ValuAtlas Suunnittelijan perusopas Seija Meskanen, Tuula Höök

Transkriptio

1 Valumenetelmät Seija Meskanen, Teknillinen korkeakoulu Tuula Höök, Valimoinstituutti Valumenetelmät jaetaan 1) kertamuottimenetelmiin ja 2) kestomuottimenetelmiin. Nimitykset johtuvat tavasta, jolla muottia käytetään. Eli onko muotti kertakäyttöinen vai useampaan kertaan käytettävä. Kertakäyttöinen muotti rikkoontuu, kun kappale puretaan siitä pois. Kestomuotti säilyy ehjänä ja uudelleen käytettävänä. Sillä voi parhaimmillaan valaa kertaa. Useimmissa valutekniikoissa muotti koostuu vähintään kahdesta muottipuoliskosta. Monimutkaisille kappaleille saatetaan tarvita kolme tai useampiakin muotin osia. Muottipuoliskojen tai muottikerrosten välisiä pintoja kutsutaan jakopinnoiksi. Jakopintojen ei tarvitse olla tasomaisia ja ne voi periaatteessa asettaa mihin tahansa asentoon maan pintaan nähden: pystysuoraan, vaakasuoraan tai kulmaan. Valumenetelmien ja niissä käytettävien koneiden kautta tulee kuitenkin rajoitteita: Kokillivalukoneen rakenne voi esimerkiksi estää avaamasta muottia muuten kuin yhdeltä vaakasuuntaiselta jakopinnalta. Hiekkavalun DISAmenetelmä puolestaan rajoittaa muotin jakopinnan pystysuuntaiseksi, vaikka hiekkavalussa yleensä käytetään vaakasuuntaista jakopintaa. Valukappaleessa kulkee muottiin tulevien jakopintojen kohdalla jakolinja. Mikäli kappaleen muodot eivät tarjoa riittävää hellitystä, ne hellitetään jakolinjalta muotin avautumissuunnissa tai mallin vetosuunnassa. Muotin lisäksi tarvitaan yleensä myös keernoja. Keerna on muottiin liitettävä osa, jolla 1) muotoillaan valettavan kappaleen sisäpuolisia tai ulkopuolisia vastahellityksellisiä 1 muotoja, 2) vahvistetaan muottia sekä 3) kestomuottitekniikassa parannetaan muotin huollettavuutta. Keernat jaetaan erillisiin, kiinteisiin ja liikkuviin. Erillisillä keernoilla tuotetaan kappaleen sisä ja ulkopuolisia vastahellityksellisiä muotoja sekä vahvistetaan muottia. Erillinen keerna asetetaan muottiin keernakantojen varaan. Kantoja tulee olla riittävän monta, jotta keerna ei pyri nousemaan pystyyn, siirry ylöspäin, väänny tai taivu valutapahtuman aikana. Hiekkavalutekniikassa käytetään hiekasta tai keraamiseoksesta valmistettuja erillisiä keernoja. Hiekkatai keraamikeernojen käyttö on mahdollista myös useissa kestomuottitekniikoissa, erityisesti painovoimaista täyttöä ja syöttöä hyödyntävissä menetelmissä. Kestomuottimenetelmissä voi näiden ohella käyttää varauksin myös erillisiä metallista valmistettuja keernoja, jotka poistetaan kappaleesta valun jälkeen ja asennetaan takaisin muottiin. Kiinteitä keernoja käytetään kestomuottivalutekniikassa parantamaan muotin huollettavuutta. Ne asennetaan muottiin siten, että poistaminen onnistuu huoltotoimenpiteiden yhteydessä, mutta ei normaalin käytön aikana. Kiinteä keerna asetetaan kulumiselle alttiiseen muotin kohtaan. Tyypillinen esimerkki on pienihalkaisijaisen reiän muotoava keernatappi. 1 Vastahellitys on kappaleessa oleva muoto, joka ulkonee muottiaineen sisään siten, että kappaletta tai sen valmistustyökalua ei voi irrottaa särkemättä muottia. Vastahellitys voi olla myös kappaleen sisällä oleva syvennys tai reikä, jossa on muottiainetta siten, että kappaletta tai sen valmistustyökalua ei voi poistaa särkemättä sitä. Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 1

2 Liikkuvia keernoja käytetään kestomuottitekniikassa tuottamaan vastahellityksellisiä muotoja. Liikkuva keerna toimii useimmiten muottiin asennettavalla luistimekanismilla, joka voi saada käyttövoimansa valukoneen pneumatiikasta, hydrauliikasta, sähkösistä ulostuloista tai muotin avautumisliikkeestä. Sekä kestomuottiin että kertamuottiin valettavat kappaleet voidaan muotoilla melko vapaasti ja niissä saa valumenetelmän ja valimon konekannan ehdoilla olla vastahellityksellisiä muotoja. Kaikkien muotojen muidenkin kuin vastahellityksellisten muotojen suunnittelussa täytyy kuitenkin huomioida tekniset näkökohdat. Näkökohtia löytyy sekä muotin osien valmistuksesta että valettavan aineen käyttäytymisestä valutapahtuman ja jähmettymisen aikana. Näitä ovat kertamuottimenetelmissä esimerkiksi mallin irrottaminen, mallin rakenne ja valmistus, keernalaatikoiden rakenne ja valmistus sekä muotin rakenne ja kokoonpantavuus. Kestomuottimenetelmissä täytyy kiinnittää huomiota muotin rakenteeseen, toimintaan ja valmistukseen sekä mahdollisuuksiin käyttää liikkuvia keernoja tai hiekasta valmistettuja keernoja. Varauksellisesti voi sanoa, että käsin kaavatuissa hiekkavaluissa muotoilun vapaus on suurimmillaan. Manuaalinen menetelmä mahdollistaa muotille lähes rajattoman suuren monimutkaisuusasteen sillä edellytyksellä, että kaikki yksittäiset muotin osat ovat valmistettavissa. Rotaatiovalussa ja puhallusmuovauksessa muotoilun vapaus on pienimmillään, koska käytännössä kappaleen sisäpuolisiin muotoihin ei pysty vaikuttamaan. Kertamuottimenetelmät Kertamuottimenetelmiä sovelletaan valuraudoille, teräksille, metalliseoksille ja jossain määrin myös lasille. Menetelmissä käytetään hiekasta, kipsistä tai keraamista valmistettuja muotteja. Metalliseoksilla tarkoitetaan muita kuin rautapohjaisia metalleja. Metalliseoksia ovat esimerkiksi alumiini, magnesium, sinkki kupari ja titaanipohjaiset seokset. Yleisimmät kertamuottimenetelmät ovat 1) hiekkamuottivalu, 2) kuorimuottivalu sekä 3) tarkkuusvalu ja sitä vastaavat keraamimenetelmät. Hiekkavalu Hiekkavalu tehdään sideaineella käsitellystä hiekasta valmistettuun muottiin. Muotin jakopinnat asetellaan yleensä mahdollisimman suurelta osin vaaka asentoon. DISA konekaavaus on poikkeus. Siinä muotin jakopinnat ovat pystyasennossa. Muotissa voi käyttää hiekasta tai keraamista valmistettuja irtokeernoja kappaleen vastahellityksellisten muotojen valmistamiseen ja muotin vahvistamiseen. Hiekkamuotti keernoineen valmistetaan useimmiten valumallien ja keernalaatikoiden avulla. Hiekkamuotin valmistusta kutsutaan kaavaamiseksi. Muita mahdollisia valmistusmenetelmiä ovat hiekan työstäminen ja 3D tulostus. Näitä kutsutaan nk. mallittoman valun menetelmiksi. Muotin kaavaus voidaan tehdä käsin tai koneellisesti. Koneellisessa kaavauksessa muotti on yleensä saatava tehtyä kahdesta muottipuoliskosta. Käsin kaavatussa muotissa voi olla kolme tai useampiakin päällekkäin aseteltuja viipaleita. Konekaavausta saa joissain tapauksissa sovellettua monimutkaisille kappaleille lisäämällä keernojen määrää. Keernat valmistetaan käsin tai keernatykillä. Käsin kaavatuille keernoille käytetään yleensä samoja hiekan ja sideaineen järjestelmiä kuin muoteillekin. Keernatykki on tarkoitettu ensisijaisesti kaasukovetteisille sideainejärjestelmille, joilla voidaan valmistaa keernoja moneen erityyppiseen sovelluskohteeseen. Joillain sideainejärjestelmillä voi valmistaa korkeita lämpö Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 2

