Keraamimuotit Seija Meskanen, Teknillinen korkeakoulu Tuula Höök, Tampereen teknillinen yliopisto Keraamimuottimenetelmiin kuuluvat vahamenetelmä (jota tässä kutsutaan nimellä tarkkuusvalu), Replicast-, Shaw- ja Unicast-menetelmät sekä kipsivalu. Keraamisten muottien materiaalikustannukset ovat suuret ja tämän vuoksi niitä käytetään jos kappaleelle on asetettu tiukkoja tarkkuus- ja pinnanlaatuvaatimuksia jos kappale valmistetaan jostain erikoisesta, muihin menetelmiin soveltumattomasta materiaalista. Kaikissa keraamimuottimenetelmissä käytetään muotin valmistamiseen samantyyppisiä raakaaineita. Eroja löytyy lähinnä aineiden raesuuruuksissa ja käyttömäärissä. Tarkkuusvalussa (=vahamenetelmässä) ja Replicast-menetelmässä käytetään kertamalleja kun taas Shaw- ja Unicast- sekä kipsimenetelmissä käytetään kestomallia. Kestomallin etuna kertamalleihin verrattuna on pienempi taipumus vahingoittua käsittelyssä. Keraamisiin muotteihin voidaan valaa kaikkia metallimateriaaleja. Replicast-, Shaw- ja Unicastmenetelmillä voidaan valaa suurempia kappaleita kuin tarkkuusvalulla. Shaw- ja Unicastmenetelmien suurin ero tarkkuusvaluun ja Replicast-menetelmään verrattuna on, että keraamimuotti on kaksiosainen. Valmiissa Shaw- tai Unicast valussa on jakotason kohta, joka täytyy tasoittaa ja viimeistellä. Tarkkuusvalumuotti ja Replicast muotti ovat jakotasottomia. Se, mikä menetelmistä valitaan, riippuu lähinnä valukappaleen koosta, sarjasuuruudesta ja kaavauskustannuksista. Lisäksi on otettava huomioon, että Replicast-menetelmää voidaan käyttää vain lisenssillä. Shaw- ja Unicast-menetelmien haittana on, että niissä kuluu suuria määriä keraamista muottiainetta. Kustannukset ovat korkeat ja valimon sisäiseen kierrätykseen kelpaamatonta keraamijätettä syntyy suuria määriä. Keraamijätettä ei voi käyttää suoraan uusien muottien valmistukseen. Menetelmiä on kehitetty siten, että mallin päälle muodostetaan vain ohut kerros keraamisella materiaalilla ja loppuosa muotista täytetään halvemmalla materiaalilla. Tämä tukimateriaalina käytettävä aine on kierrätettävää. Shaw- ja Unicast-menetelmät ovat perusteltuja, jos kappale on tarkkuusvalumenetelmälle liian suuri. Menetelmissä käytetään puista tai muovista mallia. Malli on edullisempi ja sen toimitusaika on lyhyempi kuin esimerkiksi tarkkuusvalun vahan ruiskuvalumuotilla. Tarkkuusvalu Tarkkuusvalu sopii kaikille valumetalleille. Menetelmää sovelletaan erityisesti, jos valmistettavaan komponenttiin on valittu jokin hankalasti tai epätaloudellisesti työstettävä materiaali. Tarkkuusvalumenetelmää voidaan soveltaa myös, jos kappale on muotoiltu siten, että työstäminen aiheuttaa suuren materiaalihukan, on hankalaa tai epätaloudellista. Tarkkuusvalettu komponentti on useimmiten sellaisenaan käyttökelpoinen. Esimerkkejä perinteisistä tarkkuusvaletuista teknisistä komponenteista ovat aseiden ja lentokoneiden osat. Tärkeimpiä valumetalleja ovat erilaiset seostetut teräkset. Menetelmällä saavutetaan hyvä mittatarkkuus ja pinnanlaatu. Sopivin kappalepaino on 2 g 10 kg - tavallisimmin paino jää alle 0,5 kg. Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-1
Minimiseinämänpaksuudet ovat 1,2-1,5 mm - jopa alle 1 mm. Kannattavat pienimmät sarjasuuruudet voivat olla jopa muutamia kymmeniä kappaleita, mutta yleensä 500-1500 kappaletta. Kuva 1. Eri valumenetelmillä saavutettavia Raarvoja (µm). Tarkkuusvalun etuja muihin menetelmiin verrattuna: Valukappaleen muotoilun vapaus on erinomainen; muotoilussa täytyy huomioida vahamallin valmistus, mutta malli voidaan tarvittaessa valmistaa useammasta osasta Useimmiten tullaan toimeen ilman keernoja ja niiden valmstuksessa tarvittavia työkaluja Tarkkuusvalettavien kappaleiden taloudellinen toleranssiaste on standardin ISO 8062 mukaan CT 4-6 Pinnan sileys Ra 1,6-6,3 Sopii kaikille valumetalleille Muotissa ei ole jakotasoa, jolloin puhdistuskustannukset pienenevät Seinämän minimipaksuus on 1,2-1,5mm; jopa alle 1mm seinämät voidaan valaa Raaka-aineissa ja työajoissa voidaan saada suuria säästöjä verrattuna kappaleen valmistamiseen kokonaan työstämällä tai jollain muulla valumenetelmällä ja sen jälkeen työstämällä. Tarkkuusvalun rajoituksiin kuuluvat: Sopii vain pienille kappaleille Ei ole kilpailukykyinen kovin yksinkertaisille kappaleille Alle 500-1000 kappaleen sarjat eivät yleensä ole taloudellisia Tarkkuusvalumuotti voidaan valmistaa kahdella menetelmällä: kuorimuottimenetelmä ja massiivieli pullamuottimenetelmä. Nykyisin tarkkuusvalumuotit valmistetaan lähes aina kuorimenetelmällä. Pullamuottimenetelmää käytetään enää harvoin, koska siinä kuluu suuria määriä keraamista muottiraaka-ainetta. Kuorimenetelmä on myös helpompi automatisoida ja mekanisoida. Kuorimuottimenetelmässä valupuun päälle muodostetaan keraaminen kuori kastamalla puuta keraamiliemeen. Liemi koostuu hienojakoisesta tulenkestävästä jauheesta, sideaineesta sekä liuottimista ja lisäaineista. Keraamiliemeen kastetun valupuun päälle ripotellaan zirkonihiekkaa ja molokiittia. Molokiitti eli alumiinisilikaatti Al2O3 2SiO2 on hienoksi jauhettua ja poltettua kaoliinia. Zirkonihiekka on zirkonsilikaattia ZrSiO4. Valupuuta kastetaan keraamiliemeen 5-8 kertaa, jotta kuoresta tulee riittävän luja. Muotin kuoren ollessa sopivan paksuinen, muotti kuivataan ja vahamalli sulatetaan pois valukanaviston kautta kuumentamalla muotti nopeasti yli 500 C:een. Liian hitaassa kuumennuksessa vaha voi laajentuessaan rikkoa muotin. Lopuksi muotti lujitetaan sintraamalla se esimerkiksi 1000 C:ssa. Tällöin Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-2
