ISO/ASTM 52911-1:2019

Additive manufacturing — Design — Part 1: Laser-based powder bed fusion of metals

This document specifies the features of laser-based powder bed fusion of metals (PBF-LB/M) and provides detailed design recommendations. Some of the fundamental principles are also applicable to other additive manufacturing (AM) processes, provided that due consideration is given to process-specific features. This document also provides a state of the art review of design guidelines associated with the use of powder bed fusion (PBF) by bringing together relevant knowledge about this process and by extending the scope of ISO/ASTM 52910.

Fabrication additive — Conception — Partie 1: Fusion laser sur lit de poudre métallique

Le présent document spécifie les caractéristiques de la fusion laser sur lit de poudre métallique (PBF-LB/M) et fournit des recommandations de conception détaillées. Certains des principes fondamentaux sont également applicables à d'autres procédés de fabrication additive (FA), sous réserve que les caractéristiques spécifiques à un procédé soient dûment prises en compte. Le présent document fournit également un État de l'Art des lignes directrices de conception associées à l'utilisation d'une fusion sur lit de poudre (PBF), en compilant des connaissances pertinentes sur ce procédé et en élargissant le domaine d'application de l'ISO/ASTM 52910.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 30-Jul-2019
• ICS: 25.030 - Additive manufacturing
• Technical Committee: ISO/TC 261 - Additive manufacturing
• Drafting Committee: ISO/TC 261/JG 57 - Joint ISO/TC 261-ASTM F 42 Group: Process-specific design guidelines and standards
• Current Stage: 6060 - International Standard published
• Start Date: 14-Nov-2018
• Due Date: 04-Apr-2020
• Completion Date: 31-Jul-2019

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO/ASTM
STANDARD 52911-1
First edition
2019-07
Additive manufacturing — Design —
Part 1:
Laser-based powder bed fusion of
metals
Fabrication additive — Conception —
Partie 1: Fusion laser sur lit de poudre métallique
Reference number
ISO/ASTM 52911-1:2019(E)
©
ISO/ASTM International 2019

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ISO/ASTM 52911-1:2019(E)

COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO/ASTM International 2019
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Published in Switzerland
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ISO/ASTM 52911-1:2019(E)

Contents Page
Foreword .v
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and abbreviated terms . 2
4.1 Symbols . 2
4.2 Abbreviated terms . 3
5 Characteristics of powder bed fusion (PBF) processes . 3
5.1 General . 3
5.2 Size of the parts . 4
5.3 Benefits to be considered in regard to the PBF process . 4
5.4 Limitations to be considered in regard to the PBF process . 5
5.5 Economic and time efficiency . 5
5.6 Feature constraints (islands, overhang, stair-step effect) . 6
5.6.1 General. 6
5.6.2 Islands . 6
5.6.3 Overhang . 6
5.6.4 Stair-step effect . 6
5.7 Dimensional, form and positional accuracy . 7
5.8 Data quality, resolution, representation . 7
6 Design guidelines for laser-based powder bed fusion of metals (PBF-LB/M) .8
6.1 General . 8
6.1.1 Selecting PBF-LB/M . 8
6.1.2 Design and test cycles . 8
6.2 Material and structural characteristics . 8
6.3 Support structures . 9
6.4 Build orientation, positioning and arrangement .11
6.4.1 General.11
6.4.2 Powder spreading .11
6.4.3 Support structures design .12
6.4.4 Curl effect .13
6.5 Anisotropy of the material characteristics.14
6.6 Surface roughness .14
6.7 Post-production finishing .14
6.7.1 General.14
6.7.2 Surface finishing .15
6.7.3 Removal of powder residue .15
6.7.4 Removal of support structures .15
6.7.5 Adjusting geometric tolerances .15
6.7.6 Heat treatment.15
6.8 Design considerations.16
6.8.1 General.16
6.8.2 Cavities .16
6.8.3 Gaps .16
6.8.4 Wall thicknesses .16
6.8.5 Holes and channels .17
6.8.6 Integrated markings .17
6.9 Example applications .17
6.9.1 General.17
6.9.2 Integral design (provided by CETIM — Technical Centre for Mechanical
Industry) .17
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ISO/ASTM 52911-1:2019(E)

