ISO/ASTM 52911-3:2023
(Main)Additive manufacturing — Design — Part 3: PBF-EB of metallic materials
Additive manufacturing — Design — Part 3: PBF-EB of metallic materials
This document specifies the features of electron beam powder bed fusion of metals (PBF-EB/M) and provides detailed design recommendations. Some of the fundamental principles are also applicable to other additive manufacturing (AM) processes, provided that due consideration is given to process-specific features. This document also provides a state of the art review of design guidelines associated with the use of powder bed fusion (PBF) by bringing together relevant knowledge about this process and by extending the scope of ISO/ASTM 52910.
Fabrication additive — Conception — Partie 3: PBF-EB de matériaux métalliques
Le présent document spécifie les caractéristiques de la fusion par faisceau d'électrons sur lit de poudre métallique (PBF-EB/M) et fournit des recommandations de conception détaillées. Certains des principes fondamentaux sont également applicables à d'autres procédés de fabrication additive (FA), sous réserve que les caractéristiques spécifiques à un procédé soient dûment prises en compte. Le présent document fournit également un État de l’Art des lignes directrices de conception associées à l’utilisation d’une fusion sur lit de poudre (PBF), en compilant des connaissances pertinentes sur ce procédé et en élargissant le domaine d’application de l’ISO/ASTM 52910.
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INTERNATIONAL ISO/ASTM
STANDARD 52911-3
First edition
2023-02
Additive manufacturing — Design —
Part 3:
PBF-EB of metallic materials
Fabrication additive — Conception —
Partie 3: PBF-EB de matériaux métalliques
Reference number
ISO/ASTM 52911-3:2023(E)
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ISO/ASTM 52911-3:2023(E)
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or ISO’s member body in the country of the requester. In the United States, such requests should be sent to ASTM International.
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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 Part size and cost considerations . 4
5.3 Benefits to be considered in regard to the PBF process . 4
5.4 Limitations to be considered in regard to the PBF process . 4
5.5 Build layout, part orientation, and cost considerations. 5
5.6 Feature constraints (islands, overhang, stair-step effect) . 6
5.6.1 General . 6
5.6.2 Islands . 6
5.6.3 Overhang . 6
5.6.4 Stair-step effect . 6
5.7 Dimensional, form and positional accuracy . 7
5.8 Data quality, resolution, representation . 7
6 Design guidelines for electron beam powder bed fusion of metals (PBF-EB/M) .8
6.1 General . 8
6.1.1 Selecting PBF-EB/M . 8
6.1.2 Design and test cycles . 8
6.2 Material and structural characteristics . 8
6.3 Build orientation, positioning and arrangement . 9
6.3.1 General . 9
6.3.2 Powder spreading . 9
6.3.3 Support structures design . 10
6.3.4 Part nesting . 12
6.3.5 Build plate part design considerations. 13
6.3.6 Curl effect . 13
6.3.7 Melt parameters . 14
6.4 Anisotropy/heterogeneity of the material and part characteristics .15
6.4.1 General .15
6.4.2 Grain morphology .15
6.4.3 Porosity . . . 16
6.4.4 Intermetallic diffusion layer . 16
6.4.5 Chemistry heterogeneity . 16
6.4.6 Thermal history . 16
6.5 Surfaces . 17
6.6 Post-processing . 17
6.6.1 General . 17
6.6.2 Surface finishing . 17
6.6.3 Removal of powder residue . 17
6.6.4 Removal of support structures. 18
6.6.5 Geometric tolerances. 18
6.6.6 Heat treatment . 18
6.7 Design considerations . 18
6.7.1 General . 18
6.7.2 Cavities . 19
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ISO/ASTM 52911-3:2023(E)
6.7.3 Gaps . 19
6.7.4 Wall thicknesses . 19
6.7.5 Holes and channels . 19
6.7.6 Integrated markings . 20
6.8 Example applications .20
6.8.1 Topology optimized bracket printed using stacking build layout (provided
by GE Arcam) . 20
6.8.2 Acetabular cup stacking design (provided by LimaCorporate Spa) . 21
6.8.3 Optimized elbow implant design (provided by LimaCorporate Spa) .22
6.8.4 Lightweight pipe design (provided by JEOL) . 23
Bibliography .25
iv
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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 Committee 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, and in collaboration with the European Committee for
Standardization (CEN) Technical Committee CEN/TC 438, Additive manufacturing, in accordance with
the Agreement on technical cooperation between ISO and CEN (Vienna Agreement).