viimeisetkin rippeet vahasta palavat pois. Kuorimuottimenetelmän vaiheet on esitetty seuraavassa kuvassa (Kuva 2). Vastaava prosessi voitaisiin suorittaa massiivi- eli pullamuottitekniikalla seuraavasti: Mallirypäle kastetaan hienoon, tulenkestävää ainetta sisältävään juoksevaan keraamiseen liemeen. Kun mallien päälle tarttunut ohut kerros on kovettunut, laitetaan mallirypäle muottilaatikkoon. Laatikkoon kaadetaan paksumpaa keraamista lientä, jonka kovettuminen kestää 12 24 tuntiin. Vaha sulatetaan pois ja muotti valetaan. Kuva 2. Tarkkuusvalun häviävän mallin menetelmän (Lost-Wax-Method) periaate. a) Vahamallin valmistus. 1. Keraamikuoren muodostaminen kastamalla ja täyteainetta sirottamalla, 2. vahan poisto ja kuoren sintraus uunissa, 3. valu. Valu tapahtuu yleensä esilämmitettyyn muottiin, jolloin sula jähmettyy hitaammin kuin kylmässä muotissa ja siten on mahdollista valaa ohuita seinämiä. Kappaleen jäähdyttyä voi keraamikuoren rikkoa. Osa on saattanut kuoriutua pois jo valukappaleen jäähtymisen aikana, mutta tavallisesti suurin osa jää valukappaleeseen kiinni. Keraamiset kuorimuotit tyhjennetään joko pneumaattisesti täryvasaralla tai käsin. Tyhjennyksessä kaikki muottimateriaalista ei välttämättä lähde pois, erityisesti välikköihin ja taskuihin saattaa jäädä kuorta. Nämä saadaan poistettua kuulapuhalluksella. Jos keerna-aukon koko sen sallii, saadaan keernat poistettua joko hiovalla tai vesipuhalluksella. Muussa tapauksessa ne on liuotettava lipeäkylvyssä (NaOH 480 540 C), jossa saadaan myös muut kuoren rippeet poistettua samalla. Mekaanisen tyhjennyksen asemasta voidaan käyttää korkeapaineista vesipuhallusta (69 MPa), koska se ei vahingoita kappaleen pintaa. Valukkeiden irrotuksen jälkeen voidaan kappaletta työstää normaalisti, jos se on tarpeellista. Vahamalli Vahamallit valmistetaan: sarjatuotantoa varten metallimuoteissa ruiskuvalumenetelmällä tai pursottamalla pienille sarjoille sekä ei-teknisille tuotteille silikonimuoteissa tai hartsimuoteissa jollakin soveltuvalla 3D-tulostusmenetelmällä (rapid prototyping) Metallimuotit ovat tavallisimmin muottialumiiniseosta. Niiden kestoikä on luokkaa 50 000 valukertaa, mutta kestoikää voi kasvattaa valmistamalla eniten kuluvat muotin osat työkaluteräksestä. Muotti on tavallisesti yhdellä jakopinnalla jaettu muistuttaen ominaisuuksiltaan ruiskuvalumuottia. Mikäli valettavan kappaleen malli ei sellaisenaan sovellu yhdellä jakopinnalla valettavaksi, se voidaan koota osista. Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-3
Vaha voidaan saattaa muottiin joko sulana, osittain sulana tai kiinteänä. Vahan lämpötila vaihtelee 43 77 C välillä ja täyttöpaine 275 kpa - 10,3 MPa (100 kpa = 1 bar) välillä. Vahat ovat sulia lämpötila-alueen yläpäässä. Sula vaha valetaan muottiin pienpaineisella ruiskuvalumenetelmällä. Matalissa lämpötiloissa vahat ovat kiinteitä tai osittain sulia ja ne pursotetaan muottiin suuremmalla paineella. Pursotuksen etuja ruiskuvaluun verrattuna ovat lyhyempi käsittelyaika ja pienempi taipumus kavitaatioon. Pursotuksessa vaha on n. 75 %:sesti kiinteässä tilassa, ruiskuvalussa kokonaan nestemäistä. Nestemäisenä vahan viskositeetti ja pintajännitys ovat pieniä. Tällöin vahalla on taipumus muodostaa ilmasulkeumia sisäänsä ja virrata turbulenttisesti. Ruiskuvaluprosessin aikana on tärkeää kontrolloida vahan virtausnopeutta. Vahan pursotuksessa täytyy ottaa huomioon, että vahan viskositeetti kasvaa jäähtymisen myötä, jolloin metallimuotin täyttyminen vaatii suuremman täyttöpaineen. Muotin lämpötila vaikuttaa myös vaadittavaan täyttöpaineeseen. Jos muotin lämpötila on liian alhainen, vaha voi jähmettyä jo ennen kuin muotti on täynnä. Kuuma muotti kuitenkin hidastaa tuotantoa, sillä vahamallia ei voi poistaa muotista ennen kuin se on riittävän jäykkä kestääkseen käsittelyn. Vahaa ei saa ylikuumentaa, koska siitä voi koostumuksesta riippuen tulla joko hyvin haurasta tai kumimaista. Myös eräät täyteaineet ovat herkkiä ylikuumennukselle. Ne voivat erkautua ja siten aiheuttaa huonon juoksevuuden lisäksi mittamuutoksia ja pintavikoja. Vahoja voidaan sulattaa esimerkiksi sylinterinmuotoisessa tankissa, jossa vahaa sekoitetaan hitaasti. Täyteaineettomilla vahoilla sekoitus on suositeltavaa, mutta täyteaineellisilla se on välttämätöntä. Sekoittaminen estää täyteainetta laskeutumasta tankin pohjalle. Samalla se estää myös paikallista ylikuumenemista. Jotta voitaisiin valmistaa virheettömiä tarkkuusvalukappaleita, tulee vahamallin olla moitteeton. Valukappaleen ulospäin suuntautuvat valuviat pystytään yleensä "korjaamaan" puhdistuksen yhteydessä esimerkiksi hiomalla, mutta tämä aiheuttaa lisäkustannuksia. Valukappaleen pinnasta sisäänpäin suuntautuvat valuviat aiheuttavat valukappaleen hylkäämisen. Mallimateriaalit Mallien materiaalina käytetään tavallisimman vahaseoksia, joissa voi vahojen lisäksi olla myös täyteaineita, hartseja, muoveja, pehmennysaineita, antioksidantteja ja väriaineita. Yleisimmin käytetyt vahat ovat parafiini ja mikrokiteiset vahat. Jossain määrin käytetään myös nk. kovia vahoja. Hartseilla ja muoveilla pyritään parantamaan vahojen lujuutta ja jäykkyyttä sekä valukappaleen mittatarkkuutta. Vahaseoksiin lisättävä muovi on tavallisimmin etyylivinyyliasetaattia, mutta muitakin muovilaatuja käytetään. Lisättävät hartsit ovat monen tyyppisiä synteettisiä- ja luonnonhartseja. Muoveilla on vahojen valulämpötiloissa suuri viskositeetti, joka rajoittaa niiden käyttömääriä. Väriaineilla parannetaan mallien tunnistettavuutta ja tarkastettavuutta. Antioksidantit ehkäisevät hartsien ja vahojen huonontumista. Parafiinivahojen sulamispisteet vaihtelevat välillä 52 68 C. Niiden etuja ovat halpuus, hyvä saatavuus, laaja laatuvalikoima, rasvaisuus ja sulan pieni viskositeetti. Haittoina on hauraus ja suuri kutistuminen. Mikrokiteisen vahat ovat muovailtavia ja sitkeitä. Valittavana on joko kova ja tarttumaton laatu tai pehmeä ja tarttuva laatu. Mikrokiteisten vahojen sulamispiste on korkeampi (60 93 C) kuin parafiinivahoilla. Myös niiden viskositeetti on suurempi. Vahojen valintaan vaikuttavat hinta, saatavuus, kierrätettävyys, työhygieeniset tekijät ja ympäristötekijät. Mittatarkkuuteen vaikuttavat terminen laajeneminen/kutistuminen, kavitaatiotaipumus ja vääristyminen sekä stabiilisuus. Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-4
