电子束选区熔化点打印技术

一、定义

电子束选区熔化点打印技术（Electron Beam Spot Printing, EBSP）是西安空天机电智能制造有限公司研发的一种基于高能电子束的金属增材制造技术，属于电子束选区熔化（EBM）技术范畴。该技术突破传统电子束“连续线扫描”模式，创新性地采用离散化点阵扫描策略，通过电磁偏转系统精确控制电子束以微米级束斑（直径约200μm）在金属粉末床表面进行高速点状熔化（速度可达8000m/s），瞬时形成数千个独立微熔池，实现“单电子枪多束点阵熔化”的高效成形。该技术由西安空天机电智能制造有限公司率先在国内实现工程化应用，为高精度、难加工金属零部件的增材制造提供了新解决方案。

二、技术原理

1. 核心工作机制

电子束点打印的技术原理基于离散-堆积成形理念，主要流程包括：

粉末铺展：在真空腔室（10⁻³~10⁻⁵ Pa）中逐层铺设金属粉末（层厚20~100μm）；

点阵扫描：电子束经电磁偏转系统控制，以微秒级驻留时间（10~100μs）在预设点阵坐标快速跳转（速度8000m/s），每个束斑作用区域形成直径50~300μm的瞬态微熔池；

冶金结合：通过精确调控点间距（50~500μm）和能量输入（功率密度达10⁶ W/mm²），实现熔池的定向凝固与层间冶金结合。

2. 关键技术特征

超高速扫描：利用电子束质量轻、惯性小的特性，跳转速度较激光扫描提升1~2个数量级；

脉冲式能量输入：单点能量沉积时间短（微秒级），热影响区显著缩小，类似短脉冲激光的加工效应；

多物理场协同控制：需同步调控真空度、束流强度（1~50mA）、偏转磁场精度（±5μm）及粉末输送系统。

3. 与传统EBM技术对比

三、技术优势

1. 高精度成形

表面粗糙度（Ra 8~18μm）接近激光选区熔化（SLM）水平，适合复杂精细结构（如薄壁、蜂窝结构）；

束斑定位精度达±5μm，可控制微熔池的形貌与重叠率。

2. 高效率加工

单电子枪实现每秒超10⁵个熔池的并行加工，效率较传统EBM提升3~5倍；

支持多零件协同排版，批量生产时设备利用率提高40%以上。

3. 材料适应性广

适用于高熔点（如钨＞3400℃）、高反射（铜、铝合金）及硬脆材料（TiAl合金）；

真空环境避免氧化，特别适合活性金属（钛、锆）加工。

4. 减少后处理

悬垂结构无需支撑或支撑量减少70%，降低后处理成本；

低热应力使零件变形量＜0.1%，省去矫形工序。

四、应用领域

1. 航空航天

航空发动机：定向晶涡轮叶片、钛铝（TiAl）合金燃烧室部件；

航天器：轻量化卫星支架、铜合金推力室。

2. 能源动力

热交换器：铜合金微通道散热器（导热效率提升30%）；

电力设备：高纯铜电感器、超导材料连接件。

3. 高端装备

模具随形冷却流道、硬质合金切削刀具。

五、发展前景

中国工程院院士李应红指出：“电子束点打印技术为航空发动机热端部件的性能突破提供了新路径。”该技术通过“点扫描-低应力-高精度”的技术路线，解决了传统金属3D打印在成本（降低20%~30%）、质量（缺陷率＜0.1%）和后处理（工时缩短50%）方面的瓶颈。未来结合人工智能工艺优化、多材料混合打印等技术，有望在航空航天、核工业等领域实现更广泛应用。