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.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
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 International 2023
© ISO/ASTM International 2023
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Published in Switzerland
ii
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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
iii
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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.
v
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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.
vi
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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.
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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
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TTabablele 1 1 ((ccoonnttiinnueuedd))
Symbol Designation Unit
D downskin area mm
I island mm
n normal vector —
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
increase the likelihood of build success. Indeed, parts designed for additive manufacture should be
devised such that build orientation is obvious and/or specified.
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5.6 Feature constraints (islands, overhang, stair-step effect)
5.6.1 General
Since AM parts are built up in successive layers, separation of features may occur at some stage of the
build. This depends on the part geometry. The situations described in 5.6.2 to 5.6.4 can be regarded as
critical (the level of criticality depends on the PBF technology in focus) in this respect.
5.6.2 Islands
Islands, I, are features that connect to form a part, P, only at a later stage of the build process. How these
connections occur should be taken into consideration at the design stage. Parts that are stable in terms
of their overall design can be unstable during the build process (see Figure 2, left and centre).
NOTE In some circumstances, islands are not protected against mechanical damage during the powder
application process. This can lead to deformation of the islands.
Key
I islands
P part
a overhang
Z build direction
NOTE 1 Overhang a illustrated in separate part (right).
[3]
NOTE 2 Source: VDI 3405-3:2015 .
Figure 2 — Islands I (left) during the construction of part P (centre)
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 will depend on
the specific PBF process, the material and the process parameters used. Significant overhangs can
induce a collapse or deformation of the length a, which can lead to the machine standstill (build crash).
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
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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).
[3]
NOTE 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 cutting
tool-based manufacturing processes. For this reason, post-processing may be necessary to meet
(customer) requirements. Post-processing may include subtractive manufacturing, surface finishing,
[1]
thermal processing, or other operations according to ISO/ASTM 52910 . Additional material may need
to be added to the design to accommodate post-processing.
In this respect, it is particularly important to be aware of and consider process parameters that will
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, which 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 specified using the right-hand rule and the normal vector. Historically, the
STL file format has been the most commonly used three-dimensional mesh data exchange format used
[2]
in additive manufacturing. The ISO/ASTM 52915 standard AMF format is the preferred format for
data exchange. The 3MF file format promoted by an industry consortium is also used in some additive
manufacturing applications, but it is not an open standard recognized by any standards body.
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 specified 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 a lot of digital 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
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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 5 to
10 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, meters, 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 exchange file is very important in communicating part
size. Arrays of parts can be precisely positioned relative to each other in a single AMF file by use the
“constellation” element.
If part geometry was imported from a 3D imaging modality, such as CT or MRI, then the data are
composed of voxels. The DICOM format is the standard used in the medical imaging industry and some
AM software tools read these files directly. Geometry resolution is controlled by the imager resolution.
6 Design guidelines for electron beam powder bed fusion of metals (PBF-EB/M)
6.1 General
6.1.1 Selecting PBF-EB/M
PBF-EB/M is a process with typical advantages and disadvantages. The technology offers opportunities
in complex design with integrated functions in one part, materials with internal structures, and/or
features with undercuts or structures that cannot be realized by casting, forging, or metal cutting
processes. The flexibility of PBF-EB/M offers opportunities for small series of unique products with
properties that cannot be realized with other technologies.
The advantages that occur in the use phase is an important consideration when choosing PBF-EB/M,
even when PBF-EB/M has disadvantages in the production phase.
Important constraints can be the availability of the required materials, limited size of the part, the
approval of the technology in critical applications, the production costs, and the possible need for post
processing treatments.
Some other technologies that could be applied in a similar field of application as PBF-EB/M are: PBF-
LB/M, directed energy deposition of metals, or investment casting (lost wax casting) based upon a lost
model produced by AM.
6.1.2 Design and test cycles
Part optimization can be constrained by current limits of the PBF-EB/M process. This could differ from
material to material, from machine to machine and from service provider to service provider. Often this
means that practical testing of part features is part of the design cycle.
6.2 Material and structural characteristics
Metals and metal alloys are the materials most commonly used for PBF-EB/M. Preferred methods of
production for metal powders typically include plasma or gas atomization in an inert atmosphere.
Because metal powders can vary significantly between suppliers, selection should be done with care.