3 tiloja kestäviä ja lujia keernoja. Toisten järjestelmien etuna voi olla esimerkiksi hyvä irrotettavuus ja valmistuksen nopeus. Muotti ja keernahiekkana käytetään yleensä kvartsihiekkaa. Muita vaihtoehtoja ovat oliviinihiekka, kromiittihiekka (kromioksidin ja rautaoksidin seos) tai zirkonihiekka. Kromiittihiekka valitaan sovelluksiin, joissa on etua hiekan hyvästä lämmönjohtavuudesta. Zirkonihiekkaa käytetään pääasiassa peitosteissa. Hiekkojen tulenkestävyydessä on eroja, mutta periaatteessa kaikki puhtaat hiekat kestävät valettavien materiaalien lämpökuormituksen hyvin. Mikäli hiekka sisältää epäpuhtausaineita, esimerkiksi maaperästä tai kiertohiekasta peräisin olevia eloperäisiä ainesosia, sen tulenkestävyys heikkenee. Kvartsihiekalla on taipumus kasvattaa tilavuutta kuumetessaan, mistä johtuen muotin sisänurkilla ja keernoilla on taipumus halkeilla valun aikana. Hiekkojen tulenkestävyys: kvartsihiekka, C oliviinihiekka, C fayaliittipitoisuudesta riippuen kromiittihiekka, C zirkonihiekka, C Yleisimmät käytössä olevat sideainejärjestelmät ovat: mekaanisesti (sullomalla) kovetettavat järjestelmät käsin ja koneelliseen kaavaamiseen o bentoniitti kemiallisesti kovetettavat orgaaniset järjestelmät käsin kaavaamiseen (no bake, NB) o furaanihartsi + fosforihappo tai sulfonihappo (FNB) o fenoli formaldehydihartsi (resoli) + sulfonihappo (PNB) o emäksinen fenoli formaldehydihartsi (resoli) + esteri (APNB) o fenoli formaldehydihartsi (resoli) ja isosyanaatti + amiini (PUNB, polyuretaaniprosessi) kemiallisesti kovetettavat epäorgaaniset järjestelmät käsin kaavaamiseen o vesilasi + esteri kemiallisesti kaasulla kovetettavat orgaaniset järjestelmät keernatykille (cold box, CB) o fenoli formaldehydihartsi (resoli) + isosyanaatti + amiini (PUCB, polyuretaaniprosessi) o emäksinen fenoli formaldehydihartsi (resoli) + metyyliformiaatti (APCB) o fenoli formaldehydihartsi (resoli) + CO2 o furaanihartsi + SO2 kemiallisesti kovetettavat epäorgaaniset järjestelmät keernatykille o vesilasi + CO2 lämmön avulla kovetettavat järjestelmät kuorimuottien ja kuorikeernojen valmistukseen (Croning) o fenoli formaldehydihartsi (novolakka) + heksametyleenitetramiini, katalysaattorina lämpö Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 3

4 lämmön avulla kovetettavat järjestelmät keernojen valmistukseen (hot box ja warmbox) o urea fenoli formaldehydihartsi (resoli) + ammoniumkloridi tai ammoniumnitraatti, katalysaattorina lämpö o urea formaldehydi furaanihartsi + ammoniumkloridi tai ammoniumnitraatti, katalysaattorina lämpö o furaanihartsi + kuparisuoloja liuotettuna veteen tai alkoholiit, katalysaattorina lämpö Sideainejärjestelmien välillä on eroja esimerkiksi reaktioajan, reaktiossa tai valun aikana muodostuvien haitallisten aineiden, hankintakustannusten, hiekkaseoksen juoksevuuden ja irtoamisominaisuuksien, metallurgisten vaikutusten, ympäristönäkökohtien sekä kaavattujen osien varastoitavuuden ja mekaanisten ominaisuuksien suhteen. Sideainejärjestelmiä ei tästä syystä voi asettaa paremmuusjärjestykseen muuten kuin huomioimalla käyttökohteen vaatimukset. Valumallit ja keernalaatikot voidaan valmistaa koneistamalla 1) vanerista, 2) muusta puulevyaineksesta tai sahatavarasta, 3) puukomposiittilevystä, 4) metallista, 5) polyuretaanilevystä tai muusta muovilevystä (myös EPS 2 ) sekä 5) muovihartsilla päällystetystä metalli, vaneritai EPS aihiosta. Muita tekniikoita ovat esimerkiksi 6) muovin tai vahan täysvalu muottiin, 7) laminointi lasikuitukankaalla ja epoksihartsilla, 8) muovin pintavalu, 9) vahan 3D tulostus sekä 10) EPS muotovalu. Vaha ja EPS mallit ovat kertakäyttöisiä. Muovin valaminen on vielä joitain vuosia sitten ollut yleinen mallinvalmistustekniikka suurille valukappaleiden sarjoille, mutta tekniikka on väistynyt jyrsinkoneiden kehityttyä riittävän nopeiksi. Nykyisin malli voidaan uusia kustannustehokkaasti valmistamalla se jyrsinkoneella levyaihiosta tai muulla tavoin valmistetusta aihiosta. Mallimuotin eli mallinegatiivin valmistus ja uuden mallin valmistus muovivaluna on selvästi työläämpää. Laminointi ja jyrsintä hartsipäällysteisestä aihiosta ovat kuitenkin edelleen käyttökelpoisia menetelmiä suurikokoisille malleille. Mallin kestävyys ja valmistuskustannukset vaihtelevat valmistusmateriaaleista ja mallin rakenteesta riippuen. Vaneri on edullinen mallimateriaali. Vanerimalleilla päästään keskikokoisilla (10 30 dm 3 ) kappaleilla kaavauskertaan 3. Pinnoittaminen ja helposti kuluvien osien valmistaminen vaneria kestävämmästä materiaalista lisää mallin kestoikää. Alumiinista, polyuretaanilevystä tai näiden yhdistelmästä valmistettu malli on kalliimpi kuin vanerinen malli, mutta se voi kestää pienillä valukappaleilla (maksimimitta alle 600 mm) edullisessa tapauksessa jopa 6000 kaavauskertaa. Keskikokoisilla valukappaleilla (maksimimitta välillä mm) vastaava malli kestää noin 3000 kaavauskertaa 4. Valetuilla epoksihartsimalleilla voidaan päästä samaa suuruusluokkaa oleviin sarjoihin. Metallisia malleja suositaan erityisesti konekaavauksessa, vaikka niitä korvaamaan on nykyisin tarjolla myös lujia ja kulumisenkestäviä polymeerimateriaaleja. Metallisten mallien kestoikä kasvaa edellä arvioiduista kaavauskertojen määristä, jos valmistusmateriaaliksi valitaan jokin alumiinia kestävämpi aine. Vaihtoehtoisia materiaaleja ovat valurauta, teräs, 2 Expanded polystyrene, EPS eli styrox. Mallimateriaalina käytetään tavallista rakennus ja pakkaustarvikelaatua tiheämpiä EPS laatuja. 3 SFS EN Valut. Valumallit, mallivarusteet ja keernalaatikot hiekkamuottien ja keernojen valmistamista varten 4 Malcolm Blair, Thomas L. Stevens (toim.), Steel Castings Handbook, 6th Edition, ASM International, USA, 1995 Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 4

