47. Kuumalaatikko- eli hot-box-menetelmä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Aikaisemmin todettiin, että lämpötilan nostaminen kiihdyttää hartsisideaineen kovettumista. Tätä käytetään hyväksi hot-box-menetelmässä siten, että keernahiekka puhalletaan kuumennettuun 250 300 C:een lämpöiseen metalliseen keernalaatikkoon. Laatikko kuumennetaan joko sähkövastauksien tai kaasuliekin avulla (kuva 454). Hot-box-keernoja voidaan valmistaa myös tavallisella keernapuhalluskoneella tai keernatykillä, jos niiden läheisyyteen asennetaan uuni laatikon kuumennusta varten. Tällöin on koneen puhalluspään alalevy vaihdettava esimerkiksi vedellä jäähdytettävään levyyn (kuva 455), koska muuten keernalaatikon kuumuus kovettaa myös levyssä oleviin puhallusreikiin jääneen hiekan. Kuva 454 Sideaineena käytetään samantyyppisiä hartseja kuin edellisissäkin menetelmissä. Hartsimäärä on tavallisesti noin 2 % ja kovetemäärä noin 25 % hartsin määrästä. Samoilla hartseilla, joita käytetään hot-box-menetelmässä, voidaan saada nopea kovettuminen johtamalla 150 300-asteista ilmaa paineen avulla keernan läpi. Tällöin voidaan käyttää halpoja puisia keernalaatikoita. Hot-box-menetelmä sopii erinomaisesti suursarjatuotantoon. Kuva 456 esittää ns. transfer- eli siirtokonetta, jossa keskellä on puhallusasema ja molemmilla puolilla lämmitys- ja irrotusasemat. Koneella työskennellään kahden laatikon kanssa samanaikaisesti. Hot-box-menetelmässä voidaan keernalaatikko kuumentaa joko sähköllä tai kaasulla. Kuva 455 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 47 51-1
http://www.valuatlas.net - ValuAtlas & Tampereen ammattiopisto - Muotinvalmistustekniikka Kuva 456. Suurikokoinen hot-box-keernatykki 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 47 51-2
48. Kuorikeerna- eli Croning-menetelmä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Keernat valmistetaan samalla periaatteella kuin edellä esitetyt kuorimuotitkin. Menetelmässä kuva hartsisideaineella päällystetty hiekka puhalletaan pientä painetta apuna käyttäen noin 250 C lämpötilaan kuumennettuun metalliseen keernalaatikkoon. Sideaineen sulamisen johdosta muodostuu keernalaatikon pintaan 3 5 mm paksu kuori. Syntynyt kuori kovettuu nopeasti kemiallisen reaktion avulla. Kun kuoren paksuus on riittävä, käännetään keernalaatikko alassuin, jolloin kovettumaton hiekka putoaa takaisin säiliöön. Keernan annetaan paistua tämän jälkeen vielä 0,5 2 min. Keernalaatikkoa voidaan lämmittää joko kaasulla tai sähköllä. Kuva 457. Kuorikeernojen valmistuksen periaate: Kuva 458 A) lähtötilanne B) täyttövaihe C) tyhjennysvaihe Kuoririkeernoja voidaan valmistaa myös ilman keernalaatikon kääntötyhjennysvaihetta, jolloin ontot kohdat saadaan aikaan keernalaatikon osilla, jotka vedetään ulos keernasta ennen sen irrottamista laatikosta. Vastahellityksien vuoksi ei keernojen kaikkia osia tällä menetelmällä aina saada ontoiksi (kuva 458). 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 47 51-3
Kuva 459. Keernalaatikko Kuva 460. Keernalaatikot koneessa Kuva 461. Keernalaatikko aukaistu Kuva 462.Valmis keerna 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 47 51-4
