ISO/ASTM 52910:2018
(Main)Additive manufacturing — Design — Requirements, guidelines and recommendations
Additive manufacturing — Design — Requirements, guidelines and recommendations
This document gives requirements, guidelines and recommendations for using additive manufacturing (AM) in product design. It is applicable during the design of all types of products, devices, systems, components or parts that are fabricated by any type of AM system. This document helps determine which design considerations can be utilized in a design project or to take advantage of the capabilities of an AM process. General guidance and identification of issues are supported, but specific design solutions and process-specific or material-specific data are not supported. The intended audience comprises three types of users: — designers who are designing products to be fabricated in an AM system and their managers; — students who are learning mechanical design and computer-aided design; and — developers of AM design guidelines and design guidance systems.
Fabrication additive — Conception — Exigences, lignes directrices et recommandations
Le présent document donne les exigences, les lignes directrices et les recommandations relatives à l'utilisation de la fabrication additive (FA) dans la conception des produits. Il est applicable lors de la conception de tous les types de produits, dispositifs, systèmes, composants ou pièces devant être manufacturés par tout type de système FA. Le présent document aide à déterminer les considérations relatives à la conception qui peuvent être utilisées dans le cadre d'un projet de conception ou pour mettre à profit les capacités d'un processus FA. Le document fournit des recommandations générales et identifie les problèmes, mais ne fournit pas des solutions de conceptions spécifiques et des données spécifiques aux processus ou spécifiques aux matériaux. Le public visé comprend trois types d'utilisateurs: — les concepteurs qui mettent au point des produits destinés à être manufacturés dans un système de fabrication additive ainsi que leurs responsables hiérarchiques; — les étudiants apprenant la conception mécanique et la conception assistée par ordinateur; et — les personnes qui élaborent les lignes directrices pour la conception en fabrication additive (FA) et les recommandations pour la conception.
General Information
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Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO/ASTM
STANDARD 52910
First edition
2018-07
Additive manufacturing — Design
— Requirements, guidelines and
recommendations
Fabrication additive — Conception — Exigences, lignes directrices et
recommandations
Reference number
ISO/ASTM 52910:2018(E)
©
ISO/ASTM International 2018
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ISO/ASTM 52910:2018(E)
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ISO/ASTM 52910:2018(E)
Contents Page
Foreword .iv
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Purpose . 3
5 Design opportunities and limitations . 6
5.1 General . 6
5.2 Design opportunities . 7
5.3 Design limitations. 8
6 Design considerations . 9
6.1 General . 9
6.2 Product considerations . 9
6.3 Product usage considerations .10
6.3.1 General.10
6.3.2 Thermal environment .10
6.3.3 Chemical exposure .10
6.3.4 Radiation exposure .10
6.3.5 Other exposure .11
6.4 Sustainability considerations .11
6.5 Business considerations .12
6.6 Geometry considerations .14
6.7 Material property considerations .16
6.7.1 General.16
6.7.2 Mechanical properties .16
6.7.3 Thermal properties.17
6.7.4 Electrical properties .17
6.7.5 Other .17
6.8 Considerations related to different process categories .18
6.8.1 General.18
6.8.2 Specific considerations for different process categories.18
6.8.3 Other considerations .20
6.9 Communication considerations .20
7 Warnings to designers .21
Bibliography .23
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ISO/ASTM 52910:2018(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 on 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 the following
URL: www .iso .org/iso/foreword .html.
This document was prepared by 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.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO/ASTM 52910:2018(E)
Additive manufacturing — Design — Requirements,
guidelines and recommendations
CAUTION — This document does not purport to address all of the safety concerns, if any,
associated with its use. It is the responsibility of the user of this document to establish
appropriate Health and Safety (H&S) practices and determine the applicability of limitations
prior to use.
1 Scope
This document gives requirements, guidelines and recommendations for using additive manufacturing
(AM) in product design.
It is applicable during the design of all types of products, devices, systems, components or parts that
are fabricated by any type of AM system. This document helps determine which design considerations
can be utilized in a design project or to take advantage of the capabilities of an AM process.
General guidance and identification of issues are supported, but specific design solutions and process-
specific or material-specific data are not supported.
The intended audience comprises three types of users:
— designers who are designing products to be fabricated in an AM system and their managers;
— students who are learning mechanical design and computer-aided design; and
— developers of AM design guidelines and design guidance systems.