5 messinki ja punametalli. Työkaluteräksellä, ruostumattomalla teräksellä ja lujilla valuraudoilla on mahdollista päästä jopa kertaa suurempiin kaavausmääriin alumiinimalleihin verrattuna 5. Alumiinimallin kestoikää voi kasvattaa valmistamalla kuluvat osat kestävämmästä materiaalista. Joissain tapauksissa mallien valmistuksessa käytetään myös tina antimoni lyijy seoksia. Tinan seokset sulavat matalissa, jopa alle 100 C lämpötiloissa. Niiden valaminen muotoon on helppoa, mutta ne eivät kestä hiekan kuluttavaa vaikutusta. Seuraavan sivun taulukkoon (Taulukko 1) on koottu voimassa olevan malleja, keernalaatikoita ja mallivarusteita käsittelevän standardin SFS EN mukaiset, mallien laatuluokat, valmistusmateriaalit, käyttökohteet, arvoitu kestoikä ja pinnan laadulle asetetut vaatimukset. Mallin rakenne vaikuttaa valmistusmateriaalin ohella sen valmistuskustannuksiin. Yksinkertaisimmissa tapauksissa tehdään valinta irtomallin (Kuva 1 Kuva 4) sekä eri tavoilla mallipohjaan kiinnitetyn mallin välillä (Kuva 5 Kuva 9). Irtomalli on käyttökelpoinen vaihtoehto pienille käsin kaavattaville sarjoille, yksittäiskappaleille ja suurikokoisille kappaleille. Muottien valmistus on sen avulla kuitenkin suhteellisen hidasta, koska kanavisto on koottava erillisistä osista tai valmistettava kaivertamalla valmiiseen muottiin. Työ sisältää myös huomattavan paljon asettelua. Irtomalli voidaan valmistaa muotin jakopintojen mukaan jaettuna (Kuva 1) tai jakamattomana. Muotti valmistetaan molemmissa tapauksissa kaksivaiheisesti. Aluksi kaavataan alempi muottipuolisko siten, että irtomallin alapuolisko asetetaan alustan päälle kaavauskehyksen sisään, jonka jälkeen kehys täytetään hiekalla. Mikäli mallin jakopinta ei ole tasomainen, tarvitaan avuksi murtojakopintamalline eli nk. paartilossi (Kuva 2). Jakamatonta irtomallia varten valmistetaan kääntöalusta eli nk. valepohja, johon mallin yläpuolisko upotetaan jakopintaansa myöten. Valmis muottipuolisko käännetään, mutta malli jätetään paikoilleen. Jaetun mallin vastakkainen osa sovitetaan alempaan malliin; jakamattomalla mallilla jatketaan suoraan. Käännetyn muottipuoliskon kehyksen päälle asetetaan uusi kehys. Kehykset kohdistetaan toisiinsa niissä olevilla ohjauselementeillä (kehätupiohjaus) ja päällimmäinen kehys täytetään hiekalla. Kun hiekka on kovettunut tai kovetettu, muottipuoliskot erotetaan toisistaan ja mallit irrotetaan. 5 Eugene C. Muratore, Sorelmetal Technical Services, The use of adi as pattern tooling material, Rio Tinto Iron & Titanium, 2011 Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 5

6 Taulukko 1. Standardin SFS EN mukaiset, mallien laatuluokat, valmistusmateriaalit, käyttökohteet, arvoitu kestoikä ja pinnan laadulle asetetut vaatimukset Laatuluokka Valmistusmateriaali Käyttökohde Arvioitu kestoikä kaavauskertoina Pinnan laadulle asetetut vaatimukset H1 Vaneri, komposiittilevy, kovat tai pehmeät puulaadut. Kuluviin reunoihin suositellaan kovaa puulaatua. Suuret tuotantomäärät, käsinkaavaus ja konekaavaus, suuret laatuvaatimukset suuret mallit (> 30 dm 3 ): alle 200 keskikokoiset mallit (10 30 dm 3 ): pienet mallit (< 10 dm 3 ): Puun syysuunnan tulisi asettua mallin irrotuksen suuntaisesti, ei ristikkäisiä syysuuntia sivupinnoilla. Puinen malli H2 Viilutettu levy tai pehmeä sahatavara. Mallineet tulisi päällystää metallilevyillä. Pienet tuotantomäärät, käsinkaavaus ja konekaavaus suuret mallit (> 30 dm 3 ): 5 20 keskikokoiset mallit (10 30 dm 3 ): pienet mallit (< 10 dm 3 ): Puun syysuunnan tulisi asettua mallin irrotuksen suuntaisesti, poikittainen syysuunta on sallittu, jos hellityskulma on riittävän suuri, ei ristikkäisiä syysuuntia H3 Pehmeä sahatavara tai lastulevy. Mallineet tulisi päällystää metallilevyillä. Yksittäisvalut, käsinkaavaus suuret mallit (> 30 dm 3 ): alle 10 keskikokoiset mallit (10 30 dm 3 ): pienet mallit (< 10 dm 3 ): Ei erityisiä vaatimuksia Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 6

7 Laatuluokka Valmistusmateriaali Käyttökohde Arvioitu kestoikä kaavauskertoina Pinnan laadulle asetetut vaatimukset Metallinen malli M1 M2 Alumiini, valurauta, teräs, kupari sinkki seos (messinki), kupari tina sinkki seos (punametalli). Kuluvien osien on hyvä olla vaihdettavia ja niissä materiaalina jokin kulumisenkestävä metalliseos. Alumiini, valurauta, teräs, kupari sinkki seos (messinki), kupari tina sinkki seos (punametalli). Kuluvien osien on hyvä olla vaihdettavia ja niissä materiaalina jokin kulumisenkestävä metalliseos. Suursarjatuotanto, suuret laatuvaatimukset Suursarjatuotanto Mallin valmistukseen käytettyjen metalliseosten välillä on eroja kulumisen ja korroosionkestävyyden osalta. Edellä tekstissä on arvioitu kestoikää. Standardi ei ota siihen kantaa. Mallin valmistukseen käytettyjen metalliseosten välillä on eroja kulumisen ja korroosionkestävyyden osalta. Edellä tekstissä on arvioitu kestoikää. Standardi ei ota siihen kantaa. Kaikki pinnat työstetään ja hiotaan pinnankarheuteen Ra = 1,6 μm Jako ja ohjauspinnat työstetään, mallin pinnat tasoitetaan ja hiotaan pinnankarheuteen Ra = 12,5 μm Muovinen malli K1 K2 Kaikki sellaiset muovimallien valmistusmenetelmiin soveltuvat muovilaadut, joilla on hyvä mitanpitävyys ja kulumisenkestävyys, esimerkiksi epoksihartsi ja polyuretaanihartsi. Täyteaineet metallisia ja/tai reagoimattomia. Kaikki sellaiset muovimallien valmistusmenetelmiin soveltuvat muovilaadut, joilla on hyvä mitanpitävyys ja kulumisenkestävyys, esimerkiksi epoksihartsi ja polyuretaanihartsi. Täyteaineet metallisia ja/tai reagoimattomia. Konekaavaus, suuret sarjat, erittäin suuret laatuvaatimukset Käsinkaavaus, pienet ja keskisuuret sarjat, suurikokoiset valukappaleet Muovilaatujen ja eri tavoin valmistettujen mallien välillä on eroja kulumisenkeston osalta. Edellä tekstissä on arvioitu kestoikää. Standardi ei ota siihen kantaa. Muovilaatujen ja eri tavoin valmistettujen mallien välillä on eroja kulumisenkeston osalta. Edellä tekstissä on arvioitu kestoikää. Standardi ei ota siihen kantaa. Jakopinnat työstetään tai muodostetaan muovin valuprosessin aikana. Jakopinnat työstetään tai muodostetaan muovin valuprosessin aikana. Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 7

