ISO/ASTM 52941:2020

Additive manufacturing - System performance and reliability - Acceptance tests for laser metal powder-bed fusion machines for metallic materials for aerospace application

This document specifies requirements and test methods for the qualification and re-qualification of laser beam machines for metal powder bed fusion additive manufacturing for aerospace applications. It can also be used to verify machine features during periodic inspections or following maintenance and repair activities.

Fabrication additive — Performance et fiabilité du système — Essais de réception pour machines de fusion laser sur lit de poudre pour les matériaux métalliques pour l’application aérospatiale

Le présent document spécifie les exigences et les méthodes d'essai pour la qualification et la requalification des machines à faisceau laser pour la fabrication additive par fusion sur lit de poudre métallique dans les applications aérospatiales. Il peut également être utilisé pour vérifier les fonctionnalités de la machine lors des inspections périodiques ou à la suite d'activités de maintenance ou de réparation.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 15-Nov-2020
• ICS: 25.030 - Additive manufacturing
• Technical Committee: ISO/TC 261 - Additive manufacturing
• Drafting Committee: ISO/TC 261/JWG 10 - Joint ISO/TC 261 - ISO/TC 44/SC 14 WG: Additive manufacturing in aerospace applications
• Parallel Committee: ISO/TC 44/SC 14 - Welding and brazing in aerospace
• Current Stage: 9092 - International Standard to be revised
• Start Date: 13-Apr-2023
• Completion Date: 30-Oct-2025

Overview

ISO/ASTM 52941:2020 specifies acceptance tests and performance requirements for laser metal powder‑bed fusion (L-PBF) machines used to fabricate metallic components for aerospace applications. The standard defines test methods for machine qualification and re‑qualification, and for verification after maintenance, repair or during periodic inspections. It focuses on system performance, reliability and repeatability of laser beam machines for metal powder‑bed fusion.

Key Topics and Requirements

• Scope of testing: Qualification testing covers laser beam tests, mechanical function tests, heating systems, working‑space atmosphere, data recording and safety systems (minimum requirements in clauses 6.2–6.7).
• Laser beam tests:
  • Measurement of laser power (continuous‑wave and pulsed) at the point of use inside the build chamber; recommended measurements across the typical power range (e.g., at least three points including ~30% and ~90% of rated power).
  • Power stability checks (continuous‑wave): demonstrated measurements after warm‑up; allowed variation between two specified measurements not to exceed ±5% unless otherwise agreed.
  • Beam characteristics (spot size, profile, symmetry) evaluated at the working plane, typically following ISO 11146.
  • Minimum beam waist (focus) position measured at the center and four extremities of the build area; thermal stability assessed at 10%, 50% and 90% of nominal power with defined dwell times.
  • Beam position/field correction: X‑Y deviations from specified positions with vector magnitude not exceeding 0.06 mm unless agreed otherwise.
  • Trajectory accuracy: use of geometric patterns (Annex B) to assess path accuracy across scanning speeds and working range.
• Mechanical and process tests: build/feeding platform positioning, powder spreading mechanics, powder handling and movement of spreading devices.
• Environmental & operational conditions: tests must be conducted within specified temperature, humidity, supply services, vibration and chamber pressure parameters and with calibrated instruments.
• Reporting: standardized test report content and example (Annex A).

Applications and Users

Who uses ISO/ASTM 52941:2020:

• Aerospace OEMs and suppliers qualifying new or repaired L‑PBF machines
• Quality, inspection and metrology engineers performing acceptance tests and periodic re‑qualification
• Maintenance teams verifying machine performance after service
• Certification bodies and engineering teams establishing process control for aerospace additive manufacturing

Practical value:

• Ensures consistent machine performance and traceability for safety‑critical aerospace parts
• Reduces process variability by defining measurable acceptance criteria for lasers, mechanics and environment
• Supports regulatory and contractual compliance for additive manufacturing in aerospace supply chains

Related Standards

• ISO 11146 (laser beam measurements)
• ISO 11554 (laser power/temporal characteristics)
• ISO/ASTM 52900 (AM fundamentals and vocabulary)
• ISO/ASTM 52921 (coordinate systems and test methodologies)

Keywords: additive manufacturing, laser powder‑bed fusion, L‑PBF, machine qualification, acceptance tests, aerospace additive manufacturing, laser beam tests, trajectory accuracy, beam waist, re‑qualification.