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 52911-3:2023(E)
Introduction
Powder bed fusion of metals (PBF/M) is an additive manufacturing (AM) process that offers additional
manufacturing options alongside other established AM processes. PBF/M has the potential to reduce
manufacturing time and costs, and increase part functionality. Practitioners are aware of the strengths
and weaknesses of conventional, long-established manufacturing processes, such as cutting, joining and
shaping processes (e.g. by machining, welding or injection moulding), and of giving them appropriate
consideration at the design stage and when selecting the manufacturing process. In the case of PBF/M
and AM in general, design and manufacturing engineers only have a limited pool of experience.
Without the limitations associated with conventional processes, the use of PBF/M offers designers and
manufacturers a high degree of freedom and this requires an understanding about the possibilities and
limitations of the process.
The ISO 52911 series provides guidance for different powder bed fusion (PBF) technologies. In addition
to this document on PBF-EB/M, the series is made up of ISO 52911-1 on laser-based powder bed fusion
of metals (PBF-LB/M) and ISO 52911-2 on laser-based powder bed fusion of polymers (PBF-LB/P). Each
document in the series shares Clauses 1 to 5, where general information including terminology and the
PBF process is provided. The subsequent clauses focus on the specific technology.
This document provides support to technology users, such as design and production engineers, when
designing parts that need to be manufactured by means of PBF-EB/M. It will help practitioners to
explore the benefits of PBF-EB/M and to recognize the process-related limitations when designing
parts. It also builds on ISO/ASTM 52910 to extend the requirements, guidelines and recommendations
for AM design to include the PBF-EB/M process.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO/ASTM 52911-3:2023(E)
Additive manufacturing — Design —
Part 3:
PBF-EB of metallic materials
1 Scope
This document specifies the features of electron beam powder bed fusion of metals (PBF-EB/M) and
provides detailed design recommendations.
Some of the fundamental principles are also applicable to other additive manufacturing (AM) processes,
provided that due consideration is given to process-specific features.
This document also provides a state of the art review of design guidelines associated with the use of
powder bed fusion (PBF) by bringing together relevant knowledge about this process and by extending
the scope of ISO/ASTM 52910.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO/ASTM 52900, Additive manufacturing — General principles — Fundamentals and vocabulary
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO/ASTM 52900 and the
following apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1
curl effect
dimensional distortion as the melted material cools and solidifies
after being built or by poorly evacuated heat input
3.2
downskin area
D
(sub-)area where the normal vector n projection on the Z-axis is negative
Note 1 to entry: See Figure 1.
1
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3.3
downskin angle
δ
angle between the plane of the build platform and the downskin area (3.2) where the value lies between
0° (parallel to the build platform) and 90° (perpendicular to the build platform)
Note 1 to entry: See Figure 1.
3.4
upskin area
U
(sub-)area where the normal vector n in relation to Z-axis is positive
Note 1 to entry: See Figure 1.
3.5
upskin angle
υ
angle between the plane of the build platform and the upskin area (3.4) where the value lies between 0°
(parallel to the build platform) and 90° (perpendicular to the build platform)
Note 1 to entry: See Figure 1.
Key
δ downskin angles U upskin (right) areas
normal vector υ upskin angles
n
D downskin (left) areas Z build direction
[3]
NOTE Source: VDI 3405-3:2015 .
