Additive manufacturing — Design — Part 2: Laser-based powder bed fusion of polymers

This document specifies the features of laser-based powder bed fusion of polymers (LB-PBF/P) 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 2: Fusion laser sur lit de poudre polymère

Le présent document spécifie les caractéristiques de la fusion laser sur lit de poudre polymère (LB-PBF/P) et fournit des recommandations détaillées de conception. 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

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Published
Publication Date
29-Sep-2019
Current Stage
6060 - International Standard published
Completion Date
30-Sep-2019
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ISO/ASTM 52911-2:2019 - Additive manufacturing -- Design
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ISO/ASTM 52911-2:2019 - Fabrication additive -- Conception
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Standards Content (sample)

INTERNATIONAL ISO/ASTM
STANDARD 52911-2
First edition
2019-09
Additive manufacturing — Design —
Part 2:
Laser-based powder bed fusion of
polymers
Fabrication additive — Conception —
Partie 2: Fusion laser sur lit de poudre polymère
Reference number
ISO/ASTM 52911-2:2019(E)
ISO/ASTM International 2019
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/ASTM 52911-2:2019(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO/ASTM International 2019

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the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below

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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Published in Switzerland
ii © ISO/ASTM International 2019 – All rights reserved
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ISO/ASTM 52911-2:2019(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 ...................................................................................................................................................................................... 3

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 ............................................................................. 4

5.5 Economic and time efficiency .................................................................................................................................................... 5

5.6 Feature constraints (islands, overhang, stair-step effect) ................................................................................. 5

5.6.1 General...................................................................................................................................................................................... 5

5.6.2 Islands ....................................................................................................................................................................................... 5

5.6.3 Overhang ................................................................................................................................................................................. 6

5.6.4 Stair-step effect ................................................................................................................................................................. 6

5.7 Dimensional, form and positional accuracy ................................................................................................................... 6

5.8 Data quality, resolution, representation ........................................................................................................................... 6

6 Design guidelines for laser-based powder bed fusion of polymers (LB-PBF/P) ...............................7

6.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 7

6.2 Material and structural characteristics .............................................................................................................................. 7

6.3 Anisotropy of the material characteristics...................................................................................................................... 8

6.4 Build orientation, positioning and arrangement ....................................................................................................... 9

6.4.1 General...................................................................................................................................................................................... 9

6.4.2 Powder coating .................................................................................................................................................................. 9

6.4.3 Part location in the build chamber ................................................................................................................... 9

6.4.4 Oversintering ...................................................................................................................................................................... 9

6.4.5 Packing parts efficiently in the build chamber ...................................................................................... 9

6.5 Surface roughness .............................................................................................................................................................................10

6.6 Post-production finishing ...........................................................................................................................................................10

6.7 Design considerations....................................................................................................................................................................11

6.7.1 Allowing for powder removal ............................................................................................................................11

6.7.2 Reducing warpage .......................................................................................................................................................11

6.7.3 Wall thickness .................................................................................................................................................................11

6.7.4 Gaps, cylinders and holes ......................................................................................................................................11

6.7.5 Lattice structures .........................................................................................................................................................12

6.7.6 Fluid channels .................................................................................................................................................................12

6.7.7 Springs and elastic elements ..............................................................................................................................13

6.7.8 Connecting elements and fasteners..............................................................................................................13

6.7.9 Static assemblies ...........................................................................................................................................................14

6.7.10 Movable assemblies ...................................................................................................................................................15

6.7.11 Bearings ................................................................................................................................................................................15

6.7.12 Joints ........................................................................................................................................................................................15

6.7.13 Integrated markings ..................................................................................................................................................16

6.7.14 Cutting and joining ......................................................................................................................................................16

6.8 Example applications .....................................................................................................................................................................17

6.8.1 Functional toy car with integrated spring ..............................................................................................17

6.8.2 Robot gripper ...................................................................................................................................................................18

7 General design consideration ..............................................................................................................................................................19

© ISO/ASTM International 2019 – All rights reserved iii
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ISO/ASTM 52911-2:2019(E)