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO/ASTM
STANDARD 52941
First edition
2020-11
Additive manufacturing — System
performance and reliability —
Acceptance tests for laser metal
powder-bed fusion machines for
metallic materials for aerospace
application
Fabrication additive — Performance et fiabilité du système — Essais
de réception pour machines de fusion laser sur lit de poudre pour les
matériaux métalliques pour l’application aérospatiale
Reference number
©
ISO/ASTM International 2020
© ISO/ASTM International 2020
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reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on
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or ISO’s member body in the country of the requester. In the United States, such requests should be sent to ASTM International.
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Email: [e-mail] Email: [e-mail]
Website: www.iso.org Website: www.astm.org
Published in Switzerland
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Contents Page
Foreword .iv
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Equipment . 2
5 Environmental and operational conditions . 2
6 Qualification testing . 2
6.1 General . 2
6.2 Laser beam tests . 2
6.2.1 Testing the laser power for continuous wave lasers . 2
6.2.2 Testing the laser power stability for continuous wave lasers . 3
6.2.3 Testing of pulsed wave lasers . 3
6.2.4 Evaluation of the laser beam characteristics . 3
6.2.5 Evaluation of the minimum laser beam waist position in different working
plane locations . 3
6.2.6 Evaluation of the thermal stability of the minimum beam waist position . 3
6.2.7 Testing the laser beam position . 4
6.2.8 Trajectory accuracy . 4
6.2.9 Scanning speed . 4
6.2.10 Requirements for equipment with multiple laser beam sources . 4
6.3 Mechanical function test . 5
6.3.1 General. 5
6.3.2 Build platform positioning . 5
6.3.3 Feeding platform positioning . 5
6.3.4 Other powder feed processing mechanics. 5
6.3.5 Movement of the powder spreading device . 5
6.4 Heating system . 5
6.5 Atmosphere inside the working space . 5
6.6 Data recording . 6
6.7 Safety systems . 6
6.8 Optional tests . 6
6.8.1 Demonstrators and test artifacts . 6
6.8.2 Build area assessment . 6
6.8.3 Gas flow test by hot wire anemometer . 7
6.9 Requalification . 8
7 Test report . 8
Annex A (informative) Example of a test report .10
Annex B (informative) Geometric pattern for the trajectory accuracy test .11
Bibliography .12
© ISO/ASTM International 2020 – All rights reserved iii

Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www .iso .org/
iso/ foreword .html.
This document was prepared by ISO/TC 261, Additive manufacturing, in cooperation with ASTM F 42,
Additive Manufacturing Technologies, on the basis of a partnership agreement between ISO and ASTM
International with the aim to create a common set of ISO/ASTM standards on additive manufacturing.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
iv © ISO/ASTM International 2020 – All rights reserved

INTERNATIONAL STANDARD ISO/ASTM 52941:2020(E)
Additive manufacturing — System performance and
reliability — Acceptance tests for laser metal powder-
bed fusion machines for metallic materials for aerospace
application
1 Scope
This document specifies requirements and test methods for the qualification and re-qualification of
laser beam machines for metal powder bed fusion additive manufacturing for aerospace applications.
It can also be used to verify machine features during periodic inspections or following maintenance
and repair activities.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 11146 (all parts), Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam widths, divergence
angles and beam propagation ratios
ISO 11554, Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam
power, energy and temporal characteristics
ISO/ASTM 52900, Additive manufacturing — General principles — Part 1: Fundamentals and vocabulary
ISO/ASTM 52921, Standard terminology for additive manufacturing — Coordinate systems and test
methodologies
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO/ASTM 52900, ISO/ASTM 52921
and the following apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.1
scanning speed
relative linear speed of the laser beam movement in the plane of the build platform (working plane)
3.2
warm-up time
time from switching on the machine until the build cycle can be started, as specified by the machine
manufacturer
3.3
feeding platform
platform that moves incrementally to supply powder to the powder spreading device (3.4)
© ISO/ASTM International 2020 – All rights reserved 1

3.4
powder spreading device
powder supply mechanism, which distributes and evenly spreads the powder on the build surface
3.5
rated laser power
the maximum power capability as specified by the laser manufacturer
3.6
minimum beam waist position
focal spot location at which the beam has the most concentrated energy and the smallest cross
sectional area
4 Equipment
Equipment shall be installed, operated and maintained according to the documented instructions.
5 Environmental and operational conditions
The environmental and operational conditions during qualification testing shall meet the requirement
ranges if specified by the machine manufacturer and shall conform to the conditions which are specified
by a machine user during production, as examples the following:
a) temperature;
b) humidity;
c) services/utilities (e.g. supply of electrical power, compressed air, shielding gas, water);
d) shocks/vibrations;
e) chamber pressure
f) process gas purity.
Health and safety measures relating to laser radiation and to fire and explosion protection shall be
observed.
6 Qualification testing
6.1 General
The qualification testing of laser beam machines for metal powder bed fusion additive manufacturing
shall comprise as a minimum the requirements specified in 6.2 to 6.7.
The measurement shall be performed with a calibrated measuring instrument according to the
measuring instrument instructions.
6.2 Laser beam tests
6.2.1 Testing the laser power for continuous wave lasers
The laser power shall be measured. The measurement should be performed according to ISO 11554, as
applicable.
The nominal machine power settings shall be compared with the actual values. The measurement shall
be performed with a calibrated measuring instrument at the point of use (i.e. inside the build chamber).
The instrument shall be capable of accurate measurement of the actual laser power range.
2 © ISO/ASTM International 2020 – All rights reserved