Figure 1 — Orientation of the part surfaces relating to the build platform
4 Symbols and abbreviated terms
4.1 Symbols
The symbols given in Table 1 are used in this document.
Table 1 — Symbols
Symbol Designation Unit
a overhang mm
2
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ISO/ASTM 52911-3:2023(E)
TTabablele 1 1 ((ccoonnttiinnueuedd))
Symbol Designation Unit
2
D downskin area mm
2
I island mm
n normal vector —
2
U upskin area mm
δ downskin angle °
υ upskin angle °
4.2 Abbreviated terms
The following abbreviated terms are used in this document.
CT computed tomography
DICOM digital imaging and communications in medicine
PBF-EB/M electron beam powder bed fusion of metals
HIP hot isostatic pressing
PBF-LB laser-based powder bed fusion
PBF-LB/M laser-based powder bed fusion of metals (also known as, for example, laser beam melting,
selective laser melting)
PBF-LB/P laser-based powder bed fusion of polymers (also known as, for example, laser beam melting,
selective laser melting)
MRI magnetic resonance imaging
5 Characteristics of powder bed fusion (PBF) processes
5.1 General
Consideration should be given to the specific characteristics of the manufacturing process used in order
to optimize the design of a part. Examples of the features of AM processes which need to be taken into
consideration during the design and process planning stages are listed in 5.2 to 5.8. With regards to
metal processing, a distinction can be made between, for example, laser-based PBF (applied for metals
and polymers) and electron beam-based PBF (applied for metals only).
Polymers PBF uses, in almost every case, low power lasers to sinter polymer powders together. Electron
beam powder bed fusion for polymers is not usually considered because the negative charge from the
electron beam will accumulate in non-conductive polymer powder and cause repulsive events that
will ruin powder layer continuity and make any controlled sintering or melting impossible. As with
polymer powders PBF, metals PBF includes varying processing techniques. Like polymers, metals PBF
often requires the addition of support structures (see 6.3.3). Metals PBF processes may use low-power
lasers to bind powder particles by only melting the surface of the powder particles or high-power
(approximately 200 W to 1 kW) energy beams to fully melt and fuse the powder particles together.
PBF-EB/M and PBF-LB/M have similar capabilities, although differences between these processes
leads, in general, to PBF-EB/M supporting faster build rates at lower feature resolution compared
to PBF-LB/M. The beam energy from the electron beam is of a higher intensity (due to a high energy
source 3 kW to 6 kW), and the mechanism to raster the beam (i.e. electromagnetics for PBF-EB/M,
optics for PBF-LB/M) differs between the two types of PBF processes. PBF-EB/M also tends to utilize a
larger beam spot size, larger powder size distribution, and larger layer thickness. In general, PBF-EB/M
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subjects parts to less thermal stresses (as powder layers are preheated before melting) and have faster
build rates, but the trade-off often comes with general greater minimum feature sizes and greater
surface roughness compared to PBF-LB/M.
5.2 Part size and cost considerations
Part size is not only limited by the working area/working volume of the PBF-machine. The occurrence
of cracks and deformation due to residual stresses can also limit the maximum part size. Another
important practical factor that can limit the maximum part size is part cost having a direct relation to
part size.
Part cost can be minimized by choosing part location and build orientation in a way that allows nesting
of as many parts as possible.
Also, powder reuse protocols impact part cost significantly. If no reuse is allowed then all remaining
powder is scrapped regardless of volume solidified.
5.3 Benefits to be considered in regard to the PBF process
PBF processes can be advantageous for manufacturing parts where the following points are relevant:
— Integration of multiple functions in the same part.
— Parts can be manufactured to near-net shape (i.e. close to the finished shape and size).
— Degrees of design freedom for parts are typically higher. Limitations of conventional manufacturing
processes do not usually exist, e.g. for
— tool accessibility, and
— machining undercuts.