8 Kuva 1. Puusta valmistettu, maalattu irtomalli. Malli on nk. jaettu malli eli se on jaettu jakopinnan kohdalta osiin. Kuvan mallin jakopinta on tasomainen. Alamuotin malli asetetaan kaavausalustan päälle ja ympäröidään kaavauskehyksellä. Kehys täytetään hiekalla. Valmis muottipuolisko käännetään, mutta malli jätetään paikoilleen. Ylämuotin malli asetetaan alamuotin mallin päälle tapeilla ohjattuna (nuoli vasemmassa kuvassa) ja ympäröidään kehyksellä. Ylämuotin kehys ohjataan alamuotin kehykseen ohjauselementtien avulla (nuoli oikeassa kuvassa). Tällä tavoin muottipuoliskot on mahdollista ohjata toisiinsa vielä sen jälkeen, kun mallin puoliskot on poistettu hiekasta. Valukanava rakennetaan irtonaisista osista mallin ympärille ja/tai kaiverretaan käsityövälineiden avulla valmiiksi kaavattuun muottiin. Kuva 2. Vasemmalla: Irtomalli, jossa jakopinta ei ole tasomainen. Ei tasomaista jakopintaa kutsutaan murtojakopinnaksi. Oikealla: Murtojakopintainen irtomalli asetettuna murtojakopintamallineen eli paartilossin päälle. Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 8

9 Kuva 3. Suurikokoinen, pastapinnoitteella käsitelty irtomalli. Mallin koon kasvaessa riittävän suureksi, sitä ei enää ole tarkoituksenmukaista kiinnittää mallipohjaan. Kuva 4. Keskikokoinen, pastapinnoitteella käsitelty irtomalli. Malli on jaettu kolmeen osaan jakopintojen kohdalta. Nuolet osoittavat jakopintojen paikat. Mallin pohjittaminen tehostaa muottien valmistusta ja on ainoa vaihtoehto konekaavauksen tapauksessa. Ylä ja alamuotin mallit voidaan pohjittaa erillisille pohjille tai käyttää kaksipuolista mallia (Kuva 5). Kaksipuolista mallia käytetään tavallisimmin pullakaavauskoneissa. Käsinkaavaukseen ja muille kaavauskoneille valmistetaan yleensä kaksi erillistä pohjitettua mallia. a) b) c) Kuva 5. Malli voidaan valmistaa yksipuolisena erillisille pohjille (a ja b) tai kaksipuolisena yhdelle pohjalle (c). Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 9

10 Pohjitetulla mallilla kaavatun muotin puoliskojen kohdistaminen toisiinsa voidaan hoitaa eri tavoin. Yleisimmät tavat ovat: kehätupit (Kuva 6) muoviset, metalliset, puiset tai hiekasta valmistetut (suoraan muottiin kaavatut) jakopintatupit (Kuva 7) muottiin kaavatut muut muodot, esimerkiksi kehysohjauksen reunukset (Kuva 8) kasettikehysohjaus ja muut konekaavauksessa käytettävät ohjausmenettelyt (Kuva 9) Kaikki luetellut ohjausmenetelmät ovat periaatteessa tarkkoja, mikäli muotin kaavaus ja mallin pohjitus suoritetaan huolellisesti. Kuva 6. Vasemmalla: Mallipohja, jossa reiät kehätupiohjausta varten. Oikealla: Kehätupiohjattu malli kaavauskehysten sisällä. A B Kuva 7. Mallipohjaan kiinnitetty valumalli. Pohjaan on tehty valukanaviston mallit (A) valmiiksi. Kaavatut muottipuoliskot ohjataan toisiinsa jakopintatupeilla, joiden reikien mallit on myös kiinnitetty pohjiin (B). Kappaleen jakopinta on tasomainen. Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 10

11 B A C Kuva 8. Malli kehyksetöntä eli pullakaavausta varten. Kappaleen malli on jaettu jakopinnalta kahteen puoliskoon, jotka on kiinnitetty pohjiin ja kehystetty. Kappaleen mallipuoliskojen lisäksi pohjiin on kiinnitetty valukanavien (A) ja syöttökuvun (B) mallit kahteen osaan jaettuina. Kehystetyt mallit tuottavat valmiit muottipuoliskot, jotka ohjataan toisiinsa niihin kaavattavien reunusten avulla. Reunusten mallit on merkitty kuvaan (C). Muotin jakopinta on pystyasennossa. Kuva 9. Vasemmalla: Mallipaletti, johon pohjitettu malli kiinnitetään. Oikealla: Polyuretaanista valmistettu konekaavausmalli paletille paikoitettuna. Kappaleen mallien lisäksi pohjaan on kiinnitetty valujärjestelmän malli. Muottipuoliskot ohjautuvat toisiinsa kaavauskoneen toiminnoin. Vastahellityksiä sisältävät valukappaleet vaativat mallien lisäksi yhden tai useamman keernalaatikon, joiden rakenne voi olla hyvinkin monimutkainen. Näiden kohdalla on myös valittava sopivat valmistusmateriaalit ja pintakäsittelyt. Käsin kaavattava keernalaatikko täytetään useimmiten keernakannoista (Kuva 10). Elleivät kannat ole riittävän suuret, voidaan keernalaatikkoon tehdä täyttöaukko jonkin keernassa Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 11

12 olevan tasopinnan kohdalle. Koneellisesti eli keernatykillä kaavattaessa täyttökohta on mahdollista valita vapaammin, koska täyttö onnistuu hyvin pienistäkin aukoista (Kuva 11). Kuva 10. Vasemmalla: Käsin täytettävä keernalaatikko ja sen toisessa puoliskossa oleva keerna. Laatikon täyttö tapahtuu keernakantojen kautta. Kohdat on merkitty kuvaan nuolilla. Oikealla: Kaavauskehykseen kaavattu hiekkamuotti, jossa on yksi keernakantojen varassa lepäävä keerna. Kuva 11. Koneellisesti täytettävä keernalaatikko. Kuva 12. Edellisen kuvan laatikolla valmistetut keernat. Koneellinen täyttö mahdollistaa yksityiskohtaiset muodot. Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 12

13 Keernoilla valmistetaan kappaleen sisäpuolisten muotojen (Kuva 10) lisäksi kappaleen ulkopuolisia vastahellityksellisiä muotoja. Keernoja voi käyttää myös helposti rikkoontuvien tai hiekan kiinni palamiselle alttiiden muotin osien vahvistamiseen. Tällöin keernan valmistusmateriaaliksi valitaan jokin muuta muotissa käytettyä hiekkaseosta kestävämpi aine. Hiekkavalun erikoismenetelmät Lost Foam. Lost Foam menetelmä on irtomallikaavausta vastaava hiekkamuottimenetelmä, jossa muotti valmistetaan kaavaamalla hiekan sisään kappaleen muotoinen, EPS valumalli. Valumalli palaa pois, kun sula kaadetaan muottiin. Menetelmä ei yleensä sovellu teräksille tai muille hiilipitoisuuden suhteen aroille valumetalleille, koska EPS on lähes kokonaan hiiltä. Palanut EPS lisää valettavan materiaalin hiilipitoisuutta. Jos menetelmää sovelletaan suursarjatuotantoon, mallit valmistetaan paisuttamalla polystyreenirakeita metallisessa muotissa. Kappale on tällöin muotoiltava siten, että se voidaan poistaa muotin sisältä. Tämä edellyttää, että kappaleessa on selkeä jakopinta ja EPSmuotovalun vaatimat hellitykset. Jos menetelmää sovelletaan prototyyppien valmistukseen tai pienille sarjoille, mallit voidaan työstää EPS levystä. Tässä tapauksessa kappale voidaan muotoilla melko vapaasti niin pitkälle, kuin se on työstettävä ja valettava. Malliton valu. Malliton valu on hiekkamuottimenetelmä, jossa muotti valmistetaan jollain muulla tavoin kuin kaavaamalla. Menetelmiä on kaksi: 1) Muottien työstäminen ja 2) muottien 3D tulostaminen. Työstömenetelmässä valmistetaan aluksi aihio kovetetusta hiekkaseoksesta. Kappaleen muoto työstetään tämän jälkeen aihioon samalla tavoin kuin valmistettaisiin metallista kestomuottia. Kappaletta ei tarvitse hellittää, mutta sen tulee olla muotoiltu siten, että muotti voidaan työstää helposti jakamatta sitä kovin moneen osaan. Menetelmä sopii parhaiten keskikokoisille, seinämänpaksuudeltaan tasavahvoille valukappaleille. Työstetty hiekka ei kestä ohuina seinäminä eikä se toisaalta kestä massiivisen sulamäärän aiheuttamaa rasitusta. Ongelmana on lisäksi suuri hukkaan menevän hiekan määrä. Työstämällä voidaan valmistaa sekä muotteja että keernoja. 3D tulostusmenetelmässä ei tarvita erillistä aihiota. Muotti tulostetaan suoraan muotoonsa 3D tulostimella. Tulostimeen syötetään valmiiksi hartsilla seostettu hiekka, joka kovetetaan kemiallisesti tai lämmön avulla. Muotin pinnasta tulee kohtuullisen kestävä ja sen kautta valukappaleen pinnanlaatu muodostuu paremmaksi kuin työstetyn muotin tapauksessa. Tulostetut muotit sopivat hyvin keskikokoisten yksittäiskappaleiden valmistukseen. Menetelmällä voidaan taloudellisesti valmistaa myös monimutkaisia keernoja. Kuorimuottivalu Kuorimuotti valmistetaan lämmön avulla kovetettavasta, valmiiksi hartsatusta hiekasta. Koska hiekka kovetetaan lämmön avulla, mallin on oltava metallista valmistettu. Malli kiinnitetään kuorimuottikoneeseen, joka annostelee hiekan mallin päälle ja kovettaa sen. Kuorikeernat valmistetaan vastaavalla tavoin metalliseen keernalaatikkoon. Keernalaatikon on useimmiten oltava yhdeltä jakopinnalta avautuva. Monimutkaiset keernat ja muotit voi valmistaa useammasta osasta. Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 13