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 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 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/
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ISO/ASTM 52910:2018(E)
3.1 Additive manufacturing process categories
3.1.1
binder jetting
additive manufacturing process in which a liquid bonding agent is selectively deposited to join powder
materials
1)
[SOURCE: ISO/ASTM 52900:— , 3.2.1]
3.1.2
directed energy deposition
additive manufacturing process in which focused thermal energy is used to fuse materials by melting
as they are being deposited
[SOURCE: ISO/ASTM 52900:—, 3.2.2 — Note 1 to entry has been deleted]
3.1.3
material extrusion
additive manufacturing process in which material is selectively dispensed through a nozzle or orifice
[SOURCE: ISO/ASTM 52900:—, 3.2.3]
3.1.4
material jetting
additive manufacturing process in which droplets of build material are selectively deposited
[SOURCE: ISO/ASTM 52900:—, 3.2.4 — Note 1 to entry has been deleted]
3.1.5
powder bed fusion
additive manufacturing process in which thermal energy selectively fuses regions of a powder bed
[SOURCE: ISO/ASTM 52900:—, 3.2.5]
3.1.6
sheet lamination
additive manufacturing process in which sheets of material are bonded to form an object
[SOURCE: ISO/ASTM 52900:—, 3.2.6 — “a part” has been replaced with “an object”]
3.1.7
vat photopolymerization
additive manufacturing process in which liquid photopolymer in a vat is selectively cured by light-
activated polymerization
[SOURCE: ISO/ASTM 52900:—, 3.2.7]
3.2 Other definitions
3.2.1
design consideration
topic that can influence decisions made by a part designer
Note 1 to entry: The designer determines to what extent the topic can affect the part being designed and takes
appropriate action.
1) Under preparation. Stage at the time of publication: ISO/DIS 52900:2018.
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ISO/ASTM 52910:2018(E)
3.2.2
process chain
sequence of manufacturing processes that is necessary for the part to achieve all of its desired
properties
4 Purpose
4.1 This document provides requirements, guidelines and recommendations for designing parts
and products to be produced by AM processes. Conditions of the part or product that favour AM are
highlighted. Similarly, conditions that favour conventional manufacturing processes are also highlighted.
The main elements include the following:
— the opportunities and design freedoms that AM offers designers (Clause 5);
— the issues that designers should consider when designing parts for AM, which comprises the main
content of these guidelines (Clause 6); and
— warnings to designers, or “red flag” issues, that indicate situations that often lead to problems in
many AM systems (Clause 7).
4.2 The overall strategy of design for AM is illustrated in Figure 1. It is a representative process for
designing mechanical parts for structural applications, where cost is the primary decision criterion.
The designer could replace cost with quality, delivery time, or other decision criterion, if applicable.
In addition to technical considerations related to functional, mechanical or process characteristics, the
designer should also consider risks associated with the selection of AM processes.
4.3 The process for identifying general potential for fabrication by AM is illustrated in Figure 2. This is
an expansion of the “identification of general AM potential” box on the left side of Figure 1. As illustrated,
the main decision criteria focus on material availability, whether or not the part fits within a machine’s
build volume, and the identification of at least one part characteristic (customization, lightweighting,
complex geometry) for which AM is particularly well suited. These criteria are representative of many
mechanical engineering applications for technical parts, but are not meant to be complete.
4.4 An expansion for the “AM process selection” box in Figure 1 is presented in Figure 3, illustrating
that the choice of material is critical in identifying a suitable process or processes. If a suitable material
and process combination can be identified, then consideration of other design requirements can proceed,
including surface considerations and geometry, static physical and dynamic physical properties, among
others. These figures are meant to be illustrative of typical practice for many types of mechanical parts,
but should not be interpreted as prescribing necessary practice.
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Figure 1 — Overall strategy for design for AM
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Figure 2 — Procedure for identification of AM potential
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ISO/ASTM 52910:2018(E)
Material: metal
Powder bed Material
Main technical issues Material jetting Sheet lamination
fusion extrusion
Surface
Roughness
Staircase effect
Geometrical properties
Geometrical accuracy
Static physical properties
Porosity
Tensile strength
Ductility
Dynamic physical properties
Life cycle fatigue
Figure 3 — Parameters for the AM process selection
5 Design opportunities and limitations
5.1 General
Additive manufacturing differs from other manufacturing processes for several reasons and these
differences lead to unique design opportunities and freedoms that are highlighted here. As a general
rule, if a part can be fabricated economically using a conventional manufacturing process, that part
should probably not be produced using AM. Instead, parts that are good candidates for AM tend to have
complex geometries, custom geometries, low production volumes, special combinations of properties
or characteristics, or some combination of these characteristics. As processes and materials improve,
the emphasis on these characteristics will likely change. In Clause 5, some design opportunities are
highlighted and some typical limitations are identified.