49. Vesilasi- eli Co2- menetelmä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Vesilasimenetelmä on melko vanha menetelmä. Ensimmäinen patentti myönnettiin sille jo vuosisadan vaihteessa. Sideaineena toimiva vesilasi Na 2 Si0 3 * H 2 O on natriumsilikaatin vesiliuos, joka valmistetaan sulattamalla kvartsihiekkaa natriumkarbonaatin eli soodan kanssa. Vesilasi on myrkytön, hajuton ja suhteellisen halpa sideaine. Hiekka ei sekoituksen ja valun aikana kehitä haitallisia kaasuja. Myöskään jätehiekalla ei ole ympäristöä saastuttavaa vaikutusta. Koska vesilasi on melko voimakkaasti alkaalinen aine, on sitä käsiteltäessä kuitenkin käytettävä käsineitä ja suojalaseja. Vesilasin kovettamiseksi on kehitetty useita menetelmiä. Kovettaminen voi tapahtua hiilidioksidilla, esterillä, ferropiillä, kalsiumkarbidilla. tai yksinkertaisesti vain kuivattamalla. Yleisin tapa on kovettaminen hiilidioksidikaasulla, jolloin puhutaan CO 2 - menetelmästä. Kovettumisreaktio on seuraava: Na 2 SiO 3 * H 2 O + CO 2 -> SiO 2 * H 2 O + Na 2 CO 3 Vesi lasi piihappogeeli sooda Riittävän CO 2 - määrän jälkeen muuttuu piihappogeeli kiinteäksi lasimaiseksi H 2 O-pitoiseksi sideaineeksi, joka sitoo tehokkaasti hiekkarakenteet toisiinsa. Suuret vesilasikeernat valmistetaan normaalisti sullomalla. Sarjatuotanossa tavallisin valmistusmenetelmä on keernatykillä ampuminen. Keernatykit ovat rakenteeltaan muuten samanlaisia kuin edellä esitetytkin, mutta niihin on asennettu lisälaiteet nopeaa kaasutusta varten. Laitteisto kaasuttaa keernaa automaattisesti sopivan pituisen ajan. Yksittäistuotannossa CO 2 -kaasu otetaan tavallisesti kaasupullosta paineenalennusventtiilin kautta. Kaasutuspaine on alle 300 kpa. Pullosta voidaan ottaa tunnissa vain 5 10 % kaasua sen kokonaistilavuudesta, nopeammasta otosta on seurauksena kaasun lämpötilan voimakas aleneminen, mikä aiheuttaa paineenalennusventtiilin jäätymisen. Kaasu voidaan ottaa annostelijan kautta, joka antaa aina halutun määrän kaasua keernaa kohti. Kaasutustapoja on monta. Pienissä sarjoissa käsin tehdyt keernat kaasutetaan tavallisesti ns. sondin avulla. Sondi on ohut, pienillä rei illä varustettu putki, joka painetaan keernan sisään ja jonka kautta CO 2 -kaasu johdetaan keernaan. Keernaan voidaan myös painella kaasutusreikiä, ja erityisen kumisen suukappaleen avulla voidaan kaasu johtaa näihin reikiin. 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 47 51-5
Kuva 463. Vesilasikovetteisten hiekkojen kovettaminen: A) yksittäisen sondin avulla B) monihaaraisella sondilla C) peittokantta käyttäen D) tuoreena irrotetut keernat kaasutetaan kuvun alla. Tuoreena irrotetut keernat voidaan asettaa kaasutuskuvun alle, jonne kaasu johdetaan ja josta se pääsee pois ainoastaan keernojen läpi ja kovettaa ne. Oikealla kaasutusajalla on tärkeä vaikutus keernan lujuuteen. Pitkä kaasutusaika lisää keernan alkulujuutta, mutta huonontaa sen lopullista lujuutta. Tästä syystä on väärin ylikaasuttaa keernoja, jotta ne helposti saataisiin laatikosta pois, koska tällaisten keernojen varastointilujuus on huono. Sitä vastoin pienellä kaasutusajalla saavutetaan hyvä varastointilujuus. Jos keernoja ei käytetä välittömästi, voidaankin kaasutus rajoittaa siihen vähimmäismäärään, mikä on tarpeellista riittävän käsittelylujuuden saavuttamiseksi. Lopullinen kovettuminen tapahtuu ilman vaikutuksesta keernan ollessa varastossa. Kaasutusajan lisäksi vaikuttaa keernan lujuuteen myös käytetyn vesilasin moduuli eli suhde. SiO 2 : Na 2 O, joka vaihtelee välillä 2,0 2,7. Vesilasipitoisuus on normaalisti 4 6 % hiekan määrästä. Kuva 464 Kuva 465. Vesilasin moolisuhteen kaasutusajan vaikutus hiekan lujuuden kehitykseen: 1) 2,0 2) 2,5 3) 3,0 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 47 51-6