— A wide range of complex geometries can be produced, such as
— free-form geometries, e.g. organic structures,
— topologically optimised structures, in order to reduce mass and optimize mechanical properties,
— infill structures, e.g. honeycomb, and
— porous lattice structure on surface of otherwise solid component, e.g. osteosynthesis structures
in medical device industry.
— The degree of part complexity is largely unrelated to production costs, unlike most conventional
manufacturing.
— Assembly and joining processes can be reduced through part consolidation, potentially achieving in
bloc construction.
— Overall part characteristics can be selectively configured by adjusting process parameters locally.
— Reduction in lead times from design to part production.
5.4 Limitations to be considered in regard to the PBF process
Certain disadvantages typically associated with AM processes should be taken into consideration
during product design:
— Shrinkage, residual stress and deformation can occur due to temperature differences. Preheating
of the powder bed (which is the normal procedure in PBF-EB/M) can be used to minimize these
effects.
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— The surface quality of AM parts is typically influenced by the layer-wise build-up technique (stair-
step effect) and utilized powder size distribution. Post-processing may be required, depending on
the application.
— Consideration should be given to deviations from form, dimensional and positional tolerances of
parts. A machining allowance should therefore be provided for post-production finishing. Specified
geometric tolerances can be achieved by precision post-processing operations.
— Anisotropic characteristics typically arise due to the layer-wise build-up and should be taken into
account during process planning.
— Not all materials available for conventional processes are currently suitable for PBF processes.
— Material properties can differ from expected values known from other technologies like forging and
casting. Material properties can be influenced significantly due to process settings and control.
— Excessive use and/or over-reliance on support structures can lead to both high material waste and
increased risk of build failure.
— Unmelted powder removal after processing is necessary. For PBF-EB/M this powder is often lightly
sintered instead of loose due to powder bed preheating during processing.
5.5 Build layout, part orientation, and cost considerations
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 criteria for optimization are available depending
on the number of units planned.
— Build height is a factor that has significant impact on building time and build costs. Parts should be
oriented in such a way that the build height is kept to a minimum. However, additional and sometimes
competing factors should also be considered when deciding on part orientation. Simplifying post-
processing operations such as powder and support removal, as well as ensuring features that are
critical to the function of the part building appropriately are two such additional considerations.
— If the intention is to manufacture a larger number of units, then the build space should be used
as efficiently as possible. Parts should be oriented so as to minimize the number of build runs
required. Strategies for three-dimensional nesting can also be included to maximize the available
build volume.
— If the same parts are oriented differently for best packing, i.e. results in building at different angles,
then the mechanical properties can vary from part to part.
— The use of powder that remains in the system depends on the application, material and specific
requirements. Powder changes can be inefficient and time consuming. Though they are necessary
when changing material type, powders from same-material builds can be reused if permitted in the
governing specification. It is important to note, however, that powder reuse can affect the powder
size distribution, surface characteristics and alloy composition, and this will in turn affect final part
characteristics. In addition, the reusable powder characteristics may be different for PBF-EB/M
and PBF-LB/M. The number of times a powder can be recycled is dependent on the requirements
outlined in the material and part specifications, and the powder reuse scheme implemented by the
user and machine manufacturer.
— Many poorly designed parts (particularly those designed for conventional processes with little
or no adaptation) necessitate a specific orientation either to minimize the use of supports or to
incre
...
NORME ISO/ASTM
INTERNATIONALE 52911-3
Première édition
2023-02
Fabrication additive — Conception —
Partie 3:
PBF-EB de matériaux métalliques
Additive manufacturing — Design —
Part 3: PBF-EB of metallic materials
Numéro de référence
ISO/ASTM 52911-3:2023(F)
© ISO/ASTM International 2023
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publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou un intranet, sans autorisation écrite soit de l’ISO à l’adresse ci-après,
soit d’un organisme membre de l’ISO dans le pays du demandeur. Aux États-Unis, les demandes doivent être adressées à ASTM
International.