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................20

iv © ISO/ASTM International 2019 – All rights reserved
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ISO/ASTM 52911-2:2019(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 52911-2:2019(E)
Introduction

Laser-based powder bed fusion of polymers (LB-PBF/P) describes an additive manufacturing (AM)

process and offers an additional manufacturing option alongside established processes. LB-PBF/P 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 LB-PBF/P 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 LB-PBF/P 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

intended that the series will include ISO 52911-1 on laser-based powder bed fusion of metals (LB-

PBF/M), this document on LB-PBF/P, and ISO 52911-3 on electron beam powder bed fusion of metals

(EB-PBF/M). Clauses 1 to 5, where general information including terminology and the PBF process is

provided, are similar throughout the series. The subsequent clauses focus on the specific technology.

[8]

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 LB-PBF/P.

It will help practitioners to explore the benefits of LB-PBF/P and to recognize the process-related

[4]

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.
vi © ISO/ASTM International 2019 – All rights reserved
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INTERNATIONAL STANDARD ISO/ASTM 52911-2:2019(E)
Additive manufacturing — Design —
Part 2:
Laser-based powder bed fusion of polymers
1 Scope

This document specifies the features of laser-based powder bed fusion of polymers (LB-PBF/P) 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 https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
3.1
downskin area
(sub-)area where the normal vector n projection on the z-axis is negative
Note 1 to entry: See Figure 1.
3.2
downskin angle
angle between the plane of the build platform and the downskin area (3.1)

Note 1 to entry: The angle lies between 0° (parallel to the build platform) and 90° (perpendicular to the build

platform).
Note 2 to entry: See Figure 1.
© ISO/ASTM International 2019 – All rights reserved 1
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ISO/ASTM 52911-2:2019(E)
3.3
upskin area
(sub-)area where the normal vector n projection on the z-axis is positive
Note 1 to entry: See Figure 1.
3.4
upskin angle
angle between the build platform plane and the upskin area (3.3)

Note 1 to entry: The angle lies between 0° (parallel to the build platform) and 90° (perpendicular to the build

platform).
Note 2 to entry: See Figure 1.
Key
z build direction
SOURCE VDI 3405-3:2015.

Figure 1 — Upskin and downskin areas U and D, upskin and downskin angles υ and δ, normal

vector n
4 Symbols and abbreviated terms
4.1 Symbols
The symbols given in Table 1 are used in this document.
Table 1 — Symbols
Symbol Designation Unit
a overhang mm
D downskin area mm
I island mm
normal vector —
P part mm
2 © ISO/ASTM International 2019 – All rights reserved
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ISO/ASTM 52911-2:2019(E)
Table 1 (continued)
Symbol Designation Unit
Ra mean roughness µm
Rz average surface roughness µm
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
CAD computer aided design
EB-PBF/M electron beam powder bed fusion of metals
LB-PBF laser-based powder bed fusion

LB-PBF/M laser-based powder bed fusion of metals (also known as e.g. laser beam melting, selective

laser melting)

LB-PBF/P laser-based powder bed fusion of polymers (also known as e.g. laser beam melting,

selective laser melting)
MRI magnetic resonance imaging
PBF powder bed fusion
STL stereolithography format or surface tessellation language
3MF 3D manufacturing format
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.

5.2 Size of the parts

The size of the parts is limited by the working area/working volume of the PBF-machine. Also, the

occurrence of cracks and deformation due to residual stresses limits the maximum part size. Another

important practical factor that limits 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. Also, the cost

of powder needed to fill the bed to the required volume (part depth × bed area) may be a consideration.

© ISO/ASTM International 2019 – All rights reserved 3
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ISO/ASTM 52911-2:2019(E)

Powder reuse rules impact this cost significantly. If no reuse is allowed, then all powder is scrapped

regardless of solidified volume.
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:

— Parts can be manufactured to near-net shape (i.e. close to the finished shape and size), without

further post processing tools, in a single process step.

— 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:
[17]
— free-form geometries, e.g. organic structures ,
— topologically optimized structures,
— infill structures, e.g. honeycomb, sandwich and mesh structures.
— The degree of part complexity is largely unrelated to production costs.

— Assembly and joining processes can be reduced through single-body construction.