Muita valintaan vaikuttavia vahojen ominaisuuksia ovat: pehmenemispiste, jähmettymisalue, kovettumisaika juoksevuusominaisuudet, viskositeetti kyky jäljentää yksityiskohtia, pinnanlaatu terminen laajeneminen ja hajoaminen, stabiilisuus lujuus, kovuus, jäykkyys, iskunkestävyys hitsattavuus, kostutettavuus sideaineiden ja liuottimien kestävyys tuhkapitoisuus, rasvaisuus Vahaseokset voidaan valmistaa ominaisuuksiltaan tiettyyn tarkoitukseen sopiviksi. Vahojen alhainen sulamispiste ja alhainen viskositeetti tekevät niistä helposti valettavia, yhteen koottavia ja pois sulatettavia ilman että ohut keraaminen kuorimuotti halkeaa. Vahat kutistuvat valun ja jähmettymisen aikana. Hartseilla ja täyteaineilla on olennainen merkitys jähmettymiskutistuman pienentämisessä. Hartsit vähentävät vahaseosten kutistumaa suoraan käytettyyn määrään verrannollisesti. Hyviin ominaisuuksiin kuuluu lisäksi suhteellisen pieni viskositeetti vahojen käsittelylämpötiloissa. Hartsien valintaan vaikuttavat niiden ominaisuuksien yhdistelmät ja yhteensopivuus muiden vahaseoksissa käytettävien aineiden kanssa. Täyteaineiden sulamispiste on korkeampi kuin vahoilla. Täyteaineet sekoittuvat vahaan hyvin ja ne on helppo täyttää muottiin yhdessä vahan kanssa. Koska aineet eivät ole sulia, niillä ei myöskään tapahdu jähmettymiskutistumista. Yleisimmät täyteaineet ovat XLPS-jauhe eli polystyreenijauhe, tereftaalihappo, Bisfenoli-A ja vesi. Vettä käytetään myös emulgointiin. 1 3D -tulostaminen Vahamallin voi valmistaa myös 3D-tulostimella, esimerkiksi ThermoJet (3DSystems) tai muilla vastaavilla laitteilla. ThermoJet -tekniikalla valmistetaan kolmiulotteisia prototyyppikappaleita tulostamalla ne polymeerimateriaalista kerros kerrokselta ennaltamäärätyn geometrian mukaisesti. ThermoJet ei aseta tiukkoja vaatimuksia kappaleen muodolle. Mikä tahansa 3D-mallinnettu kappale voidaan tulostaa joko luonnollisessa koossa tai skaalattuna pienoismalliksi. Tulostuspöydän kokokaan ei välttämättä rajoita protokappaleiden kokoa, sillä tulosteita voi liittää toisiinsa. ThermoJetin tulostuksen tarkkuus on 300 400 dpi tulostussuunnasta riippuen. Tulostuksen kesto on suhteessa tulostettavan kappaleen korkeuteen. Nyrkkisääntönä ThermoJet -tulostuksen kestolle on 1 tunti tulostusta / 1cm korkeutta. Tarkkuusvalun keernat Valettavassa kappaleessa olevat ontelot ja vastapäästöt voidaan muotoilla neljällä periaatteella: 1. 3D -tulostusmenetelmillä voidaan muotoilla malli minkä muotoiseksi tahansa - tarvittaessa jopa kaksi kappaletta toistensa sisään 2. Ontelo tai vastapäästö muotoillaan vahamallimuotissa liikkuvilla keernoilla tai irtokeernoilla 3. Vahamalli valmistetaan osista siten, että jokainen osa voidaan poistaa muotista esteettä 4. Käytetään silikonimuottia, joka sallii pienet vastapäästöt 5. Vahamallimuottiin asetetaan liukenevasta materiaalista valmistettu erillinen keerna, joka poistetaan valmiista mallista 6. Muotoillaan ontelo erikseen valmistetulla keraamikeernalla, joka jätetään vahamalliin kiinni 1 http://www.investmentcastingwax.com, viitattu 7.3.2014. Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-5
Jos ontelot tai vastapäästöt ovat riittävän suurikokoisia ja helposti saavutettavissa, ne täyttyvät keraamiaineella muotin tekovaiheessa. Keraamisen liemen on oltava riittävän hyvin juoksevaa ja mallin onteloihin johtavien aukkojen riittävän suuria. Toisinaan mallin muoto voi olla niin vaikea, että keraamiaine ei pääse joka kohtaan - ei ainakaan täydellisesti. Erityisesti syvät ja kapeat aukot voivat olla hankalasti täytettäviä. Tällöin on kiinnitettävä erityistä huomiota liemen viskositeettiin, siroteltavien hiekkojen raekokoon ja kuivaukseen. Jos kasto suoritetaan vakuumissa, aukot täyttyvät paremmin. Hankalasti saavutettavat ontelot ja vastapäästöt muotoillaan keraamisilla keernoilla. Keraamisia keernoja voidaan valmistaa usealla muotoilutavalla: ruiskuvaluna, geeliyttämällä tai suulakepuristamalla. Keraamien ruiskuvalussa käytetään hienon keraamijauheen ja orgaanisen voiteluaineen seosta. Valun jälkeen keernalle suoritetaan kaksivaiheinen lämpökäsittely, jossa aluksi poistetaan orgaaniset aineet ja sen jälkeen keerna sintrataan lopulliseen lujuuteensa ja mittoihinsa. Suulakepuristus eroaa ruiskuvalumenetelmästä siinä, että muottiin täytetään pehmitetty muovin ja keraamisen jauheen seos, joka kovettuu lämmön ja paineen vaikutuksesta. Keraamiset keernat tehdään tavallisesti sulatetusta kvartsista. Niillä on vain tyydyttävä tulenkestävyys, mutta ne on helppo poistaa valuista esimerkiksi sulassa lipeäkylvyssä. Erikseen valmistetut keernat, joko liukenevasta vahasta tehdyt tai keraamiset keernat, sijoitetaan vahamallimuottiin ja vaha ruiskuvaletaan niiden ympärille. Liukenevasta vahasta valmistettu keerna liuotetaan vahamallin sisältä pois aineella, joka ei vahingoita itse mallia. Keraaminen keerna jää malliin kiinni. Keraaminen keerna kiinnitetään muottiin liukuliitoksin, koska sen koostumus on erilainen ja siten myös sen lämpölaajeneminen on erilaista kuin muottiaineella. Keraamisia keernoja käytettäessä voidaan valaa syvempiä ja pidempiä reikiä kuin muilla menetelmillä. Haittanapuolena on niiden aiheuttama lisäkustannus. Vahamallipuu Tarkkuusvalussa voidaan helposti valaa useampia kappaleita kerralla, mutta myös yksittäisten kappaleiden valaminen onnistuu. Valua varten kootaan nk. valupuu. Valupuun osat voidaan valmistaa samasta vahaseoksesta kuin kappaleiden vahamallitkin, mutta usein käytetään jotain edullisempaa vahaseosta. Valupuu rakennetaan kaatokanavan ympärille. Kappaleen vahamallit yhdistetään kaatokanavaan valukanavilla ja ne varustetaan tarvittaessa