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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 de la pièce et considérations de coût . 4
5.3 Bénéfices à prendre en compte en ce qui concerne le procédé PBF . 4
5.4 Limites à prendre en compte en ce qui concerne le procédé PBF . 5
5.5 Disposition de fabrication, orientation de la pièce et considérations de coût . 5
5.6 Contraintes d’éléments (îlots, porte-à-faux, effet d’escalier) . 6
5.6.1 Généralités . 6
5.6.2 Îlots . 6
5.6.3 Porte-à-faux . 7
5.6.4 Effet d’escalier . 7
5.7 Exactitude dimensionnelle, de forme et de position . 8
5.8 Qualité des données, résolution, représentation . 8
6 Lignes directrices de conception pour la fusion sur lit de poudre métallique par
faisceau d’électrons (PBF-EB/M) . 9
6.1 Généralités . 9
6.1.1 Choix de la PBF-EB/M. 9
6.1.2 Cycles de conception et d’essai. 9
6.2 Caractéristiques des matériaux et structures. 9
6.3 Orientation de fabrication, positionnement et disposition . 11
6.3.1 Généralités . 11
6.3.2 Diffusion en poudre . 11
6.3.3 Conception des structures de support .12
6.3.4 Imbrication des pièces . 15
6.3.5 Considérations relatives à la conception de pièce de la plaque de fabrication . 16
6.3.6 Effet de gondolement . 16
6.3.7 Paramètres de fusion . 17
6.4 Anisotropie/hétérogénéité du matériau et caractéristiques de la pièce . 18
6.4.1 Généralités . 18
6.4.2 Morphologie des grains . 18
6.4.3 Porosité . 19
6.4.4 Couche de diffusion intermétallique . 19
6.4.5 Hétérogénéité chimique . 19
6.4.6 Historique thermique . .20
6.5 Surfaces . 20
6.6 Post traitement . 20
6.6.1 Généralités .20
6.6.2 Finition de surface . 21
6.6.3 Retrait des résidus de poudre . 21
6.6.4 Retrait des structures de support . 21
6.6.5 Tolérances géométriques . 21
6.6.6 Traitement thermique . 21
6.7 Considérations relatives à la conception . 22
6.7.1 Généralités .22
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ISO/ASTM 52911-3:2023(F)
6.7.2 Cavités .22
6.7.3 Écartements .22
6.7.4 Épaisseurs des parois .23
6.7.5 Trous et canaux. 23
6.7.6 Marquages intégrés . 23
6.8 Exemples d’applications . 24
6.8.1 Pièce de liaison à topologie optimisée imprimée à l’aide d’une disposition
de fabrication par empilement (fourni par GE Arcam) . 24
6.8.2 Conception par empilement d’une cupule acétabulaire (fournie par
LimaCorporate Spa) .25
6.8.3 Conception optimisée d’un implant de coude (fournie par LimaCorporate
Spa) . 26
6.8.4 Conception d’un tuyau léger (fournie par JEOL) . 27
Bibliographie .29
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Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir
www.iso.org/directives).
L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www.iso.org/iso/fr/avant-propos.html.
Le présent document a été élaboré par l’ISO/TC 261, Fabrication additive, en coopération avec
l’ASTM F 42, Technologies de fabrication additive, dans le cadre d’un accord de partenariat entre l’ISO et
ASTM International dans le but de créer un ensemble de normes ISO/ASTM sur la fabrication additive
et en collaboration avec le Comité Européen de Normalisation (CEN), Comité technique CEN/TC 438,
Fabrication additive, conformément à l’Accord de coopération technique entre l’ISO et le CEN (Accord de
Vienne).
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 52911-3:2023(F)
Introduction
La fusion sur lit de poudre métallique (PBF/M) est un procédé de fabrication additive (FA) qui offre
des alternatives de fabrication supplémentaires aux autres procédés de FA établis. La PBF/M offre la
possibilité de réduire les délais et coûts de fabrication, tout en élargissant les fonctionnalités de la pièce.
