41. Keernojen valmistustavat Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Keernalaatikot voidaan täyttää kolmella eri tavalla: sullomalla käsin tai paineilmasurvimen avulla jatkuvatoimisen sekoittimen avulla, jolloin itsekovettuva hiekka putoaa keernalaatikkoon ja sullomista ei juuri tarvita puhaltamalla tai ampumalla paineilman avulla. Käsintäyttöä käytetään sen hitauden vuoksi yleensä vain yksittäistuotannossa esimerkiksi tehtäessä tuorehiekkakeernoja. Jatkuvatoimisia sekoittimia, vaakasuoria ja pystysekoittimia, käytetään keskisuurten ja suurten keernojen valmistukseen sekä yksittäis- että sarjatuotannossa. Puhaltamista ja ampumista voidaan käyttää pienille sekä keskisuurille keernoille, ja se sopii sekä yksittäistuotantoon että sarjatuotantoon nopeutensa vuoksi. Keernanvalmistuksessa ovat käsintäytön ja jatkuvatoimisella sekoittimella täytön periaatteet samat kuin muotinvalmistuksessakin, joten käsittelemme tässä vain keernanvalmistuksen paineilman avulla sekä yleisimmät valmistusmenetelmät eri sideaineilla. 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 41 46-1
42. Keernanpuhallus ja ampuminen Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Keernojen sarjavalmistuksessa on keernalaatikon täyttö paineilman avulla eniten käytetty valmistusmenetelmä. Täyttö voi tapahtua joko puhaltamalla puhalluskoneella tai ampumalla keernatykillä. Kuva 434 esittää puhaltamalla täyttyvän koneen painekammiota ja puhalluspäätä, jota vasten täytettävä keernalaatikko puristetaan. Paineilma, joka ohjataan painesäiliöön sen alaosasta, painaa keernahiekan ilmaan sekoitettuna keernalaatikkoon. Kuva 434 Menetelmässä paineilma vaikuttaa jatkuvasti täydellä paineella niin kauan, kunnes laatikko on täynnä hiekkaa. Koneen toiminta muistuttaa hiekkapuhallusta, joten se kuluttaa nopeasti keernalaatikoita. Laatikoiden pitää yleensä olla metallia, jotta ne kestäisivät paineenalaisen hiekan kuluttavan vaikutuksen. Tämän sekä myös suuren energian kulutuksen vuoksi on seuraavana esitetty ampumismenetelmä syrjäyttänyt puhallusmenetelmää. Kuva 435 esittää halkileikkausta keernan ampumiseen käytettävästä keernatykistä. Koneen yläosastossa on kiinteä hiekkasäilö, johon hiekka syötetään yläpuolella olevasta säiliöstä. Hiekkasäiliön alla on puhalluspää, johon hiekka pääsee putoamaan säiliöstä. Kuva 435 Kuva 436 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 41 46-2
Puhalluspään pohjalaatassa, joka puristuu keernalaatikkoa vasten, on yksi tai useampia puhallusreikiä sen mukaan, kuinka monta täyttöaukkoa on keernalaatikossa. Puhalluspää voidaan vaihtaa aina käytössä olevalle keernalaatikolle sopivaksi. Kuva 436 esittää puhalluspäätä ja keernalaatikkoa. Koneessa on painesäiliö, johon varastoidaan tietty ilmamäärä. Säiliöstä ilmamäärä päästetään venttiilin kautta puhalluspäähän. Keernahiekka työntyy tällöin puhalluspäästä ammuksen tavoin keernalaatikkoon. Paine alenee sammalla nopeasti ja häviää kokonaan, kun puhallus lakkaa. Keernalaatikot kuluvat tämän vuoksi vähemmän kuin puhallusmenetelmässä, ja puisiakin keernalaatikoita voidaan käyttää. Keernalaatikoiden jakopinta voi olla joko pysty- tai vaakasuora. Pystysuoraan jaetut laatikot suljetaan puhalluksen ajaksi konepöytään sijoitettujen paineilmalla toimivien puristussylintereiden avulla (kuva 437). Keernatykkien