14 Kuva 13. Kuorimuotin puoliskot. Kuorimuotin valmistuksessa käytetään yleensä metallimallia. Kuorimuottimenetelmällä valmistettujen kappaleiden pinnanlaatu on parempi kuin tavallisella, kehykseen kaavatulla hiekkamuotilla valettujen kappaleiden. Kuva 14. Kuorikeernan valmistuksen periaate. 1) Valmiiksi hartsatun hiekan täyttäminen lämmitettyyn metalliseen keernalaatikkoon. 2) Keernalaatikon kääntäminen. 3) Kovettumattoman hiekan poistaminen. 4) Metallinen keernalaatikko koostuen osista A, B ja C. B on avautuva osa. 5) Kuorikeerna. Kuva: Nerijp (Oma työ) [GFDL ( CC BY SA 3.0 ( sa/3.0)], Wikimedia Commons Keraamiset muotit Tarkkuusvalu ja keraamimuotit valmistetaan joko kipsistä tai kerroksittain valmistetusta ja sintraamalla kovetetusta keraamista. Tarkkuusvalumallin materiaalina käytetään vahaa tai muovia. Mallit ovat kertakäyttöisiä ja ne valmistetaan pursottamalla tai ruiskuvalumenetelmällä. Molemmissa menetelmissä tarvitaan kestomuotti, joka voi olla metallinen tai esimerkiksi silikonista valmistettu. Pienten sarjojen mallit voidaan valmistaa myös 3Dtulostimella. Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 14

15 Keraamisia muotteja käytetään yleisimmin tarkkuusvalu ja Replicast menetelmissä. Keraamisten muottien materiaalikustannukset ovat suuret. Niitä käytetään, jos kappaleelle asetetut tarkkuusvaatimukset ovat suuret tai jos valumetalli ei sovellu muilla muottimateriaaleilla valettavaksi. Keraamimuotti rajoittaa valettavan kappaleen kokoa, mutta antaa toisaalta erittäin suuren muotoilun vapauden. Tarkkuusvalu. Tarkkuusvalu () on suurten sarjojen, mutta toisaalta myös prototyyppivalmistuksen menetelmä. Tarkkuusvalu on taloudellinen vasta suurehkoille, kappaleen sarjoille. Menetelmällä voidaan valaa mitä tahansa metallia. Tarkkuusvalu on suhteellisen helposti automatisoitavissa. Kuva 15. Tarkkuusvalumuotin valmistaminen vahamenetelmällä. Aluksi valetaan yhden kappaleen vahamallit vahamallimuoteissa. Vahamallit kootaan vahasta valmistettujen valukanavien kanssa vahamallipuuksi. Valumallipuuhun muodostetaan keraamikuori kastamalla ja täyteainetta sirottamalla. vaha sulatetaan pois ja keraamikuori sintrataan uunissa. Kuva 16. Kahteen osaan jaettu tarkkuusvalumuotti, jolla valmistetaan turbiinin siipi. Ylinnä kuvassa on esillä suoraan muotista otettu valos. Valoksen alla on kiillotettu siipi ja alimmaisena muottipuoliskot. Kuva: ILA Berlin 2012 PD 238ʺ, Bin im Garten Oma työ. Lisenssi CC BY SA 3.0 via Wikimedia Commons, Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 15

16 Tarkkuusvalukappaleen muotoilua rajoittaa suursarjatuotannossa se, että vahamallit joudutaan valmistamaan hellitetyllä, mieluiten kahteen muottipuoliskoon jakautuvalla muotilla. Monimutkaisen kappaleen malli voidaan tarvittaessa valmistaa useammasta osasta, mutta lopputuotteen tarkkuus ei tällöin ole paras mahdollinen. Metallisessa kestomuotissa voi valmistaa pienikokoisia vastahellitettyjä muotoja liikkuvien keernojen avulla. Prototyyppivalmistuksessa ja piensarjatuotannossa voidaan käyttää Rapid Prototyping koneella tulostettuja vahamalleja. Muotoilua rajoittaa tällöin ainoastaan valutekniikka eli suunnittelijan on huomioitava se, kuinka muotti saadaan täytettyä ja syötettyä tehokkaasti. Kuva 17. Valmis tarkkuusvalumuotti. Kappale on alhaalla vasemmalla valukanavaan kiinnitettynä. Ohuet, ylöspäin suuntautuvat kanavat ovat ilmanpoistoa varten. Replicast. Replicast on patentoitu valumenetelmä, jolla voidaan valaa ohutseinämäisiä, mittatarkkoja ja metallurgisesti hyvälaatuisia kappaleita. Menetelmä muistuttaa sekä tarkkuusvalua (häviävän vahan menetelmä) että täysmuottikaavausta. Jos menetelmää sovelletaan suuriin sarjoihin, tarvitaan metallinen mallimuotti. Replicast menetelmässä käytetään EPS mallia samoin kuin Lost Foam menetelmässä. Paisutus tapahtuu metallisessa muotissa, jonka vuoksi kappaleessa on oltava sopiva jakopinta (tai jakopinnat). Prototyyppivalmistuksen ja hyvin pienten sarjojen styroksimallit voidaan valmistaa esimerkiksi työstämällä. Replicast muotti valmistetaan tuottamalla EPS mallin päälle keraamikuori vastaavasti kuin tarkkuusvalun vahamenetelmässä. EPS malli kastetaan keraamiliemeen, kuorrutetaan keraamijauheella, kuivataan ja sintrataan lämmön avulla. EPS malli palaa ja kaasuuntuu sintraamisen aikana pois. Sintratut keraamikuoret tuetaan kuivalla sideaineettomalla hiekalla. Muotit valetaan ja kappaleet nostellaan kovettumattoman hiekan seasta pois. Menetelmä on kappaleille hellävarainen. Shaw ja Unicast. Tarkkuusvalumenetelmän ja Replicast menetelmän lisäksi on olemassa harvinaisemmat Shaw ja Unicast menetelmät. Kummassakin menetelmässä valu tapahtuu hiekkamuottia muistuttavaan keraamiseen muottiin, jossa on yksi tai useampia jakopintoja. Muotti valmistetaan puisen tai muovisen valumallin avulla keraamiaineeseen. Kappaleiden pinnalaatu ja tarkkuus muodostuvat hiekkavalua paremmiksi. Muotoilussa käytetään samoja periaatteita. Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 16