Les praticiens connaissent les points forts et les points faibles des procédés de fabrication traditionnels
utilisés depuis longtemps, tels que les procédés de coupe, d’assemblage et de formage (par exemple,
par usinage, soudage ou moulage par injection) et leur accordent l’attention nécessaire au stade de la
conception et du choix du procédé de fabrication. Dans le cas de la PBF/M et de la FA en général, les
ingénieurs de conception et de fabrication ne disposent que d’une réserve d’expérience limitée. Sans
les limites associées aux procédés classiques, l’utilisation d’une PBF/M offre un grand degré de liberté
aux concepteurs et aux fabricants, et ceci exige une compréhension des possibilités et des limites du
procédé.
La série ISO 52911 fournit des lignes directrices pour différentes technologies de fusion sur lit de
poudre (PBF). En complément du présent document sur la PBF-EB/M, la série est constituée de
l’ISO 52911-1 sur la fusion laser sur lit de poudre métallique (PBF-LB/M) et de l’ISO 52911-2 sur la fusion
laser sur lit de poudre polymère (PBF-LB/P). Chaque document de la série partage les Articles 1 à 5, où
des informations générales comprenant la terminologie et le procédé PBF sont fournies. Les articles
suivants portent sur la technologie spécifique.
Le présent document fournit un support aux utilisateurs de la technologie, tels que les ingénieurs de
conception et de fabrication, lors de la conception de pièces qui nécessitent d’être fabriquées au moyen
de la PBF-EB/M. Cela aidera les praticiens à explorer les avantages de la PBF-EB/M et à reconnaître les
limites liées au procédé lors de la conception des pièces. Il s’appuie également sur l’ISO/ASTM 52910
pour étendre les exigences, les lignes directrices et les recommandations pour la conception FA pour
intégrer le procédé PBF-EB/M.
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NORME INTERNATIONALE ISO/ASTM 52911-3:2023(F)
Fabrication additive — Conception —
Partie 3:
PBF-EB de matériaux métalliques
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie les caractéristiques de la fusion par faisceau d'électrons sur lit de poudre
métallique (PBF-EB/M) et fournit des recommandations de conception détaillées.
Certains des principes fondamentaux sont également applicables à d'autres procédés de fabrication
additive (FA), sous réserve que les caractéristiques spécifiques à un procédé soient dûment prises en
compte.
Le présent document fournit également un État de l’Art des lignes directrices de conception associées
à l’utilisation d’une fusion sur lit de poudre (PBF), en compilant des connaissances pertinentes sur ce
procédé et en élargissant le domaine d’application de l’ISO/ASTM 52910.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu'ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO/ASTM 52900, Fabrication additive — Principes généraux — Fondamentaux et vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans 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 https:// www .electropedia .org/
3.1
effet de gondolement
déformation dimensionnelle lorsque le matériau
fondu refroidit et se solidifie après sa fabrication ou par apport de chaleur mal évacuée
3.2
surface de contre-dépouille
D
(sous-)zone où la projection du vecteur normal n sur l’axe Z est négative
Note 1 à l'article: Voir la Figure 1.
1
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3.3
angle de la contre-dépouille
δ
angle entre le plan de la plateforme de fabrication et la surface de contre-dépouille (3.2) où la valeur
est comprise entre 0° (parallèlement à la plateforme de fabrication) et 90° (perpendiculairement à la
plateforme de fabrication)
Note 1 à l'article: Voir la Figure 1.
3.4
surface de dépouille
U
(sous-)zone où le vecteur normal n par rapport à l’axe Z est positif
Note 1 à l'article: Voir la Figure 1.
3.5
angle de la dépouille
υ
angle entre le plan de la plateforme de fabrication et la surface de dépouille (3.4) où la valeur est comprise
entre 0° (parallèlement à la plateforme de fabrication) et 90° (perpendiculairement à la plateforme de
fabrication)
Note 1 à l'article: Voir la Figure 1.