Powder size distribution, chemistry, surface characteristics, and morphology are just some examples of
raw powder characteristics that need to be considered during selection.
The successful processing of individual materials depends on a variety of factors, such as weldability,
melting temperature, thermal conductivity, melt viscosity and wetting angle (relating to the surface
[4]
tension of the melt ). These factors will all affect the characteristics of the part being manufactured.
For this reason, design for PBF-EB requires taking processing environments into consideration as well.
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For the most current list of material classes that are available to PBF-EB/M processes, it is recommended
to consult with machine and powder manufacturers. As AM technology advances, it is expected that
new materials will continue to become available. As there are already metal powders available for
processes like powder metallurgy, metal injection moulding and cladding, it can be expected that there
is a potential for use in PBF-EB/M as well.
[5]
It is possible to achieve a relative part density close to 100 % .
Figure 4 depicts how small changes in PBF-EB/M processing can lead to significant differences in
microstructure.
The microstructure created by the PBF-EB/M process is different from that observed in wrought
materials, and is heavily dependent on the processing environment, including those factors mentioned
above. The mechanical properties of the part will correlate directly with the macro- and microstructure
formed.
Post heat treatments of parts produced by PBF-EB/M are applied commonly for tuning material
properties.
a) Grain elongation in the build direction b) Equiaxed grains
Key
X build direction
NOTE Source: GE Arcam
Figure 4 — Inconel 718 Microstructures for two different PBF-EB/M processing conditions
showing differences in resultant grain morphology
6.3 Build orientation, positioning and arrangement
6.3.1 General
The orientation, positioning and arrangement of parts during PBF-EB/M have an impact on process
costs, process stability and various part characteristics. Factors that help to determine proper
orientation, positioning and arrangement are discussed in 6.3.2 to 6.3.7.
6.3.2 Powder spreading
Most PBF systems use a powder layering system with a spreading device (e.g. ceramic, metal or silicon
blade, or roller or carbon brush) that pushes powder from the supply chamber, across the build space,
and into the powder run-off area. Depending on the layer thickness, with this type of spreading the
blade often scrapes or interferes with the part as each successive layer is applied. Parts should
therefore, be oriented, positioned and arranged so as to minimize the frictional forces generated during
scraping. Some spreading devices (e.g. tined metal foil rakes) have been shown to be less sensitive to
scraping due to reduced friction between spreading device and part. For this type of spreading device,
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the considerations of this section can be largely disregarded. In addition to the type of spreading
device, both uni- and bi-directional spreading may be used in a given PBF system. For bi-directional
spreading devices, adhering to the considerations mentioned in this section may become more difficult.
Additionally, wear on the spreading device due to friction between spreading device and part can
negatively affect the process (e.g. changes in powder layer thickness and continuity). The following
points should be considered (see Table 2):
— longitudinal geometries should not be oriented parallel to the spreader, but rather in the spreading
direction;
— wherever possible, critical geometries should not be built-up counter to the spreading direction;
— multiple parts should be positioned in a way that the contact length with the spreading system is
minimized (arranged with an offset, see the last row of Table 2).
Table 2 — Arrangement of critical elements in the build space of the machine
Description Poor Good
Longitudinal geometries
should be oriented in a way
that the contact length with the
spreading system is minimized.
Critical geometries (uni-direc-
tional raking)
should be oriented in a way that
avoids parts being bent-up if there
is a contact between spreading
system and part. A suitable angle
is often 10°. Gradual transitions
in the XY plane and Z height have
less likelihood of wiper wear and
wiper related failure.
Multiple parts
should be positioned in a way
that the contact length with the
spreading system is minimized
(arranged with an offset).
[3]
NOTE Source: VDI 3405-3:2015 .
6.3.3 Support structures design
The PBF-EB/M process sometimes requires the part to be securely connected to the build plate. The
connections can be made either directly (build directly on build platform) or by means of support
structures. Support structures in PBF-EB/M processes serve multiple functions, including
— dissipation of heat,
— securing the part to the build platform and improving geometric accuracy,
— compensating for residual stress-induced warping, and
© ISO/ASTM International 2023 – All rights reserved
— as a provisional support for a piece under construction.
While support structures are common in many AM processes, specific guidance on their application is
process dependent. Table 3 provides guidance on the use of support structures in PBF-EB/M processes.
The values used in Table 3 are general guidelines, and both process parameters and material specifics
will affect the governing values.