17 Kuva 18. Shaw menetelmä. 1. Kaavausmassan valmistaminen, 2. Kaavausmassa kaadetaan puusta, metallista tai muovista tehtyyn kehyksillä varustettuun malliin, jossa sen annetaan hyytyä 2 3 minuuttia. 3. Kiinteä keraamimassa irrotetaan mallista. 4. Muotti poltetaan, kunnes haihtuvat aineet ovat poistuneet. 5. Poltettu Shaw muotti sintrataan korkeassa lämpötilassa. 6. Muotinpuoliskot asetetaan paikoilleen ja valetaan. Unicast menetelmä on muilta osin samanlainen, mutta vaiheessa neljä haihtuvat aineet poistetaan kemiallisesti. Kipsimuotit Kipsimuottiin valua voidaan käyttää vain seoksille, joilla on alhainen sulamispiste (Al, Mg, Zn ja Cu pohjaiset seokset), koska kipsimuotit hajoavat yli 1100 C:ssa. Kipsivalulla saadaan kappaleelle hyvä pinnanlaatu. Muotin valmistusmateriaalina on veteen sekoitettu kipsimassa, johon lisätään hienojakoista tulenkestävää täyteainetta (kvartsia tai molokiittia). Lisäksi käytetään kuitumaisia täyteaineita (mm. talkkia ja asbestia) muotin lujuuden lisäämiseksi ja huokoisia täyteaineita tai sekoituksen aikana kaasuuntuvia seoskomponentteja muotin läpäisevyyden parantamiseksi. Muotti kovetetaan kuumentamalla. Kuumentaminen haihduttaa kideveden muottimateriaalista. Antioch menetelmässä riittävä läpäisevyys saadaan kontrolloimalla kipsin rekristallisoitumista autoklaavissa suoritettavalla höyrynpainekäsittelyllä, jossa rakenteeseen syntyy raerajoja myöten kulkevia ilmarakoja. Kipsimuotti valmistetaan kaavauskehyksen sisälle metallista, muovista tai kumista mallia käyttäen. Puu ei toimi mallimateriaalina kovin pitkään, koska se imee kipsiseoksesta vettä. Menetelmässä voidaan käyttää kuorikeernoja tai kipsistä valmistettuja keernoja. Kappaleen muotoiluperiaatteet ovat samat kuin hiekkavalukappaleilla. Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 17

18 Kestomuottimenetelmät Kestomuottimenetelmiä sovelletaan metalliseoksille, polymeerimateriaaleille ja lasille. Jos valettava aine on jokin metalliseos, kestomuotin valmistusmateriaaliksi valikoidaan valurauta, kupariseos tai työkaluteräs. Lasille ja polymeerimateriaaleille käytetään yleisimmin työkaluteräksestä valmistettua muottia. Toisinaan lyhyille sarjoille käytetään myös silikonista, alumiinista, keraamista tai grafiitista tehtyjä kestomuotteja. Keraami ja grafiittimuotit soveltuvat kaikenlaisten materiaalien myös rautametallien kestomuottivaluun. Alumiinija silikonimuotit soveltuvat lähinnä polymeerien valamiseen. Kestomuottiin valettu kappale poistetaan avatusta muotista. Muotissa on oltava vähintään yksi jakopinta, jota pitkin muotti avataan ja kappaleen muotojen on mahdollistettava avaaminen. Yleisimmät metalliseoksille sovellettavat kestomuottimenetelmät ovat kokillivalu, matalapainevalu, painevalu ja rotaatiovalu. Polymeerimateriaaleille sovellettavia valu ja muovausmenetelmiä on lukuisa määrä. Niistä yleisimmät ovat ruiskuvalu, rotaatiovalu, puhallusmuovaus ja reaktiovalu. Lasin sarjatuotannossa sovelletaan yleisimmin muottiin puhallusta. Useissa kestomuottimenetelmissä valukone ja sen tarjoamat mahdollisuudet rajoittavat kappaleen muotoilua merkittävästi. Jos muotti kiinnitetään valukoneeseen, siihen voi joitain poikkeuksia lukuun ottamatta valmistaa vain muottipöytien mahdollistaman määrän jakopintoja. Jos muotti avataan käsin, jakopintoja voi olla niin monta kuin halutaan. Suuri osa kestomuottimenetelmistä sallii yleensä vain yhden jakopinnan, koska valukoneessa ei ole enempää kuin kaksi muottipöytää. Tällaisia menetelmiä ovat esimerkiksi metalliseosten painevalu, polymeerien ruiskuvalu, lasin muottiin puhallus ja puhallusmuovaus. Osa valumenetelmistä sallii tietyin rajoituksin useampia jakopintoja. Metalliseosten kokilli tai matalapainevalu ovat esimerkiksi menetelmiä, joihin on tarjolla useilla muottipöydillä varustettuja valukoneita. Polymeerien rotaatiovalussa muotti voi olla käsin avattava. Kestomuottimenetelmillä valmistettaviin tuotteisiin voi suunnitella vastahellityksellisiä muotoja. Niitä varten muottiin on asetettava irtopala tai liikkuva keerna. Toisaalta metalliseosten kokilli ja matalapainevalussa on mahdollista käyttää myös hiekasta valmistettuja keernoja. Puhallusmuovaus ja rotaatiovalu ovat menetelmiä, joilla on tarkoitus tuottaa tasavahvoja kappaleita. Kappaleen sisäpuoliset muodot ovat periaatteessa vastahellityksellisiä, mutta niitä ei ymmärretä sellaisina. Sisäpuolisia muotoja ei valmisteta muotilla tai keernalla. Ne tuotetaan paineilman tai keskipakoilmiön avulla. Kestomuottiin valetuista metallikappaleista tulee mittatarkempia kuin hiekkamuottimenetelmissä. Metallimuottia käytettäessä sula jähmettyy nopeasti ja tämän ansiosta kappaleisiin saadaan hienojakoinen mikrorakenne sekä kertamuottivaluun verrattuna paremmat mekaaniset ominaisuudet. Valurauta ja teräs eivät kuitenkaan yleensä muodosta suotuisaa mikrorakennetta, jos ne jähmettyvät liian nopeasti. Kestomuotin käyttöaika riippuu valumateriaalista ja menetelmästä. Valulämpötilan kohotessa muotin käyttöaika lyhenee. Myös muotin raaka aine, huolto ja korjaus sekä valukappaleen muoto vaikuttavat muotilla saatavien valukertojen lukumäärään. Painevalumuotin kestoikä on arviolta valukertaa. Ruiskuvalumuotin kestoikä on samaa suuruusluokkaa. Osa polymeerimateriaaleista sisältää muottia hiovia tai syövyttäviä ainesosia, jolloin sen kestoikä lyhenee. Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 18

