INGINERIA ȘI MANAGEMENTUL MATERIALELOR AVANSATE [626137]

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
FACULTATEA DE ȘTIINȚA ȘI INGINERIA MATERIALELOR
INGINERIA ȘI MANAGEMENTUL MATERIALELOR AVANSATE
– METALICE, CERAMICE ȘI COMPOZITE

– LUCRARE DE DISERTAȚIE –

Conducător științific, Absolvent: [anonimizat]. Univ. Munteanu Daniel Popa Ștefania

2020

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

2

Universitatea Transilvania din Brașov
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor
Departamentul de Știința Materialelor
Master: Ingineria și Managementul Materialelor Avansate – metalice, ceramice și
compozite – (IMMA)

Popa Ștefania

Fabricarea aditivă utilizând pulberi
metalice

– LUCRARE DE DISERTAȚIE-

2020

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

3

Cuprins
1. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ÎN DOMENIUL FABRICAȚIEI ADITIVE ………………………………………….. 5
1.1. Introducere ………………………………………………………………………………………………………………………… 5
1.2. Avantajele și dezavantajele tehnologiei de fabricație aditivă ………………………………………………….. 7
1.3. Metodologia fabricației aditive …………………………………………………………………………………………….. 8
1.4. Procedee de fabricație aditivă ………………………………………………………………………………………………. 9
1.4.1. Pulverizarea de material (Material Jetting) ………………………………………………………………………….. 10
1.4.2. Pulverizarea de liant (Binder Jetting) ………………………………………………………………………………….. 11
1.4.3. Extrudarea de material (Material Extrusion) ………………………………………………………………………… 12
1.4.4. Fuziunea în pat de pulbere (Power Bed Fusion) ……………………………………………………………………. 13
1.4.5. Depunerea directă de energie (Direct Energy Deposition) …………………………………………………….. 15
1.4.6. Laminarea în foi (Sheet Lamination) …………………………………………………………………………………… 16
1.5. Tehnologii de fabricație aditivă …………………………………………………………………………………………… 18
1.5.1. FDM – Modelarea prin extrudare termoplastică (Fused Deposition Modeling) ………………………… 18
1.5.2. SLA – Stereolitografia ………………………………………………………………………………………………………… 19
1.5.3. DLP – Expunerea digitală a luminii ……………………………………………………………………………………… 21
1.5.4. SLS – Sinterizare selectivă cu laser ………………………………………………………………………………………. 22
1.5.5. SLM – Topire selectivă cu laser …………………………………………………………………………………………… 23
2. FABRICAȚIA ADITIVĂ A PIESELOR FABRICATE CU PULBERI METALICE ………………………………………………. 24
2.1. Clasificarea sistemelor de fabricație pentru fabricația cu pulberi metalice ……………………………… 24
2.2. Avantaje și dezavantaje ……………………………………………………………………………………………………… 26
2.3. Provocări și tendințe viitoare ……………………………………………………………………………………………… 28
3. METALE COMUNE SAU ALIAJE UTILIZATE ÎN FABRICAȚIA ADITIVĂ …………………………………………………… 30
3.1. Aliaje de titanium ……………………………………………………………………………………………………………… 30
3.2. Oțeluri ……………………………………………………………………………………………………………………………… 31
3.3. Aliaje de aluminiu ……………………………………………………………………………………………………………… 32
3.4. Alte aliaje …………………………………………………………………………………………………………………………. 32
4. METALURGIE – ALIAJUL TI-6 AL4V ……………………………………………………………………………………………….. 33
4.1. Microstructura ………………………………………………………………………………………………………………….. 35
4.2. Proprietăți mecanice …………………………………………………………………………………………………………. 39
4.3. Tratament termic ………………………………………………………………………………………………………………. 41
4.4. Porozitate …………………………………………………………………………………………………………………………. 46

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

4

5. ÎNLOCUIREA TEHNOLOGIILOR CLASICE DE REALIZARE A PROTEZELOR CU TEHNOLOGII DE FABRICAȚIE
ADITIVĂ ÎN CAZUL ALIAJULUI Ti-6Al-4V ……………………………………………………………………………………………….. 46
5.1. Fabricarea implanturilor prin topire selectivã laser ………………………………………………………………. 47
5.2. Implanturi personalizate din Ti-6Al-4V fabricate prin proces SLM ………………………………………….. 51
6. CONCLUZII ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 54
BIBLIOGRAFIE…………………………………………………………………………………………………………………………………… 57

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

5

1. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ÎN DOMENIUL FABRICAȚIEI ADITIVE
1.1. Introducere

Fabricația aditivă este definită de Asociația Americană pentru Testarea Materialelor
(ASTM – American Society for Testing and Materials) ca “procesul de îmbinare a materialelor, de
obicei strat cu strat, în vederea realizării de obiecte tridimensionale pornind de la modelele de date
3D disponibile în fișierele CAD, proces complet diferit de metodologiile de fabricație substractive”.
Fabricația aditivă este, conform ASTM F2792, termenul oficial din industrie, având ca sinonim foarte
des folosit Imprimarea 3D (3D printing – 3DP). Tehnologiile de fabricație aditivă au avut o dezvoltare
majoră în ultima perioadă datorită beneficiilor pe care le aduc. Dintre acestea se pot aminti:
realizarea pieselor cu forme complexe, multitudinea de opțiuni pe care le oferă legate de designul
exterior al piesei și nu în ultimul rând, posibilitatea de modificare facilă a formei produsului finit fără
a mai fi necesară o pregătire suplimentară de fabricație.
Beneficiile integrării procedeelor de fabricație aditivă în procesele tehnologice sunt
multiple. Astfel, se pot aminti: utilizarea unei game mici de dispozitive și eventual scule, reducerea
numărului de operații efectuate până la obținerea produsului finit, eliminarea stocurilor de piese,
acestea fiind fabricate doar la cerere, și nu în ultimul eliminarea reziduurilor tehnologice generate
în procesul de fabricație cum ar fi șpanul și lichidelor de ungere și lubrifiere. În comparație cu
tehnologiile convenționale, tehnologiile aditive au un impact mult mai mic asupra mediului
înconjurător, în primul rând datorită materiei prime ce poate fi reutilizată, procedeele de fabricație
aditivă fiind utile în direcția dezvoltării durabile. [1]
Istoria procedeelor de fabricație aditivă poate fi studiată prin prisma brevetelor depuse în
acest domeniu, însă, deținerea unui brevet de invenție nu garantează succesul unei tehnologii,
metode sau echipament. Succesul final este dat de mai mulți factori economici și tehnologici
precum:
 costul de implementare al tehnologiei;
 suportul tehnic;
 complexitatea tehnologiei;
 costurile de operare;

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

6

 ușurința în utilizare;
 materia primă;
 legislația;
 competiția;
 cererea și utilitatea echipamentului și a produselor fabricate. [1]
În 2011 s-a înființat comitetul tehnic ISO TC 261 pentru Fabricație Aditivă având sarcina de
standardizare a proceselor, a procedurilor de testare, a terminologiei și a parametrilor de calitate,
iar la sfârșitul aceluiași an, ISO și ASTM au încheiat o înțelegere vizând elaborarea în comun a
standardelor pentru fabricația aditivă.
Astfel, până în momentul de față au fost adoptate următoarele standarde:
 ISO/ASTM 52915:2013 (Standard specification for additive manufacturing file format (AMF)
Version 1.1) – conținând specificații ale formatului de fișier standard pentru fabricația
aditivă. Formatul STL a fost standardul de facto pentru transferul de informații dintre
programele de proiectare și echipamentul de fabricație aditivă, dar necesitatea fabricării
pieselor multi-material, în culori diferite etc., s-a lovit de limitările STL, impunându-se
înlocuirea acestuia.
 ISO/ASTM 52921:2013 (Standard terminology for additive manufacturing – Coordinate
systems and test methodologies) – conține „termeni, definițiile termenilor, descrierile
termenilor și acronime asociate cu sistemele de coordonate, ca și metodologiile de testare a
tehnologiilor de fabricație aditivă, într-un efort de a standardiza terminologia folosită de
utilizatori, producători, cercetători, profesori, presă/media etc. Termenii includ și definiții
pentru mașini/sisteme și sistemele lor de coordonate, plus poziția și orientarea pieselor. Se
intenționează, acolo unde este posibil, să se asigure conformitatea cu ISO 841 și să se
clarifice adaptarea acestor principii la fabricația aditivă”. [2]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

7

1.2. Avantajele și dezavantajele tehnologiei de fabricație aditivă

Fabricarea aditivă prezintă o serie de beneficii față de fabricația tradițională:
– cantitatea de material necesară este mai mică decât cantitatea pentru o metodă
tradițională în care materialul este îndepărtat dintr-un bloc până la realizarea geometriei
piesei; întrucât piesa este construită în straturi de aditiv, cantitatea de material poate fi
controlată îndeaproape;
– fabricația de aditivi este capabilă să producă piese sau obiecte pe care metodele mai
tradiționale nu le pot face cu ușurință, cum ar fi crearea de piese multi-materiale și
obiecte biomedicale, inclusiv organe;
– timp de fabricație redus;
– consolidarea părților multiple: numărul articolelor dintr-un ansamblu poate fi redus prin
proiectarea ca o singură componentă complexă;
– crearea de articole personalizate;
– modificările necesare să fie aduse desenului piesei de prelucrat sau realizarea mai
multor variante pentru același obiect se pot realiza rapid, fără costuri prea mari. Aceste
variante, se pot executa în cantități mici, cu care se poate testa reacția pieței și definitiva
desenul pieselor ce vor fi executate ținând cont de propunerile clienților, pentru ca apoi
să devină produse vandabile mai mult timp. [3]
Există și o serie de dezavantaje, prezentate mai jos:
– implementarea tehnologiilor aditive scade mult ponderea costului mâinii de lucru în
costul total al produsului;
– selecția de materiale este limitată;
– investiția li mentenanța echipamentelor este costisitoare;
– în multe situații calitatea suprafeței și proprietățile mecanice ale pieselor printate sunt
inferioare celor obținute prin procedee tradiționale. [4]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

8

1.3. Metodologia fabricației aditive

Fabricația aditivă implică o serie de pași care fac trecerea de la descrierea CAD virtuală la
partea fizică rezultată. Folosind design-ul asistat de computer (CAD) sau scanerele de obiecte
3D, fabricația aditivă permite crearea de obiecte cu forme geometrice precise.
Pasi care trebuie urmați pentru a obține piesa finală sunt:
 Pasul 1: CAD
Primul pas în procesul de fabricație aditivă este realizarea modelului digital. Pentru
aceasta se folosește Computer Aided Design (CAD). Există multe programe CAD, care folosesc
diferite principii de modelare, capacități și politici de costuri. De exemplu se pot folosi Solidworks,
Autodesk Fusion 360, SketchUp . Ingineria inversă se poate utiliza pentru a genera un model digital,
prin scanare 3D.
 Pasul 2: Conversia la STL
În această etapă, un modelul digital este convertit într-un fișier STL (stereolithografie)
acceptat de către imprimantele 3D. Se poate selecta un model STL din bazele online existente
precum Pinshape, GrabCAD etc. Unele din aceste baze oferă modele gratis, altele contra cost.
 Pasul 3: Transmiterea STL catre aparat
În această etapă se verifică și repară potențiale erori ale fișierului STL. Erori tipice: lipsa
triunghiurilor, margini neconectate, inversări ale normalelor (o fațetă este percepută, greșit, ca
interior al piesei). Există software pentru manevrarea modelelor STL cum ar fi Meshlab,
3DPrintCloud, Netfabb etc. Dacă nu sunt erori, se pot face alte corecții: dimensionare, densitate,
modificări de geometrie. Se poate stabili, de asemenea, o orientare adecvată a modelului 3D. Odată
ce un fișier STL a fost generat, acesta este importat într-un program (slicer) care îl convertește în
cod G. Codul G este un limbaj de programare folosit in fabricarea asistată de calculator (CAM)
pentru controlul mașinilor unelte automate.
 Pasul 4: Configurarea aparatului
În această etapă, echipamentul este pregătit pentru imprimare. Procesul necesită setarea
corespunzătoare și controlul imprimantei 3D, curățarea mesei de lucru și încărcarea materiei prime.