Myös hiekan puhtaudella on suuri merkitys keernan lujuudelle. Kuva 464 esittää lieteainepitoisuuden vaikutusta vesilasihiekkaan, jonka sideainepitoisuus on 4,5 %. Vesilasikeernat vaativat aina huolellisen peitostuksen. Vesipeitosteita ei voida käyttää, koska ne pyrkivät liuottamaan vesilasisidoksia. Sopivaksi ovat osoittautuneet alkoholipitoiset peitosteet. Koska keernat ovat hygroskooppisia eli kosteutta ympäristöön imeviä, niitä ei saa pitää kauan tuotehiekkamuotissa ennen valua, sillä pinnastaan kostuneet keernat aiheuttavat valuvikoja. Kuva 466 Vesilasikeernojen huono puoli on niiden tyhjennettävyys. Sideaine muodostaa jäähtyessään vahvan lasimaisen sidoksen, ja keerna on tällöin vaikeasti poistettavissa valukappaleesta. Usein joudutaan turvautumaan erityisiin tyhjennättävyysaineisiin. Tyhjennettävyyttä voidaan edistää myös sekoittamalla vesilasihiekan joukkoon pieni määrä furaanihartsia, jolloin saadaan myös keernojen varastoitavuus jonkin verran paranemaan. Kuva 467 Vesilasi-esterimenetelmää on käytetty valimoissa 1960-luvun lopulta alkaen. Esterit ovat hapon ja alkoholin reaktiotuotteita: happo + alkoholi -> esteri + vesi 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 47 51-7
Menetelmässä mainittu reaktio tapahtuu käänteisenä, jolloin esteri sitoo vesilasin veden. Syntyvä happo laskee hiekan ph-arvoa, ja hiekka kovettuu. Samanaikaisesti haihtuu hiekasta vettä. Haihtumisen estyessä huononee hiekan lujuus. Vesilasi-esterihiekan tyhjennettävyys on yleensä parempi kuin vesilasi-co 2 -hiekan, koska esteri orgaanisena aineena toimii myös tyhjennettävyysaineena. Vesilasihiekka voidaan kovettaa myös pelkästään fysikaalisesti eli poistamalla siitä vesi. Kuivaukseen voidaan käyttää normaalia uunia, mikroaaltouunia tai kuumapuhallusta. 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 47 51-8
KERTAUSTEHTÄVIÄ Miksi kuumalaatikkomenetelmässä käytettävän keernatykin puhalluspään alalevyn pitää olla jäähdytettävä? Millä tavoin kuumahartsikeernoja voidaan valmistaa puisiin keernalaatikoihin? Miksi kuorikeernamenetelmässä keernalaatikon lämpötilan pitää olla noin 250 C? Millainen on kuorikeernojen kaasunpoistokyky? Perustele. Miksi CO 2 -hiekkakeernaa kovetettaessa oikean kaasutusajan valinta on tärkeää? Miten CO 2 -menetelmässä käytetyn hiekan puhtaus vaikuttaa keernan lujuuteen? Miksi CO 2 -keernat pitäisi laittaa tuorehiekkamuottiin vasta vähän ennen valua? 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 47 51-9
50. Öljyhiekkakeernat Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Öljyhiekkakeernat kovetetaan paistamalla ne uunissa, mikä aiheuttaa ylimääräisiä käsittelyjä muihin menetelmiin verrattuna ja vie aikaa. Senpä vuoksi hartsihiekkakeernat ovat syrjäyttäneet niitä monessa tapauksessa. Öljyhiekkakeernojen hyvänä puolena voidaan mainita niiden valunjälkeinen pieni jäännöslujuus, eli keerna tyhjenee helposti hyvinkin monimutkaisesta valukappaleen ontelosta. Keernoilla on huonohko mittatarkkuus. Koska öljyhiekkakeernojen lujuus ennen paistamista on olematon, ne muuttavat helposti muotoaan niitä käsiteltäessä. Tämän vuoksi ne vaativatkin erikoisen kuivausalustan. Niinpä valukappaleen ontelossa, jonka aikaansaamiseksi käytetään öljyhiekkakeernaa, pitäisikin olla tasopinta, joka mahdollistaisi keernan paistamisen suoran levyn