ilmanpoistoilla ja syötöillä. Yhdistäminen tapahtuu "hitsaamalla" eli käyttämällä joko kuumaa työvälinettä tai kaasua, jolla vahaa sulatetaan kahden osan välillä. Tämän jälkeen osat painetaan yhteen ja vahan annetaan jähmettyä uudelleen. Valupuuta, johon liitetty useita vahamalleja, kutsutaan usein mallirypäleeksi. Se, kuinka monta vahamallia yhteen mallirypäleeseen liitetään, riippuu muun muassa siitä halutaanko jokaisen kappaleen kohdalla optimoida kerralla valmistettavien kappaleiden määrä vai vakioidaanko mallirypäleiden valmistus valimokohtaisesti käsittelyn ja valmistuksen helpottamiseksi. Molemmissa tapauksissa täytyy ottaa huomioon, että rypäle on kooltaan ja lujuudeltaan prosessiin sopiva, valukappaleiden metallurgiset vaatimukset täyttyvät ja sekä kemialliseen että mekaaniseen testaukseen tarvittavat koekappaleet voidaan valmistaa. Muita huomioonotettavia asioita ovat: rypäleen ja keraamikuoren valmistuksen, kuivauksen ja vahan poiston helppous metallin saanto sulan metallin virtaus, täyttyminen ja syöttötarve keraamikuoren poisto valukappaleiden poisto valupuusta Koska tarkkuusvalumuotti on esilämmitetty, syöttömatkat ovat pidempiä kuin hiekkavalussa. Tästä syystä valupuussa ei aina tarvita erillisiä syöttökupuja. Kaatokanava ja valupuu kokonaisuudessaan Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-6
toimivat riittävässä määrin syöttöinä. Jos syöttökupuja tarvitaan, ne voidaan valmistaan erillisinä osina ja hitsata kiinni vahakappaleeseen tai niiden paikat voidaan tehdä valmiiksi kappaleen vahamallin muottiin. Ennen kuin mallirypäle kastetaan keraamiaineeseen ensimmäisen kerran, puhdistetaan se siihen mahdollisesti jääneistä ylimääräisistä vahan paloista ja vahamuotissa käytetyistä voiteluaineista. Jos vahamallin pintaan on jäänyt voiteluainetta, estää se ensilientä tarttumasta kunnolla vahan pintaan aiheuttaen paikallisesti liian ohuita kohtia. Laajat tasaiset pinnat tai ohuet reunat on käsiteltävä huolellisesti puhdistusliuoksessa, jotta varmistutaan ensiliemen kunnollisesta kiinnittymisestä näihin kohtiin ja vältetään sen irtoaminen vahan pinnasta. Puhdistus tapahtuu huuhtelemalla mallirypäle sopivalla liuoksella, kuten esimerkiksi kostutusaineen vesiliuoksella. Puhdistusaine on poistettava huolellisesti mallista pesemällä se juoksevalla vedellä. Puhdistuksen jälkeen mallirypäleen annetaan kuivua. Muottien raaka-aineet Tarkkuusvalun keraamisten muottien raaka-aineita ovat tulenkestävät aineet sideaineet liuottimet lisäaineet. Tulenkestävät aineet. Tulenkestäviä aineita on saatavana useita eri raekokoja 0,06-1,0 mm. Sekoittamalla eri raekokoja saadaan kuhunkin tapaukseen sopiva hiekan karkeus. Tulenkestäviä aineita tarvitaan sekä keraamiliemen valmistamiseen että ripoteltavaksi stucco materiaaliksi. Ensimmäisen kerroksen (primäärikerroksen) tekoon käytetään hienojakoisempaa keraamista lientä (ensilientä) ja hienojakoisempaa päälle ripoteltavaa tulenkestävää materiaalia kuin päällimmäisten kerrosten tekemiseen. Päällimmäisten kerrosten tehtävänä on kasvattaa keraamimuottikuoren paksuutta nopeasti. Ne myös lisäävät kuoren kestävyyttä, estävät sitä halkeamasta tai putoamasta pois. Ensiliemen ja ensimmäisen kuorikerroksen tekoon käytettävän jauheen raekoko on 0,075 mm. Hienot ainekset lisäävät muotin lujuutta ja toistavat valettavan muodon hyvin, mutta vaativat enemmän sideainetta. Keraamiliemi koostuu hienojakoisesta tulenkestävästä jauheesta, sideaineesta sekä liuottimista ja lisäaineista. Keraamiliemessä käytettävät tulenkestävät partikkelit ovat hienojakoisia kun taas stuccomateriaali on huomattavasti karkeampaa raetta. Tulenkestävinä jauheina ja hiekkana käytetään pääasiassa zirkonia, erilaisia alumiinisilikaatteja ja alumiinioksidia. Zirkonia käytetään erityisesti ensimmäisessä kerroksessa sen reagoimattomuuden takia, mutta sitä voidaan käyttää myös sirottelumateriaalina. Zirkonin etuja ovat sen erinomainen tulenkestävyys ja sulan metallin kostuttamattomuus. Alumiinisilikaattien alumiinioksidipitoisuus vaihtelee 42 72 % välillä lopun ollessa kvartsia. Mitä suurempi alumiinioksidipitoisuus on, sitä parempi on tulenkestävyys, mutta hinta on myös korkeampi. Puhtaan kvartsin käyttöä rajoittaa sen voimakas äkillinen tilavuuden kasvu 573 C:ssa. Tämän seurauksena keraamimuotti voisi haljeta. Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-7
Taulukko 1. Tulenkestävien aineiden kemiallinen koostumus ja sulamispiste. Tulenkestävä aine Kemiallinen koostumus Sulamispiste C Magnesia eli magnesiumoksidi MgO 2852 Zirkonidioksidi ZrO2 2715 Zirkonisilikaatti ZrO2 SiO2 Hajoaa 1540 asteessa zirkonioksidiksi ZrO2 ja piioksidiksi SiO2 Kalsiumoksidi CaO 2572 Magnesiumspinelli MgO Al2O3 2135 Alumiinioksidi, alumina (alumiinitrioksidi) Mulliitti (alumiinisilikaatti) Molokiitti (alumiinisilikaatti) Al2O3 2072 3Al2O3 2SiO2 Al2O3 2SiO2 Kvartsi eli piidioksidi SiO2 1670 (tridymiitti) 1713 (kristobaliitti) Sideaineet. Sideaineina käytetään kolloidista piitä ja etyylisilikaattia Si(OC2H5)4. Kolloidinen eli veteen sekoitettu pii on tavallisin. Vesipohjaisuus tekee siitä hitaasti kuivuvan. Alkoholipohjainen etyylisilikaatti kuivuu nopeammin, mutta on kalliimpaa, tulenarkaa ja aiheuttaa ympäristöhaittoja. Sitä käytetään, jos nopeus on tärkeä tekijä. Lisäaineet. Lisäaineina käytetään muiden muassa kostutusaineita ja vaahdonestoaineita. Kostutusaineiden tarkoitus on kostuttaa mallin tai edeltävän kerroksen pinta hyvin. Käytettävät määrät ovat yleisesti 0,03-0,3 % nesteen määrästä. Vaahdonestoaineet ehkäiset nimensä mukaisesti vaahtoamista ja edesauttavat ilmakuplien poistumista. Niiden käyttömäärät ovat pieniä - vain n. 0,002-0,1 % nesteen määrästä. Liika käyttö heikentää kostutusaineiden hyviä ominaisuuksia. Keraamiliemen valmistamiseen käytettyjen tulenkestävien aineiden rautapitoisuuden tulee olla matala. Suuri