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

9

Este necesară și o verificare de rutină a tuturor setărilor de imprimare principale și a panoului de
control. Când echipamentul este pregătit, se poate încărca fișierul pentru imprimare 3D.
 Pasul 5: Crearea piese
Procedura de imprimare 3D este, în mare parte, automată. În funcție de dimensiunea
obiectului, de materiale și de imprimantă, procedura poate dura de la câteva ore până la câteva
zile. Trebuie să se verifice, din când în când, să nu existe erori.
 Pasul 6: Îndepărtarea piesei
În majoritatea cazurilor, în imprimarea 3D non-industrială, înlăturarea obiectului imprimat
se face cu ușurință – se separă piesa imprimată de masa de imprimare.
 Pasul 7: Post-procesarea [5]
Procesarea pieselor după imprimare poate varia destul de mult, în funcție de tehnologia
de imprimare și de materialele folosite. De exemplu, o piesă imprimată prin SLA trebuie întărită sub
raze UV în timp ce una imprimată prin FDM poate fi manevrată imediat. Procesarea produsului final
poate include curățare manuală sau cu aer comprimat, lustruire, colorare și alte acțiuni care
pregătesc produsul pentru utilizarea finală.

1.4. Procedee de fabricație aditivă

Până în prezent au fost dezvoltate șapte tehnologii de bază pentru prelucrarea aditivă:
1. Pulverizare de material (Material Jetting) – procedeu de fabricație aditivă în care picături
de material sunt depuse selectiv.
2. Pulverizare de liant (Binder Jetting) – procedeu de fabricație aditivă în care un agent lichid
de legare (liant) este depus selectiv pentru a lega materialul sub formă de pulbere.
3. Extrudare de material ( Material Extrusion ) – procedeu de fabricație aditivă în care
materialul este distribuit selectiv printr-o duză sau orificiu.
4. Fuziunea patului cu pulberi ( Powder Bed Fusion ) – procedeu de fabricație aditivă în care
energia termică topește și leagă selectiv regiuni ale unui pat de material sub formă de
pulbere.

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

10

5. Laminare foi ( Sheet Lamination ) – procedeu de fabricație aditivă în care foi de material
sunt suprapuse pentru a forma un obiect.
6. Depunere cu energie directă ( Direct Energy Deposition ) – procedeu de fabricație aditivă în
care energia termică focalizată este utilizată pentru a lipi materiale prin topire. [2]

1.4.1. Pulverizarea de material (Material Jetting)
În acest proces, materialul este turnat pe platforma sau baza de turnare, apoi va fi
solidificat, iar modelul va fi construit strat cu strat. Materialul este depus dintr-o duză, apoi duza se
deplasează orizontal pe platforma bazei de turnare. Mașinile variază în funcție de complexitate, iar
metodele de control a depunerii materialului sunt diferite. Apoi straturile de material vor fi întărite
sau întărite cu o lumină ultravioletă (UV). [5]

Figura 1.1. Procesul de fabricație aditivă prin pulverizarea de material [5]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

11

1.4.2. Pulverizarea de liant (Binder Jetting)
Numele inițial a fost imprimarea tridimensională (3DP). Spre deosebire de alte procese de
imprimare, aceste procese tipăresc un liant într-un pat de pulbere pentru a fabrica o piesă. Prin
urmare, doar o parte mică din materialul piesei este dusă prin capul de imprimare. Cea mai mare
parte a materialului este compusă din pulbere în patul de pulbere. De obicei, picăturile de liant (80
μm în diametru) formează aglomerate sferice de lichid și particule de pulbere și leagă stratul
imprimat anterior. Odată tipărit un strat, patul de pulbere este coborât și un nou strat de pulbere
este răspândit pe el (de obicei printr-un mecanism de rulare contra-rotativ), foarte similar cu
metodele de recuperare utilizate în procesele de fuziune a patului de pulbere.Acest proces
(imprimarea liantului în pat; recuperarea patului cu un nou strat de pulbere) se repetă până când
partea sau setul de părți sunt finalizate.
În figura 1.2. este prezentată o schemă a procesului. Deoarece capul imprimantei conține
mai multe duze de evacuare, procesul oferă mai multe căi unidimensionale paralele pentru
modelare. Întrucât procesul poate fi scalat economic prin simpla creștere a numărului de duze de
imprimantă, procesul este considerat un proces scalabil, de modelare în linie. Astfel de realizări au
de obicei o viteză mare de depunere la un cost relativ redus (din cauza lipsei unei surse de energie
cu putere mare) , ceea ce este cazul mașinilor BJ. [5]

Figura 1.2. Procesul de fabricație aditivă prin binder jetting [5]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

12

Partea tipărită este lăsată, de obicei, în patul de pulbere pentru ca liantul să fie complet
setat și pentru ca aceasta să câștige rezistență. Post-procesarea presupune îndepărtarea părții din
patul de pulbere, îndepărtarea pulberii nelegate prin aer sub presiune și infiltrarea părții cu un filtru
pentru a o face mai puternică și, eventual, pentru a da alte proprietăți mecanice.

1.4.3. Extrudarea de material (Material Extrusion)
La tehnologiile de extrudare, materialul conținut în rezervor este forțat printr-o duză atunci
la aplicarea presiuni. Dacă presiunea rămâne constantă, atunci materialul extrudat rezultat va curge
în ritm constant și iar diametru va rămâne constant în secțiune. Acest diametru va rămâne constant
dacă deplasarea duzei pe suprafață de depunere este, de asemenea, menținută la o viteză
constantă care corespunde cu rata de flux. Materialul care este extrudat trebuie să fie într-o stare
semisolidă când iese din duză. Acest material trebuie să se solidifice complet rămânând în acea
formă. Mai mult, materialul trebuie să se lege cu materialul care a fost deja extrudat, astfel încât să
poată rezulta o structură solidă.

Figura 1.3. Procesul de fabricație aditivă prin extrudarea de material [5]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

13

Deoarece materialul este extrudat, mașina trebuie să fie capabilă să scaneze pe un plan
orizontal, precum și să pornească și să oprească fluxul de material în timp ce scanează. Odată ce un
strat este finalizat, mașina trebuie să se indexeze în sus sau să lase piesa în partea de jos, astfel
încât să poată fi produs un alt strat.
Există două abordări principale atunci când se utilizează un proces de extrudare. Cea mai
frecventă abordare este utilizarea temperaturii ca mod de control al stării materiale. Materialul
topit este lichefiat în interiorul unui rezervor, astfel încât să poată curge prin duză și să se lipească
de materialul adiacent înainte de solidificare. Această abordare este similară proceselor
convenționale de extrudare a polimerului, cu excepția extruderului montat vertical, în loc să rămână
într-o poziție orizontală fixă.
O abordare alternativă este utilizarea unei schimbări chimice pentru a determina
solidificarea. În astfel de cazuri, un agent de întărire, solvent rezidual, reacția cu aerul sau pur și
simplu uscarea unui material „umed” permite lipirea. Prin urmare, piesele se pot usca pentru a
deveni complet stabile. Această abordare poate fi utilizată cu materiale de pastă. În plus, poate fi
mai aplicabil aplicațiilor biochimice în care materialele trebuie să aibă biocompatibilitate cu celulele
vii, deci alegerea materialului este foarte restrânsă. [5]

1.4.4. Fuziunea în pat de pulbere (Power Bed Fusion)
Procesele de fuziune în strat de pulbere (PBF) au fost printre primele procese AM
comercializate. Dezvoltat la Universitatea din Texas din Austin, SUA, sinterizarea selectivă cu laser
(SLS) a fost primul proces comercializat de PBF. Metoda de funcționare este prezentată schematic în
figura 1.5. și toate celelalte procese PBF modifică această abordare de bază într-unul sau mai multe
moduri pentru a spori productivitatea mașinii si pentru a permite procesarea diferitelor materiale
și / sau de a evita caracteristici brevetate. Toate procesele PBF au un set de caracteristici de bază.
Acestea includ una sau mai multe surse termice pentru inducerea fuziunii între particulele de
pulbere, o metodă pentru controlul fuziunii pulberilor într-o regiune prescrisă a fiecărui strat și
mecanisme pentru adăugarea și netezirea straturilor de pulbere.
Cele mai frecvente surse termice pentru PBF sunt laserele. Procesele PBF care utilizează
lasere sunt cunoscute sub numele de mașini de sinterizare cu laser (LS).

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

14

Procesele LS au fost inițial dezvoltate pentru a produce prototipuri din plastic folosind o
tehnică de scanare laser. Această abordare a fost ulterior extinsă la pulberile metalice și ceramice;
acum sunt utilizate surse termice.