6.9.3 Gear wheel design (provided by Fraunhofer IGCV) .19
6.9.4 Impossible crossing (provided by TNO — The Netherlands Organisation
for applied scientific research) .20
Annex A (informative) Materials for PBF-LB/M .22
Bibliography .23
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ISO/ASTM 52911-1:2019(E)

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 Technical Committee ISO/TC 261, Additive manufacturing, in
cooperation with ASTM F42, 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.
A list of all parts in the ISO 52911 series can be found on the ISO website.
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.
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ISO/ASTM 52911-1:2019(E)

Introduction
Laser-based powder bed fusion of metals (PBF-LB/M) describes an additive manufacturing (AM)
process and offers an additional manufacturing option alongside established processes. PBF-LB/M has
the potential to reduce manufacturing time and costs, and increase part functionality. Practitioners
are aware of the strengths and weaknesses of conventional, long-established manufacturing processes,
such as cutting, joining and shaping processes (e.g. by machining, welding or injection moulding), and
of giving them appropriate consideration at the design stage and when selecting the manufacturing
process. In the case of PBF-LB/M and AM in general, design and manufacturing engineers only have
a limited pool of experience. Without the limitations associated with conventional processes, the
use of PBF-LB/M offers designers and manufacturers a high degree of freedom and this requires an
understanding about the possibilities and limitations of the process.
The ISO 52911 series provides guidance for different powder bed fusion (PBF) technologies. It is
1)
intended that the series will include this document on PBF-LB/M, ISO 52911-2 on laser-based powder
2)
bed fusion of polymers (PBF-LB/P), and ISO 52911-3 on electron beam powder bed fusion of metals
(PBF-EB/M). Each document in the series shares Clauses 1 to 5, where general information including
terminology and the PBF process is provided. The subsequent clauses focus on the specific technology.
This document is based on VDI 3405-3:2015. It provides support to technology users, such as design
and production engineers, when designing parts that need to be manufactured by means of PBF-LB/M.
It will help practitioners to explore the benefits of PBF-LB/M and to recognize the process-related
limitations when designing parts. It also builds on ISO/ASTM 52910 to extend the requirements,
guidelines and recommendations for AM design to include the PBF process.
1) Under preparation.
2) Under preparation.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO/ASTM 52911-1:2019(E)
Additive manufacturing — Design —
Part 1:
Laser-based powder bed fusion of metals
1 Scope
This document specifies the features of laser-based powder bed fusion of metals (PBF-LB/M) and
provides detailed design recommendations.
Some of the fundamental principles are also applicable to other additive manufacturing (AM) processes,
provided that due consideration is given to process-specific features.
This document also provides a state of the art review of design guidelines associated with the use of
powder bed fusion (PBF) by bringing together relevant knowledge about this process and by extending
the scope of ISO/ASTM 52910.
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/ASTM 52900, Additive manufacturing — General principles — Fundamentals and vocabulary
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO/ASTM 52900 and the
following apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at http: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
3.1
curl effect
thermal and residual stress effect
dimensional distortion as the printed part cools and solidifies after
being built or by poorly evacuated heat input
3.2
downskin area
D

(sub-)area where the normal vector n projection on the z-axis is negative
Note 1 to entry: See Figure 1.
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ISO/ASTM 52911-1:2019(E)

3.3
downskin angle
δ
angle between the plane of the build platform and the downskin area (3.2) where the value lies between
0° (parallel to the build platform) and 90° (perpendicular to the build platform)
Note 1 to entry: See Figure 1.
3.4
upskin area
U

(sub-)area where the normal vector n projection on the z-axis is positive
Note 1 to entry: See Figure 1.
3.5
upskin angle
υ
angle between the plane of the build platform and the upskin area (3.4) where the value lies between 0°
(parallel to the build platform) and 90° (perpendicular to the build platform)
Note 1 to entry: See Figure 1.
Key
δ downskin angle

normal vector
n
D downskin (left) area
U upskin (right) area
υ upskin angle
SOURCE VDI 3405-3:2015.
Figure 1 — Orientation of the part surfaces relating to the build platform
4 Symbols and abbreviated terms
4.1 Symbols
The symbols given in Table 1 are used in this document.
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ISO/ASTM 52911-1:2019(E)