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ISO/ASTM 52910:2018(E)
5.2 Design opportunities
5.2.1 Background — AM fabricates parts by adding material in a layer-by-layer manner. Due to the
nature of AM processes, AM has many more degrees of freedom than other manufacturing processes.
For example, a part can be composed of millions of droplets if fabricated in a material jetting process.
Discrete control over millions of operations at micro to nano scales is both an opportunity and a challenge.
Unprecedented levels of interdependence are evident among considerations and manufacturing process
variables, which distinguishes AM from conventional manufacturing processes. Capabilities to take
advantage of design opportunities can be limited by the complexities of process planning.
5.2.2 Overview — The layer-based, additive nature means that virtually any part shapes can be fabricated
without hard tooling, such as moulds, dies or fixtures. Geometries that are customized to individuals
(customers or patients) can be economically fabricated. Very sophisticated geometric constructions
are possible using cellular structures (honeycombs, lattices, foams) or more general structures. Often,
multiple parts that were conventionally manufactured can be replaced with a single part, or smaller
number of parts, that is geometrically more complex than the parts being replaced. This can lead to the
development of parts that are lighter and perform better than the assemblies they replace. Furthermore,
such part count reduction (called part consolidation) has numerous benefits for downstream activities.
Assembly time, repair time, shop floor complexity, replacement part inventory and tooling can be reduced,
leading to cost savings throughout the life of the product. An additional consideration is that geometrically
complex medical models can be fabricated easily from medical image data.
5.2.3 In many AM processes, material compositions or properties can be varied throughout a part. This
capability leads to functionally graded parts, in which desired mechanical property distributions can be
fabricated by varying either material composition or material microstructure. If effective mechanical
properties are desired to vary throughout a part, the designer can achieve this by taking advantage of
the geometric complexity capability of AM processes. If varying material composition or microstructure
is desired, then such variations can often be achieved, but with limits dependent on the specific process
and machine. Across the range of AM processes, some processes enable point-by-point material variation
control, some provide discrete control within a layer, and almost all processes enable discrete control
between layers (vat photopolymerization is the exception). In the material jetting and binder jetting
processes, material composition can be varied in virtually a continuous manner, droplet-to-droplet or
even by mixing droplets. Similarly, the directed energy deposition process can produce variable material
compositions by varying the powder composition that is injected into the melt pool. Discrete control
of material composition can be achieved in material extrusion processes by using multiple deposition
heads, as one example. Powder bed fusion (PBF) processes can have limitations since difficulties can
arise in separating unmelted mixed powders. It is important to note that specific machine capabilities
will change and evolve over time, but the trend is toward increasing material composition flexibility and
property control capability.
5.2.4 A significant opportunity exists to optimize the design of parts to yield unprecedented structural
properties. The concept of “design for functionality” can be realized, meaning that if a part’s functions
can be defined mathematically, the part can be optimized to achieve those functions. Novel topology
and shape optimization methods have been developed in this regard. Resulting designs can have very
complex geometric constructions, utilizing honeycomb, lattice or foam internal structures, can have
complex material compositions and variations, or can have a combination of both. Research is needed in
this area, but some examples of this are emerging.
5.2.5 Other opportunities involve some business considerations. Since no tooling is required for part
fabrication using AM, lead times can be very short. Little investment in part-specific infrastructure is
needed, which enables mass customization and responsiveness to market changes. In the case of repair,
remanufacturing of components could be highly advantageous both from cost as well as lead time
perspectives.
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ISO/ASTM 52910:2018(E)
5.3 Design limitations
5.3.1 Overview — It is useful to point out design characteristics that indicate situations when AM should
probably not be used. Stated concisely, if a part can be fabricated economically using a conventional
manufacturing process and can meet requirements, then it is not likely to be a good candidate for AM.
The designer should balance cost, value delivered and risks when deciding whether to pursue AM.
5.3.2 A primary advantage of AM processes is their flexibility in fabricating a variety of part shapes,
complex and customized shapes, and possibly complex material distributions. If one desires mass
production of simple part shapes in large production volumes, then AM is not likely to be suitable without
significant improvements in fabrication time and cost.