The
...

NORME ISO/ASTM
INTERNATIONALE 52941
Première édition
2020-11
Fabrication additive — Performance
et fiabilité du système — Essais
de réception pour machines de
fusion laser sur lit de poudre pour
les matériaux métalliques pour
l’application aérospatiale
Additive manufacturing — System performance and reliability —
Acceptance tests for laser metal powder-bed fusion machines for
metallic materials for aerospace application
Numéro de référence
©
ISO/ASTM International 2020
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO/ASTM International 2020
Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou un intranet, sans autorisation écrite soit de l’ISO à l’adresse ci-après,
soit d’un organisme membre de l’ISO dans le pays du demandeur. Aux États-Unis, les demandes doivent être adressées à ASTM
International.
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Web: www.iso.org Web: www.astm.org
Publié en Suisse
ii © ISO/ASTM International 2020 – Tous droits réservés

Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Équipement . 2
5 Conditions environnementales et opérationnelles . 2
6 Essais de qualification . 2
6.1 Généralités . 2
6.2 Essais de faisceau laser . 3
6.2.1 Essais de puissance laser pour les lasers à ondes entretenues . 3
6.2.2 Essais de stabilité de la puissance laser pour les lasers à ondes entretenues . 3
6.2.3 Essais des lasers à impulsion . 3
6.2.4 Évaluation des caractéristiques du faisceau laser . 3
6.2.5 Évaluation de la position minimale du col du faisceau laser en différents
endroits du plan de travail . 3
6.2.6 Évaluation de la stabilité thermique de la position minimale du col du faisceau. 4
6.2.7 Essais de la position du faisceau laser . 4
6.2.8 Exactitude de la trajectoire . 4
6.2.9 Vitesse de balayage . 4
6.2.10 Exigences pour les équipements ayant des sources de faisceau laser multiples . 5
6.3 Essai de fonction mécanique . 5
6.3.1 Généralités . 5
6.3.2 Positionnement de la plateforme de fabrication . 5
6.3.3 Positionnement de la plateforme d’alimentation . 5
6.3.4 Autres procédés d’alimentation en poudre . 6
6.3.5 Mouvement du dispositif d’étalement de la poudre. 6
6.4 Système de chauffage . 6
6.5 Atmosphère à l'intérieur de l’espace de travail . 6
6.6 Enregistrement des données . 6
6.7 Systèmes de sécurité . 6
6.8 Essais facultatifs . 6
6.8.1 Démonstrateurs et objets d’essai . 6
6.8.2 Evaluation de la zone de fabrication . 7
6.8.3 Essai de débit de gaz avec anémomètre à fil chaud . 7
6.9 Requalification . 8
7 Rapport d’essai . 9
Annexe A (informative) Exemple d’un rapport d'essai .10
Annexe B (informative) Motif géométrique de l’essai d’exactitude de la trajectoire .11
Bibliographie .12
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Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/ iso/ fr/ avant -propos .html.
Le présent document a été élaboré par l’ISO/TC 261, Fabrication additive, en coopération avec
l’ASTM F 42, Technologies de fabrication additive, dans le cadre d’un accord de partenariat entre l’ISO et
ASTM International dans le but de créer un ensemble commun de normes ISO/ASTM sur la fabrication
additive.
Il convient que tout retour d’information ou questions sur le présent document soit adressé à l'organisme
national de normalisation de l'utilisateur. Une liste complète de ces organismes peut être consultée à
l'adresse www .iso .org/ members .html.
iv © ISO/ASTM International 2020 – Tous droits réservés