Table 1 — Symbols
Symbol Designation Unit
a overhang mm
2
D downskin area mm
2
I island mm

normal vector —
n
R mean roughness µm
a
R average surface roughness µm
z
2
U upskin area mm
δ downskin angle °
υ upskin angle °
4.2 Abbreviated terms
The following abbreviated terms are used in this document.
AM additive manufacturing
AMF additive manufacturing file format
CT computed tomography
DICOM digital imaging and communications in medicine
HIP hot isostatic pressing
MRI magnetic resonance imaging
PBF powder bed fusion
PBF-EB/M electron beam powder bed fusion of metals
PBF-LB laser-based powder bed fusion
PBF-LB/M laser-based powder bed fusion of metals (also known as, for example, laser beam melting,
selective laser melting)
PBF-LB/P laser-based powder bed fusion of polymers (also known as, for example, laser beam
melting, selective laser melting)
STL stereolithography format or surface tessellation language
5 Characteristics of powder bed fusion (PBF) processes
5.1 General
Consideration shall be given to the specific characteristics of the manufacturing process used in order
to optimize the design of a part. Examples of the features of AM processes which need to be taken into
consideration during the design and process planning stages are listed in 5.2 to 5.8. With regards to
metal processing, a distinction can be made between, for example, laser-based PBF (applied for metals
and polymers) and electron beam-based PBF (applied for metals only).
Polymers PBF uses, in almost every case, low-power lasers to sinter polymer powders together. As with
polymer powders PBF, metals PBF includes varying processing techniques. Unlike polymers, metals
PBF often requires the addition of support structures (see 6.4.3). Metals PBF processes may use low-
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power lasers to bind powder particles by only melting the surface of the powder particles or high-power
(approximately 200 W to 1 kW) beams to fully melt and fuse the powder particles together.
Electron beam-based melting and laser-based melting have similar capabilities, although the beam
energy transferred from the electron beam to the metal is of a higher intensity and the process
most commonly operates at higher temperatures than the laser counterpart, therefore typically also
supporting faster build rates at lower resolutions. In general, since the powder bed is preheated and
kept close to the melting temperature during the building operation, electron beam processes subject
parts to less thermal induced stresses and have faster build rates, but the trade-off often comes with
much longer times needed for the build chamber to cool down after the build cycle has been completed,
and in general larger minimum feature sizes and greater surface roughness than laser melting.
5.2 Size of the parts
The size of the parts is not only limited by the working area/working volume of the PBF-machine. Also,
the occurrence of cracks and deformation due to residual stresses can limit the maximum part size.
Another important practical factor that can limit the maximum part size is the cost of production having
a direct relation to the size and volume of the part. Cost of production can be minimized by choosing
part location and build orientation in a way that allows nesting of as many parts as possible. The cost of
the volume of powder required to fill the bed should be considered. Powder reuse rules impact this cost
significantly. If no reuse is allowed then all powder is scrapped regardless of volume solidified.
5.3 Benefits to be considered in regard to the PBF process
PBF processes can be advantageous for manufacturing parts where the following points are relevant.
— Integration of multiple functions in the same part.
— Parts can be manufactured to near-net shape (i.e. close to the finished shape and size).
— Degrees of design freedom for parts are typically high. Limitations of conventional manufacturing
processes do not usually exist, e.g. for:
— tool accessibility, and
— undercuts.
— A wide range of complex geometries can be produced, such as:
— free-form geometries, e.g. organic structures,
— topologically optimized structures, in order to reduce mass and optimize mechanical
properties, and
— infill structures, e.g. honeycomb.
— The degree of part complexity is largely unrelated to production costs, unlike most conventional
manufacturing.
— Assembly and joining processes can be reduced through part consolidation, potentially achieving
en bloc construction.
— Overall part characteristics can be selectively configured by adjusting process parameters locally.
— Reduction in lead times from design to part production.
4 © ISO/ASTM International 2019 – All rights reserved