Figura 1.4. Procesul de fabricație aditivă prin fuziunea în pat de pulbere [5]

LS fuzionează straturi subțiri de pulbere (de obicei 0,075 – 0,1 mm grosime) care au fost
răspândite în zona de construcție folosind role de nivelare a pulberii contra-rotative. Procesul de
construcție a pieselor are loc în interiorul unei camere închise, umplute cu gaz de azot pentru a
minimiza oxidarea și degradarea materialului praf. Pulberea din platforma de construcție este
menținută la o temperatură ridicată chiar sub punctul de topire și / sau temperatura de tranziție a
sticlei. Încălzitoarele infraroșii sunt așezate deasupra platformei de construcție pentru a menține o
temperatură ridicată în jurul părții care se formează, precum și deasupra cartușelor de alimentare
pentru a preîncălzi pulberea înainte de a se răspândi în zona de construcție. În unele cazuri,
platforma de construire este, de asemenea, încălzită folosind încălzitoare rezistive în jurul

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

15

platformei de construcție. Această preîncălzire a pulberii și menținerea unei temperaturi ridicate și
uniforme în platforma de construcție este necesară pentru a minimiza cerințele de putere cu laser
ale procesului (cu preîncălzire, este necesară mai puțină energie cu laser pentru fuziune) și pentru a
preveni deformarea piesei în timpul construirii.
Odată ce un strat de pulbere adecvat a fost format și preîncălzit, un fascicul laser CO 2
concentrat este direcționat pe patul de pulbere și este mutat folosind galvanometre astfel încât să
fuzioneze termic materialul pentru a forma secțiunea transversală. Pulberea înconjurătoare rămâne
liberă și servește ca suport pentru straturile ulterioare, eliminând astfel necesitatea suporturilor
secundare necesare proceselor de fotopolimerizare cu cuptor.
După completarea unui strat, platforma de construcție este scăzută cu o grosime de un strat
și este așezat și nivelat un nou strat de pulbere cu ajutorul rolei contra-rotative. Fasciculul scanează
secțiunea transversală a următorului strat. Acest proces se repetă până când se construiește partea
completă. O perioadă de răcire este ne obicei necesară pentru a permite pieselor să ajungă uniform
la o temperatură suficient de scăzută, încât să poată fi manipulate și expuse la temperatură și
atmosferă.
Dacă părțile și / sau patul de pulbere sunt expuse prematur la temperatură și atmosferă
ambientală, pulberile se pot degrada în prezența oxigenului și părțile se pot deforma din cauza
contracției termice inegale. În cele din urmă, părțile sunt îndepărtate din patul de pulbere, pulberea
liberă este curățată de piese și sunt efectuate operațiuni de finisare ulterioară, dacă este necesar.
[5]

1.4.5. Depunerea directă de energie (Direct Energy Deposition)
Procesele de depunere directă a energiei (DED) permit crearea de piese prin topirea
materialului pe măsură ce acesta este depus. Deși principiul de bază este făcut pentru polimeri,
ceramică și compozite cu matrice metalică, acest proces este utilizat predominant pentru pulberile
metalice. Astfel, această tehnologie este adesea denumită tehnologia „depunerii de metale”. DED
procesează energia directă într-o regiune îngustă, concentrată, pentru a încălzi un substrat, topind
substratul și topind simultan materialul care este depus în bazinul de topit al substratului. Procesele

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

16

DED nu sunt utilizate pentru a topi un material care este pre-așezat într-un pat de pulbere, ci sunt
utilizate pentru a topi materiale pe măsură ce acestea sunt depuse.

Figura 1.5. Procesul de fabricație aditivă prin depunere directă de energie [5]

Procesele DED utilizează o sursă de căldură focalizată (de obicei, un laser sau un fascicul de
electroni) pentru a topi materialul de alimentare și a construi obiecte tridimensionale. Fiecare
trecere creează o pistă de material solid, iar liniile adiacente de material alcătuiesc straturi.
Geometria tridimensională complexă necesită fie un material de sprijin, fie un cap de depunere
multiaxis. [5]

1.4.6. Laminarea în foi (Sheet Lamination)
Una dintre primele tehnici de fabricare a aditivilor comercializați (1991) a fost Fabricarea
obiectelor din foi laminate (LOM). LOM a implicat laminarea strat cu strat a foilor de material, tăiate
cu un laser CO 2, fiecare foaie reprezentând un strat transversal al modelului CAD al piesei. În LOM,
porțiunea foii care nu este conținută în partea finală este tăiată în cuburi de material folosind o
operație de tăiere transversală.

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

17

Figura 1.6. Procesul de fabricație aditivă prin laminare în foi [5]

În figura 1.6. poate fi văzută o schemă a procesului LOM. O serie de alte procese au fost
dezvoltate pe baza laminării foilor care implică alte materiale de construcție și strategii de tăiere.
Datorită principiului construcției, numai contururile exterioare ale pieselor sunt tăiate, iar foile pot
fi tăiate, apoi stivuite sau stivuite și apoi tăiate. Aceste procese pot fi clasificate în continuare pe
baza mecanismului folosit pentru a realiza lipirea între straturi: lipire simplă sau lipire adezivă, lipire
termică, prindere și sudare cu ultrasunete. [5]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

18

1.5. Tehnologii de fabricație aditivă
1.5.1. FDM – Modelarea prin extrudare termoplastică (Fused
Deposition Modeling)

Tehnologia de prototipare rapidă FDM – Modelare prin extrudare termoplastică (depunere
de material topit) sau depunere de filament de material, este cea mai utilizată tehnologie de
fabricare aditivată, datorita simplității și accesibilității acesteia. Este utilizată în modelare, în
prototipare dar și în aplicații de producție.
Cu ajutorul unei aplicații dedicate, de tip software, modelul 3D dorit este feliat inițial în
secțiuni transversale numite straturi (layere). Tehnologia de printare constă în trecerea unui
filament din material plastic printr-un extrudor, care îl încălzește până la punctul de topire,
aplicându-l apoi uniform (prin extrudare), strat peste strat, cu mare acuratețe, pentru a printa fizic
modelul 3D, conform fișierului CAD.
Capul (extrudorul) este încălzit pentru a topi filamentul plastic, deplasându-se atât pe
orizontală, cât și pe verticală, sub coordonarea unui mecanism de comandă numerică, controlat
direct de aplicația CAM a imprimantei. În deplasare, capul depune un șir subțire de plastic extrudat,
care la răcire se întărește imediat, lipindu-se de stratul precedent, pentru a forma modelul 3D dorit.
[11]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

19

Figura 1.7. Principiul tehnologic FDM [6]

Pentru a preveni deformarea pieselor, cauzată de răcirea bruscă a plasticului, unele modele
profesionale de printere 3D includ, din construcție, o cameră închisă, încălzită la temperatură
ridicată. Pentru geometrii complexe sau pentru modele în consolă, tehnologia FDM necesită
printarea cu material suport, care va trebui ulterior îndepărtat manual.

1.5.2. SLA – Stereolitografia
Stereolitografia (SLA sau SL) este o tehnologie de prototipare rapidă, utilizată pe scară
largă în mediul industrial, pentru realizarea matrițelor, modelelor și chiar a componentelor
funcționale. Cunoscută și sub numele de foto-solidificare sau fabricare optică, stereolitografia
implică utilizarea unui fascicul laser cu lumină ultravioletă pentru solidificarea unei rășini
fotopolimerice lichide, aflată în cuva de construcție a imprimantei. Sub acțiunea luminii laser

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

20

ultraviolete această rășină curabilă (sensibilă la lumina ultravioletă) se solidifică în straturi
succesive, obținându-se astfel modelul solid 3D.
Modelul 3D dorit este feliat inițial în secțiuni transversale, pe care fasciculul laser le
trasează pe suprafața rășinii lichide. Expunerea la lumina laser ultravioletă solidifică modelul trasat
pe rășina lichidă, rezultând un strat solid construit (printat 3D), care se adaugă la stratul precedent
construit.
După finalizarea construcției, modelul 3D obținut este imersat într-o baie chimică
separată, pentru îndepărtarea excesului de rășină, după care este tratat într-un cuptor cu radiații
ultraviolete pentru întărirea finală. [11]

Figura 1.8. Principiul stereolitografiei [9]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

21

1.5.3. DLP – Expunerea digitală a luminii
Tehnologia de printare DLP (Digital Light Processing) reprezintă un proces de fabricare
aditivă bazat pe utilizarea luminii UV, pentru solidificarea unor rășini polimerice lichide. Dezvoltată
de Texas Instruments, tehnologia DLP are ca element principal cipul DMD (Digital Micromirror
Device) – o matrice de micro-oglinzi, folosite pentru modularea spațială rapidă a luminii. Inițial,
modelul 3D CAD este convertit de aplicația software a imprimantei 3D în secțiuni transversale (felii)
ale obiectului, apoi, informațiile sunt trimise către imprimantă și către cipul DMD.
Pentru fiecare secțiune transversală a modelului 3D CAD, lumina UV emisă de un proiector
este modulată și proiectată prin intermediul cipului pe suprafața rășinii polimerice, aflată în cuva de
construcție.
Fiecare micro-oglindă individuală a cipului DMD proiectează pixeli din secțiunea transversală
a modelului 3D. Sub acțiunea luminii UV, rășina lichidă fotoreactivă (sensibilă la lumina ultravioletă)
se solidifică în straturi succesive. [11]

Figura 1.9. Principiul expunerii digitale a luminii[9]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

22

1.5.4. SLS – Sinterizare selectivă cu laser
Este o tehnologie bazată pe sinterizarea (topirea) a stratului de pulbere de pe masa de lucru,
care se deplasează pas cu pas pe verticală în jos la formarea fiecărui strat, prin intermediul unui
laser de putere mare. Între etapele vecine de formare a straturilor un tăvălug (cilindru, tambur) din
cuva vecină, unită prin intermediul unui platou (platforme, plan), aduce (împinge, alimentează) un
adaos de material, formând un strat nou subțire, nivelat, întins uniform, de pulbere deasupra
suprafeței deja prelucrate și neprelucrate. La finele procesului, produsul se află scufundat integral în
această masă de pulbere (infiltrare). [12]
Este o tehnologie disponibilă la prețuri mari (de la aproximativ 100 000 EUR). Viteza de
prelucrare este medie, iar precizia este bună. Se obțin produse cu geometrii extrem de complexe,
rezistente la temperaturi ridicate, fără utilizarea materialelor de suport și care nu necesită finisarea
ulterioare. [12]

Figura 1.10. Principiul sinterizării selective cu laser [13]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

23

1.5.5. SLM – Topire selectivă cu laser
Topirea selectivă cu laser (Selective Laser Melting) este un procedeu de fabricație aditivă
care folosește fișierele 3D CAD ca sursă de informație digitală, și energie sub forma unei raze laser
de mare energie, pentru a obține piese metalice tridimensionale prin topirea pulberilor metalice.
[1]
Figura 1.11. Principiul sinterizării selective cu laser [9]

Procesul SLM pornește cu secționarea în straturi cu grosimi între 20 și 100 micrometri a
fișierului 3D CAD și generarea a câte o imagine 2D pentru fiecare strat. Această informație este
salvată într-un fișier de tip STL. Fișierul STL este apoi încărcat într-un pachet de programe de
postprocesare ce precizează parametrii de lucru și generează suporții de fabricare ce permit ca
fișierul să fie interpretat și rulat pe diferite tipuri de mașini. Se topesc selectiv straturi subțiri de
pulbere metalică atomizată, pulbere care este distribuită cu ajutorul unui mecanism de împrăștiere
pe un placă de substrat (sau construcție), de obicei metalică, ce este fixată pe o masă de indexare
cu deplasare pe axa verticală (Z). Toate acestea au loc într-o cameră ce are o atmosferă controlată

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

24

de gaz inert, azot sau argon cu nivel de oxigen sub 500 părți/milion. După distribuirea unui strat de
pulbere, fiecare secțiune 2D a geometriei piesei este îmbinată prin topirea selectivă cu laser a
pulberii metalice. Acest lucru este realizat cu o rază laser de mare putere, de obicei un laser de tip
ytterbium care are o putere de sute sau mii de wați. Raza laser este ghidată pe axele X și Y cu
ajutorul a două oglinzi de înaltă frecvență. Energia laserului este suficient de intensă încât să
permită topirea completă (sudarea) particulelor pentru a crea o formă metalică solidă. Procesul
este repetat strat cu strat până când piesa este fabricată în totalitate. [1]
O tehnologie similara este EBM (Electron Beam Melting), doar că topirea și sudarea stratului
de pulberi metalici se realizează prin intermediul fasciculelor de electroni.