— Overall part characteristics can be selectively configured by adjusting process parameters locally.

— Reduction in lead times until part production.
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 injection

moulding and casting. Material properties can be influenced significantly by process settings and

control.
4 © ISO/ASTM International 2019 – All rights reserved
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ISO/ASTM 52911-2:2019(E)
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 build costs.

Parts shall be oriented in such a way that the build height is kept to a minimum, provided that the

geometry permits such an orientation.

— If the intention is to manufacture a larger number of units, then the build space shall be used as

efficiently as possible. Provided that the part geometry permits such orientation, strategies for

reorientation and nesting shall be utilized to maximize the available build space.

— The powder that remains in the system after a build can be reused in some cases. Reuse depends

on the application, material, and specific requirements. Powder changes can be inefficient and

time consuming. Although they are necessary when changing material type, powders from same-

material builds can be reused. It is important to note, however, that recycling of powder can affect

the powder size distribution, which in turn affects final part characteristics. The number of times a

powder can be recycled is dependent on the machine manufacturer and the material.

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 in 5.6.2 to 5.6.4 shall 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 at some stage of 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.
SOURCE VDI 3405-3:2015.

Figure 2 — Islands I (left) and overhang a (right) during the construction of part P in z-axis

© ISO/ASTM International 2019 – All rights reserved 5
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ISO/ASTM 52911-2:2019(E)
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.
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 discrete steps in the build direction. The resulting error caused by deviation of this

2,5D image from the original geometry is described as the stair-step effect. The extent of this is largely

dependent on the layer thickness (see Figure 3).
SOURCE VDI 3405-3:2015.
Figure 3 — Impact of different layer thicknesses on the stair-step effect
5.7 Dimensional, form and positional accuracy

Typically, it is not possible to produce the tolerances that can be achieved with conventional tool-

based manufacturing processes. For this reason, post-processing can be necessary to meet (customer)

requirements. Post-processing may include subtractive manufacturing, surface finishing, thermal

processing, or other operations according to ISO/ASTM 52910.

In this respect, it is particularly important to be aware of and consider process parameters that

influence characteristics of the final part. For example, build orientation to some extent determines the

level of accuracy that can be achieved. Directionally dependent (anisotropic) shrinkage of the part can

occur due to the layer-wise build-up. As another example, layer-wise consistency can be affected by the

location of the part on the build platform.
5.8 Data quality, resolution, representation

The use of AM requires 3D geometric data that is typically represented as a tessellated model, but other

representations that can also be used include voxels or sliced layer representations. For tessellated

data, files describe the surface geometry of a part as a series of triangular meshes. The vertices of the

triangles are defined using the right-hand rule and the normal vector. The STL file format is recognized

6 © ISO/ASTM International 2019 – All rights reserved
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ISO/ASTM 52911-2:2019(E)

as the quasi-industry data exchange format. Additional formats include AMF, which is described in

[5]
ISO/ASTM 52915 .

In a tessellation, curved surfaces are approximated with triangles, and the chosen resolution of the

tessellation determines the geometric quality of the part to be fabricated. If the resolution is too low,

the sides of the triangles defined in the STL file will be visible on the finished surface (i.e. it will appear

faceted). However, a tessellation with a resolution that is too high requires significant storage space and

is slow to transfer and handle using processing software. The resolution of a tessellation is generally

influenced by a tolerance measure, often called “chord height”, which describes the maximum deviation

of a point on the surface of the part from the triangle face. Therefore, smaller tolerance values lead

to lower deviations from the actual part surface. A typical rule of thumb is to set the tolerance to be

at least 5 times smaller than the resolution of the AM process. As a result, a chord height setting of

0,01 mm to 0,02 mm is recommended for most PBF processes. Other parameters can be used to set

mesh accuracy, depending on the system.

AMF supports the representation of information beyond just geometry. For example, part units

(millimetres, metres, inches), colours, materials and lattice structures are supported. STL files only

contain the tessellated geometry, while 3MF files have some of the metadata representation capabilities of

AMF. Having units incorporated into the data ex
...