hiekkatilavuus vaihtelee 0,5 ja 120 litran välillä. Ilmanpaine on tavallisesti normaali verkkopaine eli 800 kpa. Kuva 438 esittää halkileikkausta keernatykin puhalluspäästä. Keskellä olevasta reiästä hiekka ammutaan paineilman avulla keernalaatikkoon. Ilma virtaa pois nippeleillä varustetuista rei istä ja hiekka täyttää laatikon. Kuva 437 Kuva 438 Nippelit ovat metallista tai muovista tehtyjä kappaleita, jotka upotetaan niitä varten porattuihin reikiin joko puhalluspäähän tai keernalaatikkoon. Ne päästävät lävitseen ilman mutta eivät hiekkaa (kuva 439). Kuva 440 esittää puhalluspäätä ilman nippeleitä. Tällainen tulee kysymykseen esimerkiksi kuvan 441 tapauksessa, jossa keernalaatikko on puhalluksen ajaksi asetettu erikoiselle ilmaa läpäisevälle levylle. 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 41 46-3
Kuva 439 Kuva 440 Kuva 441 Usein on keernalaatikon muoto sellainen, että ilman poispääsy keernalaatikosta yksin puhalluspään kautta ei täytä sitä kokonaan hiekalla. Tällöin joudutaan sijoittelemaan nippeleitä keernalaatikon tiettyihin kohtiin (kuva 442). Kuva 442 Kuva 443 Keernatykeissä käytettävien keernalaatikoiden pitää olla tiivisti suljettuna, jotta hiekkaei pääse jakopinnan kautta vuotamaan pois. Vuoto aiheuttaa virheitä keernassa, ja lisäksi vuoto jakopinnan kulumisen takia lisääntyy hyvin nopeasti. Vuoto estetään työstämällä pinnat tiivisti toisiinsa sopiviksi, tai käyttämällä kumitiivistettä (kuva 443). 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 41 46-4
43. Pikahartsikeernat Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Pikahartseiksi kutsutaan sellaisia kylmähartseja, jotka kovettuvat huomattavasti nopeammin kuin aikaisemmin esitetyt hartsit. Keernalaatikon täytön ja keernan irrottamisen välinen aika voi olla esimerkiksi 20 sekuntia. Kaikkien kylmähartsihiekkojen kovettumista voidaan nopeuttaa kovetteen määrää lisäämällä, mutta pikahartseissa käytetään kovetteena erikoisia happoseoksia. Eräs tällainen pikahartsille kehitetty menetelmä on fascold-menetelmä, jossa hiekkaseos ammutaan paineilman avulla keernalaatikkoon (kuva 444). Laitteeseen syötetään puhdasta kuivaa hiekkaa säiliöstä. Toisessa kahdesta kierukkasekoittimesta sekoitetaan keskenään hiekkaa ja kovetetta, toisessa hiekkaa ja hartsia. Kierukkasekoittimet täyttävät kumpikin oman esipuhalluskammionsa hiekkaseoksella ja pysähtyvät sitten. Niistä nämä kaksi hiekkaseosta puhalletaan paineilman avulla nopeasti reaktiokammioon, jossa hiekkaseokset yhdistetään. Hiekka-annos siirtyy reaktiokammiosta sekunnin aikana keernatykin säiliöön, ja keerna ammutaan välittömästi. Koneella voidaan ampua jopa 120 kertaa tunnissa. Keernalaatikot voivat olla joko puuta tai metallia. Laatikoissa pitää olla ilmanpoistonippelit niin kuin muissakin paineilmalla täytettävissä laatikoissa. Kuva 444 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 41 46-5