2. FABRICAȚIA ADITIVĂ A PIESELOR FABRICATE CU PULBERI METALICE

2.1. Clasificarea sistemelor de fabricație pentru fabricația cu pulberi metalice
Fabricarea aditivă pentru materiale metalice reprezintă un grup de procese de fabricație
noi, formative prin care componentele funcționale sunt produse direct de la un model digital.
Componentele sau structurile metalice sunt fabricate într-o manieră secvențială prin adăugare de
material strat cu strat, în cazul procesului energetic direcționat sau consolidare selectivă a
pulberilor, cum ar fi procesul de fuziune a patului de pulbere. Componentele produse cu aceste
procese pot cuprinde volume de material cuprins între aproximativ 1 cm3 și mai mare de 1 m3.
Interacțiunea materialului, sursei de energie, sistemului de mișcare, senzori și controale care
guvernează procesele de fabricație aditivă reprezintă a o gamă largă de inginerie și principii
științifice. [14]
Sistemul poate fi clasificat în funcție de materia primă, sursa de energie, volumul de
construcție, etc.
Sistemele de fabricație pot fi împărțite în trei mari categorii ținându-se cont și de sursa de
energie (fascicul de electroni, laser, arc etc.):
 sisteme de pat de pulbere
În general, volumele de construcție ale acestora sunt mai mici de 0,03 m3. ARCAM, o
companie suedeză, produce singurul sistem cu fascicul de electroni cu pulbere, ARCAM A2.

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

25

Un pat de pulbere este creat prin creșterea pulberii în toată zona de lucru. Sursa de energie
(fascicul de electroni sau rază laser) este programată pentru a furniza energie pe suprafața
patului topind sau sinterizând pulberea în forma dorită. Pulbere suplimentară este
răsturnată în toată zona de lucru, iar procesul se repetă pentru a crea o componentă solidă
tridimensională. Avantajele acestui sistem includ capacitatea sa de a produce caracteristici
de înaltă rezoluție, pasaje interne și de a menține controlul dimensional.

 sisteme de alimentare cu pulbere
Volumele de formare ale acestor sisteme sunt în general mai mari. În aceste sisteme,
pulberile sunt transportate printr-o duză pe suprafața de construcție. Un laser este utilizat
pentru a topi un monostrat sau mai multă pulbere în forma dorită. Acest proces se repetă
pentru a crea o componentă solidă tridimensională. Există două tipuri de sisteme dominante
pe piață : Piesa de lucru rămâne staționată și capul de depunere se mișcă și capul de
depunere rămâne staționat, iar piesa de lucru este mutată. Avantajele acestui tip de sistem
includ construcția sa mai mare.

Figura 2.1.Sistem de alimentare cu pulbere [7]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

26

 sisteme de alimentare cu sârmă
În general, sistemele de alimentare cu sârmă sunt potrivite pentru procesarea cu o rată
mare de depunere și au volume mari de construcție; cu toate acestea, produsul fabricat
necesită, de obicei, o prelucrare mai extinsă decât o fac sistemele de pat sau pulbere.

Figura 2.2 Sistem de alimentare cu sârmă [7]
2.2. Avantaje și dezavantaje
Tabelul 1 prezintă avantajele și dezavantajele fiecărui tip de tehnologie curentă de fabricație
aditivă pentru metale:
Tehnologia de
fabricație
Etape de procesare
Avantaje
Dezantaje

SLM/SLS ●preîncălzirea patului de pulbere
●umplerea camerei cu gaz inert
pentru evitarea oxidării
●scanarea cu laser
●răcirea sistemului de fabricație și
îndepărtarea pieselor – ideală pentru
piese cu geometrii
complexe
– nu necesită
material de suport
– finisajul de
suprafată superior
față de cel obținut
prin alte tehnici – nu se pot produce
piese care să conțină
mai multe materiale
– în unele cazuri este
necesară aplicarea
unor tratamente
termince post-
procesare

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

27

EBM ●aspirarea camerei pentru a se
evita oxidarea și interacțiunea cu
fasciculul
●preîncălzirea patului de pulbere
înaintea depunerii fiecărui strat de
material
●fuziunea patului de pulbere prin
aplicarea fasciculului de electroni
● aplicarea tratamentului termic
opțional în vid
●răcirea sistemului și
îndepărtarea pieselor
– produsele
rezultate prezintă
tensiune reziduală
scăzută
– procesarea în vid
previne oxidarea

– limitări de mărime
– mașinării scumpe

DED

●alimentarea cu pulbere
● umplerea camerei cu gaz inert
pentru evitarea oxidării
●depunerea pulberilor prin
acționarea laserului
●îndepărtarea laserului în vederea
răcirii piesei
– procesarea de
structuri dense ce
permit controlul
caracteristicilor
microstructurale
– controlul
compoziției
– depunere de
materiale multiple
și gradiente

-rezoluție slabă
-finisajul suprafeței
slab calitativ

ALIMENTAREA
PE BAZĂ DE
SÂRMĂ ●alimentarea cu materie primă
(sârmă)
●utilizarea unui gaz de protecție
pentru prevenirea oxidării
●scanarea arc/laser cu depunere -utilizarea sârmei
metalice ca și
materie primă,
care este mult mai
ușor de manevrat -nu este foarte
precisă în
dimensionare
-necesită
tratamente post-

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

28

de sârmă în substraturi
●îndepărtarea laserului în vederea
răcirii piesei comparativ cu
pulberea metalică procesare
Tabelul 1. Avantajele și dezavantajele fabricației aditive pentru materiale metalice [6]

2.3. Provocări și tendințe viitoare
În ultimele trei decenii, fabricația aditivă de materiale metalice a transformat industriile de
fabricație. Datorită capacității unice de a personaliza fiecare produs, fabricația aditivă este foarte
cunoscută în modelulare și fabricația cu volum redus. O astfel de tehnologie este necesară, de
exemplu, pentru implanturile medicale sau pentru piesele din industria aerospațială, dar este
potrivită pentru fabricarea unui volum mare de piese funcționale. Mai mult, fabricația aditivă de
piese metalice a prezentat, de asemenea, o cerere semnificativă în ultimii ani, iar unele dintre
sistemele PBF sunt proiectate special pentru a răspunde acestor nevoi. Din cauza solidificării fără
echilibru în fabricația aditivă, noile componete trebuie să fie proiectate special pentru operațiunile
de fabricație aditivă, în loc să împrumute compoziții de pulbere de metal din industria metalurgiei
pulberilor.
Monitorizarea online pentru detectarea defectelor este o altă zonă importantă pentru
reducerea pieselor de proastă calitate. Dezvoltarea tratamentelor postprocesare pentru reducerea
rezidurilor și îmbunătățirii calitații suprafeței sunt importante pentru piese procesate. Metodele de
testare nedistructivă sunt din ce în ce mai importante pentru fabricarea componentelor. În cele din
urmă, toleranțele dimenice și proprietățile izotrope sunt întotdeauna provocări în fabricația aditivă
și constituie un subiect activ de cercetare pentru anii următori.
În ceea ce privește direcțiile viitoare, fabricația aditivă a diferitelor structuri reprezintă un
subiect interesant pentru următorul deceniu. Modernizarea mașinariilor va influența îmbunătățirea
fiabilității pieselor. Monitorizarea in situ a operațiunilor va deveni mai sofisticată pentru a minimiza
intervențiile operatorilor. Parametrii de prelucrare a metalului metalic ar putea afecta puternic
microstructurile și proprietățile mecanice ale pieselor tipărite. Prin urmare, înțelegerea efectelor
parametrilor de procesare este esențială. Pentru examinări, cercetătorii au investigat variația de
microstructură a aliajelor Fe-Co (figura 3v) și AlCoCrFeNiTi 0,5 HEA (figura 3vi) cauzată de variația

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

29

parametrilor de procesare printr-o tehnologie DED. Conform rezultatelor caracterizărilor, a fost
observată micro-morfologia diferită utilizând diverși parametri de procesare. În plus, microstructura
și formarea fazelor au fost direct legate de proprietățile mecanice ale materialelor fabricate. Mai
mult, dacă s-ar putea stabili o bază de date despre corelația temperaturii / vitezei de răcire față de
formarea microstructurii, se va putea prezice sau chiar manipula proprietăților mecanice ale
materialelor metalice fabricate. Întrucât parametrii de prelucrare a fabricației a aceluiași material
diferă de la mașină la mașină, crearea unei astfel de baze de date ar putea, de asemenea,
standardiza procesarea fabricație aditive a materialelor metalice pentru a crește reproductibilitatea.
Mai mult, analiza elementelor finite (FEA) cu algoritmi optimizați ar putea fi utilizată pentru
optimizarea topologiei. Utilizarea modelării numerice avansate influența foarte mult proiectarea și
percepe problemele potențiale în prealabil, ceea ce ar putea reduce foarte mult timpul petrecut în
experimentare și, ulterior, fabricare. [15]

Figura 2.3. (v) Hărțile EBSD ale LENSTM – variația de microstructură a aliajelor Fe-Co
(vi) Microstructura și harta EBSD a AlCoCrFeNiTi 0.5 procesată de LENSTM [14]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

30

3. METALE COMUNE SAU ALIAJE UTILIZATE ÎN FABRICAȚIA ADITIVĂ
3.1. Aliaje de titanium

Aliajele de titanium sunt cele mai studiate materiale metalice utilizând fabricarea
aditivă. Acestea sunt utilizate în multe aplicații aerospațiale și biomedicale, datorită rezistenței
specificice ridicate și rezistenței la rupere, au o bună formabilitate, o rezistență excelentă la
coroziune și oboseală, precum și o bună biocompatibilitate. Multe studiouri au arătat că aliajele de
Ti pot fi prelucrate prin aplicarea diferitelor metode AM, cum ar fi fuziunea în paturi de pulbere
(PBF) și depunerea directă de energie (DED). Microstructura aliajelor de Ti prezintă granule în formă
de coloană datorită solidificării rapide în timpul procesului de fabricare aditivă. O astfel de structură
se găsește în mod normal în piesele prelucrate și tind să se mărească prin aplicarea de straturi de-a
lungul direcției de construire. Studiile au arătat că în procesul de fabricație aditivă a probelor de s-a
obținut o fază martensitică, ceea ce duce la creșterea rezistenței.
De asemneam, studii recente demonstrează că structurile complexe, cum ar fi structurile
poroase și cele cu zăbrele, pot fi fabricate folosind aliajele AM ale Ti (figura 3.1.). [14]

Figura 3.1. Caracterizarea SEM și imagistica digitală a testelor de compresie ale SLM pe structura de
grilă Ti6Al4V [14]

Proprietățile mecanice ale structurilor poroase și cele ale celor sub formă de zăbrele
obținute prin fabricația aditivă ale aliajelor Ti au capacități de absorbție a energiei și rezistența
marită la impact în comparație cu Ti.

