Valumenetelmät
http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök 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 50 000 – 200 000 kertaa. Useimmissa valutekniikoissa muotti koostuu vähintään kahdesta muottipuoliskosta. Moni‐ mutkaisille 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 DISA‐ menetelmä 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 vastahellityksellisiä1 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. Hiekkava‐ lutekniikassa käytetään hiekasta tai keraamiseoksesta valmistettuja erillisiä keernoja. Hiekka‐ tai 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 poiste‐ taan kappaleesta valun jälkeen ja asennetaan takaisin muottiin. Kiinteitä keernoja käytetään kestomuottivalutekniikassa parantamaan muotin huolletta‐ vuutta. 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. 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. 1 Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 1 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Liikkuvia keernoja käytetään kestomuottitekniikassa tuottamaan vastahellityksellisiä muo‐ toja. 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 muo‐ toja. 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 kokoonpanta‐ vuus. 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 valmistet‐ tavissa. 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. Yleisim‐ mät kertamuottimenetelmät ovat 1) hiekkamuottivalu, 2) kuorimuottivalu sekä 3) tarkkuusvalu ja sitä vastaavat keraamimenetelmät. Hiekkavalu Hiekkavalu tehdään sideaineella käsitellystä hiekasta valmistettuun muottiin. Muotin jako‐ pinnat 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 valmistami‐ seen ja muotin vahvistamiseen. Hiekkamuotti keernoineen valmistetaan useimmiten valumallien ja keernalaatikoiden avulla. Hiekkamuotin valmistusta kutsutaan kaavaamiseksi. Muita mahdollisia valmistusmenetel‐ miä 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 ensisi‐ jaisesti kaasukovetteisille sideainejärjestelmille, joilla voidaan valmistaa keernoja moneen erityyppiseen sovelluskohteeseen. Joillain sideainejärjestelmillä voi valmistaa korkeita lämpö‐ Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 2 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök tiloja kestäviä ja lujia keernoja. Toisten järjestelmien etuna voi olla esimerkiksi hyvä irrotetta‐ vuus ja valmistuksen nopeus. Muotti‐ ja keernahiekkana käytetään yleensä kvartsihiekkaa. Muita vaihtoehtoja ovat olivii‐ nihiekka, 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 epäpuhtausainei‐ ta, 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, 1700 – 1750 °C oliviinihiekka, 1200 – 1850 °C fayaliittipitoisuudesta riippuen kromiittihiekka, 1800 ‐1900 °C zirkonihiekka, 2200 – 2300 °C Yleisimmät käytössä olevat sideainejärjestelmät ovat: mekaanisesti (sullomalla) kovetettavat järjestelmät käsin‐ ja koneelliseen kaavaami‐ seen 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, polyure‐ taaniprosessi) 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, polyuretaa‐ niprosessi) 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 valmistuk‐ seen (Croning) o fenoli‐formaldehydihartsi (novolakka) + heksametyleenitetramiini, kataly‐ saattorina lämpö Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 3 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök lämmön avulla kovetettavat järjestelmät keernojen valmistukseen (hot‐box ja warm‐ box) o urea‐fenoli‐formaldehydihartsi (resoli) + ammoniumkloridi tai ammonium‐ nitraatti, katalysaattorina lämpö o urea‐formaldehydi‐furaanihartsi + ammoniumkloridi tai ammoniumnitraatti, katalysaattorina lämpö o furaanihartsi + kuparisuoloja liuotettuna veteen tai alkoholiit, katalysaattori‐ na 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 vaati‐ mukset. Valumallit ja keernalaatikot voidaan valmistaa koneistamalla 1) vanerista, 2) muusta puule‐ vyaineksesta tai sahatavarasta, 3) puukomposiittilevystä, 4) metallista, 5) polyuretaanilevystä tai muusta muovilevystä (myös EPS2) sekä 5) muovihartsilla päällystetystä metalli‐, vaneri‐ tai 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 suu‐ rille 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 malline‐ gatiivin 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 keskiko‐ koisilla (10 – 30 dm3) kappaleilla 200 ‐ 5000 kaavauskertaan3. 