päällä. Öljyhiekkakeernat kehittävät valussa voimakkaasti kaasuja, joten kaasukanavistot on tehtävä erityisen hyviksi. Sideaineena käytettävä öljy voi olla kasvisöljyä, kuten pellava- tai mäntyöljyä, eläinkunnasta saatavaa öljyä, mineraaliöljyä tai hartsiöljyä. Nykyisin öljyt ovat melkeinpä kaikki paistettavia. Ilmassa kovettuvia eli jäykkäsitojaöljyjä ei enää juuri käytetä niiden hitaan kovettumisen vuoksi. Paistamislämpötila on noin 200 C. Kovettuminen tapahtuu osittain siten, että happea liittyy tyydyttämättömiin rasvahappoihin. Tyydyttämättömyys merkitsee sitä, että molekyyleissä esiintyy kaksoissidoksia, jotka helposti purkautuvat ja aiheuttavat liittymisen johonkin toiseen molekyyliin tai atomiin. Runsaasti tyydyttämättömiä molekyylejä sisältävät yhdisteet, kuten vernissa, tyydyttyvät ilman hapen paistettaessa kovettuminen tapahtuu huomattavasti nopeammin. Keernaöljymolekyylit ketjuuntuvat eli polymeroituvat kuumuudessa ja seos kovettuu. Eräissä öljyissä lujuus kehittyy osittain vasta paiston jälkeisessä jäähdytyksessä. Nämä ovat yhdisteitä, jotka ovat paistolämpötilassa sulia ja jähmettyvät yhteydessä. Öljyhiekkakeernat valmistetaan yleensä keernatykillä. Öljypitoinen hiekka on helposti juoksevaa ja täyttää hyvin keernalaatikon. Keernojen kovettamiseen käytettävät paistouunit ovat tavalliset öljy- tai sähkölämmitteisiä kiertoilmauuneja. Kuivausuunissa poistuu keernoista ensin vesi, ja vasta 100 C:een yläpuolella alkavat öljysideaineet kovettua. Ylikuumennus vahingoittaa keernoja, koska useimmat öljymäiset sideaineet alkavat hajaantua jo 250 C:een lämpötilassa. Sopiva paistolämpötila 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 47 51-10
öljyhiekkakeernoille onkin yleensä 200 C. Pienet öljyhiekkkakeernat kovettuvat 2 3 tunnissa ja isoimmat vaativat 6 8 tuntia. Öljyhiekkakeernat ovat jääneet esim. cold-box- menetelmän käytön yleistyttyä takia jo lähes kokonaan pois käytöstä. 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 47 51-11
51. Keernojen peitostaminen Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Peitostustavan ratkaisevat ensisijaisesti keernojen koko sekä sarjasuuruus. Peitostusta voidaan verrata maalaamiseen. Se voi tapahtua levittämällä siveltimellä ruiskuttamalla valuttamalla tai upottamalla keerna peitosteastiaan. Kuva 468. Sivelypeitostus Kuva 469. Kastopeitostus Kuva 470. Valutuspeitostus Kuva 471. Ruiskustuspeitostus Sively on vanhin ja yksinkertaisin peitostustapa. Sen avulla voidaan välttää keernakantojen tarpeeton peitotus. Menetelmää ei voida automatisoida, ja se vaatii suorittajaltaan ammattitaitoa. Sivelyssä voidaan käyttää peitosteita, joiden kuiva-ainepitoisuus on suuri. Tällöin peitostekerroksesta tulee paksu ja tiivis ja kuivuminen on nopeaa. On huomattavaa, että sivellin hankaa jatkuvasti peitostettavasta pinnasta hiekkaa, joka kerääntyy peitosteastian pohjalle ja muuttaa jonkin verran peitosteen koostumusta. 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 47 51-12