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

31

Deoarece implanturile de titan tipărite 3D au fost deja aprobate de Administrația SUA
pentru Alimente și Medicamente (FDA), acestea ar putea aduce beneficii semnificative pentru
implanturile medicale. [14]

3.2. Oțeluri
Prin intermediul fabricării aditive, au fost prelucrate diverse oțeluri precum austenite,
martensite și oțeluri înalt aliate. Comparativ cu oțelurile produse în mod convențional, oțelurile
fabricate cu FA prezintă microstructuri și faze de precipitare diferite, ceea ce poate duce la variații
de proprietăți mecanice. Microstructurile de oțeluri prelucrate FA prezintă caracteristici fine și
texturate cristalistic datorită solidificării rapide, precum și condiții de neechilibru.

Figura 3.2. Microstructura și caracterizarea EBSD a oțelului H13 fabricat SLM [14]

Tratamentul termic se aplică în mod obișnuit pe oțelurile fabricate cu FA pentru a dobândi
proprietățile dorite. Studiile au arătat că SS316L prelucrat prin tehnica fuziunii în pat de pulbere
bazată pe laser are granule complet austnitice și columnare, cu mărimea granulelor aproximativ 1
µ.m., mai fin în comparație cu SS316L fabricat convențional. În plus, studiile au arătat că atât fazele
austricitice cât și cele ferritice au fost obținute din SSD316L procesat prin depunere directă de
energie. În depunerea directă de energie, procesul de microsegregare în timpul solidificării are ca
rezultat îmbogățirea cantitășii de Cr și Mo, stabilizați în stare feritică.
Mai mult decât atât, cercetătorii au raportat că fuziunea în patul de pulberi a făcut ca
materiale SS austenitice să își îmbunătățească rezistenț. Cu mașinile noi de FA, este posibilă

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

32

monitorizarea și controlul ratei de răcire prin reglarea parametrilor de procesare pentru a obține
legături mecanice personalizate corespunzătoare ale oțeluri.

3.3. Aliaje de aluminiu
Aliajele actuale de aluminum care pot fi ușor fabricate aditiv sunt încă limitate datorită
absorbției slabe a laserului și a sudabilității scăzute a aliajelor Al. Cele mai frecvente aliaje Al pentru
FA sunt aliajele eutectice Al-Si și Al-Si-Mg (de exemplu, Al12Si și AlSilOMg). Aceste aliaje conțin Si,
care îmbunătățește absorbția laserului.
Cercetările au arătat că materialul Al12Si fabricat aditiv are o structură microfină cu Si
eutectic încorporat în matricea Al care îmbunătățește proprietățile termice. Un alt studiu a arătat că
AlSil0Mg prelucrat în pat de pulbere pe bază de laser a avut o rezistență excepțională la eroziunea
cavitației în comparație cu același material pregătit prin turnare datorită microstructurii de granule
fine dezvoltată de procesarea FA. [14]

3.4. Alte aliaje
Aliajele pe bază de nichel și aliajele de entropie (HEA) au atras atenția datorită
proprietăților lor unice. Aceste tipuri de aliaje sunt utilizate în principal în aplicații cu mediu extrem,
cum ar fi temperaturi ridicate și condiții corozive . Aliajele pe bază de nichel sunt în mod obișnuit
dificil de prelucrat din cauza prelucrării lor slabe. Deși aliajele pe bază de nichel pot fi prelucrate
prin metode convenționale, cum ar fi turnarea și metalurgia pulberilor, aceste metode nu pot
fabrica piese cu geometrii complexe. Probleme similare apar la prelucrarea aliajelor de entropie. În
plus, HEA-urile fabricate convențional au limitări considerabile în ceea ce privește proprietățile
mecanice ale microscopiei rafinate.
Rezultatele recente arată posibilitatea utilizării tehnologiilor metalice FA pentru a prelucra
aliaje pe bază de nichel și HEA pentru a depăși problemele cauzate de metodele convenționale.
Studiile au arătat că structurile cu zăbrele lnconel 625 fabricate prin sinterizare selectivă cu laser
(SLM) au o ductilitate excepțională, care poate fi un material potrivit pentru aplicațiile de absorbție
a energiei. [14]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

33

Figura 3.3. Vizualizare izometrică, rezumări de simulare grafică și numerică ale testului de
compresie a structurii fabricate SLM Inconel 625 [14]

4. METALURGIE – ALIAJUL TI-6 AL4V

Până în prezent, doar un număr restrâns de aliaje au fost folosite în fabricația aditivă, însă
odată cu dezvoltarea acesteia, din ce în ce mai multe aliaje au început să prezinte interes pentru
această tehnologie.
Titanul este un metal introdus in industrie destul de recent, în comparație cu oțelurile sau chiar
aliaje de aluminiu. Titanul a fost considerat o dată un metal rar, dar în zilele noastre este unul dintre
cele mai importante metale din industrie. El are numărul atomic 22 și o greutate atomică de 47,9. În
formă elementară, titanul are un punct de topire ridicat (1668°C) și dispune de o structură cristalină
hexagonală α compacta (hc), până la o temperatură de 882,5°C. Peste această temperatură
structura este cubică centrală (cvc). În funcție de elementele de aliere temperatura de transformare
poate crește sau descrește.
Cel mai utilizant si cel mai comun aliaj al titanului este Ti-6Al-4V, apărut în SUA în 1954. Fiind
al patrulea cel mai abundent element metalic în scoarța Pământului, titanul este potrivit pentru cele

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

34

mai multe aplicații de inginerie datorită combinației sale remarcabile de proprietăț. Aliajele de titan
sunt recunoscute pentru rația duritate-greutate și rezintența la coroziune, prezentând astfel un real
interes pentru aplicații cu durată lungă de functionare, în care este nevoie de componente
structurale ușoare, precum aeronave, dispozitive medicale și implanturi sau industria petrochimică.
Cu toate acestea, reactivitate mare a titanului face ca extracția și prelucrarea sa fie
costisitoare. Analiza raportului performanță-cost este în curs de desfășurare, prin dezvoltarea de
noi metode de extracție, prelucrare prin noi tehnici, proiectarea de noi aliaje și o mai bună
înțelegere a mecanismelor care îmbunătățesc proprietățile. [15]
În figura 3.1 este schițat profilul termic noțional al unui singur strat de Ti-6Al-4V în timpul
fabricației aditive:

Figura 4.1. Profilul termic noțional al unui singur strat de Ti-6Al-4V în timpul fabricației
aditive [15]

În fabricația aditivă, materialul de alimentare pentru componentele din Ti-6Al-4V este sub
formă de pulbere. În DED, pulberea metalică trebuie să treacă prin duză sau setul de duze folosite
pentru conducerea pulberii la camera de topire și diametrul acestora este cuprins între 45 μm – 250

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

35

μm. Astfel, grosimea staturilor este cuprinsă 0.25– 0.5 mm. În PBF, pentru a obține straturi cu o
grosimea mai mică trebuie utilizate pulberi cu diametrul între 30 μm to 50 μm pentru a obține
straturi cu grosimea cuprinsă între 5 μm – 80 μm.

4.1. Microstructura
Datorită solidificării rapide, urmată de adăugarea de material strat cu strat, microstructurile Ti-
6Al-4V obținute în urma procesului de fabricație aditivă sunt anisotrope și constau în grăunțe tip β
care se suprapun pe stratul depus anterior, atât în DED, cît și în PBF. În figura 4.2. a) si 4.2.c) sunt
prezentate morfologia grăunțelor pentru DED și PBF
În funcție de viteza de răcire și ciclurile termice ulterioare, microstructura staturilor depuse
anterior diferă. Rata de răcire depinde de mai mulți factori, inclusive geometria piesei, interiorul
piesei, viteza de flux a gazului de procesare, puterea laserului, viteza de scanare a laserului și
modelul de scanare cu laser. Se observă că Ti-6Al-4V fabricat de DED, are o gamă de microstructuri
asimilate, clasificate în primul rând ca fiind “coș de baschet“ Widmansta, acicular sau martensitic.
Adesea, limita discontinuă a unei faze este observată pe limita grăunților tip β. Microstructura din
interiorul grăunțor tip β din Ti-6Al-4V depus prin metoda PBF poate fi aciculară sau martensitică. În
figura 4.2 b) și 4.2.c) sunt prezentate morfologia tip “coș de baschet” pentru tehnica DED și
morfologia aciculară pentru PBF.

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

36

Figura 4.2. Micrografii de macrostructura și microstructura fină a Ti-6Al-4V fabricate prin:
(a) DED folosind o putere laser de 2 kW
(b) DED cu un zoom de inserție
(c) PBF folosind un 400- W laser
(d) PBF cu un zoom de inserție [16]

În toate micrografele, direcția de construcție este verticală, iar straturile ulterioare sunt
orizontale.
După fabricați aditivă a Ti-6Al-4V se aplică tratamente termice pentru a omogeniza sau înăspri
microstructura. În Ti-6Al-4V, β-transus, care este definită ca temperatura la care care are loc

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

37

transformarea completă în faza β și este de aproximativ 10000C. Tratamentele termice efectuate
sub sau peste β-transus se numesc tratamente termice sub-transus sau, respectiv, super-transus.