5.3.3 A designer shall be aware of the material choices available, the variety and quality of feedstocks,
and how the material’s mechanical and other physical properties vary from those used in other
manufacturing processes. Materials in AM have different characteristics and properties because they are
processed differently than in conventional manufacturing processes. Designers should be aware that the
properties of AM components are highly sensitive to process parameters and that process variability is
a significant issue that can constrain freedom of design. Additionally, designers should understand the
anisotropies that are often present in AM processed materials. In some processes, properties in the build
plane (X, Y directions) are different than in the build direction (Z axis). With some metals, mechanical
properties better than wrought can be achieved. However, typically fatigue and impact strength
properties are not as good in AM processed parts in their as-built state as in conventionally processed
materials.
5.3.4 All AM machines discretize part geometry prior to fabricating a part. The discretization can take
several forms. For example, most AM machines fabricate parts in a layer-by-layer manner. In material
and binder jetting, discrete droplets of material are deposited. In other processes, discrete vector strokes
(e.g. of a laser) are used to process material. Due to the discretization of part geometry, external part
surfaces are often not smooth since the divisions between layers are evident. In other cases, parts can
have small internal voids.
5.3.5 Geometry discretization has several other effects. Small features can be ill-formed. Thin walls or
struts that are slanted, relative to the build direction, can be thicker than desired. Also, if the wall or strut
is nearly horizontal, the wall or strut can be very weak since relatively little overlap can occur between
successive layers. Similarly, small negative features such as holes can suffer the opposite effect, becoming
smaller than desired and having distorted shapes.
5.3.6 Post-processing is required for many AM processes or can be desired by the end user. A variety
of mechanical, chemical and thermal methods may be applied. Several AM process types utilize support
structures when building parts which need to be removed. In some cases, supports can be removed
using solvents, but in others the supports have to be mechanically removed. One should be aware of the
additional labour, manual component handling and time these operations require. Additionally, designers
should understand that the presence of support structures can affect the surface finish or accuracy of the
supported surfaces. In addition to support structure removal, other post-processing operations can be
needed or desired, including excess powder removal, surface finish improvement, machining, thermal
treatments and coatings. If a part has any internal cavities, the designer should design features into the
part that enable support structures, unsintered powder (PBF) or liquid resin (vat photopolymerization)
to be removed from those cavities. Depending on accuracy and surface finish requirements, the part can
require finish machining, polishing, grinding, bead blasting or shot-peening. Metal parts can require a
thermal treatment for relieving residual stresses, for example. Coatings can be required, such as painting,
electroplating or resin infiltration. Post processing operations increase the cost of AM components.
5.3.7 Each AM process has a limited build envelope. If a part is larger than the build envelope of an AM
process, then it can be divided into multiple parts, which are to be assembled after fabrication. In some
cases, this is not technically or economically feasible.
8 © ISO/ASTM International 2018 – All rights reserved
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ISO/ASTM 52910:2018(E)
6 Design considerations
6.1 General
Several categories of design considerations have been identified, including product, usage, sustainability,
business, geometric, material property, process and communication considerations.
6.2 Product considerations
6.2.1 Design effectiveness — The designer can generate part shapes and configurations that optimize
performance and efficiency. Parts can be designed for desired properties, such as minimum weight,
maximum stiffness, etc., by designing shapes that are as efficient as possible. It can also be possible to
design a part to perform multiple functions, through the use of multiple materials, complex shapes or
part consolidation, which can have significant efficiency benefits.
6.2.2 Part or product consolidation — It is good design practice to minimize the number of parts in a
product or module, but not at a loss of functionality. A part can be merged into neighbouring part(s) if
they can be fabricated out of the same material, do not need to move relative to each other, and do not
need to be removed to enable access to another part. This practice is often called part consolidation,
which is a standard design-for-assembly consideration.
6.2.3 Assembly features — This is a standard design-for-assembly consideration. Parts should be
designed with features that enable easy insertion and fixation during assembly operations. AM can
enable integration of assembly features into most part designs, such as snap-fits, alignment features and
features to support other parts (ribs, bosses). T
...