rautapitoisuus aiheuttaa metalli/muotti -reaktioita, jotka aiheuttavat karhean valupinnan sekä kuonavikoja valukappaleeseen. Ensiliemen tulee olla myös vapaa ylimääräisestä rasvanpoistoaineesta, vahapaloista sekä kuivasta slurrymateriaalista, koska ne aiheuttavat valuvikoja kappaleen pintaan. Valuvikoja syntyy myös, jos keraamiliemessä on väärä pitoisuus kostutusaineita tai vaahdonestoaineita. Kostutusaineiden väärä pitoisuus aiheuttaa sen, ettei vahamallin pinta peity tasaisesti, jolloin valukappaleen pinnasta tulee karkea. Jos liemessä on käytetty sopimatonta kostutusainetta, aiheuttaa se vaahtoavan liemen, jonka seurauksena valukappaleen pinnasta muodostuu rosoinen. Jos keraamiliemen valmistamiseen käytetään valmistajan tietyllä kauppanimellä myytävää sideainetta, on käytettävä valmistajan suositusten mukaisia lisäaineita. Muuten yhteensopimattomat aineet voivat reagoida keskenään aiheuttaen liemen geeliytymisen. Lisäaineiden käytössä tulee aina olla varovainen, sillä liikaa tai myös liian vähän jotain ainetta voi muuttaa liemen reologiaa. Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-8
Keraamiliemen valmistus Keraamiliemen koostumus riippuu käytettävästä tulenkestävästä aineesta, sideaineen tyypistä ja koostumuksesta, liuottimesta ja halutusta liemen viskositeetistä. Koostumus on yleensä: tulenkestävä jauhe 60 80 % neste 15 30 % sideaineen kiinteät aineet 5 10 % Neste tulee joko sideaineesta tai sitä lisätään erikseen. Näiden lisäksi keraamisen liemen joukossa on pieniä määriä kostutus- ja vaahdonestoaineita. Keraaminen liemi valmistetaan sekoittamalla tulenkestävä jauhe sideaineeseen. Sekoittamisen tulee olla riittävän voimakasta, jotta liemestä saadaan homogeenistä. Liemen viskositeetti on aluksi suuri johtuen siinä olevista ilmakuplista ja tulenkestävien partikkelien riittämättömästä kostumisesta. Ennenkuin liemi voidaan ottaa käyttöön, täytyy sitä sekoittaa niin kauan kunnes viskositeetti saavuttaa oikean tason. Sekoitusta on myös jatkettava koko tuotannon ajan, jotta partikkelit eivät laskeutuisi säiliön pohjalle. Sekoituksen ei kuitenkaan tarvitse olla kovin voimakasta enää tässä vaiheessa. Keraamiliemen viskositeetin tarkkailuun ja varmistamiseen käytetään virtauskuppimittausta (Zahnkuppi). Muita seurattavia ominaisuuksia ovat lämpötila ja ph. Ensiliemi, jonka viskositeetti on liian alhainen, aiheuttaa karkean pinnan valukappaleeseen metallin tunkeutuessa stuccomateriaalipartikkeleiden väliin. Liian suuri ensiliemen viskositeetti muodostaa paikallisesti paksuja kohtia, jotka aiheuttavat keraamikuoren halkeamisen vahan poiston tai valun aikana, koska vahamalli ei ole kiinnittynyt kunnolla keraamikerrokseen. Jos tukikerrosten tekemiseen käytettävä liemi on liian paksua tai sen ylimäärä on valutettu epätasaisesti pois kulmista tai onkaloista, paksu liemikerros aiheuttaa halkeilua. Liemen lämpötilan tulisi pysyä 2-3 C sisällä huoneenlämpötilasta. Jos liemen lämpötila nousee, primäärikuorikerroksella on taipumus irrota vahan pinnasta ja haljeta johtuen vahan ja keraamisen materiaalin lämpölaajenemisen erosta. Tästä aiheutuvia valuvikoja ovat esimerkiksi rotanhäntä ja keraamiset sulkeumat. Jos ph-arvo ei ole sopiva, ensiliemi geeliytyy. Geeliytymisen seurauksena liemi menettää sitomislujuutensa ja aiheuttaa halkeamia primäärikuorikerrokseen. Geeliytyminen voi johtua mm. bakteereista, Ca- ja Mg-suoloista (joita voi tulla vesilisäyksen yhteydessä) tai tulenkestävistä materiaaleista liuonneista aineista. Lisäksi nämä aineet kerrostuvat vahamallin pintaan. Niiden huonon tulenkestävyyden takia ne aiheuttavat valun aikana metallin tunkeutumista muottimateriaaliin, mikä aiheuttaa karkean pinnan valukappaleeseen. Myös tukikerrosten valmistamiseen käytettävän liemen ph-arvolla on merkitystä. Osittain geeliytynyt liemi pudottaa muotin lujuutta, jonka seurauksena muotti hajoaa vahanpoiston tai valun yhteydessä. Se voi aiheuttaa myös keraamisulkeumia valukappaleeseen. Keraamikuoren valmistus Kuori tehdään kastamalla mallirypälettä keraamiliemeen, jonka päälle ripotellaan kuivaa zirkoni- ja molokiittihiekkaa. Keraamiliemi sisältää lujuutta antavan sideaineen. Kaston jälkeen mallirypälettä pidetään hetken aikaan säiliön yläpuolella ja annetaan ylimääräisen nesteen valua pois. Tulenkestävän hiekan sirottelu voi tapahtua joko leijupedissä tai suihkuttamalla partikkeleita ylhäältä alaspäin. Kasto keraamiliemeen ja hiekan sirottelu toistetaan 5-8 kertaa, jotta kuoresta tulee riittävän luja. Kokonaiskerrosten lukumäärä riippuu mallirypäleen koosta ja valettavan metallin painosta. Mallirypäle kastetaan ensimmäisellä kerralla erittäin hienojakoiseen keraamiliemeen, joka muodostaa keraamimuotin sisimmän kerroksen. Tämä kerros kopioi pienimmätkin yksityiskohdat Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-9
tarkasti ja muodostaa sileän pinnan. Ensiliemen päälle ripoteltava tulenkestävä hiekka on myös hienojakoisempaa kuin sitä seuraavien kerrosten tekemiseen käyttävä hiekka. Tämän tarkoituksena on estää metallin tunkeutuminen muotin hiekkarakeiden väliin. Karkean tulenkestävän hiekan tarkoituksena on estää hienon keraamisen kerroksen halkeilu ja mallin pinnalta pois putoaminen. Lisäksi se liittää eri kerrokset toisiinsa ja kasvattaa keraamisen kuoren paksuutta nopeammin. Tarvittaessa ensiliemellä voidaan tehdä myös useampi kerros. Kuorikerroksen tekovaiheet (kasto liemeen ja tulenkestävän hiekan sirottelu) voidaan tehdä joko käsin, mekaanisesti tai robottien avulla. Robotteja käytettäessä tuottavuus paranee ja voidaan käyttää suuria mallirypäleitä. Mekaaniset laitteet ovat myös tehokkaita, jos käytetään vakioituja mallirypäleitä. Ennen kuin primäärisen kerroksen päälle tehdään tukikerroksia, on ensimmäisen hienon keraamisen kerroksen annettava kuivahtaa ja kaikki irtonaiset tulenkestävät jauhepartikkelit on poistettava. Jos