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 (maksimi‐ mitta välillä 600 – 1800 mm) vastaava malli kestää noin 3000 kaavauskertaa4. Valetuilla epoksihartsimalleilla voidaan päästä samaa suuruusluokkaa oleviin sarjoihin. Metallisia malleja suositaan erityisesti konekaavauksessa, vaikka niitä korvaamaan on nykyi‐ sin 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, Expanded polystyrene, EPS eli ”styrox”. Mallimateriaalina käytetään tavallista rakennus‐ ja pakkaustarvike‐ laatua tiheämpiä EPS‐laatuja. 2 3 SFS‐EN 12890 Valut. Valumallit, mallivarusteet ja keernalaatikot hiekkamuottien ja keernojen valmistamista varten Malcolm Blair, Thomas L. Stevens (toim.), Steel Castings Handbook, 6th Edition, ASM International, USA, 1995 4 Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 4 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök messinki ja punametalli. Työkaluteräksellä, ruostumattomalla teräksellä ja lujilla valuraudoil‐ la on mahdollista päästä jopa 10 – 20 kertaa suurempiin kaavausmääriin alumiinimalleihin verrattuna5. Alumiinimallin kestoikää voi kasvattaa valmistamalla kuluvat osat kestäväm‐ mästä 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, keernalaatikoi‐ ta ja mallivarusteita käsittelevän standardin SFS‐EN 12890 mukaiset, mallien laatuluokat, valmistusmateriaalit, käyttökohteet, arvoitu kestoikä ja pinnan laadulle asetetut vaatimukset. Mallin rakenne vaikuttaa valmistusmateriaalin ohella sen valmistuskustannuksiin. Yksinker‐ taisimmissa 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, yksit‐ täiskappaleille ja suurikokoisille kappaleille. Muottien valmistus on sen avulla kuitenkin suhteellisen hidasta, koska kanavisto on koottava erillisistä osista tai val‐ mistettava kaivertamalla valmiiseen muottiin. Työ sisältää myös huomattavan paljon asettelua. Irtomalli voidaan valmistaa muotin jakopintojen mukaan jaettuna (Kuva 1) tai jaka‐ mattomana. 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. paartilos‐ si (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 suo‐ raan. Käännetyn muottipuoliskon kehyksen päälle asetetaan uusi kehys. Kehykset kohdistetaan toisiinsa niissä olevilla ohjauselementeillä (kehätupiohjaus) ja päällim‐ mäinen kehys täytetään hiekalla. Kun hiekka on kovettunut tai kovetettu, muottipuoliskot erotetaan toisistaan ja mallit irrotetaan. Eugene C. Muratore, Sorelmetal Technical Services, The use of adi as pattern tooling material, Rio Tinto Iron & Titanium, 2011 5 Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 5 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Taulukko 1. Laatuluokka Puinen malli H1 H2 Standardin SFS‐EN 12890 mukaiset, mallien laatuluokat, valmistusmateriaalit, käyttökohteet, arvoitu kestoikä ja pinnan laadulle asetetut vaatimukset Valmistusmateriaali Käyttökohde Arvioitu kestoikä kaavaus‐ kertoina Pinnan laadulle asetetut vaatimuk‐ set Vaneri, komposiittilevy, kovat tai pehmeät puulaadut. Kuluviin reunoihin suositellaan kovaa puulaatua. Suuret tuotanto‐ määrät, käsinkaavaus ja konekaavaus, suuret laatuvaa‐ timukset ‐ suuret mallit (> 30 dm3): alle 200 keskikokoiset mallit (10 ‐ 30 dm3): 200 – 5000 pienet mallit (< 10 dm3): 1000 – 10000 Puun syysuunnan tulisi asettua mallin irrotuksen suuntaisesti, ei ristikkäisiä syysuuntia sivupinnoilla. Pienet tuotanto‐ määrät, käsinkaavaus ja konekaavaus ‐ suuret mallit (> 30 dm3): 5 – 20 keskikokoiset mallit (10 ‐ 30 dm3): 20 – 100 pienet mallit (< 10 dm3): 100 – 200 Puun syysuunnan tulisi asettua mallin irrotuksen