NORME ISO/ASTM
INTERNATIONALE 52911-2
Première édition
2019-09
Fabrication additive — Conception —
Partie 2:
Fusion laser sur lit de poudre
polymère
Additive manufacturing — Design —
Part 2: Laser-based powder bed fusion of polymers
Numéro de référence
ISO/ASTM 52911-2:2019(F)
ISO/ASTM International 2019
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/ASTM 52911-2:2019(F)
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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 2019 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO/ASTM 52911-2:2019(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 ........................................................................................................................................................................ 3

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 .............................................................. 4

5.5 Efficacité sur le plan des coûts et des délais .................................................................................................................. 5

5.6 Contraintes d’éléments (îlots, porte-à-faux, effet d’escalier) ......................................................................... 5

5.6.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 5

5.6.2 Îlots .............................................................................................................................................................................................. 5

5.6.3 Porte-à-faux .......................................................................................................................................................................... 6

5.6.4 Effet d’escalier .................................................................................................................................................................... 6

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 polymère

(LB-PBF/P) .................................................................................................................................................................................................................. 8

6.1 Généralités .................................................................................................................................................................................................. 8

6.2 Caractéristiques des matériaux et structures .............................................................................................................. 8

6.3 Anisotropie des caractéristiques du matériau ............................................................................................................ 9

6.4 Orientation de fabrication, positionnement et disposition ...........................................................................10

6.4.1 Généralités .........................................................................................................................................................................10

6.4.2 Revêtement en poudre .............................................................................................................................................10

6.4.3 Emplacement de la pièce dans la chambre de fabrication ........................................................10

6.4.4 Surfrittage ...........................................................................................................................................................................10

6.4.5 Emballage efficace des pièces dans la chambre de fabrication ............................................11

6.5 Rugosité de surface ..........................................................................................................................................................................11

6.6 Finition post-production .............................................................................................................................................................11

6.7 Considérations relatives à la conception .......................................................................................................................12

6.7.1 Autorisation pour l’élimination des poudres .......................................................................................12

6.7.2 Réduction du gauchissement .............................................................................................................................12

6.7.3 Épaisseur de paroi .......................................................................................................................................................13

6.7.4 Écartements, cylindres et trous .......................................................................................................................13

6.7.5 Structures en treillis ..................................................................................................................................................13

6.7.6 Canaux d’écoulement des fluides ...................................................................................................................13

6.7.7 Ressorts et éléments élastiques .......................................................................................................................14

6.7.8 Éléments de raccordement et pièces de fixation ..............................................................................15

6.7.9 Assemblages statiques .............................................................................................................................................15

6.7.10 Assemblages mobiles ................................................................................................................................................16

6.7.11 Paliers .....................................................................................................................................................................................16

6.7.12 Joints ........................................................................................................................................................................................17

6.7.13 Marquages intégrés ....................................................................................................................................................17

6.7.14 Découpe et jointage ....................................................................................................................................................18

6.8 Exemple d'application ...................................................................................................................................................................18

6.8.1 Voiture miniature fonctionnelle avec ressort intégré ...................................................................18

6.8.2 Pince robotisée ...............................................................................................................................................................19

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7 Considération générale de conception .......................................................................................................................................21

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................22

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ISO/ASTM 52911-2:2019(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 le comité technique 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 52911-2:2019(F)
Introduction

La fusion laser sur lit de poudre polymère (LB-PBF/P) décrit un procédé de fabrication additive (FA)

et offre une alternative de fabrication supplémentaire aux procédés établis. La LB-PBF/P 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 LB-PBF/P 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 LB-PBF/P 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

poudre (PBF). Il est prévu que la série comprenne l’ISO 52911-1 sur la fusion laser sur lit de poudre

métallique (LB-PBF/M), le présent document sur la LB-PBF/P et l’ISO 52911-3 sur la fusion sur lit

de poudre métallique par faisceau d'électrons (EB-PBF/M). Les Articles 1 à 5, où des informations

générales comprenant la terminologie et le procédé PBF sont fournies sont similaires pour toute la

série. Les articles suivants portent sur la technologie spécifique.
[8]

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 LB-PBF/P. Cela aidera les praticiens à explorer les

avantages de la LB-PBF/P et à reconnaître les limites liées au procédé lors de la conception des pièces.

