Sculele hard se referă la scule de turnare finite care au capacitate de producție în masă și sunt capabile să producă mii de piese turnate/formate prin injecție înainte de a fi distruse. Aceste scule de turnare includ inserții de matriță pentru matrițe de injecție în serie, matrițe de turnare sub presiune și scule prototip pentru turnare prin injecție și turnare sub presiune. Aceste matrițe sunt de obicei produse din ceramică, cum ar fi silice și alumină și aliaje, cum ar fi oțelurile pentru scule, pentru durabilitate ridicată și pentru producție de volum mare. Ele posedă proprietăți mecanice ridicate, cum ar fi rezistență ridicată la compresiune și duritate, rezultând o durabilitate excelentă, necesară pentru fabricarea în masă a pieselor. Avantajele sunt timpii rapizi de realizare pentru a crea scule matriță cu forme foarte complexe pentru producție de volum mare în producție. Similar cu sculele soft, răspunsul rapid la modificările în design este aproape imediat. Prin urmare, sculele hard în fabricarea pieselor finale sau a componentelor pentru aplicarea reală sunt foarte populare.
Hard tooling refers to finished molding tools that have mass manufacturing capability and are able to produce thousands of injection-molded/cast parts before breaking down. These molding tools include mold inserts for series injection molds, die casting molds, and prototype tools for injection moldings and die casting. These molds are usually produced from ceramics such as silica and alumina and alloys such as tool steels for high durability and for high volume production. They possess high mechanical properties such as high compression strength and hardness resulting in excellent durability that is required for mass manufacturing of parts. The advantages are fast turnaround times to create highly complex-shaped mold tooling for high volume production in manufacturing. Similar to soft tooling, the fast response to modifications in designs is almost immediate. Therefore, hard tooling in manufacturing of final parts or components for actual application is highly popular.

Scule hard directe

În sculele hard directe, sculele de turnare din ceramică sau oțeluri pentru scule sunt produse direct din procesul AM. În general, procesele AM ​​cu capacitatea de a procesa astfel de materiale sunt de obicei echipate cu laser de înaltă energie sau fascicul de electroni ca sursă, cum ar fi SLM și respectiv EBM.
In direct hard tooling, molding tools made of ceramics or tool steels are directly produced from the AM process. Generally, AM processes with the capability of processing such materials are usually equipped with high energy laser or electron beam as the source such as SLM and EBM respectively.

Sculele de turnare hard din metal și ceramică pot fi produse direct prin procesele SLS și 3DP. Dar, necesită o post-procesare suplimentară pentru a obține o densitate ridicată și pentru a îmbunătăți proprietățile necesare pentru o durabilitate ridicată. În procesul SLS și 3DP, particulele ceramice sau metalice sunt legate între ele printr-un liant polimeric. În SLS, laserul încălzește liantul polimeric sub formă de particule amestecate omogen cu particulele de metal sau ceramică, sau fiecare particulă de metal sau ceramică este deja acoperită cu un strat de liant polimeric. La încălzire, liantul atinge temperatura de tranziție sticloasă, se înmoaie și leagă particulele de metal sau ceramică împreună la solidificare. Pe de altă parte, în procesul 3DP, capul de imprimare ejectează lianți lichidi pe pulberile metalice sau ceramice pentru a le lega selectiv împreună.
Metal and ceramic hard molding tools can both be directly produced by the SLS and 3DP processes. However, they require additional post processing to achieve high density and improve properties required for high durability. In the SLS and 3DP process, the ceramic or metallic particles are bonded together by a polymeric binder. In SLS, the laser heats the polymeric binder in particle form mixed homogeneously with the metal or ceramic particles, or each metal or ceramic particle is already coated with a layer of polymeric binder. Upon heating, the binder reaches its glass transition temperature, softens, and bonds the metal or ceramic particles together upon solidification. On the other hand, in the 3DP process, the print head ejects liquid binders onto the metal or ceramic powders to selectively bond them together.

Pentru a atinge caracteristicile necesare ca sculă hard, matrițele produse atât prin SLS, cât și prin 3DP sunt supuse îndepărtării liantului, ceea ce are ca rezultat o parte crudă care este poroasă și casantă. Această parte crudă este supusă ulterior unui proces de infiltrare și sinterizare cu cupru în cuptor (de aproximativ 40 de ore de proces de infiltrare și sinterizare) pentru a crește densitatea și a o face solidă. În timp ce astfel de matrițe produse în acest mod sunt post-procesate, ele sunt încă considerate o formă de scule directe, deoarece forma finală a matriței a fost produsă mai întâi fără a trece prin niciun fel de etape intermediare.
In order to achieve characteristics required as a hard tool, the molds produced by both SLS and 3DP undergo binder removal which result in a green part that is porous and brittle. This green part undergoes further infiltration and sintering process with copper in the furnace (of about 40 h of infiltration and sintering process) to increase density and make it solid. While such molds produced this way are post processed, they are still considered a form of direct tooling as the final shape of the mold was first produced without undergoing any intermediate steps.