Răspunsul Ti-6Al-4V la tratamentul termic sub-transus depinde de structura unei faze α
preexistente, deoarece structura grăunților tip β nu se schimbă. În special, recristalizarea este
limitată de mărimea structurilor α sub formă de coloane. Întrucât acestea sunt foarte mici în
materialul produs, tratamentul termic sub-transus produce o înăsprire limitată, iar rata de răcire are
un efect redus. Grăunții tip β columnari sunt păstrați în timpul tratamentelor termice sub-transus.
În tratamentele termice super-transus, structura grăunților tip β se recristalizează într-o
morfologie echiaxată, iar structura fazei α depinde foarte mult de viteza de răcire.
Ti-6Al-4V prelucrat convențional este deseori supus unei etape de recoacere finală. Dacă
această etapă de recoacere este sub 5500C, Ti3Al va forma și consolida faza. Cu toate acestea, dacă
călirea se face peste 6000C, Ti3Al nu va consolida. La temperaturi mai ridicate, apare o tendință de
înăsprire, care crește temperatura până la β-transus.
În plus, defectele sunt adesea introduse în timpul fabricației aditive sub formă de pori rotunzi de
atracție a gazelor, cum ar fi cele prezentate în figura 4.3.a), precum și porii netezi și alungiți din
cauza lipsei de fuziune între straturile de construcție ulterioare, cum ar fi cea prezentată în figura
4.3.). S-a demonstrat că porii mici și rotunzi nu afectează ductilitatea, în timp ce lipsa porozității de
fuziune este în detrimentul ductilității componentelor. [16]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

38

Figura 4.3. Micrografii dintr-un eșantion de fuziune a patului de pulbere care prezintă defecte
comune:
(a) porii rotunzi de captare a gazelor
(b) lipsa accentuată a defectului de fuziune cu particule de pulbere parțial topite [16]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

39

4.2. Proprietăți mecanice

Stare Rm [MPa] Rp0.2
[MPa] A [%] E [GPa] HV
Recopt (700
– 785˚C) 950 880 14 113.8 349
ELI Recopt
(700 –
785˚C) 860 790 15 113.8 341
Călit (900-
955˚C) +
Îmbătrânit
(540˚C) 1170 1100 10 114 39 6

Tabelul 2. Proprietățile mecanice ale aliajului Ti-6Al-4V [17]

În tabelul 2 sunt prezentate proprietățile de tracțiune a staturilor Ti-6Al-4V depuse prin PBF.
Datele prezentate au doar doua mărime pentru căldura liniară, cu puterea laserului cuprinsă între
120 W și 250 W. Nu există o tendință clară de rezistență sau elasticitate față de aportul de caldură
liniară. Staturile obținute prin PBF sunt mult mai rezistente decât cele obținute prin DED. Acest
lucru poate fi parțial atribuit diferenței semnificative a dimensiunii spotului saleruslui utilizat in DED
și PBF. În PBF dimensiunea spotului laser este de obicei de 150-250 μm, microstructura rezultată
fiind mult mai fină.
În general, elasticitatea în direcția transversală este mai mică decât cea în direcție
longitudinală, cînd pot fi observați porii. Acest lucru se datorează morfologiei severe a lipsei de
porozitate de fuziune, care prezintă fisuri subșiri li lungi perpendiculare de direcția de construcție.
[16] .

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

40

Depunere laser Proprietăți mecanice
Tip Put
ere
(W
) Rata de
scanare
(mm/s) Aport
căldură
liniară
(J/mm) Orientare Coeficient
de
elasticitate
(GPa) Randament
de
tracțiune
(MPa) Rezistența
la
tracțiune
(MPa) Elasticitate
(%)
Sistem
MTT
250 20
0 200 1 Longitudina
l – 910 ± 9.9 1035 ± 29 3.3 ± 0.76
Nd:YAG 95 125 0,76 – 94 1125 1250 6
– 16
0 600 0,27 Longitudina
l
Transversal 105 ± 5
102 ± 7 1137 ± 20
962 ± 47 1206 ± 8
1166 ± 25 7.6 ± 2
1.7 ± 0.3
Sistem
MTT
SLM 17
5 710 0,25 Longitudina
l – 1166 ± 6 1321 ± 6 2.0 ± 0.7
uniform
Filamen
t
SMYb:Y
AG 25
0 1600 0,16 Longitudina
l 109.2 ± 3. 1 1110 ± 9 1267 ± 5 7.28 ± 1.12
YAG 12
0-
20
0
– –
– – Longitudina
l
Longitudina
l 110 ± 5
– 990 ± 5
1040 ± 10 1095 ± 10
1140 ± 10 8.1 ± 3
8.2 ± 0.3
Nd:G – – – Longitudina
l 118 ± 2.3 1100 ± 12 1211 ± 31 6.5 ± 0.6
Sistem
de
tăiere
cu
laser – – – Transversal,
neprelucrat
Transvers
al,
prelucrat 109.9

112.4
736
986 1051
1155 11.9
10.9

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

41

Filame
nt
Yttrium – – – Transvers
al
– 1008 1080 1.6
– – – – Longitudina
l – 1330 1400 4.4
Nd:YAG 15
0-
20
0 – – Longitudina
l
Transversal –
– 1070 ± 50
1050 ± 40 1250 ± 50
1180 ± 30 5.5 ± 1
8.5 ± 1.5
Sistem
EOS
M270 – – – Longitudina
l
Transversal –
115 1195 ± 19
1143 ± 30 1269 ± 9
1219 ± 20 5 ± 0.5
4.89 ± 0.6
Sistem
EOS
M270 – – – Transversal 115 1005 1190 2.6
EOS – – – Longitudi
nal
Transvers
al 110 ± 10
110 ± 10 1060 ± 50
1070 ± 50 1230 ± 50
1200 ± 50 10 ± 2
11 ± 3

Tabelul 3. Proprietățile mecanice ale Ti-6Al-4V obținut prin PBF [16]

4.3. Tratament termic
Supunerea materialele realizare prin fabricația aditivă la tratamente post-procesare pot
omogeniza și îngreuna microstructura acestora. De asemenea, se poate descompune α-martensită
în material, în timp poate fi utilizată presarea izostatică la cald (HIP) poate fi utilizată pentru a
închide porii, pe lângă asigurarea unui tratament termic. În figura 4.4. sutn prezentate rezistențele
la tracșiune față de elasticitatea în depunere și eșantioane tratate termic realizate prin PBD și DED.

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

42

Figura 4.4. Rezistența la tracțiune față de ductilitate [16]

Proprietă ți mecanice
Post procesare Orientare Modul de
elasticitaye
(GPa) Randame
nt de
tracțiune
(MPa) Rezistența
la tracțiune
(MPa)
Elasticitate
7000–7300C, 2 h Longitudinal
Transversal 116
112 1066
832 1111
832 5,2
0,8
Putere redusă,
7600C, 1 h, aer rece Longitudinal – 1000 1073 9
Putere mare, 7600C,
1 h, aer rece Longitudinal – 991 1044 10

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

43

9500C, 1 h, răcire ;
538C, 4 h, aer rece Longitudinal
Transversal –
– 1052
1045 1153
1141 5,3
9,2
9500C, 1 h, aer rece – – 975 ± 15 1053 ± 18 7.5 ± 1
9500C, 1 h, răcire în
cuptor – – 959 ± 12 1045 ± 16 10.5 ± 1

9800C, 1 h, răcire în
cuptor Longitudinal,
neprelucrat
Transversal,
neprelucrat
Longitudinal,
prelucrat
Transversal,
prelucrat –

–
–

– 681 ± 35

637 ± 13
870 ± 37

830 ± 15 750 ± 20

717 ± 12
953 ± 18

942 ± 13 4.8 ± 1.6

3.4 ± 1.0
11.8 ± 1.3

9.7 ± 2.2
Călire Sub transus β
și îmbatrînire – – 839 900 12,3
Călire – – 827–965 896–1000 1–16
Recoacere – – 958 1027 6.2
10500C, 1 h, aer rece – – 931 ± 16 1002 ± 19 6.5 ± 1
10500C, 1 h, răcire în
cuptor – – 900 ± 14 951 ± 15 7.5 ± 1
9000C, 100 MPa, 2 h Longitudinal
Tranversal 118
114 949
899 1006
1002 13.1
11,8
9200C, 100 MPa, 4 h,
răcire în cuptor – – 850 ± 2 920 ± 1 17 ± 2
1000C în timpul
fabricației Transversal – – 1314.9 ± 15.6 4 ± 1.2
2000C în timpul
fabricației Transversal – 1106 ± 6 – 11.4 ± 0.4
5400C, 5 h, călirea
apei Longitudinal 112.6 ± 30.2 1118 ± 39 1223 ± 52 5.36 ± 2.02

6400C, 4 h Longitudinal
Longitudinal –
– 1104 ± 8
1140 ± 43 1225 ± 4
1214 ± 24 7.4 ± 1.6 uniform
3.2 ± 2.0 uniform

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

44

Transversal – 1152 ± 11 1256 ± 9 3.9 ± 1.2 uniform
7000C în timpul
fabricației Transversal – 850 940 6,5
7000C, 1 h, 100C/min,
răcire Transversal 117.4 1051 1115 11,3
7050C, 3 h, aer rece Longitudinal 114.6 ± 2.2 1026 ± 35 1082 ± 34 9.04 ± 2.03
7300C, 2 h, aer rece Longitudinal
Transversal 101 ± 4
110 ± 29 965 ± 16
900 ± 101 1046 ± 6
1000 ± 53 9.5 ± 1
1.9 ± 0.8
8000C, 2 h Transversal – 962 1040 5
8000C, 2 h, argon Transversal – – 1228.1 ± 32.4 8 ± 1.5
8000C, 4 h, argon Longitudinal
Transversal 116 ± 10
114 ± 10 860 min
860 min 930 min
930 min 10 min
10 min
8500C, 2 h, răcire în
cuptor Longitudinal 114.7 ± 3.6 955 ± 6 1004 ± 6 12.84 ± 1.36
8500C, 5 h, răcire în
cuptor Longitudinal 112.0 ± 3.4 909 ± 24 965 ± 20 –
9000C, 2 h; 7000C, 1
h, 100C/min cool Transversal 118.8 908 988 9.5
9400C, 1 h, air cool;
6500C, 2 h, aer rece Longitudinal 115.5 ± 2.4 899 ± 27 948 ± 27 13.59 ± 0.32
9500C, 0.5 h Longitudinal 118 ± 2.3 960 ± 19 1042 ± 20 13 ± 0.6
9500C, 1 h, călire apă;
7000C, 2 h, aer rece Longitudinal
Transversal 103 ± 11
98 ± 3 944 ± 8
925 ± 14 1036 ± 30
1040 ± 4 8.5 ± 1
7.5 ± 2
10000C, 1 h, răcire în
cuptor (4 h) – – 826.87 945.85 12.67
10000C, 1 h, răcire în
cuptor (34 h) – – 804.77 908.63 18.11
Tratament termic
varianta 1 Longitudinal – 835 ± 5 915 ± 5 10.6 ± 0.6
Tratament termic
varianta 1 Longitudinal 117 ± 1 870 ± 15 990 ± 15 11.0 ± 0.5
10200C, 2 h, răcire în
cuptor Longitudinal 114.7 ± 0.9 760 ± 19 840 ± 27 14.06 ± 2.53