Koska useimmat peitosteet sakkautuvat nopeasti, ts. kiinteä tulenkestävä aines painuu astian pohjalle, on seosta sekoitettava riittävän usein. Peitoste ruiskutetaan yleisemmin paineilmaruiskulla (kuva 471). Ruiskutuspistoolin suukappale on valittava tulenkestävän aineksen raekoon mukaan, jottei synny tukkeumia. Ruiskutuksessa käytetään ohuempia peitosteita kuin muissa peitostusmenetelmissä. Ruiskuttamista käytetään yleensä isoille keernoille. Jos kysymyksessä on poltettava alkoholipeitoste, on työssä edettävä pienehkö alue kerrallaan ja sytytettävä jo peitostettu pinta mahdollisimman pian. Tämä siitä syystä, ettei alkoholi ehtisi imeytyä syvälle hiekkaan ja myöhemmin aiheuttaisi valuvikoja. Peitostus valuttamalla tapahtuu samalla tavalla kuin muotinvalmistuksessakin. Mekanisoidun valutusmenetelmän periaate on selvitetty kuvassa 472. Sekoittimella varustettu kiertopumppu pumppaa peitostetta säiliöstä valutusruiskuun, jonka alla peitostettava keerna on. Peitoste valuu keernan pintaa pitkin alas ja siitä edelleen takaisin peitostesäiliöön. Kuva 472. Mekanisoitu valutusmenetelmä Keernan pinnalla olevan peitosteen tulee olla juoksevaa niin kauan kuin valutus kestää, muuten peitostekerroksesta muodostuu porrasmaisesti alaspäin paksuneva. Keernan asento valutusruiskun alla pitää olla sellainen, ettei peitostetta pääse kaasukanaviin. Kaasukanavat voidaan myös tukkia valutuksen ajaksi. Upotusmenetelmä, jossa keerna upotetaan peitostenesteeseen, on nopein peitostustapa. Menetelmässä peitostuvat yleensä myös keernakannat. Tämä vaikeuttaa kaasujen poistumista keernasta muottihiekkaan, mistä saattaa olla seurauksena valuvikoja. Lisäksi keernakannoissa oleva peitostekerros saattaa vaikeuttaa keernojen yhteenliittämistä. Tämä voidaan välttää upottamalla valmiiksi koottu keernapaketti. Kun keerna nostetaan riittävän hitaasti pois peitosteesta, ei valumajälkiä esiinny. 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 47 51-13
Peitosteen tunkeutumista keernan pintaan helpottaa upotuksessa syntyvä nesteen aiheuttama paine eli hydrostaattinen paine. Taulukossa 8 on esitetty mainittujen peitostusmenetelmien soveltuvuus yksittäis- ja sarjavalmistuksessa erikokoisille keernoille. Peitosteen viskositeetti määräytyy peitostustavan mukaan. Haluttaessa paksua peitostekerrosta on suositeltavaa peitostaa kahteen kertaan. Tällöin ensimmäiseen kerrokseen käytetään ohutta peitostetta, joka tunkeutuu syvemmälle hiekkarakeiden väliin. Välikuivauksen jälkeen levitetään paksumpi peitoste tämän päälle. On muistettava, että kaikki peitosteet eivät sovi kaikille hiekoille. Esimerkiksi vesipeitosteita ei voida käyttää tuorehiekka- eikä vesilasihiekkakeernoihin, koska niiden pinta pehmenee veden vaikutuksesta. Samaa voidaan sanoa myös kuumalaatikkomenetelmillä valmistettavista keernoista. Myös alkoholipeitoste saattaa liuottaa kylmähartsikeernaan sideainetta ja näin aiheuttaa valuvikoja. On muistettava, että kaikki peitosteet eivät sovi kaikille hiekoille. Esimerkiksi vesipeitosteita ei voida käyttää tuorehiekka- eikä vesilasihiekkakeernoihin koska niiden pinta pehmenee veden vaikutuksesta. Samaa voidaan sanoa myös kuumalaatikkomenetelmillä valmistettavista keernoista. Myös alkoholipeitoste saattaa liuottaa kylmähartsikeernaan sideainetta ja näin aiheuttaa valuvikoja. Taulukko 8 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 47 51-14
KERTAUSTEHTÄVIÄ Miksi öljyhiekkakeernojen valmistaminen aiheuttaa ylimääräistä käsittelyä muihin menetelmiin verrattuna? Mitä on varottava, kun keernoja peitostetaan upotusmenetelmällä? Miksi vesipeitostetta ei voida käyttää tuorehiekka- eikä vesilasihiekkakeernoille? Miksi vesilasikeernoja ei voida varastoida pitkiä aikoja? Mitä voidaan sanoa hartsihiekkakeernojen varastoitavuudesta? 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 47 51-15