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南极熊3D打印: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

发布时间:2023年04月20日 09:35:39

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20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。

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△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。

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△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设备开发的企业之一,777ball盛世国际(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。

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△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。

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△西安赛隆搭载间热式电子枪的系列化SEBM设备

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△搭载间热式电子枪SEBM设备打印的钛合金髋臼杯

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△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

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△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)

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△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。

来源:南极熊3D打印微信公众号



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