NORME ISO/ASTM
INTERNATIONALE 52910
Première édition
2018-07
Fabrication additive — Conception
— Exigences, lignes directrices et
recommandations
Additive manufacturing — Design — Requirements, guidelines and
recommendations
Numéro de référence
ISO/ASTM 52910:2018(F)
©
ISO/ASTM International 2018
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ISO/ASTM 52910:2018(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO/ASTM International 2018
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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Publié en Suisse
ii © ISO/ASTM International 2018 – Tous droits réservés
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ISO/ASTM 52910:2018(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Objet . 3
5 Opportunités et limites de conception . 6
5.1 Généralités . 6
5.2 Opportunités de conception . 7
5.3 Limites de conception . 8
6 Considérations relatives à la conception . 9
6.1 Généralités . 9
6.2 Considérations relatives au produit . 9
6.3 Considérations relatives à l’utilisation du produit .10
6.3.1 Généralités .10
6.3.2 Environnement thermique.10
6.3.3 Exposition chimique .11
6.3.4 Exposition aux rayonnements .11
6.3.5 Autre exposition .11
6.4 Considérations relatives au développement durable .12
6.5 Considérations relatives à l’entreprise .14
6.6 Considérations d'ordre géométrique .15
6.7 Considérations relatives aux propriétés des matériaux .17
6.7.1 Généralités .17
6.7.2 Propriétés mécaniques .18
6.7.3 Propriétés thermiques .19
6.7.4 Propriétés électriques .19
6.7.5 Autres .19
6.8 Considérations relatives aux différentes catégories de processus .20
6.8.1 Généralités .20
6.8.2 Considérations spécifiques relatives aux différentes catégories de processus .20
6.8.3 Autres considérations . . .22
6.9 Considérations relatives aux communications .23
7 Avertissements à l'attention des concepteurs .24
Bibliographie .26
© ISO/ASTM International 2018 – Tous droits réservés iii
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ISO/ASTM 52910:2018(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 le lien suivant: www .iso .org/avant -propos.
Le présent document a été élaboré par l'ISO/TC 261, Fabrication additive, en coopération avec
l’ASTM F42, Additive Manufacturing Technologies (technologies de la 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 concernant la fabrication additive.
iv © ISO/ASTM International 2018 – Tous droits réservés
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NORME INTERNATIONALE ISO/ASTM 52910:2018(F)
Fabrication additive — Conception — Exigences, lignes
directrices et recommandations
ATTENTION — Le présent document n’a pas pour but de traiter tous les problèmes de sécurité
qui sont, le cas échéant, liés à son application. Il incombe à l'utilisateur du présent document
d'établir des pratiques appropriées en matière d'hygiène et de sécurité, et de déterminer
l'applicabilité des limites avant utilisation.
1 Domaine d'application
Le présent document donne les exigences, les lignes directrices et les recommandations relatives à
l’utilisation de la fabrication additive (FA) dans la conception des produits.
Il est applicable lors de la conception de tous les types de produits, dispositifs, systèmes, composants ou
pièces devant être manufacturés par tout type de système FA. Le présent document aide à déterminer
les considérations relatives à la conception qui peuvent être utilisées dans le cadre d'un projet de
conception ou pour mettre à profit les capacités d'un processus FA.
Le document fournit des recommandations générales et identifie les problèmes, mais ne fournit pas
des solutions de conceptions spécifiques et des données spécifiques aux processus ou spécifiques aux
matériaux.
Le public visé comprend trois types d'utilisateurs:
— les concepteurs qui mettent au point des produits destinés à être manufacturés dans un système de
fabrication additive ainsi que leurs responsables hiérarchiques;
— les étudiants apprenant la conception mécanique et la conception assistée par ordinateur; et
— les personnes qui élaborent les lignes directrices pour la conception en fabrication additive (FA) et
les recommandations pour la conception.
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/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 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:
— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse http: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http: //www .electropedia .org/
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3.1 Catégories de procédés de fabrication additive
3.1.1
projection de liant
procédé de fabrication additive dans lequel un agent de liaison liquide est déposé de manière sélective
pour assembler des matériaux poudreux
1)
[SOURCE: ISO/ASTM 52900:— , 3.2.1]
3.1.2
dépôt de matière sous énergie concentrée
procédé de fabrication additive dans lequel l’énergie thermique focalisée est utilisée pour faire fondre
les matériaux pendant leur dépôt
[SOURCE: ISO/ASTM 52900:—, 3.2.2 — La Note 1 à l’article a été supprimée.]
3.1.3
extrusion de matière
procédé de fabrication additive dans lequel le matériau est distribué de manière sélective par une buse
ou à travers un orifice
[SOURCE: ISO/ASTM 52900:—, 3.2.3]
3.1.4
projection de matière
procédé de fabrication additive dans lequel des gouttelettes du matériau fabriqué sont déposées de
manière sélective
[SOURCE: ISO/ASTM 52900:—, 3.2.4 — La Note 1 à l’article a été supprimée.]