Légende
δ angles de la contre-dépouille U surfaces (droites) de dépouille
vecteur normal υ angles de la dépouille
n
D surfaces (gauches) de contre-dépouille Z_ direction de fabrication
[3]
NOTE Source: VDI 3405-3:2015 .
Figure 1 — Orientation des surfaces de la pièce par rapport à la plateforme de fabrication
4 Symboles et termes abrégés
4.1 Symboles
Les symboles donnés dans le Tableau 1 sont utilisés dans le présent document.
2
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Tableau 1 — Symboles
Symbole Désignation Unité
a porte-à-faux mm
2
D surface de contre-dépouille mm
2
I îlot mm
vecteur normal —
n
2
U surface de dépouille mm
δ angle de la contre-dépouille °
υ angle de la dépouille °
4.2 Termes abrégés
Les termes abrégés suivants sont utilisés dans le présent document.
CT tomographie informatisée
DICOM imagerie et communications numériques en médecine
PBF-EB/M fusion sur lit de poudre métallique par faisceau d’électrons
HIP pressage isostatique à chaud
PBF-LB fusion laser sur lit de poudre
PBF-LB/M fusion laser sur lit de poudre métallique (également appelée, par exemple, fusion par faisceau
laser, fusion sélective par laser)
PBF-LB/P fusion laser sur lit de poudre polymère (également appelée, par exemple, fusion par faisceau
laser, fusion sélective par laser)
IRM imagerie par résonance magnétique
5 Caractéristiques des procédés de fusion sur lit de poudre (PBF)
5.1 Généralités
Il convient que les caractéristiques spécifiques du procédé de fabrication utilisé pour optimiser la
conception d’une pièce soient prises en compte. Des exemples de caractéristiques de procédés FA qui
nécessitent d’être pris en compte pendant les phases de conception et de planification du procédé sont
énumérés de 5.2 à 5.8. Dans le domaine du traitement des métaux, une distinction peut être faite entre,
par exemple, la PBF au laser (appliquée aux métaux et aux polymères) et la PBF par faisceau d’électrons
(appliquée aux métaux seulement).
La PBF polymère utilise, dans presque tous les cas, des lasers basse puissance pour le frittage des
poudres polymères. La fusion sur lit de poudre polymère par faisceau d’électrons n’est généralement
pas envisagée car la charge négative du faisceau d’électrons va s’accumuler dans une poudre polymère
non conductrice et causer des événements répulsifs qui vont abîmer la continuité de la couche de poudre
et rendre impossible tout contrôle du frittage ou de la fusion. Comme pour la PBF polymère, la PBF
métallique comprend diverses techniques de traitement. Comme pour les polymères, la PBF métallique
exige souvent d’ajouter des structures de support (voir 6.3.3). Les procédés de PBF métallique peuvent
utiliser des lasers basse puissance pour lier les particules de poudre en limitant la fusion à la surface
des particules de poudre ou des faisceaux d’énergie haute puissance (approximativement 200 W à
1 kW) pour faire fondre ensemble les particules de poudre.
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La PBF-EB/M et la PBF-LB/M ont des aptitudes similaires, bien que les différences entre ces procédés
conduisent, en général, à ce que la PBF-EB/M supporte des vitesses de fabrication plus rapides à une
résolution de fonctionnalité inférieure à la PBF-LB/M. L’énergie du faisceau du faisceau d’électrons
est de plus forte intensité (en raison d’une source d’énergie élevée de 3 kW à 6 kW) et le mécanisme
de tramage du faisceau (c'est à dire électromagnétique pour la PBF-EB/M, optique pour la PBF-LB/M)
diffère entre ces deux types de procédés PBF. La PBF-EB/M a également tendance à utiliser une plus
grande dimension du point du faisceau, une plus grande granulométrie de la poudre et une plus grande
épaisseur de couche. En général, la PBF-EB/M expose les pièces à des contraintes thermiques moindres
(car les couches de poudre sont préchauffées avant la fusion) et à des vitesses de fabrication plus
rapides, mais le compromis vient souvent avec des dimensions générales minimales d’éléments plus
importantes et une plus grande rugosité de surface comparé à la PBF-LB/M.