primäärikerros ei ole ehtinyt kuivua tarpeeksi, se huuhtoutuu pois kastettaessa se uudelleen keraamiliemeen. Tämän seurauksena seuraava kerros tarttuu huonosti kiinni. Kuivuessaan kerrokset myös kovettuvat. Viimeinen kerros on tavallisesti vain pelkää keraamista lientä. Näin estetään irtonaiset hiekkapartikkelit. Edellisen kerroksen ei tarvitse olla läpikotaisin kuivunut ennen seuraavan kerroksen tekemistä. Riittävä kuivaus on, ettei uusi kerros huuhtele edellistä kerrosta pois. Yleisin kuivaustapa on ilmakuivaus huoneenlämpötilassa. Mallirypäleet ripustetaan telineisiin tai kuljettimiin ja ne voivat kuivua joko avoimessa tilassa tai erilaisissa kaapeissa tai tunneleissa. Kuivaamiseen käytetään kiertoilmaa, jonka lämpötilaa ja kosteutta kontrolloidaan. Kuivausilman suhteellisen kosteuden tulisi olla yli 40 %, normaaliolosuhteissa n. 50 %. Kuivauksessa on oleellista, ettei lämpötilaero vahan ja kuivausilman välillä ylitä 4-6 C. Keraamikuoren kuivuessa siitä haihtuu vettä, joka jäähdyttää vahan pintaa. Tämän seurauksena vaha kutistuu. Kun veden haihtuminen loppuu, palautuu vahan lämpötila ympäröivän huoneen lämpötilaan ja samalla se palautuu alkuperäiseen kokoonsa. Jos kuivausilma on liian lämmintä, vaha laajentuu. Tämän seurauksena kuori saattaa murtua. Valukappaleen voi syntyä valuvikoja, jos valumallin päälle siroteltu hienojakoinen jauhe on epätasaisesti levittynyt. Ohueksi jäänyt kohta mahdollistaa stuccomateriaalin tunkeutumisen primäärikerroksen läpi aiheuttaen karkean pinnan valukappaleeseen. Jos keraamiliemeen kastetun vahamallin annetaan valua ylimääräisestä liemestä liian kauan, syntyy liian kuivia kohtia, joihin stuccomateriaali ei tartu kunnolla. Tämä aiheuttaa keraamikuoren kerroskuoriutumista ja keraamisulkeumia valukappaleeseen. Ylimääräisen liemen epätasainen tai liian vähäinen poisvaluttaminen aiheuttaa halkeamia keraamikuoreen, koska primäärikerros ja tukikerros kiinnittyvät huonosti toisiinsa. Vahan poisto ja valu Suurimmat keraamiseen kuorimuottiin kohdistuvat rasitukset syntyvät vahan poistossa. Vahojen lämpölaajeneminen on monikertainen verrattuna tulenkestävinä materiaaleina käytettyihin jauheisiin. Vahojen laajeneminen aiheuttaa niin suuren paineen, että muotti voi haljeta, jos muottia ei kuumenneta erittäin nopeasti. Tällöin vahan pintakerros sulaa jo ennenkuin muut osat ovat edes kuumentuneet. Sulanut kerros valuu pois kuorimuotista, jolloin loppuosan kuumenemisen aiheuttamalla lämpölaajenemiselle jää tilaa. Tässäkin tapauksessa rasitukset ovat niin suuria, että kuoren tulee olla täysin kuiva ja tarpeeksi luja. Viimeisen kerroksen teon jälkeen kuoren tulee antaa kuivua 16 18 tuntia. Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-10
Vahan poistaminen tapahtuu tavallisimmin autoklaavissa* 2. Se voidaan poistaa myös liekin avulla. Vaha poistuu sulaessaan (kaatokanavan kautta), koska kuorimuotit asetetaan uuniin ylösalaisin. Autoklaavissa tavallisesti käytettävät paineet (550 620 kpa) saavutetaan 4-7 sekunnissa. Kokonaisuudessaan vahan poisto kestää korkeintaan 15 minuuttia. Toinen tapa poistaa vaha on laittaa muotti kuumaan (870 1095 C) uuniin. Uunissa on avoin pohja ja heti kun vaha alkaa sulaa se myös poistuu uunista. Osa vahasta ehtii kuitenkin palaa, ennenkuin se poistuu uunista. Autoklaavissa tapahtuvassa vahanpoistossa on vahan talteenottoprosentti parempi. Vahan poiston jälkeen muottien kuumentamista tulee jatkaa. Kuumennus suoritetaan tavallisesti kaasu-uunissa 870 1095 C:een lämpötilassa. Muotit laitetaan tavallisesti kuumaan uuniin. Jos kuorimuotin valmistamiseen on käytetty kvartsia, täytyy muotit kuumentaa hitaasti aloittaen alhaisesta lämpötilasta kvartsin voimakkaan hypäyksellisen lämpölaajenemisen takia. Kuumennuksella poistetaan sekä vapaa kosteus että kemiallisesti sitoutunut kosteus sekä viimeisetkin rippeet vahasta ja orgaanisista aineista, joita keraamiliemen valmistamisessa on käytetty. Samalla muotti sintrautuu ja esilämpenee valua varten. Yleensä nämä vaiheet tehdään yhdellä kertaa, mutta haluttaessa muotti voidaan tarkastaa ja tarvittaessa korjata ennen valun vaatimaa muotin esikuumennusta. Esilämmitykseen riittää myös alhaisemmat lämpötilat kuin sintraukseen - riippuen kuitenkin valettavasta metallista seuraavasti: alumiiniseoksille 150 540 C, kupariseoksille 425 650 C ja teräksille ja superseoksille 870 1095 C. Mahdolliset halkeamat voidaan korjata keraamisella liemellä tai erikoisementillä. Valaminen suoritetaan kuumaan muottiin kylmäjuoksujen ja imuvaluvikojen välttämiseksi. Tarvittaessa kuorimuotit voidaan tukea laittamalla ne laatikkoon, jossa kuoren ympärille laitetaan karkeaa soraa tukimateriaaliksi. Jäähtyneet muotit rikotaan ja kappaleet irrotetaan yhteisestä valukanavasta. Puhdistus suoritetaan tavalliseen tapaan. Kuva 3. Vahamallin valmistusta Thermojet pikamallinnuskoneella. 2 Autoklaavi on paineastia, jossa on korkea lämpötila ja paine. Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-11
Kuva 4. Valmiita pikamalleja. Kuva 5. Kaatokanavan valmistaminen. Kuva 6. Vasemmalla: Kaatokanavaan kiinnitetty pikamalli. Oikealla: Mehupilleistä koottu ilmanpoistokanava. Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-12
Kuva 7. Vahamallin kastaminen ensiliemeen. Kuva 8. Kuivaaminen. Kuva 9. Tukikerrosten valmistaminen. Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-13
Kuva 10. Keraamikerrosten valmistaminen. Kuva 11. Vasemmalla: Keraamikerrosten valmistaminen. Oikealla: Muotteja kuivumassa. Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-14
Kuva 12. Valmiita muotteja. Kuva 13. Raaka-aineen sulattaminen ja kuljetus valupaikalle. Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-15
Kuva 14. Muottien valaminen. Kuva 15. Muottien purkaminen. Keraami liuotetaan vesihuuhtelulla. Kuva 16. Kappaleiden puhdistaminen painepesurilla. Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-16