19 Painevalu ja ruiskuvalu Metalliseosten painevalu ja polymeerien ruiskuvalu ovat molemmat luonteeltaan suurten sarjojen menetelmiä. Valulaitteisto on tarkoitettu toimimaan automaattisesti siten, että yksi työntekijä valvoo muutamaa valukonetta. Paine ja ruiskuvalumuotit suunnitellaan osaksi laitteistoa ja kappale muotoillaan siten, että automaatio toimii mahdollisimman häiriöttömästi. Vaikka menetelmät luokitellaan suurten sarjojen menetelmiksi, polymeerituotteiden valmistukseen ei välttämättä löydy vaihtoehtoista menetelmää. Tuotteet täytyy eräkoosta riippumatta valmistaa ruiskuvalumenetelmällä. On myös tuotteita, joiden muotoilu vaatii käyttämään joko ruisku tai painevalua. Näissä tapauksissa tuotteen hinnoittelu on tehtävä suhteellisen suuret muottikustannukset, muut työkalukustannukset ja laitteistosta johtuvat kustannukset huomioiden. Paine ja ruiskuvalumenetelmät muistuttavat toisiaan siinä, että muotti täytetään suurella nopeudella ja paineella. Suuri täyttönopeus on polymeerien valamisessa olennaisempaa kuin metallien valamisessa, koska lähes kaikki kestomuoveihin luokiteltavat polymeerit ovat pseudoplastisia nesteitä. Niiden viskositeetti on pienillä, ilman ulkoista voimaa saavutettavilla leikkausnopeuksilla niin suuri, ettei muotti välttämättä täyty lainkaan. Kokillivalun kaltaiset painovoimaiset menetelmät ovat tästä syystä polymeerien tapauksessa hyvin vähän käytettyjä. Ruiskuvalu on eräs yleisimmistä polymeerituotteiden valmistusmenetelmistä. Menetelmällä valmistetaan hyvin laaja kirjo erilaisia tuotteita pullonkorkeista lasten leikkikaluihin ja matkapuhelinten kuorista auton osiin. Ruiskuvalukone koostuu plastisointiyksiköstä (Kuva 19), raaka aineen annosteluyksiköstä, suuttimesta, muottipöydistä sulkumekanismeineen, ulostyöntöyksiköstä, keernanvetoyksiköstä ja ohjausyksiköstä. Plastisointiyksikön tehtävänä on saattaa granuulin, pelletin tai esimerkiksi jauheen muodossa oleva polymeeriraaka aine juoksevaan muotoon. Plastisoitu muoviraaka aine täytetään suuttimen kautta muottiin, jossa se jäähdytetään ja jähmetetään muotoonsa. Valukoneen muottipöytiin kiinnitetty muotti avataan ja valmis kappale poistetaan aktivoimalla valukoneen ulostyöntöyksikkö. Jokainen vaihe ohjataan valukoneen ohjausyksikön kautta. Valukoneen keernanvetoyksikköä tarvitaan muottiin liitetyn, pneumaattisesti tai esimerkiksi sähköisesti toimivan keernanvetolaitteen ohjaukseen ja voimanlähteeksi. Keernanvetolaitetta käytetään liikkuvien keernojen siirtämiseen siinä tapauksessa, että mekaanisesti muotin avautumisliikkeellä toimiva keernanvetojärjestelmä ei sovellu kappaleen muotoihin. Painevalukoneessa on muottipöydät sulkumekanismeineen, ulostyöntöyksikkö, keernanvetoyksikkö ja ohjausyksikkö samoin kuin ruiskuvalukoneessa. Yksiköiden tehtävät ovat myös samat. Plastisointiyksikköä vastaavaa kokonaisuutta painevalukoneessa ei sen sijaan ole, koska metallinen raaka aine annostellaan valukoneelle valmiiksi sulatettuna. Koneessa on valuyksikkö, jonka tehtävänä on täyttää muotti valumännän avulla nk. valukammion läpi. Sulan annostelumenetelmiä on kaksi: kuumakammiomenetelmä ja kylmäkammiomenetelmä. Kuumakammiokoneen valukammio on uunissa sulaan metalliin upotettuna (Kuva 22). Kylmäkammiokoneen valukammio on vaakasuorassa muottiin yhdistyneenä (Kuva 21). Valukammio on sylinterimäinen tila, josta valumäntä työntää sulan muottiin. Männän liike on kolmivaiheinen (Kuva 20). Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 19

20 Kuva 19. Ruiskuvalukoneen plastisointiyksikön toimintaperiaate. Polymeeriraaka aine annostellaan ruiskuvalukoneen lämmitettyyn sylinteriin, jossa se saatetaan juoksevaan muotoon lämmön ja ruuvin pyörimisliikkeen tuottaman kitkan avulla. Kun raaka aineannos on valmis, ruuvia liikutetaan taaksepäin, jotta se pääsee virtaamaan sylinterin ja muotin välissä olevalle suuttimelle. Suutin avataan ja raaka aine täytetään muottiin ruuvin eteenpäin suuntautuvalla liikkeellä. 1) Kahteen suuntaan liikkuva, pyörivä ruuvi. 2) Raaka ainesuppilo. 3) Polymeeriraaka aine. 4) Sylinteri. 5) Lämmittimet. 6) Muotti. Lähde: Cdang, Brendan Rockey, University of Alberta Industrial Design CC BY SA 3.0 ( sa/3.0)], Wikimedia Commons. Kuva 20. Painevalukoneen kolmivaiheinen valuisku. Ensimmäisen vaiheen aikana valukone täyttää muotin valuportille saakka. Valukoneen mäntä liikkuu hitaasti siten, että sula liikkuu kanavistossa ja valukammion sisällä mahdollisimman rauhallisesti. Toisessa vaiheessa muotti täytetään sekunnin murto osassa. Kolmannessa eli tiivistysvaiheessa muotissa olevaa sulaa painetaan niin kauan, että se on jähmettynyt. Vaihe vastaa muille valumenetelmille tyypillistä metallin syöttämistä. Merkille pantavaa on, että kappale täytetään ja syötetään samasta suunnasta. Kappaleen jähmettyminen kestää kappalekoosta riippuen sekunnista muutamiin sekunteihin. Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 20

21 Kuva 21. Kylmäkammiopainevalun periaate. Kylmäkammiopainevalukoneen mäntä on vaakaasennossa ulottaen liikkeensä muotin sisälle. Valettava metalliannos täytetään valukammioon kauhomalla tai annostelemalla suoraan uunista. Kauhonta siirtää sulan pinnalla olevaa hapettunutta ainesosaa muottiin. Kuva 22. Kuumakammiopainevalun periaate. Valumäntä sijaitsee pystyasennossa kuumanapitouunin sisällä. Kuumakammiopainevalukoneen valukammiota kutsutaan hanhenkaulaksi. Valukammio on jatkuvasti täynnä sulaa. Annostelu tapahtuu sulan hapettuneen pintakerroksen alapuolelta, jolloin kappaleisiin päätyy hapettunutta metallia vähemmän kuin kylmäkammiomenetelmässä. Ruisku ja painevalumuotit toimivat valukoneen kanssa yhteistyössä siten, että niissä on kaikki tarvittavat osat ja mekanismit raaka aineen täyttämistä ja jäähdyttämistä sekä kappaleen poistoa varten. Ruisku tai painevalettu tuote voi olla ohutseinämäinen, koska muotti täytetään koneen tuottaman voiman avulla. Useissa muissa valumenetelmissä muotti täytetään painovoimaisesti, jolloin raaka aineen virtausnopeuteen ei pysty vaikuttamaan. Kaasunpoisto ja raaka aineen virtaus muotin sisällä täytyy suunnitella jo kappaleeseen huolellisesti, koska valutapahtuma on hyvin nopea. Tärkeää on myös huomata, että kappale syötetään ja täytetään samasta suunnasta. Painevalua käytetään pienehköjen (tavallisesti 0,1 5 kg, korkeintaan 45 kg) ohutseinämäisten kappaleiden valmistuksessa ei rautametalleilla, lähinnä alumiini, magnesium ja sinkkiseoksilla sekä messingeillä. Kappaleiden minimiseinämänpaksuudet ovat 0,5 1,5 mm riippuen seinämän pinta alasta sekä sijainnista suhteessa valuporttiin, ilmanpoistokanaviin ja muihin kappaleen yksityiskohtiin. Ruiskuvalumenetelmällä voidaan valaa lähes kaikkia kaupallisia kestomuovilaatuja. Käytännössä minimiseinämänpaksuutta ei ole. Menetelmällä voi valaa 1/10 mm luokkaa olevia Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 21