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5.4 Limitations to be considered in regard to the PBF process
Certain disadvantages typically associated with AM processes shall be taken into consideration during
product design.
— Shrinkage, residual stress and deformation can occur due to local temperature differences.
— The surface quality of AM parts is typically influenced by the layer-wise build-up technique (stair-
step effect). Post-processing can be required, depending on the application.
— Consideration shall be given to deviations from form, dimensional and positional tolerances of
parts. A machining allowance shall therefore be provided for post-production finishing. Specified
geometric tolerances can be achieved by precision post-processing.
— Anisotropic characteristics typically arise due to the layer-wise build-up and shall be taken into
account during process planning.
— Not all materials available for conventional processes are currently suitable for PBF processes.
— Material properties can differ from expected values known from other technologies like forging and
casting. Material properties can be influenced significantly due to process settings and control.
— Excessive use and/or over-reliance on support structures can lead to both high material waste and
increased risk of build failure.
— Powder removal post processing is necessary.
5.5 Economic and time efficiency
Provided that the geometry permits a part to be placed in the build space in such a way that it can be
manufactured as cost-effectively as possible, various different criteria for optimization are available
depending on the number of units planned.
In the case of a one-off production, height is the factor that has the greatest impact on building time and
build costs. Parts should be orientated in such a way that the build height is kept to a minimum.
If the intention is to manufacture a larger number of units, then the build space should be used as
efficiently as possible. Parts should be orientated so as to minimize the number of build runs required.
Strategies for nesting can also be included to maximize the available build space. If the same parts are
oriented differently for best packing, i.e. results in building at different angles, then the mechanical
properties can vary from part to part.
The use of powder that remains in the system depends on the application, material and specific
requirements. Powder changes can be inefficient and time consuming. Though they are necessary
when changing material type, powders from same-material builds can be reused if permitted in
the governing specification. It is important to note, however, that recycling of powder can affect the
powder size distribution, surface characteristics and alloy composition, and this in turn affects final
part characteristics. In addition, the reusable powder characteristics and therefore recyclability can
be different for electron beam-based and laser beam-based powder bed fusion. The number of times a
powder can be recycled is dependent on the machine manufacturer and the part specification.
Many poorly designed parts (particularly those designed for conventional processes with little or no
adaptation) necessitate a specific orientation either to minimize the use of supports or to increase the
likelihood of build success. Indeed, parts designed for additive manufacture should be devised such
that build orientation is obvious and/or specified.
© ISO/ASTM International 2019 – All rights reserved 5

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5.6 Feature constraints (islands, overhang, stair-step effect)
5.6.1 General
Since AM parts are built up in successive layers, separation of features can occur at some stage of the
build. This depends on the part geometry. The situations described in 5.6.2 to 5.6.4 can be regarded as
critical (the level of criticality depends on the PBF technology in focus) in this respect.
5.6.2 Islands
Islands (I) are features that connect to form a part (P) only at a later stage of the build process. How
this connection will occur shall be taken into consideration at the design stage. Parts that are stable in
terms of their overall design can be unstable during the build process (see Figure 2, left and centre).
NOTE In some circumstances, islands are not protected against mechanical damage during the powder
application process. This can lead to deformation of the islands.
Key
I islands
P part
a overhang
SOURCE VDI 3405-3:2015.
Figure 2 — Islands I (left) and overhang a (right) during the construction of part P in z-axis
5.6.3 Overhang
Areas with an overhang angle of 0° produce an overhang with length a (see Figure 2, right). Small
overhangs do not need any additional geometry in the form of support structures. In such cases, the
projecting area is self-supporting during manufacturing. The permissible values for a depend on the
specific PBF process, the material and the process parameters used. Significant overhangs can induce a
collapse or deformation of the length a of Figure 2, which can lead to the machine standstill.
5.6.4 Stair-step effect
Due to the layer-wise build-up, the 3D geometry of the part is converted into a 2,5D image before
production, with disc
...