NORME INTERNATIONALE ISO/ASTM 52941:2020(F)
Fabrication additive — Performance et fiabilité du système
— Essais de réception pour machines de fusion laser
sur lit de poudre pour les matériaux métalliques pour
l’application aérospatiale
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie les exigences et les méthodes d’essai pour la qualification et la
requalification des machines à faisceau laser pour la fabrication additive par fusion sur lit de poudre
métallique dans les applications aérospatiales.
Il peut également être utilisé pour vérifier les fonctionnalités de la machine lors des inspections
périodiques ou à la suite d’activités de maintenance ou de réparation.
2 Références normatives
Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des
exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les
références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 11146 (toutes les parties), Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d’essai des largeurs
du faisceau, angles de divergence et facteurs de limite de diffraction
ISO 11554, Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai de la
puissance et de l'énergie des faisceaux lasers et de leurs caractéristiques temporelles
ISO/ASTM 52900, Fabrication additive — Principes généraux — Fondamentaux et vocabulaire
ISO/ASTM 52921, Terminologie normalisée pour la fabrication additive — Systèmes de coordonnées et
méthodes d’essai
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO/ASTM 52900,
l’ISO/ASTM 52921, ainsi que les suivants, s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— Plateforme de navigation ISO en ligne: disponible sur https:// www .iso .org/ obp
— Electropedia de l’IEC: disponible sur http:// www .electropedia .org/
3.1
vitesse de balayage
vitesse linéaire relative du mouvement du faisceau laser dans le plan de la plateforme de fabrication
(plan de travail)
3.2
temps de préchauffage
temps écoulé depuis la mise en marche de la machine jusqu’à ce que le cycle de fabrication puisse être
démarré, tel que spécifié par le fabricant de la machine
© ISO/ASTM International 2020 – Tous droits réservés 1

3.3
plateforme d’alimentation
plateforme qui se déplace par incréments pour alimenter en poudre le dispositif d’étalement de la
poudre (3.4)
3.4
dispositif d’étalement de la poudre
mécanisme d'alimentation en poudre, qui distribue et répartit uniformément la poudre sur la surface
de fabrication
3.5
puissance nominale du laser
capacité maximale de puissance telle que spécifiée par le fabricant du laser
3.6
position minimale du col du faisceau
point focal d’un endroit où le faisceau a l'énergie la plus concentrée et la plus petite surface de section
transversale
4 Équipement
L’équipement doit être installé, mis en fonctionnement et maintenu conformément aux instructions
documentées.
5 Conditions environnementales et opérationnelles
Les conditions environnementales et opérationnelles pendant les essais de qualification doivent
satisfaire aux gammes d’exigences si elles sont spécifiées par le fabricant de la machine et doivent être
conformes aux conditions qui sont spécifiées par un utilisateur de la machine pendant la production,
comme exemples les suivantes:
a) température;
b) humidité;
c) services/réseaux (par exemple, alimentation électrique, air comprimé, gaz de protection, eau);
d) chocs/vibrations;
e) pression de la chambre;
f) pureté du gaz de procédé.
Les mesures de santé et de sécurité relatives à la protection contre le rayonnement laser et contre
l'incendie et l’explosion doivent être observées.
6 Essais de qualification
6.1 Généralités
Les essais de qualification des machines à faisceau laser pour la fabrication additive par fusion sur lit de
poudre métallique doivent comprendre au minimum les exigences spécifiées de 6.2 à 6.7.
La mesure doit être effectuée avec un instrument de mesure étalonné conformément aux instructions
de l'instrument de mesure.
2 © ISO/ASTM International 2020 – Tous droits réservés

6.2 Essais de faisceau laser
6.2.1 Essais de puissance laser pour les lasers à ondes entretenues
La puissance laser doit être mesurée. Il convient de réaliser la mesure conformément à l’ISO 11554, le
cas échéant.
Les paramètres de puissance nominale de la machine doivent être comparées aux valeurs effectives. La
mesure doit être effectuée avec un instrument de mesure étalonné au point d'utilisation (c'est-à-dire,
à l'intérieur de la chambre de fabrication). L'instrument doit être capable de mesurer précisément la
plage de puissance laser effective.
La mesure de la puissance laser doit être conforme aux exigences de production en couvrant la plage
de puissance type. Si cette plage est inconnue, il est recommandé de mesurer en un minimum de trois
points, comprenant 30 % et 90 % de la puissance laser nominale maximale.
Si cela est spécifié par le fabricant de la machine, un temps de préchauffage doit être appliqué.
6.2.2 Essais de stabilité de la puissance laser pour les lasers à ondes entretenues
Il convient que la stabilité de la puissance laser soit mesurée conformément à l’ISO 11554, le cas échéant.
Si l'ISO 11554 n'est pas applicable, il convient que la procédure suivante soit appliquée. Si un temps
de préchauffage est spécifié, les mesures de stabilité doivent comme
...