[4]

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.
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NORME INTERNATIONALE ISO/ASTM 52911-2:2019(F)
Fabrication additive — Conception —
Partie 2:
Fusion laser sur lit de poudre polymère
1 Domaine d'application

Le présent document spécifie les caractéristiques de la fusion laser sur lit de poudre polymère (LB-

PBF/P) et fournit des recommandations détaillées de conception.

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 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
surface de contre-dépouille
(sous-)zone où la projection du vecteur normal n sur l'axe z est négative
Note 1 à l'article: Voir la Figure 1.
3.2
angle de la contre-dépouille

angle entre le plan de la plateforme de fabrication et la surface de contre-dépouille (3.1)

Note 1 à l'article: La valeur est comprise entre 0° (parallèlement à la plateforme de fabrication) et 90°

(perpendiculairement à la plateforme de fabrication).
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ISO/ASTM 52911-2:2019(F)
Note 2 à l'article: Voir la Figure 1.
3.3
surface de dépouille
(sous-)zone où la projection du vecteur normal n sur l'axe z est positive
Note 1 à l'article: Voir la Figure 1.
3.4
angle de la dépouille

angle entre le plan de la plateforme de fabrication et la surface de dépouille (3.3)

Note 1 à l'article: La valeur est comprise entre 0° (parallèlement à la plateforme de fabrication) et 90°

(perpendiculairement à la plateforme de fabrication).
Note 2 à l'article: Voir la Figure 1.
Légende
z sens de fabrication
SOURCE VDI 3405-3:2015.

Figure 1 — Surfaces de dépouille et de contre-dépouille U et D, angles de la dépouille et de la

contre-dépouille υ et δ, vecteur normal n
4 Symboles et termes abrégés
4.1 Symboles
Les symboles donnés dans le Tableau 1 sont utilisés dans le présent document.
Tableau 1 — Symboles
Symbole Désignation Unité
a porte-à-faux mm
D surface de contre-dépouille mm
I îlot mm
vecteur normal —
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ISO/ASTM 52911-2:2019(F)
Tableau 1 (suite)
Symbole Désignation Unité
P pièce mm
Ra rugosité moyenne µm
Rz rugosité de surface moyenne µm
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.
FA fabrication additive
AMF format de fichier de la fabrication additive
CT tomographie informatisée
DICOM imagerie et communications numériques en médecine
CAO Conception assistée par ordinateur
EB-PBF/M fusion sur lit de poudre métallique par faisceau d'électrons
LB-PBF fusion laser sur lit de poudre

LB-PBF/M fusion laser sur lit de poudre métallique (également appelée, par exemple, fusion par

faisceau laser, fusion sélective par laser)

LB-PBF/P fusion laser sur lit de poudre polymère (également appelée, par exemple, fusion par fais-

ceau laser, fusion sélective par laser)
IRM imagerie par résonance magnétique
PBF fusion sur lit de poudre
STL format de stéréolithographie ou langue de pavage de surface
3MF format de fabrication 3D
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.
5.2 Dimension des pièces

La dimension des pièces est limitée 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 limitent également la

dimension de pièce maximale. Un autre facteur pratique important qui limite la dimension maximale

de la pièce est le coût de production, qui est directement lié à la dimension et au volume de la pièce.

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ISO/ASTM 52911-2:2019(F)

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. De même, le coût de la poudre

nécessaire pour remplir le lit au volume requis (profondeur de la pièce × surface du lit) peut être pris

en considération. 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:

— 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), sans autres outils de post-traitement, en une seule étape du procédé.

— 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:
[17]
— géométries de forme libre, par exemple, structures organiques ;
— structures à topologie optimisée;

— structures de remplissage, par exemple, structures en nid d’abeille, sandwich et maille.

— Le degré de complexité de la pièce est très peu lié aux coûts de production.

— Les procédés d’assemblage et de jointage peuvent être réduits par une fabrication monobloc.