NORME ISO/ASTM
INTERNATIONALE 52911-1
Première édition
2019-07
Fabrication additive — Conception —
Partie 1:
Fusion laser sur lit de poudre
métallique
Additive manufacturing — Design —
Part 1: Laser-based powder bed fusion of metals
Numéro de référence
ISO/ASTM 52911-1:2019(F)
©
ISO/ASTM International 2019

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DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO/ASTM International 2019
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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.
ISO copyright office ASTM International
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700
CH-1214 Vernier, Genève West Conshohocken, PA 19428-2959, USA
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Fax: [phone] Fax: [phone]
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Publié en Suisse
ii © ISO/ASTM International 2019 – Tous droits réservés

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ISO/ASTM 52911-1:2019(F)

Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles et termes abrégés . 2
4.1 Symboles . 2
4.2 Termes abrégés . 3
5 Caractéristiques des procédés de fusion sur lit de poudre (PBF) . 3
5.1 Généralités . 3
5.2 Dimension des pièces . 4
5.3 Bénéfices à prendre en compte en ce qui concerne le procédé PBF . 4
5.4 Limites à prendre en compte en ce qui concerne le procédé PBF . 5
5.5 Efficacité sur le plan des coûts et des délais . 5
5.6 Contraintes d’éléments (îlots, porte-à-faux, effet d’escalier) . 6
5.6.1 Généralités . 6
5.6.2 Îlots . 6
5.6.3 Porte-à-faux . 6
5.6.4 Effet d’escalier . 7
5.7 Exactitude dimensionnelle, de forme et de position . 7
5.8 Qualité des données, résolution, représentation . 7
6 Lignes directrices de conception pour la fusion laser sur lit de poudre métallique
(PBF-LB/M) . 8
6.1 Généralités . 8
6.1.1 Choix du PBF-LB/M . 8
6.1.2 Cycles de conception et d’essai . 9
6.2 Caractéristiques des matériaux et structures . 9
6.3 Structures de support .10
6.4 Orientation de fabrication, positionnement et disposition .12
6.4.1 Généralités .12
6.4.2 Diffusion en poudre .12
6.4.3 Structures de support .13
6.4.4 Effet de gondolement .13
6.5 Anisotropie des caractéristiques du matériau .14
6.6 Rugosité de surface .14
6.7 Finition post-production .15
6.7.1 Généralités .15
6.7.2 Finition de surface .15
6.7.3 Retrait des résidus de poudre .15
6.7.4 Retrait des structures de support .15
6.7.5 Ajustement des tolérances géométriques .15
6.7.6 Traitement thermique .16
6.8 Considérations relatives à la conception .16
6.8.1 Généralités .16
6.8.2 Cavités .16
6.8.3 Écartements .17
6.8.4 Épaisseurs des parois .17
6.8.5 Trous et canaux .17
6.8.6 Marquages intégrés .17
6.9 Exemples d’applications .18
6.9.1 Généralités .18
© ISO/ASTM International 2019 – Tous droits réservés iii

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6.9.2 Conception intégrée (fournie par le CETIM - Centre Technique des
Industries Mécaniques) .18
6.9.3 Conception de roue d’engrenage (fournie par Fraunhofer IGCV) .20
6.9.4 Croisement impossible (fourni par TNO – L'organisation néerlandaise
pour la recherche scientifique appliquée) .21
Annexe A (informative) Matériaux pour PBF-LB/M .23
Bibliographie .24
iv © ISO/ASTM International 2019 – Tous droits réservés

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ISO/ASTM 52911-1:2019(F)

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 www .iso .org/avant -propos.
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 de normes ISO/ASTM sur la fabrication additive.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 52911 se trouve sur le site Web de l’ISO.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/fr/members .html.
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ISO/ASTM 52911-1:2019(F)

