電子銃のコア部品のブレークスルー、サイロンは間接加熱タングステン陰極電子ビーム金属3Dプリンターを発売

南極熊の紹介：選択電子ビーム溶融（SEBM）は、ユニークな金属積層造形技術です。この印刷技術は、エネルギー密度が高く、生産効率が高く、成形応力が低く、真空環境で汚染がないという特徴があります。SEBM技術は、チタンとチタン合金、耐火金属（タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ）、脆性材料（チタンアルミニウム合金）、銅や金などの高反射材料の急速成形に特に適しています。

2023年4月17日、南極熊は、西安サイロンが間接加熱タングステン陰極電子銃を搭載した商用電子ビーム金属3Dプリンターを初めて発売し、大量販売を開始したことを知りました。西安サイロンは間接加熱陰極の原理を採用し、SEBM技術とプロセス要件を組み合わせて構造革新と機能拡張を行い、高出力、高精度、長寿命、低コストの間接加熱電子銃を開発し、コアコンポーネントの独立制御を実現しました。

△SEBM技術で形成されたチタン合金整形外科用インプラント（写真提供：西安サイロン）
国内外におけるSEBM電子銃の開発履歴

装置の技術的ハードルが高いため、国内外で商用の電子ビーム3Dプリンター装置を製造できる企業は少ない。電子銃は SEBM 装置の核心であり、装置の成形サイズ、印刷精度、成形部品の品質と性能を決定します。選択的レーザー溶融（SLM）装置で使用される専用レーザーとは異なり、専用電子銃は現在国内外で市販製品がありません。各SEBM装置メーカーは、装置を開発する前に、まず専用電子銃を開発する必要があります。

近年、米国、中国、日本、スウェーデン、英国などではSEBM装置専用の電子銃の研究開発を強化しており、タングステンや単結晶LaB6をカソードとした直熱型電子銃が相次いで開発されている。タングステンをカソードとする直熱型電子銃は、第一世代の商用 SEBM 装置で使用されている電子銃です。低コストで性能が安定しているという利点がありますが、寿命が短い (<100 時間)、高出力時にビームスポット径が大きい (200～300 μm) などの欠点があります。

この問題を解決するために、関連企業はLaB6カソードを搭載した第2世代の直熱型電子銃を発売しました。タングステン陰極と比較すると、LaB6陰極は寿命が長い（＞500時間）、高出力（6kW）、ビームスポット径が小さい（140μm）などの利点がありますが、この材料で作られた陰極のコストは高く、1つの陰極の販売価格は10,000～15,000元です。さらに、LaB6 カソードは汚染されやすく、高い真空度 (10-4 Pa) を必要とするため、電子銃の使用およびメンテナンスのコストも増加します。低コストを追求する工業規模の生産では、直接加熱式のLaB6カソードは比較的「贅沢」です。したがって、電子銃のパワー、寿命、精度、コストの間の矛盾をどのように解決するかが、SEBM 装置と技術の発展を制限するボトルネックとなっています。
△直熱型電子銃の構造模式図
西安サイロン社の間接加熱タングステン陰極電子銃を搭載した商用SEBM装置

西安サイロン・アディティブ・テクノロジー株式会社（西安サイロン）は、中国で最も早く商用 SEBM 装置を開発した企業の 1 つであり、間接加熱タングステン陰極電子銃を搭載した商用 SEBM 装置を世界で初めて発売しました。

西安サイロン技術チームは、直熱式電子銃の問題を回避するために、陰極材料としてタングステンを使用し、間接加熱式陰極の原理を採用し、SEBM技術プロセス要件と組み合わせて構造革新と機能拡張を実施しました。彼らは、高出力、高精度、長寿命、低コストの間接加熱式電子銃を開発し、コアコンポーネントの独立制御を実現しました。

熱電子銃の最大出力は6kWに達し、広い小麦粉層を1300℃まで素早く予熱し、印刷効率を大幅に向上させることができると報告されています。電子銃のカソードアセンブリ全体の耐用年数は500時間以上で、これは直接加熱LaB6カソードの実際の耐用年数に匹敵し、大型部品や長期積層印刷の製造要件を満たします。カソードの断面特性を変えることで、高出力時のビームスポット径を制御でき、広範囲でビームスポット径<100μmの正確なスキャンを実現し、部品の高精度製造要件を満たします。電子銃カソードと補助カソードはともにタングステン製で、耐久性に優れ、直熱型LaB6カソードに比べてコストが30%未満であるため、部品の低コスト一括生産のニーズを満たします。

△ 熱電子銃の技術的パラメータ
西安サイロンは、さまざまな応用シナリオに対応するために、Y150 Plus（電子銃出力3kW、成形サイズ170×170×180 mm）、T200（電子銃出力6kW、成形サイズ200×200×450 mm）、H400（電子銃出力6kW、成形サイズ400×400×400 mm）など、さまざまな成形サイズとさまざまな出力の熱電子銃を備えた一連のSEBM装置を発売しました。関連装置は、医療用チタン合金、チタンアルミニウム、純銅などの複雑な部品の高精度、低コスト、大量生産に成功しました。 T200 SEBM装置を例にとると、この装置は1回のバッチ（100時間以内）で288個のチタン合金製寛骨臼カップを生産でき、ロッド補強材の多孔質部分の成形精度は0.1mm未満で、寛骨臼カップ1個あたりの製造コストは100元未満です。
△ 西安サイロンの熱電子銃を搭載したSEBM装置シリーズ
△熱電子銃を搭載したSEBM装置で印刷されたチタン合金寛骨臼カップ
△熱電子銃を搭載したSEBM装置で印刷された高精度チタン合金椎間固定装置
△間接電子銃を搭載したSEBM装置で印刷した多孔質チタン合金の表面設計図（左）と成形形態図（右）
△熱電子銃を備えたSEBM装置で印刷されたチタンアルミニウムブレードが炉から出ている
西安サイロン社の間接熱電子銃における技術的躍進は、我が国がSEBM設備の中核部品において重要な進歩を遂げ、自主的に制御可能で革新的な技術体系を徐々に確立してきたことを示し、関連分野におけるこの技術の大規模な推進と応用に強力な保証を提供している。

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