪整体阴极组件使用寿命在500小时以上，与直热式LaB6阴极的实际使用时间相当，满足大尺寸零件或长时间堆叠打印的制造需求。通过改变阴极的截面特性，使得高功率下的束斑直径可控，可实现宽幅域下束斑直径＜100μm的精确扫描，满足零件高精度的制造要求。电子枪阴极与辅助阴极均采用钨材质，耐造性好，成本不足直热式LaB6阴极的30%，满足零件批量低成本的生产需求。

△间热式电子枪的技术参数

针对不同的应用场景，西安赛隆已推出不同成形尺寸、搭载不同功率间热式电子枪的系列化SEBM装备，如Y150 Plus型(电子枪功率3kW，成形尺寸170×170×180 mm)，T200型 (电子枪功率6kW，成形尺寸200×200×450 mm)，H400型 (电子枪功率6kW，成形尺寸400×400×400 mm)，相关设备已成功实现了医用钛合金、钛铝、纯铜等复杂零件的高精度、低成本、批量化制造。以T200型SEBM设备为例，该设备单炉次(100小时内)可生产288件钛合金髋臼杯，多孔部分杆筋成形精度＜0.1mm，单个髋臼杯制造成本在100元以内。

△西安赛隆搭载间热式电子枪的系列化SEBM设备

△搭载间热式电子枪SEBM设备打印的钛合金髋臼杯

△搭载间热式电子枪SEBM设备打印的高精度钛合金椎间融合器

△搭载间热式电子枪SEBM设备打印的多孔钛合金表面设计图（左）、成形形貌图（右）

△搭载间热式电子枪SEBM设备打印的钛铝叶片出炉图

西安赛隆在间热式电子枪的技术突破，标志着我国在SEBM装备核心器件上取得了重要的进展，并逐步建立起了自主可控、自主创新的技术体系，为该技术在相关领域的大规模推广应用提供了有力保障。