Because support structures are so important when designing for AM, the designer should decide at an
early stage about the build orientation of the part for the particular PBF-EB/M machine and should be
aware of the central elements of the process chain needed for manufacturing. The effect of the support
design can therefore be taken into account when several design decisions are available. For instance, a
design configuration could lead to an increase in build time but could also significantly reduce effort in
post-processing to remove the support structures (see 6.8, Figures 10 and 11).
Table 3 — Guidance on the use of support structures
Left: Support structures con-
necting the part to the build
platform
Right: Part connected directly
to the build platform without
support structures
Comment: I
...
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
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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
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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
iii
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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
iv
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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.
v
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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.
vi
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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.
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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.
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Tableau 1 — Symboles
Symbole Désignation Unité
a porte-à-faux mm
D surface de contre-dépouille mm
I îlot mm
vecteur normal —
n
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. Les propriétés des matériaux peuvent être influencées de
manière significative par les paramètres et le contrôle du procédé.
— Une utilisation excessive et/ou une dépendance excessive à des structures de support peuvent
entraîner à la fois une grande perte de matériau et un risque accru de défaillance de fabrication.
— Le retrait de la poudre non fondue après traitement est nécessaire. Pour la PBF-EB/M cette poudre
est souvent légèrement frittée au lieu d’être libre en raison du préchauffage du lit de poudre pendant
le procédé.
5.5 Disposition de fabrication, orientation de la pièce et considérations de coût
Sous réserve que la géométrie autorise la disposition d’une pièce dans l’espace de fabrication de manière
qu’elle puisse être fabriquée de la manière la plus rentable possible, différents critères d’optimisation
sont disponibles en fonction du nombre d’unités planifiées.
— La hauteur de fabrication est un facteur qui a un impact significatif sur le temps de fabrication
et sur les coûts de fabrication. Il convient d’orienter les pièces de manière à réduire autant que
possible la hauteur de fabrication. Cependant, il convient que des facteurs additionnels et parfois
concurrentiels soient également être pris en considération lors du choix de l’orientation de la pièce.
La simplification des opérations de post-traitement telles que le retrait de la poudre et du support,
ainsi que le fait de s’assurer que les éléments qui sont critiques pour le bon fonctionnement de la
fabrication de la pièce sont appropriés, sont deux de ces considérations supplémentaires.
— Si l’objectif est de fabriquer un plus grand nombre d’unités, il convient alors d’utiliser le plus
efficacement possible l’espace de fabrication. Il convient d’orienter les pièces de manière à réduire
autant que possible le nombre de séquences de fabrication requis. Des stratégies d’imbrication
tridimensionnelle peuvent également être adoptées afin d’optimiser le volume de fabrication
disponible.
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— Si les mêmes pièces sont orientées différemment pour un meilleur remplissage, c’est-à-dire des
résultats de fabrication à des angles différents, alors les propriétés mécaniques peuvent varier
d’une pièce à l’autre.
— L’utilisation de la poudre qui reste dans le système dépend de l’application, du matériau et des
exigences spécifiques. Les changements de poudre peuvent être inefficaces et chronophages. Bien
qu’ils soient nécessaires en cas de changement de type de matériau, les poudres provenant de
fabrications d’un matériau identique peuvent être réutilisées si cela est permis dans la spécification
en vigueur. Il est important de noter, cependant, qu’une réutilisation de poudre peut affecter
la granulométrie de la poudre, les caractéristiques de la surface et la composition de l’alliage, et
que ceci va à son tour affecter les caractéristiques de la pièce finie. De plus, les caractéristiques
de la poudre réutilisable peuvent être différentes pour la PBF-EB/M et la PBF-LB/M. Le nombre
de recyclages possibles d’une poudre dépend des exigences indiquées dans les spécifications du
matériau et de la pièce, et du programme de réutilisation de la poudre mis en œuvre par l’utilisateur
et par le fabricant de la machine.
— Un grand nombre de pièces de mauvaise conception (en particulier celles conçues pour des procédés
traditionnels avec une adaptation minime ou nulle) nécessitent une orientation spécifique afin
soit de réduire l’utilisation de supports, soit d’accroître la probabilité de réussite de la fabrication.
En effet, il convient que les pièces conçues pour la fabrication additive soient créées de sorte que
l’orientation de fabrication soit évidente et/ou spécifiée.