44. Kaasuhartsi- eli cold-box-menetelmä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Nimitys kaasuhartsi johtuu siitä, että menetelmässä keernahiekan lopullinen kovuus saadaan aikaan puhaltamalla sen läpi kovettava kiihdykekaasu. Cold-box-nimitys viittaa taas keernalaatikkoon, joka yleensä on kylmä, siis lämmittämätön. Keernalaatikko täytetään yleisimmin keernatykillä, mutta hiekka voidaan myös helposti juoksevana ravistaa laatikkoon. Kuva 445. Cold-box-menetelmä Sideaineena käytetään fenolihartsia ja kovetteena isosyanaattia. Sideaineen määrä on n. 0,4 1 % hiekan määrästä ja kovetteen määrä suunnilleen saman verran. Sideaineella ja kovetteella seostetun hiekan työskentelyaika on melko pitkä, yleensä 2 16 h. Nopea kovettuminen saadaan aikaan vasta, kun keernan valmistuttua siihen puhalletaan kiihdytekaasua, joka tavallisesti on trietyyliaminia. Amiinikaasut ovat myrkyllisiä, joten niitä ei voi laskea valimoilmaan, vaan ne on johdettava pois. Myös keernaan jäänyt kaasumäärä huuhdellaan pois paineilman avulla. Pois johdettavan kiihdytekaasun käsittelytavan perusteella erotetaan kaksi eri järjestelmää. Suljetussa järjestelmässä (kuva 446) on keernalaatikko täysin tiivis, joten siitä ei pääse tunkeutumaan ympäristöön kaasua myöskään jakopinnan kautta. Kaasu johdetaan paineilman avulla keernaan kaasutuslevyn kautta. Poistuvat kaasut johdetaan neutralointiliuokseen tai poltetaan (kuva 447). Kuva 446 Kuva 447 A. Kaasujen poisto 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 41 46-6
Avonaisessa järjestelmässä ei keernalaatikon tarvitse olla täysin tiivis (kuva 447B), mutta työpaikan ilmanvaihdon on oltava tehokas. Kuva 447 C esittää koteloitua keernatykkiä, jossa on avoin järjestelmä. Kuva 447 B Kuva 447 C. Koteloitu keernatykki Kuva 448. Koteloitu keernatykki suljettuna Kuva 449. Keernatykki avattuna Keernantekijä poistuu puhalluksen ajaksi koteloinnin ulkopuolelle. Samanaikaisesti imetään sisäpuolelta voimakkaasti ilmaa, jolloin keernalaatikosta tullut kiihdytekaasu saadaan poistumaan. Kaasutusta voidaan verrata CO 2 -hiekan kaasutukseen. Ylikaasuttaminen ei kuitenkaan aiheuta keernan heikkenemistä, niin kuin CO 2 -hiekalla tapahtuu. Suljetussa järjestelmässä ovat kovetusajat lyhyemmät ja kaasunkulutus vähäisempi kuin avonaisessa järjestelmässä. Menetelmän kanssa työskentelevät tulee perehdyttää työpaikalla hyvin aineiden ominaisuuksiin ja vaaroihin sekä opastaa suojavälineiden käyttöön. Tällöin ei kaasuhartsimenetelmä aiheuta suurempia terveydellisiä haittoja kuin muutkaan keernanvalmistusmenetelmät. 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 41 46-7
Kuva 450. Isoa keernaa poistetaan tykistä (paino n. 80 kg, pituus 1600mm) Kuva 451. Pientä keernaa poistetaan tykistä 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 41 46-8
45. Betaset-menetelmä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Betaset-menetelmä oin uusimpia kaasuhartsimenetelmiä. Siinä sideaiheena käytetään fenoliformaidehydiä, joka kovetetaan esterillä. Betaset-menetämä eroaa aikaisemmin kehitetystä alphaset-menetelmästä siten, että esteriä ei sekoitetakaan hiekkaan nesteenä, vaan se puhalletaan kaasuna valmiiksi ammutun tai sullotun keernan lävitse. Kovettuminen tapahtuu puhalluksen jälkeen muuttamassa sekunnissa. Esterit ovat samantyyppisiä kuin ne, joita käytetään vesilasi-esterimenetelmässä. Kovetekaasu kehitetään nestemäisestä esteristä erillisessä kaasunkehittimessä. Kovetekaasu muodostuu ilman kanssa sekoitetusta suhteessa 5 20 % räjähtävän kaasuseoksen, mistä syystä työpaikan ilmanvaihdon on oltava tehokas. Valmistettaessa keernoja keernatykillä käytetään samantyyppisiä ilmanvaihtosysteemejä kuin edellä esitetyssä Cold-boxmenetelmässäkin. Yksittäistuotannossa tai