Replicast Replicast CS (Ceramic Shell) -menetelmä on patentoitu ja sitä voidaan käyttää valimoissa vain lisenssillä. Menetelmällä valmistetaan mittatarkkoja valukappaleita, joiden pinnanlaatu on hyvä. Replicast-menetelmä on täysmuottikaavausmenetelmä, joka eroaa perinteisestä täysmuottikaavauksesta siten, että polystyreenimalli poistetaan kokonaisuudessaan ennen valua. Perinteisessä täysmuottikaavauksessa polystyreenimalli (sisältää 92 % hiiltä) kaasuuntuu valun yhteydessä pois. Menetelmää ei voida käyttää terästen valuun, koska kaasuuntuva malli hiilettää teräksen. Replicastmenetelmällä voidaan valaa kaikkia metalleja - myös erittäin niukkahiilisia teräksiä. Menetelmä soveltuukin erityisen hyvin materiaaleille, joita on vaikea hitsata ja työstää. Replicast-menetelmän etuja tavalliseen hiekkavaluun verrattuna on: hyvä mittatarkkuus ja pinnanlaatu (Ra = 6 7 mm, jopa 3,5 mm) suunnittelun vapaus: ei tarvitse ottaa huomioon jakotasoa, keernoja eikä päästöjä (mallien valmistuksen helpottamiseksi voidaan toisarvoisiin pintoihin lisätä esimerkiksi 0,5 päästö). Lisäksi voidaan asettaa tiukat toleranssit. Koko malli valujärjestelmineen voidaan valmistaa yhdestä osasta. Halutessa monimutkaiset mallit voidaan valmistaa liimaamalla erikseen valmistetut polystyreenimallit yhdeksi malliksi. Näin voidaan valmistaa hyvinkin monimutkaisia muotoja. Erityisesti protovaiheessa ja yksittäisiä varaosia tehtäessä voidaan myös työstettyjä polystyreenimalleja käyttää. pienentynyt valujen paino vähentyneet puhdistuskustannukset vähentyneet työstökustannukset parempi saantoprosentti muotteja ei tarvitse peitostaa keraaminen muotti vastustaa hyvin eroosiota, joten valuun ei tule ei-metallisia sulkeumia jätteiden syntyminen on vähäisempää haihtuvien orgaanisten yhdisteiden eliminointi valun aikana (inertti keraaminen muotti ei kehitä kaasuja) työntekijöiden haitallisille aineille altistuminen on vähäisempää (Huurut, joita valun aikana syntyy, ovat peräisin metallista, itse muotti ei synnytä mitään huuruja) ja pölyäminen on vähäisempää pieni tilantarve Replicast-menetelmässä käytettävän kemiallisesti inertin muotin ansioista valussa ei ole sulkeumia, pureutumavikoja, kiinnipalamista eikä oksidoitumisesta johtuvia valuvikoja. Valmista muottia voidaan säilyttää pitkiäkin aikoja ilman, että sen ominaisuudet muuttuisivat (muotti ei ole esimerkiksi hygroskooppinen = kosteutta imevä). Kuva 17. Replicast-menetelmä. Keraamisia kuoria pakkauslaatikossa tuettuina vakuumilla. Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-17
Samoin kuin tarkkuusvalussa myös Replicast-menetelmässä mallin päälle tehdään keraamimuotti. Käytettäessä polystyreenimallia keraamikuoren paksuus on pienempi kuin vahamenetelmässä, koska polystyreenin palaminen aiheuttaa pienemmän mekaanisen rasituksen kuoreen kuin vahan sulaminen. Lisäksi Replicast-menetelmässä muottikuori tuetaan sen ympärille tärytettävällä hiekalla. Replicast-menetelmällä voidaan valmistaa jopa 500 kg:n painoisia kappaleita sarjatuotantona. Suurien valukappaleiden valmistuksessa menetelmällä valmistettujen valujen laatu jopa ylittää tarkkuusvalun laadun. Menetelmän muita etuja tarkkuusvaluun verrattuna on: menetelmä on nopeampi pienemmät mallikustannukset mallimateriaalin pienemmät kutistumisominaisuudet kevyemmät mallit (Polystyreenimallin tiheys on 40 50 g/dm 3 ) ja muotit muotilla ei ole yhtä suurta taipumusta haljeta valun yhteydessä Keraamisen muotin valmistamiseen käytettävä malli valmistetaan EPS muotovaluna metallisessa, yleensä alumiinisessa muotissa. Styroxin muotovalumuotin rakennetta on kuvattu lost foam eli täysmuottikaavauksen yhteydessä. Mallit voidaan kastaa keraamiseen liemeen heti niiden valmistamisen jälkeen. Kuorikerrosten annetaan kuivua ilmassa vähintään tunti ennen seuraavan kerroksen tekemistä. Valmistettavan kuoren paksuus riippuu mallin koosta, muodosta ja paksuudesta. Kuoren paksuudet ovat yleensä 3,2-4,8 mm. Muotit poltetaan 925 1000 C:ssa, jolloin malli häviää ja kuori saa lopullisen lujuutensa. Kuorimuotit laitetaan sideaineettomalla hiekalla täytettäviin kehyksiin. Kuorien tuentaa tehostetaan vakuumilla, joka muodostetaan juuri ennen valua. Se voidaan poistaa muutamien minuuttien kuluttua valun jälkeen. Shaw- ja Unicast Shaw- ja Unicast-menetelmissä muotti valmistetaan keraamisesta aineesta kestomallia käyttäen. Mallikustannukset ovat pienemmät kuin metallimuotilla valmistettavaa vahamallia käyttävässä tarkkuusvalussa. Shaw- ja Unicast-menetelmillä voidaan valaa kaikkia metalleja ja niillä saavutetaan tarkkuusvalua vastaavat mittatarkkuudet, yksityiskohtien kopioitavuus ja valukappaleen pinnanlaatu. Seinämänpaksuudet voivat olla 1,6 mm. Pinnanlaatu on 3,2 mm tai parempi. Shaw- ja Unicast-menetelmillä valetut kappaleet ovat tiiviitä eivätkä ne sisällä ei-metallisia sulkeumia. Menetelmien muita etuja ovat: vähäiset laitekustannukset, mallit voidaan tehdä haluttaessa ilman päästöjä, valettaessa kuumaan muottiin voidaan valukappaleen seinämänpaksuutta pienentää ja kuten kaikissa tarkkuusvalumenetelmissä puhdistus- ja työstökustannuksissa voidaan säästää samoin kuin valumetallissa. Shaw- ja Unicast-menetelmien suurin ero tarkkuusvaluun (ja Replicast-menetelmään) verrattuna on, että muotti on kaksiosainen. Siksi suunnittelussa tulee huomioida jakotaso. Menetelmillä valmistettavien kappaleiden koot vaihtelevat 10 g - 1000kg. Menetelmät sopivat pienille ja keskisuurille sarjoille ja jopa yksittäistuotantoon. Shaw- ja Unicast-menetelmien suurimpana haittana on niiden suuren keraamimuottimäärän aiheuttamat korkeat kustannukset ja suuri jätemäärä. Keraamisten muottien materiaali ei ole kierrätettävissä. Tämä rajoittaa sarjasuuruuden 20-100 kappaleeseen, mutta käyttämällä komposiitti- eli yhdistelmämuotteja sarjasuuruutta voidaan kasvattaa. Komposiittimenetelmässä mallin päälle muodostetaan vain ohut kerros keraamisella materiaalilla ja loppu osa muotista täytetään halvemmalla materiaalilla, joka on lisäksi kierrätettävissä. Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-18