5.6 Contraintes d’éléments (îlots, porte-à-faux, effet d’escalier)
5.6.1 Généralités
Puisque les pièces de 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
décrites de 5.6.2 à 5.6.4 peuvent 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. Il convient de prendre en compte le mode d’établissement de ces
liaisons pendant la phase de conception. Les pièces qui sont stables du point de vue de leur conception
globale peuvent être instables pendant le 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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Légende
I ilots
P pièce
a porte-à-faux
Z direction de fabrication
NOTE 1 Porte-à-faux a illustré en partie séparée (à droite)
[3]
NOTE 2 Source: VDI 3405-3:2015 .
Figure 2 — Îlots I (à gauche) pendant la fabrication d’une pièce P (centre)
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 vont dépendre du procédé PBF spécifique, du matériau et des
paramètres de procédé utilisés. Des porte-à-faux significatifs peuvent provoquer un affaissement ou
une déformation de la longueur a, ce qui peut conduire à l’arrêt de la machine (accident de fabrication).
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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[3]
NOTE 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 de coupe 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 thermique ou d’autres opérations conformes à
[1]
l’ISO/ASTM 52910 . Il peut être nécessaire d'ajouter du matériau supplémentaire à la conception pour
permettre le post-traitement
À cet égard, il est particulièrement important de connaître et de prendre en compte les paramètres de
procédé qui vont influencer les caractéristiques de la pièce finie. Par exemple, l’orientation de fabrication
détermine dans une certaine mesure le niveau d’exactitude qui peut être obtenu. Un rétrécissement de
la pièce dépendant de la direction (anisotrope) peut survenir en raison de la fabrication en couches.
Comme autre exemple, la cohérence entre les couches peut être affectée par l’emplacement de la pièce
sur la plateforme de fabrication.
5.8 Qualité des données, résolution, représentation
L’utilisation de la FA exige des données géométriques en 3D qui sont généralement représentées sous la
forme d’un modèle à pavage, mais d’autres représentations peuvent également être utilisées, incluant
les voxels ou les représentations par découpage en tranches. Pour les données pavées, les fichiers
décrivent la géométrie de surface d’une pièce sous la forme d’une série de maillages triangulaires.
Les sommets des triangles sont définis selon la règle de la main droite et en utilisant le vecteur
normal. Historiquement, le format de fichier STL a été le format d'échange de données de maillage
tridimensionnel le plus couramment utilisé dans la fabrication additive. Le format AMF de la norme
[2]
ISO/ASTM 52915 est le format privilégié pour l'échange de données. Le format de fichier 3MF promu
par un consortium industriel est également utilisé dans certaines applications de fabrication additive,
mais il ne s'agit pas d'une norme ouverte reconnue par un organisme de normalisation.
Dans un pavage, les surfaces courbes sont approchées par des triangles et la résolution choisie du pavage
détermine la qualité géométrique de la pièce à fabriquer. Si la résolution est trop basse, les côtés des
triangles spécifiés dans le fichier STL seront visibles sur la surface finie (c’est-à-dire qu’elle apparaîtra
avec des facettes). Néanmoins, un pavage avec une résolution trop élevée exige un important espace de
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stockage numérique et est long à transférer et à manipuler avec un logiciel de traitement. La résolution
d’un pavage est généralement influencée par une mesure de tolérance, souvent appelée «hauteur de
corde», qui décrit l’écart maximal d’un point sur la surface de la pièce par rapport à la face du triangle.
Par conséquent, des valeurs de tolérance plus faibles conduisent à des écarts plus faibles par rapport à
la surface réelle de la pièce. Une règle empirique typique consiste à définir la tolérance comme étant 5 à
10 fois inférieure à la résolution du procédé FA. Un réglage de hauteur de corde compris entre 0,01 mm
et 0,02 mm est donc recommandé pour la plupart des procédés PBF. D’autres paramètres peuvent être
utilisés pour définir l’exactitude du maillage, en fonction du système.