3.1.5
fusion sur lit de poudre
procédé de fabrication additive dans lequel l'énergie thermique fait fondre de manière sélective
certaines zones d’un lit de poudre
[SOURCE: ISO/ASTM 52900:—, 3.2.5]
3.1.6
stratification de couches
procédé de fabrication additive dans lequel des couches de matériau sont liées pour former un objet
[SOURCE: ISO/ASTM 52900:—, 3.2.6 — «une pièce» a été remplacée par «un objet»]
3.1.7
photopolymérisation en cuve
procédé de fabrication additive dans lequel un photopolymère liquide plongé dans une cuve est durci de
manière sélective par polymérisation activée par la lumière
[SOURCE: ISO/ASTM 52900:—, 3.2.7]
3.2 Autres définitions
3.2.1
aspect de conception
sujet qui peut influencer les décisions prises par un concepteur de pièces
Note 1 à l'article: Le concepteur détermine dans quelle mesure le sujet peut affecter la pièce en cours de
conception et prend les mesures appropriées.
1) En préparation. Stade au moment de la publication: ISO/DIS 52900:2018.
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3.2.2
chaîne de processus
séquence de processus de fabrication nécessaire pour doter la pièce de toutes les propriétés souhaitées
4 Objet
4.1 Le présent document fournit les exigences, lignes directrices et recommandations applicables
à la conception de pièces et de produits devant être produits par des procédés FA. Il met en avant les
conditions de la pièce ou du produit qui plaident en faveur de la fabrication additive. Il met également
l'accent sur les conditions qui plaident en faveur des procédés de fabrication classiques. Les principaux
éléments comprennent les suivants:
— les opportunités et les libertés de conception offertes aux concepteurs par la fabrication additive
(Article 5);
— les problèmes dont il convient que les concepteurs tiennent comptent lors de la conception de pièces
pour la fabrication additive, qui constitue le contenu principal des présentes lignes directrices
(Article 6); et
— des avertissements aux concepteurs, ou «alertes rouges», qui indiquent des situations qui engendrent
souvent des problèmes dans de nombreux systèmes de fabrication additive (Article 7).
4.2 La stratégie globale de conception pour la fabrication additive est illustrée à la Figure 1. Il s’agit
d’un processus représentatif pour la conception de pièces mécaniques destinées à des applications
structurales, lorsque le coût est le critère majeur de décision. Le concepteur peut remplacer ce critère
de coût par un critère de qualité, de délai de livraison ou par un autre critère décisionnel, le cas échéant.
Outre les considérations techniques associées aux caractéristiques fonctionnelles, mécaniques ou
relatives au processus, il convient également que le concepteur tienne compte des risques liés au choix
des procédés de fabrication additive.
4.3 Le processus d'identification du potentiel général de production par fabrication additive est
illustré à la Figure 2. Il s'agit d'une extension de la case «Identification du potentiel général de fabrication
additive» située à gauche à la Figure 1. Comme illustré, les principaux critères de décision ciblent
en particulier sur la disponibilité de la matière (que les pièces soient adaptées ou non au volume de
fabrication), et l'identification d'au moins une caractéristique de pièce (sur-mesure, légère, géométrie
complexe) pour laquelle la fabrication additive convient particulièrement. Ces critères sont représentatifs
d'un grand nombre d'applications en ingénierie mécanique, mais ne sont pas censés être exhaustifs.
4.4 Une extension de la case «Sélection de processus de fabrication additive (FA)» de la Figure 1
est présentée à la Figure 3; cette extension indique que le choix de la matière est crucial pour la
détermination d'un ou plusieurs processus adaptés. Si une combinaison adaptée entre une matière et
un processus peut être identifiée, il est alors possible d'envisager d'autres exigences de conception, y
compris des considérations relatives à la surface, à la géométrie et aux propriétés physiques statiques
et dynamiques, entre autres. Dans la mesure où ces figures sont destinées à illustrer la pratique type
pour de nombreux types de pièces mécaniques, il convient de ne pas les interpréter comme des figures
prescrivant une pratique nécessaire.