Shaw- ja Unicast-menetelmien käyttöä voidaan puoltaa silloin kun kappale on liian suuri valettavaksi tarkkuusvaluna. Tällöin vahamallista tulisi liian iso ja hankalasti käsiteltävä. Toinen perustelu on valettavan kappaleen sarjasuuruus: tarkkuusvalun vaatimaa metallista työkalua vahamallin valmistamiseksi ei kannata tehdä kovin pienillä kappalemäärillä. Tällöin voi olla perustellumpaa tehdä puinen tai muovien malli Shaw- ja Unicast-menetelmiä varten. Ko. malli on edullisempi ja sen toimitusaika on lyhyempi. Kuva 18. Shaw-menetelmä. 1. Kaavausmassan valmistaminen, 2. kaavausmassa eli slurry 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. muottipuoliskot asetetaan paikoilleen ja suoritetaan valu.. Shaw- ja Unicast-menetelmillä muotti tehdään siis joko kokonaan keraamista tai komposiittirakenteena. Valinta tehdään lähes yksinomaan valukappaleen koon ja muottimateriaalin hinnan mukaan. Pienet valut kannattaa tehdä kokonaan keraamisilla muoteilla, koska tavallisesti komposiittirakenteen tekeminen vaati esimallin. Lisäksi kokonaan keraamisen muotin valmistaminen on yksinkertaisempaa. Kaavausmassa eli slurry valmistetaan sekoittamalla tulenkestävää ainetta (esimerkiksi zirkonihiekka tai mulliitti) sekä sideaineena käytettävää etyylisilikaattia ja lopuksi siihen lisätään kovetetta 8-10% sideaineen määrästä. Komposiittimuoteissa kallista keraamimassaa käytetään vain ohuena kerroksena ja muotin muu osa tehdään halvemmasta hiekkamassasta. Malli laitetaan alustan päälle, jonka ympärille laitetaan kaavauskehykset. Kaavausmassaa kaadettaessa muottia joko täristetään tai kaato suoritetaan alipaineessa, jotta slurry täyttäisi kehykset virheettömästi siten, että ilmakuplat pääsevät poistumaan. Shaw- ja Unicast-menetelmät eroavat toisistaan muotin kovettamistavassa. Molemmissa menetelmissä kaavausmassan annetaan jähmettyä kaadon jälkeen 2-3 minuuttia. Kun muotti irrotetaan mallista, se on vielä kumimaisessa muodossa. Shaw-menetelmässä muotin kovetus tapahtuu liekkikuumennuksella, jonka aikana haihtuvat komponentit (lähinnä alkoholi) poistuvat rakenteesta. Unicast-menetelmässä puolestaan kumimainen muotti upotetaan 10-15 minuutiksi kemialliseen kylpyyn tai suihkuun, jossa se kovettuu alkoholin haihtuessa. Tämä vaihe tekee Unicast-menetelmästä vähän hitaamman ja myös hankalamman kuin Shaw-menetelmä. Kovettamisen jälkeen ennen muottien sintrausta muotit keernoitetaan ja kasataan. Sintrauksen (800 1000 C) aikana muotti saavuttaa lopullisen lujuutensa ja loputkin rippeet haihtuvista aineista palaa pois. Tavallisimmin sintraus suoritetaan uunissa. Sintrauksen jälkeen muottien annetaan jäähtyä, riippuen valun muodosta ja valettavasta metallista, 40 540 C lämpötilaan ennen valua. Normaalisti valu tapahtuu ilman kehyksiä, mutta suuret muotit vahvistetaan kehyksillä käsittelyn helpottamiseksi ja estetään kuuman metallin ulosvalumista muotin mahdollisesti rikkoutuessa. Komposiittimuotit Shaw- ja Unicast-menetelmien suurimpana haittana on niiden suuren keraamimuottimäärän aiheuttamat korkeat kustannukset ja suuri jätemäärä. Tätä varten menetelmiä on kehitetty siten, että Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-19
mallin päälle muodostetaan vain ohut keraaminen kerros ja loppu osa muotista täytetään halvemmalla materiaalilla. Komposiittimuotti voidaan valmistaa 2,4-9,5 mm ylisuuren esimallin avulla. Esimalli määrää keraamisen kerroksen paksuuden. Esimallin avulla tehdään halvemmasta materiaalista muotin tukikerros. Sen tekemiseen käytetään yleensä karkearakeista shamottia sekä sideaineena vesilasia. Hiekka joko tärytetään tai sullotaan kehyksiin esimallin päälle. Samalla tehdään valujärjestelmät. Esimallin avulla kaavattu muotti kovetaan hiilidioksidin avulla. Tämän jälkeen esimalli voidaan poistaa. Varsinaisen mallin ja esimuotin avulla valmistetaan lopullinen muotti. Mallin päälle levitetään irrotusainetta ja sen päälle laitetaan esimuotti. Slurry kaadetaan muottiin kaatokanavan kautta. Muutaman minuutin kuluttua muotti on kumimainen ja malli voidaan irrottaa siitä. Tämän jälkeen muotti kovetetaan joko liekkikuumennuksella tai suihkuttamalla sen pinnalle kemiallista ainetta, joka saa aikaan kovettumisen. Komposiittimuotin sintrauksessa on huomioitava, että sintraus yli 650 C:ssa saattaa aiheuttaa ongelmia tukimateriaalin ja keraamisen kerroksen erilaisista lämpölaajenemisominaisuuksista johtuen. Komposiittimuoteille sopii erityisen hyvin sintraus kuumentamalla vain keraamista pintaa vastusten alla, jolloin tukikerros ei ylikuumene. Tavallisimmin sintraus suoritetaan uunissa. Myös komposiittimuotin sintrausta uunissa voidaan puoltaa, koska silloin kaikki kosteus ja haihtuvat aineet poistuvat myös tukikerroksista. Näin estetään mahdollisuus, että niistä siirtyisi kosteutta keraamiseen kerrokseen aiheuttaen valuvikoja. Valu suoritetaan kuten kokonaan keraamisillakin muoteilla. Toinen tapa valmistaa komposiittimuotti on ruiskuttaa kehyksissä olevan mallin päälle itsestään kovettuvaa massaa. Juuri ennen kuin se kovettuu, muotti täytetään vesilasihiekalla, joka kovetetaan. Lähteet Autere E., Ingman Y. & Tennilä P. - "Valimotekniikka II" Metals Handbook volume 15 "Casting" CTI Casting Technology International Barnett Stephen - "Prevention of ceramic shell defects" Seppä Sirpa - "Vahamenetelmä" Wolff Timothy M. - "Investment casting waxes: influences which eliminate wax pattern defects" Autere E., Ingman Y. & Tennilä P. - "Valimotekniikka II" Zitting Antti - "Tarkkuusvalaminen tänään" Vierimaa Johannes - "Replicast CS valumenetelmä" http://www.investmentcastingwax.com Keraamimuotit Tarkistettu 7.3.2014-20