În mod similar, matrițele cu model complicat pot fi produse în acest fel și s-a raportat că contracția este mai mică de 2%, ceea ce poate fi ușor compensat în software. Perioadele de timp tipice pentru producerea acestor matrițe durează 2 săptămâni (independent de complexitatea modelului matriței, dar depind de dimensiune) comparativ cu 6-12 săptămâni (în funcție de complexitatea modelului matriței) folosind tehnici convenționale. De asemenea, pot fi prelucrate cu ușurință pentru modificarea modelului. Matrița finită produsă prin această tehnologie pentru utilizare în turnarea prin injecție a raportat, de asemenea, rezistența la presiuni de până la 30.000 psi (200 MPa) și 100.000 de alice de nailon umplut cu sticlă producând zeci de mii de piese turnate prin injecție acceptate (Wholers 2000).
Similarly, molds with complicated designs can be produced this way and shrinkages have been reported to be less than 2 % which can be easily compensated for in the software. Typical time frames to produce these molds take 2 weeks to complete (independent of mold design complexity but dependent on size) compared to 6–12 weeks (depending on complexity of mold design) using conventional techniques. They can also be easily machined for design modification. The finished mold produced by this technology for use in injection molding also have reported withstanding pressures up to 30,000 psi (200 MPa) and 100,000 shots of glass-filled nylon producing tens of thousands of accepted injection-molded parts (Wholers 2000).

Pe de altă parte, matrițele metalice sau ceramice produse prin SLM sau EBM nu necesită pași de post-procesare care implicați în procesul SLS. Datorită laserului de mare putere și sursei fasciculului de electroni de mare energie, particulele de pulbere metalică sau ceramică se vor topi total sau parțial pentru a forma o parte solidă cu densități raportate de până la 99,9 %. În plus, pot fi produse în acest fel matrițe funcționale cu canale de răcire conforme interne. Spre deosebire de matrițele cu canale de răcire produse în mod convențional, canalele de răcire create prin tehnica AM sunt extrem de continue, iar virajele în direcția canalului sunt conectate cu o schimbare lină graduală a gradientului. În plus, canalele de răcire (așa cum se arată în Fig. 8) pot fi construite aproape de suprafață, precum și pentru a se conforma cu geometria matriței, care nu numai că controlează și asigură o răcire uniformă a întregii scule, ci și crește eficiența de răcire într-o mare măsură.
On the other hand, metal or ceramic molds produced by SLM or EBM do not require post-processing steps that are involved in the SLS process. Due to the highpower laser and high-energy electron beam source, the metallic or ceramic powder particles will melt fully or partially to form a solid part with reported densities of up to 99.9 %. In addition, functional molds with internal conformal cooling channels can be produced this way. Unlike in molds with cooling channels produced conventionally, the cooling channels created by the AM technique are highly continuous, and the turns in channel direction are connected with smooth gradual gradient change. Moreover, cooling channels (as shown in Fig. 8) can be built close to the surface as well as built to conform to the geometry of the mold which not only controls and ensures an even cooling of the entire tool but also increases the cooling efficiencies by a great measure.

Canalele de răcire conformă pot fi configurate în așa fel încât să reducă rapid temperatura pieselor turnate prin injecție, fără a le afecta proprietățile. De fapt, studiile au arătat că matrițele cu canale de răcire conforme pot reduce ratele de ciclu cu până la 50%. În plus, calitatea pieselor din plastic turnate prin injecție se îmbunătățește semnificativ, pe măsură ce „punctele fierbinți” sunt eliminate cu inserții de scule cu canale de răcire conforme interne, deoarece piesele sunt supuse la mai puține solicitări termice și, prin urmare, la distorsiuni. Caracteristicile afișate de un astfel de canal de răcire nu pot fi produse prin nicio metodă tradițională și, prin urmare, aceste matrițe sunt pretinse a fi de mare valoare pentru industria de turnare prin injecție, deoarece produc piese de mai bună calitate și reduc costul sculelor în producție.
The conformal cooling channels can be configured in such a way that they bring down the temperature of the injection-molded parts quickly without affecting their properties. In fact, studies have shown that molds with conformal cooling channels can reduce cycle rates by up to 50 %. In addition, quality of injection-molded plastic parts improves significantly as “hot spots” are eliminated with tool inserts with internal conformal cooling channels as parts are subjected to less thermal stress and hence distortion. The characteristics displayed by such cooling channel cannot be produced by any traditional method, and hence, these molds are claimed to be of high value to the injection molding industry as they produce better quality parts and reduce the cost of tooling in manufacturing.

