Sculele, cum ar fi matrițele sau modelele principale, care permit în general turnări unice sau loturi mici de producție în loturi înainte de fărâmare, sunt clasificate ca scule soft. Aceste scule sunt de obicei realizate din cauciuc siliconic, rășini epoxidice, aliaje cu punct de topire scăzut și nisipuri de turnătorie prin diferite tehnici AM, cum ar fi SL, SLS și FDM. Ele prezintă o acuratețe și finisare a suprafeței ridicate, cu flexibilitatea de a se adapta la modificările de proiectare și de a fi produse din nou în câteva ore până la o zi (în funcție de dimensiunea și modelul piesei) fără a suporta costuri mari de dezvoltare a sculei. Există, de asemenea, puține constrângeri asupra formei și complexității unei piese. Însă, trebuie remarcat că, în general, cu cât este mai mare complexitatea modelului, cu atât procesul de turnare devine mai dificil în timpul turnării și/sau turnării prin injecție.
Tools such as molds or master patterns that generally allow for single casts or for small batch production runs before breaking down are classified as soft tooling. These tools are typically made of silicon rubber, epoxy resins, low melting point alloys, and foundry sands via different AM techniques such as SL, SLS, and FDM. They exhibit high accuracy and surface finish with the flexibility to accommodate design changes and be produced again within a few hours to a day (depending on part size and design) without incurring high tool development costs. There is also little constrain to a part’s shape and complexity. However, it must be noted that in general, the higher the design complexity, the more challenging the molding process gets during casting and/or injection molding.

Scule soft directe

După cum sugerează și numele, sculele soft directe sunt în locul în care scula de turnare este produsă direct prin diferite tehnici AM, fără pași intermediari. Acestea își propun să producă direct o sculă într-un mod optim și eficient, menținând în același timp funcția prevăzută. De exemplu, matrițele de turnare cu nisip pot fi produse direct cu procesul SLS. În timpul procesului SLS, particulele de nisip care sunt fie acoperite cu un liant polimeric, fie amestecate într-o cantitate adecvată de pulbere polimerică sunt legate împreună în forma matriței atunci când se aplică energie laser pentru a topi polimerul și leagă particulele de nisip împreună, strat cu strat (Kruth et al. 2005). Pentru scule soft, aceste forme de nisip de siliciu nu suferă post-procesare pentru îndepărtarea liantului, deoarece formele de turnare cu nisip produse în acest fel sunt menite să fie distruse după o singură turnare și, prin urmare, sunt considerate scule soft directe. Spre deosebire de sculele hard directe, lianții polimerici sunt îndepărtați, iar matrițele sunt supuse ulterior sinterizării în cuptor pentru a crește densitatea pentru a îmbunătăți proprietățile matriței pentru piese turnate, cum ar fi turnarea cu modele fuzibile, menite pentru producerea pieselor de producție finale (mai multe detalii în sculele hard directe). Acuratețea și finisarea suprafeței pieselor turnate metalice produse din astfel de matrițe sunt similare cu cele produse prin metodele convenționale de turnare cu nisip.
As the name suggests, direct soft tooling is where the molding tool is directly produced by different AM techniques without intermediate steps. It aims to directly produce a tool in an optimal and efficient way while still maintaining its intended function. For example, sand casting molds can be produced directly with the SLS process. During the SLS process, the sand particles that are either coated with a polymeric binder or mixed in an appropriate amount of polymer powder are bonded together into the shape of the mold when laser energy is applied to melt the polymer and binds the sand particles together, layer by layer (Kruth et al. 2005). For soft tooling, these silica sand molds do not undergo post-processing for binder removal as sand casting molds produced this way is meant to be destroyed after a single cast and are hence considered direct soft tooling. Unlike in direct hard tooling, polymer binders are removed, and molds undergo further sintering in the furnace to increase density to improve mold properties for castings, such as investment casting, meant for producing final production parts (more details in direct hard tooling). Accuracy and surface finish of metal castings produced from such molds are similar to those produced by conventional sand casting methods.