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Figure 1 — Stratégie globale pour la conception en fabrication additive
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Figure 2 — Procédure d'identification du potentiel de FA
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Matériau: métal
Principaux problèmes Fusion sur lit Projection Extrusion Stratification
techniques de poudre de matière de matière de couches
Surface
Rugosité
Effet d'escalier
Propriétés géométriques
Exactitude géométrique
Propriétés physiques statiques
Porosité
Résistance à la traction
Ductilité
Propriétés physiques
dynamiques
Fatigue au cours du cycle de vie
Figure 3 — Paramètres pour le choix du procédé de FA
5 Opportunités et limites de conception
5.1 Généralités
Pour plusieurs raisons, il existe des différences entre la fabrication additive et les autres processus
de fabrication et ces différences conduisent à des opportunités et libertés de conception qui sont
détaillées ici. En règle générale, si une pièce peut être fabriquée de manière économique par un
procédé de fabrication classique, il convient que la pièce en question ne soit pas produite en utilisant
un procédé de fabrication additive. Les pièces qui se prêtent bien à la fabrication additive ont tendance
à avoir des géométries complexes, des géométries personnalisées, de faibles volumes de production,
des combinaisons particulières de propriétés ou de caractéristiques, ou une certaine combinaison
de ces caractéristiques. Comme les procédés et matériaux s’améliorent, l’attention accordée à ces
caractéristiques est susceptible d’évoluer. Dans l’Article 5, certaines opportunités de conception sont
mises en évidence et quelques limites types sont identifiées.
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5.2 Opportunités de conception
5.2.1 Contexte — Le système de fabrication additive réalise des pièces par ajout de matière, couche
par couche. En raison de la nature de ses processus, la fabrication additive présente plus de degrés de
liberté que les autres procédés de fabrication. Par exemple, une pièce peut être composée de millions
de gouttelettes si elle est réalisée lors d'un processus de projection de matière. Le contrôle discret de
millions d'opérations à l'échelle micrométrique ou nanométrique constitue à la fois une opportunité et
un défi. La fabrication additive se distingue des procédés de fabrication classiques par les niveaux inédits
d'interdépendance parmi les considérations et les variables de processus de fabrication. La capacité de
mettre à profit les opportunités de conception peut être limitée par les complexités de la planification
des processus.
5.2.2 Aperçu général — La nature additive, basée sur les couches, signifie que pratiquement toutes les
formes de pièces peuvent être réalisées sans outillage de prototype tel que moules, matrices ou gabarits.
Des géométries spécifiquement adaptées à des personnes (clients ou patients) peuvent être réalisées
de façon économique. Des constructions géométriques très sophistiquées sont possibles à l'aide de
structures cellulaires (alvéolaires, réticulaires, en mousse) ou de structures plus générales. Souvent,
des pièces multiples fabriquées selon des procédés classiques peuvent être remplacées par une pièce
unique, ou par un petit nombre de pièces, c'est-à-dire des pièces géométriquement plus complexes que
les pièces remplacées. Cela peut conduire à l'élaboration de pièces plus légères et plus performantes
que les ensembles qu'elles sont censées remplacer. En outre, la réduction du nombre de pièces (appelée
consolidation des pièces) présente de nombreux avantages pour les activités en aval. Cela peut permettre
une réduction du temps d'assemblage, du temps de réparation, de la complexité de l'atelier, du stock de
pièces de rechange et des outillages, ce qui peut donner lieu à des économies pendant la durée de vie du
produit. Il est également à noter que des modèles médicaux géométriquement complexes peuvent être
aisément réalisés à partir de données d'imagerie médicale.
5.2.3 Dans de nombreux processus de fabrication additive, les compositions ou les propriétés des
matériaux peuvent être modifiées dans l'ensemble d'une pièce. Cette capacité permet la réalisation
de pièces présentant des niveaux fonctionnels différents, dans lesquelles les propriétés mécaniques
souhaitées peuvent être réparties en faisant varier la composition ou la microstructure des matériaux. Si
le concepteur souhaite que les propriétés mécaniques effectives varient selon les différentes parties de la
pièce, il peut mettre à profit la capacité des processus de FA à réaliser des formes géométriques complexes.
Si le concepteur souhaite modifier la composition ou la microstructure, il peut souvent le faire, mais avec
des restrictions qui dépendent du processus et de la machine spécifiques. Parmi les divers processus de
FA, certains permettent un contrôle point par point de la variation de matière, d'autres permettent un
contrôle discret au sein d'une couche et, à l'exception de la photopolymérisation en cuve, tous permettent
un contrôle discret entre les couches. Dans les processus de projection de matière et de projection de
liant, il est possible de faire varier la composition de la matière de manière pratiquement continue, d'une
gouttelette à l'autre, ou même par mélange de gouttelettes. De la même manière, le processus de dépôt
sous énergie concentrée peut produire des compositions de matériaux variables par modification de la
composition des poudres injectées dans le bain de fusion. Un contrôle discret de la composition de la
matière est possible dans les processus d'extrusion de matière en utilisant, par exemple, de multiples
têtes de dépôt. Les processus de fusion sur lit de poudre (PBF) peuvent être limités par les difficultés
pouvant être rencontrées lors de la séparation de poudres mélangées non fondues. Il est important de
noter que les capacités des machines spécifiques varieront et évolueront dans le temps, mais la tendance
est à une plus grande flexibilité dans la composition de matière et à la capacité de contrôle des propriétés.