22 seinämiä, mutta näin ohuet yksityiskohdat eivät ole käyttökelpoisia muualla kuin kalvosaranan tyyppisissä rakenteissa. Seinämänpaksuuden on yleensä oltava tasainen. Paksuja seinämiä voi valaa erikoistekniikoilla, esimerkiksi kaasuavusteisen ruiskuvalun menetelmällä. Muita erikoistekniikoita ovat esimerkiksi muotissa pinnoittaminen ja kaksikomponenttiruiskuvalu. Ruiskuvalumuotti voidaan varustaa kuumakanavistolla (Kuva 23) tai kylmäkanavistolla (Kuva 24). Raaka aine pidetään kuumakanavistossa juoksevassa tilassa, jolloin kanavisto voidaan asettaa muottimateriaalin sisään muottipesän taakse. Kylmäkanavisto jähmettyy ja poistetaan muotista yhdessä kappaleen kanssa. Kylmäkanavien on tästä syystä sijaittava muotin jakotasolla. Kuumakanavamuotissa voi olla suuri määrä muottipesiä, jolloin yhdellä valukierrolla pystyy valmistamaan useita, jopa useita kymmeniä kappaleita kerralla. Käytännön raja tulee vastaan ruiskuvalukoneen muottipöytien koon, sulkuvoiman ja raaka aineen annoskoon kautta. Kylmäkanavamuotilla ei yleensä voi valmistaa enempää kuin 1 4 tuotetta kerrallaan. Useita kylmäkanavalla täytettäviä pesiä on hankala saada tasapainotettua siten, että jokainen täyttyy yhtä aikaa ja samalla tavoin. Painevalumuotti vastaa rakenteeltaan ruiskuvalun kylmäkanavamuottia sillä erotuksella, että muottipesien on sijaittava sisäänvalukohdan yläpuolella. Kanavisto suunnitellaan myös eri periaattein. Sula metalli on nopealiikkeistä ja käyttäytyy Newtoniaanisen nesteen tavoin. Paine ja ruiskuvaluvalumenetelmillä saavutetaan muihin kestomuottimenetelmiin verrattuna erinomainen mittatarkkuus. Reiät, kierteet, kapeat raot, merkinnät jne. voi valaa valmiiksi, jolloin säästetään työstökustannuksissa. Liitosvalun hyödyntäminen on mahdollista. Muotti on suhteellisen kallis, joten sarjakoon on oltava yleensä vähintään kappaletta. Kuva 23. Ruiskuvalumuotin kuumakanavajärjestelmän periaatekuva. Muottipuoliskoa, johon kuumakanavajärjestelmä sisältyy, kutsutaan kuumapuoliskoksi. Toista puoliskoa kutsutaan keernapuoliskoksi tai liikkuvaksi muottipuoliskoksi. Lähde: Keyarts kohteessa en.wikipedia CC BY SA 3.0 ( sa/3.0), Wikimedia Commons. Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 22

23 Kuva 24. Ruiskuvalukappaleita valukkeineen. Kappaleet on valettu kylmäkanavamuotilla. Kylmäkanava koostuu muotin suuttimessa muotoutuvasta osasta, jakokanavasta ja valuporteista. Lähde: Blue tooth7 (Oma työ) CC BY SA 3.0 ( sa/3.0), Wikimedia Commons. Kuva 25. Painevalukappale valukkeineen. Tabletti on valukammion päässä, männän edessä muotoutuva valukanaviston osa. Valukanava johtaa sulan valuportille. Kanava päättyy valuiskua vaimentavaan osaan. Vaimennus tarvitaan, koska sulan liikenopeus muuttuu valuportilla hyvin lyhyessä, sekunnin murto osan luokkaa olevassa ajassa. Ylijuoksuihin ajetaan sularintaman edessä kulkeva hapettunut ainesosa. Muottipesässä oleva ilma poistuu ylijuoksuihin liitettyjen ilmanpoistokanavien kautta ulos muotista. Kokillivalu Kokillivalun yleisyys perustuu suhteellisin yksinkertaisiin ja edullisiin laitteisiin. Kannattavan sarjan alaraja on kappaletta. Kevytmetallivalussa muotit voivat kestää jopa valua. Kappalekoko on yleensä alle 100 kg (messinkivalussa tavallisesti 0,02 10 kg ja kevytmetallivalussa 0,10 20 kg), vaikka suurempiakin kappaleita voidaan valaa. Seinämänpaksuudet ovat 1,5 2,0 mm ylöspäin. Kokillivalua voidaan tehdä manuaalisesti täyttämällä muotit käsin siten, että muotti on kiinnitetty rakenteeltaan yksinkertaiseen, hydraulisesti toimivaan aukaisulaitteeseen. Menetelmä on kuitenkin automatisoitavissa suurille sarjoille joko robotilla tai automaattisella kokillivalukoneella. Kokillivalukoneissa on vaihtelevasti saatavilla toimintoja keernojen liikuttamiseen tai ulostyöntöön. Kuva 26. Kokillivalumuotti kiinnitettynä muotinaukaisulaitteeseen. Muotti on avattu. Keskellä näkyy valmis, muotista poistettavissa oleva kappale. Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 23

24 Kokillivalumenetelmä tuottaa nopean jähmettymisen ja jäähtymisen kautta hienojakoisen ja tiiviin mikrorakenteen valukappaleeseen ja sitä kautta hyvät mekaaniset ominaisuudet. Nopea jähmettyminen voi kuitenkin joissain tapauksissa olla haitallista. Menetelmä on täysin painovoimainen, jolloin muotti on saatava täytettyä riittävän nopeasti ilman ulkoista painetta tai muuta voimanlähdettä. Ohutseinämäisiä kappaleita ei tästä syystä aina voi valaa kokillivaluna. Vaihtoehtoisia menetelmiä ovat matalapainevalu ja painevalu. Kuva 27. Kokillivaluna voidaan tuottaa tiiviitä valuja, joissa on hyvä pinnanlaatu. Kuvassa on koneistettu alumiinivalu. ʺRadtraeger Alu Kokilleʺ, Georg Fischer Automotive AG. CC BY SA 3.0 de, Wikimedia Commons, Kokillivalua käytetään tavallisesti alumiini, sinkki ja kupariseoksille. Muotti avataan jakotasolta, kuten kaikki muutkin kestomuotit. Kappale täytyy muotoilla siten, että se saadaan irrotettua muotista. Kappaleessa tulee olla riittävät hellitykset, järkevästi asetettu jakotaso ja sopivat paikat valukanavistolle syöttökupuineen. Vastahellitykset muotoillaan liikkuvilla keernoilla, hiekkakeernoilla tai muottiin asetettavilla irtopaloilla. Hiekkakeernoja käytetään erityisesti kappaleen sisäpuolisten muotojen tuottamiseen. Jos kokillivalumuotti valetaan ja pääasiassa myös avataan käsin, siihen voi vapaasti suunnitella useamman kuin yhden jakopinnan. Jakopinnat voivat olla pysty tai vaakasuorassa. Kokillivalukoneissa ei kuitenkaan aina ole mahdollisuutta käyttää useampaa kuin yhtä jakopintaa. Suuria, koneilla tuotettavia sarjoja varten täytyy ottaa selville koneiden mahdollisuudet ennen kuin suunnittelee kappaleen lopulliseen muotoonsa. Polymeerituotteita voi rajallisesti valmistaa kokillivalua muistuttavalla menetelmällä. Muotin ei välttämättä tarvitse olla metallinen. Silikonista tai esimerkiksi polyuretaanista valmistettu muotti sopii tarkoitukseen useimmissa tapauksissa yhtä hyvin. Polymeerivaluna valmistetaan esimerkiksi pienoismalleja ja valumallien osia. Valettavaksi soveltuvia polymeereja löytyy sekä kerta että kestomuovien ryhmästä. Valu onnistuu parhaiten siten, että polymeraatioreaktion annetaan tapahtua muotin sisällä. 6 6 Charles A. Harper, Edward M. Petrie, Plastics Materials and Processes: A Concise Encyclopedia, John Wiley & Sons, USA, 2003 Muokattu (Tuula Höök) Valumenetelmät 24