5.2 Dimension de la pièce et considérations de coût
La dimension de la pièce n’est pas limitée uniquement par la surface de travail/le volume de travail de
la machine PBF. L’apparition de fissures et la déformation causée par les contraintes résiduelles peuvent
également limiter la dimension de pièce maximale. Un autre facteur pratique important qui peut limiter
la dimension maximale de la pièce est le coût de la pièce, qui est directement lié à la dimension de la
pièce.
Le coût de de la pièce 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, les protocoles en matière de réutilisation de la poudre affectent le coût de la pièce de manière
significative. Si aucune réutilisation n’est admise, alors la totalité de la poudre restante est mise au
rebut, quel que soit le volume solidifié.
5.3 Bénéfices à prendre en compte en ce qui concerne le procédé PBF
Les procédés PBF peuvent être avantageux pour la fabrication de pièces lorsque les points suivants sont
pertinents:
— Intégration de plusieurs fonctions dans la même pièce.
— Les pièces peuvent être fabriquées à leur forme quasi définitive (c’est-à-dire, près de la forme et de
la dimension à l’état fini).
— Les degrés de liberté de conception des pièces sont généralement plus élevés. Les limites des
procédés de fabrication classiques sont généralement inexistantes, par exemple, pour:
— l’accessibilité de l’outil, et
— l’usinage des dégagements.
— Une grande diversité de géométries complexes peut être produite, telles que:
— géométries de forme libre, par exemple, structures organiques,
— structures à topologie optimisée, afin de réduire la masse et d’optimiser les propriétés
mécaniques,
— structures de remplissage, par exemple, nid d’abeille, et
— structure poreuse en treillis à la surface d’un composant par ailleurs solide, par exemple,
structures d’ostéosynthèse dans l'industrie du dispositif médical.
— Le degré de complexité de la pièce est très peu lié aux coûts de production, contrairement à la plupart
des fabrications conventionnelles.
— Les procédés d’assemblage et de jointage peuvent être réduits par la consolidation de la pièce, pour
éventuellement produire une fabrication en bloc.
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— Les caractéristiques globales de la pièce peuvent être configurées de manière sélective en ajustant
localement les paramètres de procédé.
— Réduction des délais entre la conception et la production de la pièce.
5.4 Limites à prendre en compte en ce qui concerne le procédé PBF
Il convient de prendre en compte certains inconvénients habituellement associés aux procédés de FA
pendant la conception du produit:
— Un rétrécissement, des contraintes résiduelles et une déformation peuvent apparaître en raison de
différences de températures. Le préchauffage du lit de poudre (qui est le mode opératoire normal
pour la PBF-EB/M) peut être utilisé pour réduire ces effets.
— La qualité de surface des pièces de FA est généralement influencée par la technique de fabrication
en couches (effet d’escalier) et la granulométrie de la poudre utilisée. Un post-traitement peut être
exigé, en fonction de l’application.
— Il convient de prendre en compte les écarts par rapport aux tolérances de forme, de dimension et
de position des pièces. Il convient donc de fournir une tolérance d’usinage pour la finition post-
production. Les tolérances géométriques spécifiées peuvent être obtenues par des opérations de
post-traitement de précision.
— Des caractéristiques anisotropes surviennent généralement sous l’effet de la fabrication en couches
et il convient de les prendre en compte pendant la planification du procédé.
— Tous les matériaux disponibles pour les procédés traditionnels ne sont pas actuellement adaptés
aux procédés PBF.
— Les propriétés des matériaux peuvent s’écarter des valeurs attendues connues d’autres technologies
telles que le forgeage et le moulage. Le
...
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