5.2.4 Il existe une opportunité importante d'optimiser la conception des pièces pour obtenir des
propriétés structurales inédites. Le concept de «conception pour la fonctionnalité» peut se concrétiser,
ce qui signifie que si les fonctions d'une pièce peuvent être définies mathématiquement, la pièce peut
être optimisée pour réaliser ces fonctions. Des méthodes innovantes d'optimisation de la topologie et
de la forme ont été élaborées à cette fin. Les conceptions résultantes peuvent avoir des constructions
géométriques très complexes, utilisant des structures internes alvéolaires, réticulaires ou en mousse,
avoir des compositions et des variations de matières complexes ou une combinaison de celles-ci. Des
études sont nécessaires dans ce domaine, mais quelques exemples sont en train d'être présentés.
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5.2.5 D’autres opportunités impliquent certaines considérations d’ordre commercial. Puisque la
fabrication de pièces basée sur la FA n’exige aucun outillage, les délais peuvent être extrêmement courts.
L’infrastructure propre à la pièce ne nécessite qu’un investissement négligeable, ce qui permet une
personnalisation de masse et une bonne réactivité aux évolutions du marché. Dans le cas d’une réparation,
la réfection des composants peut se révéler très avantageuse aussi bien sur le plan économique qu’au
niveau des délais.
5.3 Limites de conception
5.3.1 Aperçu général — Il est utile d'indiquer des caractéristiques de conception indiquant des
situations dans lesquelles il convient probablement de ne pas utiliser la fabrication additive. Il est
nécessaire d'indiquer de manière concise que, si une pièce peut être fabriquée de façon économique par
un procédé de fabrication classique et si elle est capable de répondre aux exigences, alors la pièce en
question n'est pas susceptible d'être une bonne candidate pour la fabrication additive. Il convient que le
concepteur parvienne à un bon compromis entre le coût, la valeur générée et les risques pour décider s’il
doit ou non envisager un système de FA.
5.3.2 Les processus de fabrication additive offrent un avantage qui réside dans leur flexibilité pour
la réalisation d'une grande variété de formes de pièces, de formes complexes et personnalisées et
éventuellement, des répartitions complexes de matériaux. Si l'on souhaite produire en série des quantités
importantes de pièces de forme simple, alors la fabrication additive n'est pas le procédé qui convient si
des améliorations significatives en termes de temps et de coûts de production ne sont pas apportées.
5.3.3 Un concepteur doit être au courant des différents choix disponibles en ce qui concerne les
matériaux, la variété et la qualité des matières premières et doit savoir de quelle manière les propriétés
mécaniques et autres propriétés physiques du matériau varient par rapport à celles utilisées dans
d'autres processus de fabrication. Les matériaux utilisés en fabrication additive présentent des
caractéristiques et des propriétés différentes car ils ne sont pas traités de la même manière que dans
les processus de fabrication classiques. Il convient que les concepteurs sachent que les propriétés des
composants de FA sont extrêmement sensibles aux paramètres de processus et que la variabilité des
processus constitue un problème majeur qui peut limiter la liberté de conception. En plus, il convient
que les concepteurs comprennent les anisotropies souvent présentes dans les matériaux utilisés en
fabrication additive. Dans certains processus, les propriétés dans le plan de fabrication (directions X,
Y) sont différentes de celles dans le sens de fabrication (axe Z). Avec certains métaux, il est possible
d'obtenir des propriétés mécaniques qui sont meilleures que celles obtenues avec des métaux corroyés.
Cependant, les propriétés de résistance à la fatigue et à l'impact ne sont pas aussi bonnes pour les pièces
produites par des processus de FA dans leur état brut de fabrication que pour celles traitées dans des
matériaux classiques.
5.3.4 Toutes les machines de fabrication additive discrétisent la géométrie de la pièce avant de la
fabriquer. La discrétisation peut prendre plusieurs formes. Par exemple, la plupart des machines de
fabrication additive produisent des pièces couche par couche. Dans les processus de projection de matière
et de liant, des gouttelettes discrètes de matière sont déposées. Dans d'autres procédés, les faisceaux
discrets (par exemple, d'un laser) sont utilisés pour traiter la matière. Du fait de la discrétisation de la
géométrie de la pièce, les surfaces externes de la pièce ne sont souvent pas lisses car les séparations
entre les couches son
...
Questions, Comments and Discussion
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