Matrița din rășină produsă direct prin SL este un alt exemplu de scule soft directe. Astfel de matrițe sunt de obicei utilizate în turnarea prin injecție a componentelor din plastic, iar aceste componente din plastic prezintă niveluri ridicate de acuratețe. Însă, proprietățile mecanice ale matrițelor din rășină sunt limitate, iar șansele de deteriorare a sculei pot apărea în timpul ejectării piesei din plastic, în special a pieselor cu complexitate geometrică ridicată. De asemenea, prin SL se poate produce o matriță compozită directă. În acest caz, învelișurile subțiri de rășină cu geometria de suprafață necesară sunt acoperite cu rășină epoxidice umplută cu pulbere de aluminiu pentru a forma restul sculei matriță. Formele compozite au mai multe avantaje, cum ar fi rezistența mai mare a matriței și o conductivitate termică mai mare în comparație cu o matriță completă din rășină. Rezistența mai mare a matriței permite mai multe injecții, iar o conductivitate termică mai mare promovează timpi de construcție mai rapizi pentru sculele matriță.
Resin mold directly produced by SL is another example of direct soft tooling. Such molds are usually used in the injection molding of plastic components, and these plastic components exhibit high levels of accuracy. However, mechanical properties of resin molds are limited, and chances of tool damage can occur during ejection of the plastic part, especially parts with high geometrical complexity. A direct composite mold can also be produced by SL. In this case, thin shells of resin with the required surface geometry are backed with aluminum powder-filled epoxy resin to form the rest of the mold tooling. Composite molds have several advantages such as higher mold strengths and higher thermal conductivity compared to a full resin mold. Higher mold strengths allow more injection shots, and higher thermal conductivity promotes faster build times for the mold tooling.

Spre deosebire de matrițele de turnare în nisip produse direct prin SLS, care sunt distruse după o singură turnare, matrițele din rășină și compozite pot rezista între 100 și 1.000 de turnări înainte de a se fărâma. Prin urmare, toate cele trei exemple sunt considerate metode de scule soft directe.
Unlike the directly produced sand casting molds by SLS which is destroyed after a single cast, resin and composite molds can withstand between 100 and 1,000 shots before they break down. Therefore, all three examples are considered direct soft tooling methods.

Într-un studiu, matrițele ceramice pentru turnarea cu modele fuzibile au fost produse direct cu un proces de fotopolimerizare care funcționează practic pe același principiu ca și tehnica SL (Halloran et al. 2011). În acest scop, termenul SL va fi menționat doar în acest exemplu. În acest exemplu, particulele de ceramică au fost suspendate într-un mediu de rășină de fotoexpunere și au fost întărite la expunerea la lumină UV (spre deosebire de energia laser pentru ca procesul de polimerizare să aibă loc în SL). Prin urmare, a fost posibilă modelarea unei matrițe ceramice complexe cu miezuri integrale. Forma produsă a fost alcătuită din 60% vol. ceramică și 40% vol. rășină fotopolimeră care funcționează de fapt ca liant. Similar cu SLS de matriță cu nisip de siliciu, matrița produsă a suferit o etapă de prelucrare termică pentru a îndepărta liantul și a format o matriță ceramică crudă. Această matriță crudă a fost apoi sinterizată într-un cuptor convențional pentru a obține o densitate mare a pieselor și a obține o stare pregătită pentru turnătorie, permițând fabricarea și producerea efectivă a pieselor. Similar cu turnarea convențională cu modele fuzibile, matrițele au fost îndepărtate sau (de cele mai multe ori) pierdute după turnare, o caracteristică a sculelor soft.
In a study, ceramic molds for investment casting were directly produced with a photopolymerization process that basically works on the same principle as the SL technique (Halloran et al. 2011). For this purpose, the term SL will only be mentioned in this example. In this example, ceramic particles were suspended in a photocurable resin medium and were cured upon exposure to UV light (as opposed to laser energy for polymerization process to occur in SL). Hence, the shaping of a complex ceramic mold with integral cores was possible. The produced mold was made up of 60 vol% ceramic and 40 vol% photopolymer resin which actually functions as the binder. Similar to the SLS of silica sand mold, the produced mold underwent thermal processing step to remove the binder and formed a green ceramic mold. This green mold was then sintered in a furnace conventionally to obtain high part density and achieve a foundry-ready state, allowing for actual manufacturing and production of parts. Similar to conventional investment casting, the molds were removed or (most of the time) lost after casting, a characteristic of soft tooling.