suuria keernoja valmistettaessa kaasutus voi tapahtua erityisellä kaasutusasemalla (kuva 452). Koska esteri ei ole katalyytti eli reaktion nopeuttaja, vaan sideaineyhdistelmän toinen komponentti, on kovettumisen kannalta välttämätöntä, että kaasu saadaan jakautumaan tasaisesti keernaan. Tämän vuoksi on keernalaatikko tehtävä rakenteeltaan sellaiseksi, että kaasu pääsee vaikuttamaan keernaan jokaiseen kohtaan (kuva 453 A -B). Kuva 452. Kaasuhartsimuoteille ja keernoille sopiva valmistuslinja. 1.) Jatkuvatoiminen sekoitin 2.) Kaasutusasema 3.) Neutralointilaite 4.) Muottien kääntökone 5.) Rullaratoja 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 41 46-9
Kuva 453 A Kuva 435 B Hiekkana voidaan käyttää mitä tahansa valimohiekkaa, myös elvytettyä hiekkaa. Hartsin määrä on n. 1,5 % hiekan määrästä. Kovetekaasun määrä on 30 60 % sideaineen painosta. Menetelmää käytetään erikoisesti teräsvalimoissa, mutta se soveltuu myös muille valumetalleille. Betaset-menetelmä on suhteellisen saastuttamaton, koska kovetteina käytettävien esterikaasujen myrkyllisyys on vähäinen. Tämän vuoksi se on myös aminikaasulla kovetettavaa kaasuhartsimenetelmää nopeampi, koska keerna voidaan huuhdella ilmalla nopeammin. Kokonaisvalmistusaika betaset-menetelmällä muodostuukin tästä syystä lyhyemmäksi. 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 41 46-10
46. Alphaset-menetelmä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Alphaset- ja betaset-keernoja käytetään yleensä alphaset-muottien kanssa. Alphasetmenetelmässä sideaineena on fenoliformaldehydi (PF) ja kovetteena toimii esteri. Kovettuminen perustuu hiekassa olevien aineiden keskinäiseen reaktioon. Kovettumisnopeutta säädellään esterityypin mukaan, ei määrällä. Hiekkaan sekoitetaan ensin kovetteena toimiva esteri ja sen jälkeen hartsi. Hartsia käytetään 1,2 1,5 % hiekan määrästä ja esteriä n. 15 % hartsin määrästä. Keernat ovat valukelpoisia 2 3 tunnin kuluttua, jolloin ne ovat saavuttaneet lähes lopullisen lujuutensa. Alphaset-menetelmässä keernahiekka valmistetaan jatkuvatoimisella ruuvisekoittimella, josta se voidaan pudottaa suoraan keernalaatikkoon. Hiekan käyttöaika on puolet kovettumisajasta (5 45 min). Keernat voidaan peitostaa heti irrotuksen jälkeen. Menetelmällä valmistetuille keernoille sopii sekä vesi- että alkoholipohjaiset peitosteet. Alphaset-menetelmällä tehdään tavallisesti isoja keernoja, ja edellä mainitulla betasetillä pieniä ja keskisuuria keernoja, jotka mahtuvat keernatykkeihin. Molempien menetelmien etuja ovat seuraavat: kovetettu keerna irtoaa helposti keernalaatikosta, keerna on helppo tyhjentää valun jälkeen, sideaineet ovat rikittömiä ja typettömiä, ja menetelmät ovat ympäristöystävällisiä. 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 41 46-11
KERTAUSTEHTÄVIÄ Mikä periaatteellinen ero on keernojen puhalluskoneella ja keernatykillä? Miksi keernoja puhallettaessa ei yleensä käytetä puisia keernalaatikoita? Mikä tehtävä keernalaatikossa on ilmanippeleillä? Mistä johtuu nimitys pikahartsi? Mitä voidaan sanoa kaasuhartsihiekan työskentelyajasta kylmähartsihiekkoihin verrattuna Mitä on muistettava kaasuhartsimenetelmän kiihdytekaasuina käytettävistä amiinikaasuista? Mitä on muistettava betaset-menetelmän kovetekaasuista? 31.3.2010 Raimo Keskinen, Pekka Niemi Luvut 41 46-12