L’AMF prend en charge la représentation d’informations au-delà des simples considérations
géométriques. Par exemple, les unités de pièce (millimètres, mètres, pouces), les couleurs, les matériaux
et les structures en treillis sont pris en charge. Les fichiers STL contiennent uniquement la géométrie
pavée, tandis que les fichiers 3MF intègrent certaines des fonctionnalités de représentation des
métadonnées du format AMF. Il est très important d’incorporer des unités dans le fichier d’échange de
données pour communiquer la dimension des pièces. Les rangs de pièces peuvent être positionnés avec
précision les uns par rapport aux autres dans un seul fichier AMF en utilisant l'élément “constellation”
Si la géométrie de la pièce a été importée à partir d’une modalité d’imagerie 3D (par exemple, CT ou
IRM), les données sont alors composées de voxels. Le format DICOM est la norme utilisée dans l’industrie
de l’imagerie médicale et certains outils logiciels de FA lisent directement ces fichiers. La résolution de
la géométrie est contrôlée par la résolution de l’imageur.
6 Lignes directrices de conception pour la fusion sur lit de poudre métallique
par faisceau d’électrons (PBF-EB/M)
6.1 Généralités
6.1.1 Choix de la PBF-EB/M
La PBF-EB/M est un procédé avec des avantages et des inconvénients types. La technologie offre des
opportunités de conception complexe avec des fonctions intégrées dans une pièce, des matériaux avec
des structures internes, et/ou des éléments avec des dégagements ou des structures qui ne peuvent pas
être réalisées par des procédés de moulage, forgeage ou découpe du métal. La flexibilité de la PBF-EB/M
permet de réaliser des petites séries de produits uniques ayant des propriétés qui ne peuvent pas être
obtenues avec d’autres technologies.
Les avantages qui apparaissent pendant la phase d’utilisation sont d’une grande importance lors du
choix de la PBF-EB/M, même si la PBF-EB/M a des inconvénients en phase de production.
Des contraintes importantes peuvent être la disponibilité des matériaux requis, la dimension limitée
de la pièce, l’approbation de la technologie dans des applications critiques, les coûts de production et la
nécessité éventuelle de procédés de post-traitements.
D’autres technologies qui pourraient être appliquées dans un domaine d’application similaire à celui de
la PBF-EB/M sont: la PBF-LB/M, le dépôt de métaux sous énergie concentrée ou le moulage de précision
(moulage à la cire perdue) sur la base d’un modèle perdu produit par FA.
6.1.2 Cycles de conception et d’essai
L’optimisation des pièces peut être limitée par les contraintes actuelles du procédé PBF-EB/M. Celles-
ci sont susceptibles de varier d’un matériau à l’autre, d’une machine à l’autre et d’un prestataire de
services à l’autre. Souvent, cela implique que des essais pratiques d’éléments de pièces fassent partie du
cycle de conception.
6.2 Caractéristiques des matériaux et structures
Les métaux et les alliages métalliques sont les matériaux les plus fréquemment utilisés pour la PBF-
EB/M. L’atomisation au plasma ou au gaz dans une atmosphère inerte figure parmi les méthodes
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préférentielles de production pour les poudres métalliques. Puisque les poudres métalliques peuvent
varier sensiblement d’un fournisseur à un autre, il convient de les choisir avec soin. La granulométrie
de la poudre, la composition chimique, les caractéristiques de surface et la morphologie ne sont que
quelques exemples de caractéristiques de la poudre brute qui nécessitent d'être pris en compte pendant
la sélection.
L’efficacité de la mise en œuvre de chaque matériau dépend de divers facteurs, comme la soudabilité, la
température de fusion, la conductivité thermique, la viscosité à l’état fondu et l’angle de mouillage (lié à
[4]
la tension de surface de la fusion ). Ces facteurs vont affecter les caractéristiques de la pièce en cours
de fabrication. Pour cette raison, la conception de la PBF-EB exige également de prendre en compte les
environnements de mise en œuvre.
Pour la liste la plus récente des classes de matériau qui sont disponibles pour les procédés PBF-EB/M,
il est recommandé de consulter les fabricants de machines et de poudres. Au fil de l’évolution de la
technologie de FA, il est prévu que de nouveaux matériaux deviennent disponibles. Comme il existe déjà
des poudres métalliques disponibles pour des procédés tels que la métallurgie de la poudre, le moulage
par injection et le placage de métaux, il peut être espéré qu’il existe un potentiel pour une utilisation en
PBF-EB/M de la même manière.
[5]
Il est possible d’atteindre une densité relative de la pièce proche de 100 % .
La Figure 4 illustre comment de petits changeme
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.