Formele ceramice produse în acest fel au fost folosite pentru a produce superaliaje echiaxiale și monocristal, Inconel 718, și SC180 piese turnate cu profil aerodinamic pentru aplicații aerospațiale (Direct Digital Manufacturing Laboratory – Georgia Institute of Technology 2010). Acest lucru arată că dezvoltarea tehnologiilor SL în RT poate fi considerată o tehnologie de producție disruptivă, în care profiluri aerodinamice cu un singur cristal pot fi produse rapid fără a suporta costuri mari de pornire în comparație cu procesul convențional de turnare cu modele fuzibile.
Ceramic molds produced this way have been used to produce equiaxed and single-crystal super alloys, Inconel 718, and SC180 airfoil cast parts for aerospace applications (Direct Digital Manufacturing Laboratory – Georgia Institute of Technology 2010). This shows that the development of SL technologies in RT can be considered as a disruptive manufacturing technology where single-crystal airfoils can be produced quickly without incurring high start-up costs compared to conventional investment casting process.

Scule soft indirecte

În sculele soft indirecte, un model principal este mai întâi produs cu diferite procese AM, cum ar fi SL, SLS, fabricarea obiectelor laminate (LOM) FDM și 3DP. Dintre aceste procese, SL este cel mai popular și utilizat pe scară largă datorită nivelului său ridicat de acuratețe și finisajului suprafeței datorită scanărilor laser SL de înaltă rezoluție. Cu un model principal, sculele matriță pot fi apoi construite dintr-o gamă largă de materiale, cum ar fi cauciucul siliconic, rășina epoxidică, aliajele cu punct de topire scăzut și ceramica. În mod similar, aceste matrițe au proprietăți mecanice limitate și pot fi aplicate numai la producția de o singură turnare sau de loturi mici. Cu toate acestea, aceste matrițe rămân avantajoase pentru producția de volum redus și prezintă o bună acuratețe geometrică, finisare a suprafeței și capacitatea de a turna piese complexe.
In indirect soft tooling, a master pattern is first produced with different AM processes such as SL, SLS, laminated object manufacturing (LOM) FDM, and 3DP. Among these processes, SL is the most popular and widely used due to its high level of accuracy and surface finish due to the high-resolution SL laser scans. With a master pattern, the mold tooling can then be built out of a wide range of materials such as silicon rubber, epoxy resin, low melting point alloys and ceramics. Similarly, these molds have limited mechanical properties and can only be applied to single cast or small batch production. Nevertheless, these molds remain advantageous for low volume production and show good geometrical accuracy, surface finish, and ability to cast complex parts.

De exemplu, o sculă soft de turnare prin injecție poate fi creată indirect rapid pentru a modela un număr limitat de piese prin utilizarea unui sistem de pulverizare cu arc metalic pe un model principal. În acest proces, un pistol de pulverizare metal este folosit pentru a pulveriza picături de metal pe modelul principal pentru a produce carcasa metalică. Aceste picături de metal sunt produse atunci când un arc electric este introdus între două fire care apoi le topesc în picături minuscule. Un studiu privind utilizarea metalului cu pulverizare cu arc pentru producerea unei scule, utilizat în turnarea prin injecție a pieselor din plastic, a arătat că această metodă a oferit o economie de timp și costuri de minim 50% (Chua și colab. 1999a). Figura 5 arată în detaliu modul în care o sculă soft de turnare prin injecție (jumătate de matriță) făcută din rășină umplută cu adaos de aluminiu 85% poate fi creată indirect cu un model principal produs prin procese precum SLS sau FDM. Procesul din fig. 5 poate fi repetat pentru a produce cealaltă jumătate de matriță, pentru a completa matrița.
For example, a soft injection molding tool can be indirectly created quickly to mold a limited number of parts by using a metal arc spray system on a master pattern. In this process, a metal spray gun is used to spray metal droplets on the master pattern to produce the metal shell. These metal droplets are produced when an electric arc is introduced between two wires which then melt them into tiny droplets. A study on using arc spray metal for producing a tool used in injection molding of plastic parts showed that this method provided a time and cost saving of minimum 50 % (Chua et al. 1999a). Figure 5 shows in detail how a soft injection molding tool (half mold) made of resin filled with 85 % aluminum filler can be created indirectly with a master pattern produced by processes such as SLS or FDM. The process in Fig. 5 can be repeated to produce the other mold half to complete the mold.