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

45

10500C, 2 h, în vid Transversal – – 986.4 ± 45.2 13.8 ± 0.8
10500C, 2 h Transversal 798 945 11.6
10150C, 0.5 h, aer
rece; 7300C, 2 h, aer
rece Longitudinal 112.8 ± 2.9 822 ± 25 902 ± 19 12.74 ± 0.56
10150C, 0.5 h, aer
rece; 8430C, 2 h,
răcire în cuptor Longitudinal 114.9 ± 1.5 801 ± 20 874 ± 23 13.45 ± 1.18
10500C, 1 h, călire
apă; 8200C, 2 h, aer
rece Longitudinal
Transversal 96.7 ± 5
95 ± 4 913 ± 7
869 ± 64 1019 ± 11
951 ± 55 8.9 ± 1
7.9 ± 2
9000C, 100 MPa, 2 h;
7000C, 1 h, 100C/min
răcire Transversal 115.4 885 973 19
9200C, 100 MPa, 2 h Transversal – 912 1005 8.3
9200C, 100 MPa, 2 h Transversal – – 1088.5 ± 26.3 13.8 ± 1.3
6000–7000C, 2 h,
răcire în cuptor; Longitudinal – 1000 ± 60 1100 ± 50 12.5 ± 0.5
9200C, 103 MPa, 4 h,
răcire în cuptor Transversal – 930 1020 15.5 ± 2
10500C, 100 MPa, 2 h Transversal – – 1006.8 ± 14.6 13.5 ± 0.7
Tabelul 4. Proprietățile mecanice ale Ti-6Al-4V obținut prin prin fuziunea patului de pulbere
și, ulterior, tratat termic [16]

Aplicarea tratamentelor termice pe materiale realizate prin fabricație aditivă cresc
ductilitatea cu reducerea rezistenței, comparativ cu piesele depuse.
Tratamentele termice comune pentru prelucrarea Ti-6Al-4V sunt:
– Reducerea stresului: 4800-6500 C timp de 1-4 ore, urmat de răcirea aerului sau a
cuptorului;
– Aparat: 7050-8700C pentru 1-4 ore, urmat de răcirea aerului sau a cuptorului;
– Tratament cu soluție și timp limitat: 9550-9700C timp de o oră urmat de răcirea apei;
4800-5950C urmat de răcirea aerului

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

46

– Tratament cu soluție și supradoză: 9550C pentru o oră urmat de răcirea apei; 7050C
pentru 2 ore urmat de răcirea aerului. [16]

4.4. Porozitate
Când predomină lipsa fuziunii și a porozității de captare a gazelor este o lipsă semnificativă a
ductilității, în special la piesele încărcate de-a lungul direcției transversale. Dacă cantitatea de
captare a gazelor este <0.2 vol.%, direcția este mai mare în direcția transversală decât în direcția
longitudinală.
S-a ajuns la concluzia că acestă diferență de elasticitate se datorează morfologiei grăuntilor
columnari inițiali, ceea ce duce la limite de grăunți mai puțin întâlniți, pentru a impiedica
mișcarea de deplasarea cu tensiune aplicată în direcția transversală comparativ cu direcția
longitudinală. [16]

5. ÎNLOCUIREA TEHNOLOGIILOR CLASICE DE REALIZARE A PROTEZELOR CU
TEHNOLOGII DE FABRICAȚIE ADITIVĂ ÎN CAZUL ALIAJULUI Ti-6Al-4V

Titanul și aliajele de titan sunt utilizate pe scară largă în realizarea de dispozitive și componente
biomedicale, mai ales ca înlocuitori de țesuturi dure dar și în aplicații cardiace și cardiovasculare.
Proprietățile care le recomandă sunt modulul de elasticitate relativ scăzut, rezistența la oboseală,
formabilitatea, prelucrabilitatea, rezistența la coroziune și biocompatibilitatea.
Cele două proprietăți mai utile ale metalului sunt rezistența la coroziune și cel mai mare raport
rezistență-densitate oricărui element metalic.
Câțiva factori pot influența biocompatibilitatea: topografia și rugozitatea suprafeței implantului,
adeziunea celulelor osoase precum și caracteristicile nano-suprafeței reprezentate de oxizii metalici
formați pe suprafața metalului sau aliajului. Compoziția, grosimea, capacitatea acestor oxizi de a
absorbi molecule organice, grupările amfoterice OH pe care le conțin acestea influenează foarte
mult biocompatibilitatea. Un alt factor major al biocompatibilității este toxicitatea ionilor metalici
ce ajung în țesuturile înconjurătoare prin dizolvare, frecare, uzură, rupere etc. Astfel, pasivitatea
suprafeței implanturilor, rezistența lor la coroziune în fluidele fiziologice are o mare importanță

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

47

asupra biocompatibilității acestor aliaje. Titanul și aliajele sale nu pot îndeplini toate cerințele
clinice. Prin urmare, în scopul îmbunătățirii proprietăților biologice, chimice și mecanice, adesea
este efectuată modificarea suprafeței. Lucrări recente au arătat că rezistența la uzare, rezistența la
coroziune și proprietățile biologice ale titanului și aliajelor de titan pot fi îmbunătățite selectiv,
folosind tehnici corespunzătoare de tratament al suprafeței, în timp ce sunt păstrate cea mai mare
parte dintre proprietățile materialelor. [18]

5.1. Fabricarea implanturilor prin topire selectivã laser
Tehnicile de topire selectivã laser permit generarea de materiale multistratificate inteligente a
unor părți selective complexe 3D prin consolidarea unor straturi succesive de material pudră,
folosind energia termică furnizată de o razã laser controlatã și concentratã de computer. Diferite
mecanisme pot fi responsabile pentru consolidarea pudrei: sinterizarea fazei solide, sinterizarea
fazei lichide, topirea parțială sau completă. [19]
SLM de prototipare rapidă este o metodă neconvențională de fabricație prin care se obțin piese
cu forme complexe din pulbere, unde după o programare inițială, fiecare strat este scanat de un
laser solid.
Avantajele implanturilor realizate cu tehnologia SLM sunt:
– Libertatea de formă prin eliminarea restricțiilor;
– Presimularea pe calculator pentru reducerea timpului în operație;
– Menținerea caracteristicilor mecanice standard.
Toate aceste aspecte duc la scăderea șanselor de respingere, precum și la o recuperare mai
rapidă a pacientului.
În anii trecuți, folosind echipamente SLM au fost produse implanturi personalizate aplicate în
cabinetele medicale pentru reconstrucții de oasel complexe care au fost până atunci cazuri
medicale de nerezolvat, fiind astfel o premieră internațională.
Înlocuirea completă a mandibula cu un implant pentru structura dentară (figura 5.1), înlocuirea
osului zigomatic deteriorat cu un implant simetric sănătos (figura 5.2), artroplastie de înlocuire
totală cu o proteză care are o componetă femurală cu zăbrele (figura 5.3) tratamentul pentru

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

48

osteosarcom localizat în calcaneu prin un implant macroporous (figura 5.4) și sistem tip zăbrele de
coloană vertebrală cervicală (implant „Cage”, figura 5.5). [20]

Figura 5.1 Înlocuirea completă a mandibulei cu un implant fabricat de SLM [21]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

49

Figura 5.2 Implant zigomatic [22]

Figura 5.3 Artroplastie totală de înlocuire [23]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

50

Figura 5.4 Implant poros pentru osteosarcom de înlocuire [24]

Figura 5.5. Sistem tip zăbrele de coloană vertebrală cervicală [25]

Rezultatele acestor intervenții chirurgicale sunt rezonabile, implanturile s-au combinat perfect,
fără niciun semn de respingere și au contribuit la îmbunătățirea sănătatății pacienților.

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

51

5.2. Implanturi personalizate din Ti-6Al-4V fabricate prin proces SLM
Cercetări anterioare au prezentat dificultățile care apar în timpul procesului SLM, deci este
impus o nouă abordare a metodei de fabricație pentru limitarea tensiunii reziduale a piesei în
timpul procesarării.
a)

b)

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

52

c)

Figura 5.6. Prototip implanturi dentare fabricat cu SLM: a) Implant-șurub,
b) Implant cu zonă macropoasă,
c) implant-lamă[20]

Noua metoda de programare cu funcția Hatch responsabilă de scanarea secțiunilor a fost setată
prin reducerea la jumătate a timpului de expunere al laserului (ET) și distanța dintre puncte (PD),
având la la sfârșit aceeași viteză de scanare. Prin această abordare a parametrilor procesului s-a
obținut o reducere a tensiunii interioare care apare în timpul procesului de fabricație SLM, făcând
posibilă crearea de piese cu forme complexe (figurile 6 și 7).

Fig. 7 a) Poduri dentare, b) Grefele Macropore [20]

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

53

Configurația parametrilor procesului au necesitat o testare cu putere electrică a unor probe
standard fabricate. Pentru determinarea caracteristicilor mecanice au fost produse 6 seturi de
probe la care puterea laserului (P) a fost cuprinsă între 120-160 W și 400 mm/s, viteza de scanare
de 1000 mm/s. Directia forței de tracțiune a fost aceeași ca și structura straturilor scanate și testele
rezultatele au fost exprimate în tablete și curbe caracteristice convenționale. Caracteristici
mecanice îmbunătățite ale mărci fabricate prin aceasta metoda se disting față de celelalte,
obținându-se cu parametri de proces (ET 100 µs, PD 40 µm, P 120 W) piese uniforme și ductile cu
proprietăți mecanice în standardele implanturilor chirurgicale ASTM F76 (rezistență la tracțiune
finală 441 MPa, rezistență la tracțiune 420 MPa, modul Young 101 GPa).
Scanarea dublă cu 160 W și 1000 mm/s duce la reducerea rigidității implanturilor din Ti care
influențează direct receptorii celulari și punctele de focalizare prinntr-o explozie de semnale
intercelulare care determină o activare genetică specifică. În condițiile acestui proces modulul de
elasticitate longitudinal poate fi redus cu 60% până la 41 GPa (os cortical 3-25 GPa), fără
compromiterea rezistenței la tracțiune finale.
Modificarea caracteristicile fizico-mecanice prin parametrii procesului SLM prezintă noi
oportunități în domeniul medicinii deoarece pot fi fabricate implanturi endoosoase cu proprietățile
mecanice interdependente de cele ale țesutului osos gazdă, ținând cont de vârsta pacientului, sex și
starea de sănătate.
Optimizarea parametrilor procesului a fost efectuată folosind metoda ANOVA și au fost definite
seturi ale celor mai buni parametri în funcție de valorile de rugozitate dorite. Studiul s-a distins cu o
ușoară scădere sub nivelul altor studii prin rugozitatea Ra adecvat configurată a parametrii procesului
SLM fără tehnici de aplicare post-procesare. Date fiind tendințele medicale internaționale, piesele
au contribuit la posibilitatea producerii directe a implanturi cu rugozitate R a între 3-4 um. Această
rugozitatea este considerată de medici suprafața ideală care influențează direct fixarea mecanică a
noului țesutul osos de implant. Prin reducerea rugozității pieselor fabricate SLM se urmărește
optimizarea metodele post-procesare și corelarea parametrilor procesului cu ajustarea fasciculului
laserului, reducându-se abaterea dimensională de la ± 0,1 mm la ± 0,05 mm.
Implanturile dentare sunt comercializate cu opțiuni standard (lungime, diametru, șurub) care
uneori nu se potrivesc cu cerințele individuale ale pacientului, aspecte demonstrate de numeroase