Introduction
La fusion laser sur lit de poudre métallique (PBF-LB/M) décrit un procédé de fabrication additive
(FA) et offre une alternative de fabrication supplémentaire aux procédés établis. La PBF-LB/M offre la
possibilité de réduire les délais et coûts de fabrication, tout en élargissant les fonctionnalités de la pièce.
Les praticiens connaissent les points forts et les points faibles des procédés de fabrication traditionnels
utilisés depuis longtemps, tels que les procédés de coupe, d’assemblage et de formage (par exemple,
par usinage, soudage ou moulage par injection) et leur accordent l’attention nécessaire au stade de la
conception et du choix du procédé de fabrication. Dans le cas de la PBF-LB/M et de la FA en général, les
ingénieurs de conception et de fabrication ne disposent que d’une réserve d’expérience limitée. Sans les
limites associées aux procédés classiques, l’utilisation d’une PBF-LB/M offre un grand degré de liberté
aux concepteurs et aux fabricants, et ceci exige une compréhension des possibilités et des limites du
procédé.
La série ISO 52911 fournit des lignes directrices pour différentes technologies de fusion sur lit de
1)
poudre (PBF). Il est prévu que la série comprenne le présent document sur la PBF-LB/M, l’ISO 52911-2
2)
sur la fusion sur lit de poudre polymère (PBF-LB/P), et l’ISO 52911-3 sur la fusion sur lit de poudre
métallique par faisceau d'électrons (PBF-EB/M). Chaque document de la série partage les Articles 1 à 5,
où des informations générales comprenant la terminologie et le procédé PBF sont fournies. Les articles
suivants portent sur la technologie spécifique.
Le présent document est basé sur le VDI 3405-3:2015. Il fournit un support aux utilisateurs de la
technologie, tels que les ingénieurs de conception et de fabrication, lors de la conception de pièces
qui nécessitent d’être fabriquées au moyen de la PBF-LB/M. Cela aidera les praticiens à explorer les
avantages de la PBF-LB/M et à reconnaître les limites liées au procédé lors de la conception des pièces.
Il s’appuie également sur l’ISO/ASTM 52910 pour étendre les exigences, les lignes directrices et les
recommandations pour la conception FA pour intégrer le procédé PBF.
1) En préparation.
2) En préparation.
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NORME INTERNATIONALE ISO/ASTM 52911-1:2019(F)
Fabrication additive — Conception —
Partie 1:
Fusion laser sur lit de poudre métallique
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie les caractéristiques de la fusion laser sur lit de poudre métallique (PBF-
LB/M) et fournit des recommandations de conception détaillées.
Certains des principes fondamentaux sont également applicables à d'autres procédés de fabrication
additive (FA), sous réserve que les caractéristiques spécifiques à un procédé soient dûment prises
en compte.
Le présent document fournit également un État de l’Art des lignes directrices de conception associées
à l’utilisation d’une fusion sur lit de poudre (PBF), en compilant des connaissances pertinentes sur ce
procédé et en élargissant le domaine d’application de l’ISO/ASTM 52910.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils 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/ASTM 52900, Fabrication additive — Principes généraux — Principes essentiels et vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés de l’ISO/ASTM 52900 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:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http: //www .electropedia .org/
3.1
effet de gondolement
effet de contraintes thermiques et résiduelles
déformation dimensionnelle lorsque la pièce
imprimée refroidit et se solidifie après sa fabrication ou par apport de chaleur mal évacuée
3.2
surface de contre-dépouille
D

(sous-)zone où la projection du vecteur normal n sur l’axe z est négative
Note 1 à l'article: Voir la Figure 1.
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3.3
angle de la contre-dépouille
δ
angle entre le plan de la plateforme de fabrication et la surface de contre-dépouille (3.2) où la valeur
est comprise entre 0° (parallèlement à la plateforme de fabrication) et 90° (perpendiculairement à la
plateforme de fabrication)
Note 1 à l'article: Voir la Figure 1.
3.4
surface de dépouille
U

(sous-)zone où la projection du vecteur normal n sur l’axe z est positive
Note 1 à l'article: Voir la Figure 1.
3.5
angle de la dépouille
υ
angle entre le plan de la plateforme de fabrication et la surface de dépouille (3.4) où la valeur est comprise
entre 0° (parallèlement à la plateforme de fabrication) et 90° (perpendiculairement à la plateforme de
fabrication)
Note 1 à l'article: Voir la Figure 1.
Légende
δ angle de la contre-dépouille

vecteur normal
n
D surface (gauches) de contre-dépouille
U surface (droites) de dépouille
υ angle de la dépouille
SOURCE VDI 3405-3:2015.
Figure 1 — Orientation des surfaces de la pièce par rapport à la plate-forme de fabrication
4 Symboles et termes abrégés
4.1 Symboles
Les symboles donnés dans le Tableau 1 sont utilisés dans le présent document.
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Tableau 1 — Symboles
Symbole Désignation Unité
a porte-à-faux mm
2
D surface de contre-dépouille mm
2
I îlot mm