Formele din cauciuc siliconic pot fi produse și indirect cu un model principal și sunt cel mai flexibil și popular proces de scule rapide pentru turnarea în vid, datorită ușurinței de a copia fiecare aspect al modelului principal în matrița cu cavitate din silicon, cu o rezoluție și detalii excepționale. Mai mult decât atât, piesele produse pot fi, de asemenea, îndepărtate cu ușurință din cavitatea matriței (Chua și colab. 1998). Prin urmare, matrițele de silicon rămân populare în RT, deoarece pot fi utilizate la fabricarea pieselor din plastic, metal și ceramică. Figura 6a arată modul în care matrița de silicon este produsă cu suspensie de siliciu și un model principal suspendat într-un recipient. Acest proces este efectuat într-o cameră cu vid pentru a minimiza porii prinși de aer în timpul turnării suspensiei de siliciu. Întregul recipient umplut cu suspensie de siliciu este apoi pus în cuptor la 70^oC timp de 3 ore pentru a se solidifica. După cum se arată în Fig. 6b, după ce matrița de siliciu este solidificată, cavitatea matriței este produsă prin îndepărtarea modelului principal.
Silicon rubber molds can also be produced indirectly with a master pattern and are the most flexible and popular rapid tooling process for vacuum casting, owing to the ease of copying every aspect of the master pattern into the silicon cavity mold with exceptional high resolution and detail. Moreover, parts produced can also be easily removed from the mold cavity (Chua et al. 1998). Hence, silicon molds remain popular in RT as they can be used in the manufacturing of plastic, metal, and ceramic parts. Figure 6a shows how the silicon mold is produced with silicon slurry and a master pattern suspended in a container. This process is carried out in a vacuum chamber to minimize air trapped pores during the pouring of the silicon slurry. The entire container filled with silicon slurry is then based in the oven at 70 C for 3 h to solidify. As shown in Fig. 6b, after the silicon mold is solidified, the mold cavity is produced upon removal of the master pattern.

Procesul de turnare cu modele fuzibile este un alt proces de turnare care este probabil cel mai important proces de turnare pentru turnarea metalului. Similar cu alte scule indirecte soft din RT, un model principal este mai întâi produs din materiale precum hârtie, ceară, spumă sau alte materiale care pot fi ușor topite sau vaporizate sau arse. De asemenea, piese cu geometrie complexă pot fi produse în acest fel. Însă, în scopul ilustrării, un model principal simplu utilizat pentru turnarea cu modele fuzibile este prezentat în Fig. 7. Acest model principal este scufundat într-o suspensie ceramică și uscat pentru a forma o acoperire sau un înveliș ceramic care se conformează formei modelului principal. (Fig. 7a). Acest proces se repetă până când învelișul obține o grosime adecvată și o rezistență suficientă (Fig. 7b). Modelul principal este apoi îndepărtat (topit, ars, sau vaporizat) și atunci se realizează o cavitate ceramică (Fig. 7c). Metalul topit poate fi apoi turnat în matriță pentru a forma obiectul (Fig. 7d). La solidificare, identică cu turnarea convențională cu modele fuzibile, carcasa este crăpată (deci turnare unică) pentru a obține obiectul turnat în matriță.
Investment casting process is another casting process that is probably the most important molding process for the casting of metal. Similar to other indirect soft tooling in RT, a master pattern is first produced from materials such as paper, wax, foam, or other materials that can be easily melted or vaporized or burned out. Also, parts with complex geometry can be produced this way. However, for the purpose of illustration, a simple master pattern used for investment casting is shown in Fig. 7. This master pattern is dipped into a ceramic slurry and dried to form a coating or ceramic shell that conforms to the shape of the master pattern (Fig. 7a). This process is repeated until the shell builds up an appropriate thickness and sufficient strength (Fig. 7b). The master pattern is then removed (melted, burned, or vaporized) and a ceramic cavity is then realized (Fig. 7c). Molten metal can then be poured into the mold to form the object (Fig. 7d). Upon solidification, identical to conventional investment casting, the shell is cracked (hence single cast) to obtain the cast object in the mold.

O varietate de metale, cum ar fi titanul, oțelul, aluminiul, magneziul și zincul pot fi turnate folosind această metodă de scule soft indirecte. Modelul principal produs prin diferite procese AM poate fi editat și produs convenabil pentru modele îmbunătățite de matriță. Modelele principale produse sunt, de asemenea, foarte exacte și repetabile. Acest lucru este valabil mai ales pentru procesul SL când finisarea suprafeței și acuratețea geometrică pot fi de până la 5 μm.
A variety of metals such as titanium, steel, aluminum, magnesium, and zinc can be cast using this method of indirect soft tooling. Master pattern produced by different AM processes can be edited and produced conveniently for improved mold designs. Master patterns produced are also highly accurate and repeatable. This is especially true for SL process when surface finish and geometrical accuracy can be as low as 5 μm.