— Les caractéristiques globales de la pièce peuvent être configurées de manière sélective en ajustant

localement les paramètres de procédé.
— Réduction des délais de 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 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.
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ISO/ASTM 52911-2:2019(F)

— Les propriétés des matériaux peuvent s’écarter des valeurs attendues connues d’autres technologies

telles que le moulage par injection et la coulée. Les propriétés des matériaux peuvent être influencées

de manière significative par les réglages et le contrôle du procédé.
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

telle 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 les coûts de

fabrication. Les pièces doivent être orientées de manière à réduire autant que possible la hauteur de

fabrication, sous réserve que la géométrie permette une telle orientation.

— Si l’objectif est de fabriquer un plus grand nombre d’unités, l’espace de fabrication doit alors être

utilisé le plus efficacement possible. Sous réserve que la géométrie de la pièce permette une telle

orientation, des stratégies de réorientation et d’imbrication doivent être utilisées pour augmenter

autant que possible l’espace de fabrication disponible.

— La poudre qui demeure dans le système après une fabrication peut être réutilisée dans certains cas.

La réutilisation 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 de type de matériau, les poudres provenant de fabrications d’un matériau identique

peuvent être réutilisées. Il est important de noter, cependant, qu’un recyclage de poudre peut

affecter la granulométrie de la poudre, qui à son tour impacte les caractéristiques de la pièce finie.

Le nombre de recyclages possibles d’une poudre dépend du fabricant de la machine et du matériau.

5.6 Contraintes d’éléments (îlots, porte-à-faux, effet d’escalier)
5.6.1 Généralités

Puisque les pièces FA sont fabriquées par couches successives, une séparation des éléments peut se

produire à une étape donnée de la fabrication. Cela dépend de la géométrie de la pièce. Les situations de

5.6.2 à 5.6.4 doivent être considérées comme critiques à cet égard (le niveau de criticité dépend de la

technologie PBF concernée).
5.6.2 Îlots

Les îlots (I) sont des éléments qui se relient entre eux pour former une pièce (P) uniquement à un stade

ultérieur du procédé de fabrication. Le mode d’établissement de cette liaison doit être pris en compte

pendant la phase de conception. Les pièces qui sont stables du point de vue de leur conception globale

peuvent être instables à un certain stade du procédé de fabrication (voir la Figure 2, à gauche et au

centre).

NOTE Dans certaines circonstances, les îlots ne sont pas protégés des dommages mécaniques survenant

pendant le procédé d’application de la poudre. Cela peut conduire à une déformation des îlots.

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ISO/ASTM 52911-2:2019(F)
SOURCE VDI 3405-3:2015.

Figure 2 — Îlots I (à gauche) et porte-à-faux a (à droite) pendant la fabrication d’une pièce P

dans l’axe z
5.6.3 Porte-à-faux

Les zones ayant un angle de porte-à-faux de 0° produisent un porte-à-faux d’une longueur a (voir la

Figure 2, à droite). Les faibles porte-à-faux ne nécessitent aucune géométrie supplémentaire sous forme

de structures de support. Dans de tels cas, la zone de projection est autoportante pendant la fabrication.

Les valeurs admissibles de a dépendent du procédé PBF spécifique, du matériau et des paramètres de

procédé utilisés.
5.6.4 Effet d’escalier

Du fait de la fabrication en couches, la géométrie 3D de la pièce est convertie en image 2,5D avant la

production, par échelons graduels dans le sens de fabrication. L’erreur associée à l’écart entre cette

image 2,5D et la géométrie d'origine est décrite comme effet d’escalier. Son ampleur dépend largement

de l’épaisseur de la couche (voir la Figure 3).
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SOURCE VDI 3405-3:2015.
Figure 3 — Impact des différentes épaisseurs de couche sur l’effet d’escalier
5.7 Exactitude dimensionnelle, de forme et de position

Il n’est généralement pas possible de produire les tolérances qui peuvent être obtenues avec des

procédés de fabrication basés sur des outils traditionnels. Pour cette raison, un post-traitement peut

être nécessaire pour satisfaire aux exigences (client). Le post-traitement peut comprendre la fabrication

soustractive, le traitement de surface, le traitement therm
...

Questions, Comments and Discussion

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