vecteur normal —
n
R rugosité moyenne µm
a
R rugosité de surface moyenne µm
z
2
U surface de dépouille mm
δ angle de la contre-dépouille °
υ angle de la dépouille °
4.2 Termes abrégés
Les termes abrégés suivants sont utilisés dans le présent document.
AMF format de fichier de la fabrication additive
CIC compression isostatique à chaud
CT tomographie informatisée
DICOM imagerie et communications numériques en médecine
FA fabrication additive
IRM imagerie par résonance magnétique
PBF fusion sur lit de poudre
PBF-EB/M fusion sur lit de poudre métallique par faisceau d'électrons
PBF-LB fusion laser sur lit de poudre
PBF-LB/M fusion laser sur lit de poudre métallique (également appelée, par exemple, fusion par
faisceau laser, fusion sélective par laser)
PBF-LB/P fusion laser sur lit de poudre polymère (également appelée, par exemple, fusion par
faisceau laser, fusion sélective par laser)
STL format de stéréolithographie ou langue de pavage de surface
5 Caractéristiques des procédés de fusion sur lit de poudre (PBF)
5.1 Généralités
Les caractéristiques spécifiques du procédé de fabrication utilisé pour optimiser la conception d'une
pièce doivent être prises en compte. Des exemples de caractéristiques de procédés FA qui nécessitent
d'être pris en compte pendant les phases de conception et de planification du procédé sont énumérés de
5.2 à 5.8. Dans le domaine du traitement des métaux, une distinction peut être faite entre, par exemple,
la PBF au laser (appliquée aux métaux et aux polymères) et la PBF par faisceau d’électrons (appliquée
aux métaux seulement).
La PBF polymère utilise, dans presque tous les cas, des lasers basse puissance pour le frittage des
poudres polymères. Comme pour la PBF polymère, la PBF métallique comprend diverses techniques de
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traitement. Contrairement aux polymères, la PBF métallique exige souvent d’ajouter des structures de
support (voir 6.4.3). Les procédés de PBF métallique peuvent utiliser des lasers basse puissance pour
lier les particules de poudre en limitant la fusion à la surface des particules de poudre ou des faisceaux
d’énergie haute puissance (approximativement 200 W à 1KW) pour faire fondre ensemble les particules
de poudre.
La fusion par faisceaux d’électrons et la fusion par laser ont des aptitudes similaires, bien que
l’énergie du faisceau transférée du faisceau d’électrons au métal soit de plus forte intensité et que
le procédé le plus souvent se déroule à des températures plus élevées que celles de la méthode laser
et, par conséquent, soit également capable de supporter des vitesses de production plus rapides à de
plus faibles résolutions. En règle générale, comme le lit de poudre est préchauffé et maintenu proche
de la température de fusion pendant l’opération de fabrication, les procédés de faisceaux d’électrons
exposent les pièces à des contraintes thermiques induites moindres et ont des vitesses de production
plus rapides, mais le compromis consiste souvent en des temps beaucoup plus longs nécessaires au
refroidissement de la chambre de fabrication une fois le cycle de fabrication terminé, et en général
davantage de dimensions d’éléments minimales et une plus grande rugosité de surface que le procédé
de fusion laser.
5.2 Dimension des pièces
La dimension des pièces n’est pas limitée uniquement par la surface de travail/le volume de travail de la
machine PBF. L’apparition de fissures et la déformation causée par les contraintes thermiques peuvent
également limiter la dimension de pièce maximale. Un autre facteur pratique important qui peut limiter
la dimension maximale de la pièce est le coût de production, qui est directement lié à la dimension et
au volume de la pièce. Le coût de production peut être réduit en choisissant un emplacement de la pièce
et une orientation de la fabrication qui permettent d'imbriquer le plus de pièces possible. Il convient de
considérer le coût du volume de poudre exigé pour remplir le lit. Les règles en matière de réutilisation
des poudres affectent ce coût de manière significative. Si aucune réutilisation n’est admise, alors la
totalité de la poudre est mise au rebut quel que soit le volume solidifié.
5.3 Bénéfices à prendre en compte en ce qui concerne le procédé PBF
Les procédés PBF peuvent être avantageux pour la fabrication de pièces lorsque les points suivants sont