O altă metodă de producere directă a sculelor hard, care nu este la fel de populară în comparație cu restul, este laminarea sculelor din metal, care funcționează pe același principiu ca și LOM. Foile de material, de obicei oțeluri cu secțiunea transversală necesară, sunt mai întâi produse fie prin tăiere cu laser, cu jet de apă, fie prin frezare conform datelor CAD 3D care furnizează informațiile 2D feliate. Pe baza principiului LOM, miile de foi sunt apoi lipite împreună cu șuruburi sau chiar cu lipici. Principalul dezavantaj al acestui proces de producere directă a matriței este risipa de material tăiat nedorit care nu poate fi reutilizat la fel de convenabil ca procesele pe bază de pulbere. Proprietățile mecanice sunt, de asemenea, inferioare matrițelor produse prin SLS sau SLM și, prin urmare, nu sunt la fel de populare în sculele hard directe.
Another method of directly producing hard tools that is not as popular compared to the rest is laminated metal tooling which works on the same principle as LOM. Sheets of material, usually steels with the required cross section, are first produced either by laser cut, water jet, or milling according to the 3D CAD data that provides the sliced 2D information. Based on the LOM principle, the thousands of sheets are then bonded together with bolts or even with glue. The main disadvantage of this process of directly producing the mold is the wastage of unwanted cut material that cannot be reused as conveniently as powder-based processes. Mechanical properties are also inferior to molds produced by SLS or SLM and hence not as popular in direct hard tooling.

Scule hard indirecte

Există multe metode de scule hard indirecte în RT care se încadrează în această categorie și procesele rămân în mare parte similare. În general, metodele indirecte pentru producerea de scule hard pentru turnarea prin injecție a plasticului folosesc turnarea metalelor lichide sau a pulberilor de oțel într-un sistem de liant și necesită pași intermediari pentru a produce forma finală a sculei de turnare. Din nou, liantul este îndepărtat; piesa este sinterizată într-un cuptor și este supusă unei infiltrații ulterioare cu un material secundar (cum ar fi cuprul).
There are many indirect hard tooling methods in RT that fall under this category and the processes largely remain similar. In general, indirect methods for producing hard tools for plastic injection molding make use of casting liquid metals or steel powders in a binder system and require intermediate steps to produce the final shape of the molding tool. Again, binder is removed; part is sintered in a furnace and undergoes further infiltration with a secondary material (such as copper).

De exemplu, un model SLA este produs și postprocesat la o piesă de înaltă calitate prin șlefuire și lustruire. Modelul este plasat într-un recipient în care se toarnă cauciuc siliconic în jurul lui pentru a face o matriță moale din cauciuc siliconic care reproduce cavitatea feminină a modelului SLA. Acesta este apoi plasat într-o cutie și un amestec de particule metalice, cum ar fi oțel pentru scule și un material de liant, este turnat în jurul lui, întărit și separat de matrița din cauciuc siliconic. Acesta este apoi ars pentru a elimina liantul și a sinteriza particulele de metal crude împreună. Partea sinterizată, care este de aproximativ 70% oțel și 30% gol, este apoi infiltrată cu cupru pentru a da o matriță solidă și tare care poate fi utilizată în turnarea prin injecție.
For instance, an SLA model is produced and post processed to a high quality part by sanding and polishing. The model is placed in a container where silicon rubber is poured around it to make a soft silicon rubber mold that replicates the female cavity of the SLA model. This is then placed in a box, and a mixture of metal particles such as tool steel and a binder material is poured around it, cured, and separated from the silicon rubber mold. This is then fired to eliminate the binder and sinter the green metal particles together. The sintered part which is about 70 % steel and 30 % void is then infiltrated with copper to give a solid hard mold which can be used in injection molding.

Un alt exemplu de scule hard indirecte este producerea mai întâi a unui model principal și se folosește un bloc de linie de despărțire. Un amestec de liant de pudră metalică în formă semilichidă este apoi turnat peste model și bloc de despărțire și este lăsat să se întărească timp de o oră la temperatura camerei. Similar cu SLS de matrițe din ceramică sau metal, modelul este îndepărtat și matrița este coaptă într-un cuptor pentru a îmbunătăți și mai mult proprietățile mecanice și durabilitatea necesare pentru o sculă hard.
Another indirect hard tooling example is to produce a master pattern first and a parting line block is used. A metal powder binder mixture in semiliquid form is then poured over the pattern and parting block and is left to cure for an hour at room temperature. Similar to SLS of ceramic or metal molds, the pattern is removed and the mold is baked in a furnace or oven to further improve mechanical properties and durability required for a hard tool.