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

54

cercetări. În figura 5.6 sunt prezentate trei implanturi prototip obținute prin SLM cu scopul de a
dezvolta sistemul de implanturi endosse personalizate. [20]
Pentru a transfera conceptul de structuri cu zăbrele de la experiment în aplicații medicale, un
set de implantui dentale au o zonă mediană macroporoasă, definită de o funcție de programare
specifică, Structura punctului (nu este proiectată CAD). Platforma de lucru orientată vertical a
modelului CAD și mărcile proiectate realizate doar pe suprafața superioară a făcut posibilă
fabricarea celor 33 de implanturi prin adaptarea parametrilor procesului SLM. Au fost fabricate
dimensiuni de pori interconectate între 0,21-0,53 mm, așadar se poate presupune că structurile cu
zăbrele vor susține dezvoltarea de noi țesuturi osoase cu vase de sânge, pentru a reduce riscul de
respingere a implantului cu o astfel de microporozitate.
Implanturile dentare fabricate au fost testate pe osul bovin în scopul verificării rezistenței
filetului și posibilitatea de exfoliere la introducere. Aceste implanturi au fost aplicate în osteotomii
cu torsiune mare (100 N*cm), deoarece structura șurubului a prezentat deformare de formă și
cratere neregulate, aspecte evidențiate după analiza microscopică SEM [26]. Această deformare nu
corespunde domeniului dentar deoarece poate compromite osul gazdă și poate dăuna
osseointegrării. Este necesar ca deformarea să fie diminuată printr-o prelucrare suplimentară a
șurubului. Ambele implanturi cu șurub ferm și cele cu zona de macroporozitate au rezistat la
inserția forțată în dimensiuni reduse fără exfoliere.

6. CONCLUZII

Fabricarea aditivilor este un domeniu promițător care ar putea oferi beneficii enorme
producției. Totuși, astfel de beneficii sunt realizate numai în circumstanțe specifice. Fabricarea
aditivă are performanțe bune la fabricarea pe scară largă a macroscalei, cele mai multe
caracteristici trebuie să fie mai mari de 0,5 mm.
În ciuda acestor limitări, producția de aditivi are beneficii clare în producție și prototipare.
Timpul necesar pentru fabricarea unei piese unice este mult mai mic decât cel al metodelor
tradiționale și este mult mai ușor de făcut, ceea ce grăbește timpul de procesare al proiectării.
Capacitatea producției de aditivi de a depune mai multe materiale este, de asemenea, un avantaj

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

55

care va vedea probabil o utilizare mult mai mare în viitor cu circuite încorporate, organe tipărite și
geometrii unice.
Există un număr mare de echipamente de fabricație aditivă disponibile din punct de vedere
comercial. Acestea pot fi caracterizate pe scară largă ca sisteme de pat cu pulbere, alimentate cu
pulbere și alimentate cu sârmă. Există avantaje distincte pentru fiecare tip de sistem, dependent de
aplicațiile preconizate, de exemplu, repararea și recondiționarea, fabricarea pieselor mici,
fabricarea pieselor mari.
În ceea ce privește fabricația aditivă a pieselor fabricate din pulberi metalice procesul nu
este încă unul pe deplin optimizat. Piesele obținute au o dependență directă de strategiile de
fabricație utilizate. Până în prezent, nu s-a găsit o strategie de fabricație care să ofere rezultate
optime pentru toate configurațiile de piese și materiale posibile.
Fiecare material și aliaj are alte caracteristici și, pentru a putea fi folosit la scară industrială,
trebuie întreprinse cercetării în vederea definirii parametrilor de lucru și proprietățile fizicochimice
și mecanice aferente fiecărei strategii de fabricație;
De regulă, o strategie de fabricație generează un alt set de proprietăți fizico-chimice și
mecanice, fiind necesar a se întreprinde cercetări pentru a se realiza corelații între diferitele
strategii de fabricație și proprietățile obținute;
Timpul de fabricație utilizând procedee aditive (inclusiv SLM) nu este foarte scurt și acesta
crește proporțional cu complexitatea și dimensiunile pieselor fabricate, de aceea trebuie găsite
metode de micșorare a timpului de fabricație. În urma analizei stadiului actual, se poate evidenția
faptul că domeniul fabricației aditive este unul de vârf, care generează mult interes atât în rândul
institutelor de cercetare și universități, cât și în rândul companiilor industriale, fiind lansate pe
piață, în fiecare an, metode și strategii de fabricație.
Proprietățile mecanice ale Ti pot fi adaptat la cerințele pacienților. Utilizarea parametrilor de
proces adecvat, caracteristica mecanică a implanturile fabricate de SLM ar putea respecta condițiile
cerute în ASTM F67.
Fără nicio metodă de post-procesare, piesele fabricate în condiții optime au rugozitatea R a
între 3-4 um. Din punct de vedere tehnologic este posibilă fabricarea de implanturi cu SLM, ceea ce
duce la utilizarea temporală în implantologie a unor piese complexe.

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

56

Implanturile și dispozitivele personalizate utilizate în medicină pot duce la dezvoltarea unor
metode terapeutice în malformații nerezolvate prin proceduri clasice. Metodologia urmată de
proiectarea CAD, simularea FEA, Fabricarea SLM a implanturilor personalizate, a oferit noi
oportunități în medicină.

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

57

BIBLIOGRAFIE
[1] GEORGE RĂZVAN BUICAN, Cercetări privind fabricarea prin topire selectivă cu laserul a pieselor
din oțel inox 316 L , 14-33, 2019
[2] DIANA POPESCU, T&T – Tehnică și Tehnologie – Fabricația aditivă – apariția primelor standarde în
domeniu, 2013
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing
[4] https://www.universfarmaceutic.ro/orizonturi/imprimarea-3d-fabricatia-aditiva
[5] Ian Gibson · David Rosen Brent Stucke, Second Edition Additive Manufacturing Technologies 3D
Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing
[6] https://printello.ro/directed-energy-deposition-cu-imprimanta-3d/
[7] Bharat Bhushan, Matt Caspers, An overview of additive manufacturing (3D printing) for
microfabrication
[8] https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-additive-manufacturing
[9] William E. Frazier, Metal Additive Manufacturing: A Review William E. Frazier, 2014
[10] https://www.zspotmedia.ro/blog/printare-3d/
[11] https://www.trumpf.com/ro_RO/aplicatii/fabricare-aditiva/
[11] Conf. dr. ing. Florin BACIU, Prof. dr. ing. Anton HADĂR, Etapa 1 Metode, aparatură și
materiale pentru fabricația aditivă – Stadiu actual , 2014
[12] Andrei PLATON, SOLUȚII ACTUALE DE FABRICAȚIE ADITIVĂ , Universitatea Tehnică a Moldovei,
2019
[13] DIANA POPESCU, T&T – Tehnică și Tehnologie Se „democratizează” și fabricația aditivă prin
sinterizare laser? , 2015
[14] Bandyopadhyay, A., Zhang, Y., & Bose, S., Recent developments in metal additive
manufacturing. Current Opinion in Chemical Engineering , 28, 96–104, 2020
[15] Benjamin Vayre, Frédéric Vignat, François Villeneuve, Metallic additive manufacturing: State-
of-the-art review and prospect s, 2012
[16] ALLISON M. BEESE and BETH E. CARROLL, Review of Mechanical Properties of Ti-6Al-4V Made
by LaserBased Additive Manufacturing Using Powder Feedstock, Pennsylvania State University,
University Park, PA 16802, USA

Universitatea Transilvania din Brașov LUCRARE DE DISERTAȚIE
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2020
Ingineria și managementul materialelor avansate –
metalice, ceramice și compozite (IMMA) Popa Ștefania

58

[17] http://www.sim.utcluj.ro/stm/download/Mat_metalice/MaterialeMetalice2.4.pdf
[18] JULIA CLAUDIA ROSCA , ECATERINA VASILESCU *, DANIEL MARECI , STELIANA IVÃNESCU,
AGUSTIN SANTANA LOPEZ1, revistadechimie.ro , Caracteristicile structurale și proprietãțile
anticorosive ale unui bioaliaj de titan
[19] Drd. Ing. Cosma Sorin Cosmin, Balneo-Research Journal Vol.3, Nr.3 , , Fabricarea implanturilor
prin topire selectivã laser, 2012
[20] Cosma Sorin Cosmin1 ,Leordan Dan1, Balneo Research Journal, Vol.6, No.4, Decembrie,
Research on Improving the Manufacturing of Titanium Medical Implants, by SLM, 2015
[21] I. Kroonenburgh, I. Lambrichts, J. Poukens, Doctor and engineer creating the future for 3D
printed custom made implants , Digital Dental News, Pp. 60-65, 2012.
[22] H. Rotaru, R. Schumacher, S. Kim, C. Dinu, Selective laser melted titanium implants: a new
technique for the reconstruction of extensive zygomatic complex defects , Maxillofacial Plastic and
Reconstructive Surgery
[23] . L.E. Murr, S.M. Gaytan, E. Martinez, F. Medina, R.B . Wicker, Next Generation Orthopaedic
Implants by Additive Manufacturing Using Electron Beam Melting , International Journal of
Biomaterials, Article ID 245727, 2012.
[24] J. Imanishi, P.F. Choong, Three-dimensional printed calcaneal prosthesis following total
calcanectomy , Int J Surg Case Rep, 10: 83–87, 2015.
[25] http://4webmedical.com/
[26] S.C. Cosma, N. Balc, D. Leordean, S. Matei, Dental Implants with Lattice Structure Fabricated by
Selective Laser Melting, International Virtual Research Conference in Technical Discipline s, Zilina,
Slovakia, 2012