pertinents.
— Intégration de plusieurs fonctions dans la même pièce.
— Les pièces peuvent être fabriquées à leur forme quasi-définitive (c’est-à-dire, près de la forme et de
la dimension à l’état fini).
— Les degrés de liberté de conception des pièces sont généralement élevés. Les limites des procédés de
fabrication classiques sont généralement inexistantes, par exemple, pour:
— l’accessibilité de l’outil, et
— les dégagements.
— Une grande diversité de géométries complexes peut être produite, telles que:
— géométries de forme libre, par exemple, structures organiques,
— structures à topologie optimisée, afin de réduire la masse et d’optimiser les propriétés
mécaniques, et
— structures de remplissage, par exemple, nid d’abeille.
— Le degré de complexité de la pièce est très peu lié aux coûts de production, contrairement à la plupart
des fabrications conventionnelles.
— Les procédés d’assemblage et de jointage peuvent être réduits par la consolidation de la pièce, pour
éventuellement produire une fabrication en bloc.
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— Les caractéristiques globales de la pièce peuvent être configurées de manière sélective en ajustant
localement les paramètres de procédé.
— Réduction des délais entre la conception et la production de la pièce.
5.4 Limites à prendre en compte en ce qui concerne le procédé PBF
Certains inconvénients habituellement associés aux procédés de FA doivent être pris en compte pendant
la conception du produit.
— Un rétrécissement, des contraintes résiduelles et une déformation peuvent apparaître en raison de
différences locales de températures.
— La qualité de surface des pièces de FA est généralement influencée par la technique de fabrication
en couches (effet d’escalier). Un post-traitement peut être exigé, en fonction de l’application.
— Les écarts par rapport aux tolérances de forme, de dimension et de position des pièces doivent être
pris en compte. Une tolérance d’usinage doit donc être fournie pour la finition post-production. Les
tolérances géométriques spécifiées peuvent être obtenues par un post-traitement de précision.
— Des caractéristiques anisotropes surviennent généralement sous l’effet de la fabrication en couches
et doivent être prises en compte pendant la planification du procédé.
— Tous les matériaux disponibles pour les procédés traditionnels ne sont pas actuellement adaptés
aux procédés PBF.
— Les propriétés des matériaux peuvent s’écarter des valeurs attendues connues d’autres technologies
telles que le forgeage et le moulage. Les propriétés des matériaux peuvent être influencées de
manière significative par les paramètres et le contrôle du procédé.
— Une utilisation excessive et/ou une dépendance excessive à des structures de support peuvent
entraîner à la fois une grande perte de matériau et un risque accru de défaillance de fabrication.
— Le retrait de la poudre après traitement est nécessaire.
5.5 Efficacité sur le plan des coûts et des délais
Sous réserve que la géométrie autorise la disposition d’une pièce dans l’espace de fabrication de manière
qu’elle puisse être fabriquée de la manière la plus rentable possible, différents critères d’optimisation
sont disponibles en fonction du nombre d’unités planifiées.
Dans le cas d’une production ponctuelle, la hauteur est le facteur le plus influent sur le temps de
fabrication et sur les coûts de fabrication. Il convient d’orienter les pièces de manière à réduire autant
que possible la hauteur de fabrication.
Si l’objectif est de fabriquer un plus grand nombre d’unités, il convient alors d’utiliser le plus
efficacement possible l’espace de fabrication. Il convient d’orienter les pièces de manière à réduire
autant que possible le nombre de séquences de fabrication requis. Des stratégies d’imbrication peuvent
également être adoptées afin d'optimiser l’espace de fabrication disponible. Si les mêmes pièces sont
orientées différemment pour un meilleur remplissage, c’est-à-dire des résultats de fabrication à des
angles différents, alors les propriétés mécaniques peuvent varier d’une pièce à l’autre.
L’utilisation de la poudre qui reste dans le système dépend de l’application, du matériau et des
exigences spécifiques. Les changements de poudre peuvent être inefficaces et chronophages. Bien qu’ils
soient nécessaires en cas de changement
...