suuntaisesti, poikit‐ tainen syysuunta on sallittu, jos hellityskulma on riittävän suuri, ei ristikkäisiä syysuuntia suuret mallit (> 30 dm3): alle 10 keskikokoiset mallit (10 ‐ 30 dm3): 10 – 20 pienet mallit (< 10 dm3): 20 – 50 Ei erityisiä vaatimuksia Viilutettu levy tai pehmeä sahatavara. Malli‐ neet tulisi päällystää metallilevyillä. ‐ ‐ ‐ ‐ H3 Pehmeä sahatavara tai lastulevy. Mallineet tulisi päällystää metallilevyillä. Yksittäisvalut, käsinkaavaus ‐ ‐ ‐ Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 6 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Muovinen malli Metallinen malli Laatuluokka Valmistusmateriaali Käyttökohde Arvioitu kestoikä kaavaus‐ kertoina Pinnan laadulle asetetut vaatimuk‐ set M1 Alumiini, valurauta, teräs, kupari‐sinkki‐seos (messinki), kupari‐tina‐sinkki‐seos (puname‐ talli). Kuluvien osien on hyvä olla vaihdettavia ja niissä materiaalina jokin kulumisenkestävä metalliseos. Suursarjatuotan‐ to, suuret laatuvaatimukset Mallin valmistukseen käytetty‐ jen metalliseosten välillä on eroja kulumisen‐ ja korroosi‐ onkestävyyden osalta. Edellä tekstissä on arvioitu kestoikää. Standardi ei ota siihen kantaa. Kaikki pinnat työstetään ja hiotaan pinnankarheuteen Ra = 1,6 μm M2 Alumiini, valurauta, teräs, kupari‐sinkki‐seos (messinki), kupari‐tina‐sinkki‐seos (puname‐ talli). Kuluvien osien on hyvä olla vaihdettavia ja niissä materiaalina jokin kulumisenkestävä metalliseos. Suursarjatuotanto Mallin valmistukseen käytetty‐ jen metalliseosten välillä on eroja kulumisen‐ ja korroosi‐ onkestävyyden osalta. Edellä tekstissä on arvioitu kestoikää. Standardi ei ota siihen kantaa. Jako‐ ja ohjauspinnat työstetään, mallin pinnat tasoitetaan ja hiotaan pinnankarheuteen Ra = 12,5 μm K1 Kaikki sellaiset muovimallien valmistusme‐ netelmiin soveltuvat muovilaadut, joilla on hyvä mitanpitävyys ja kulumisenkestävyys, esimerkiksi epoksihartsi ja polyuretaanihart‐ si. Täyteaineet metallisia ja/tai reagoimattomia. Konekaavaus, suuret sarjat, erittäin suuret laatuvaatimukset Muovilaatujen ja eri tavoin valmistettujen mallien välillä on eroja kulumisenkeston osalta. Edellä tekstissä on arvioitu kestoikää. Standardi ei ota siihen kantaa. Jakopinnat työstetään tai muodoste‐ taan muovin valuprosessin aikana. K2 Kaikki sellaiset muovimallien valmistusme‐ netelmiin soveltuvat muovilaadut, joilla on hyvä mitanpitävyys ja kulumisenkestävyys, esimerkiksi epoksihartsi ja polyuretaanihart‐ si. Täyteaineet metallisia ja/tai reagoimattomia. Käsinkaavaus, pienet ja keski‐ suuret sarjat, suurikokoiset valukappaleet Muovilaatujen ja eri tavoin valmistettujen mallien välillä on eroja kulumisenkeston osalta. Edellä tekstissä on arvioitu kestoikää. Standardi ei ota siihen kantaa. Jakopinnat työstetään tai muodoste‐ taan muovin valuprosessin aikana. Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 7 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök 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 kehyk‐ seen 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 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 8 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Kuva 3. Suurikokoinen, pastapinnoitteella käsitelty irtomalli. Mallin koon kasvaessa riittävän suurek‐ si, sitä ei enää ole tarkoituksenmukaista kiinnittää mallipohjaan. Kuva 4. Keskikokoinen, pastapinnoitteella käsitelty irtomalli. Malli on jaettu kolmeen osaan jakopinto‐ jen kohdalta. Nuolet osoittavat jakopintojen paikat. Mallin pohjittaminen tehostaa muottien valmistusta ja on ainoa vaihtoehto kone‐ kaavauksen tapauksessa. Ylä‐ ja alamuotin mallit voidaan pohjittaa erillisille pohjille tai käyttää kaksipuolista mallia (Kuva 5). Kaksipuolista mallia käytetään tavallisim‐ min 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 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 9 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök 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) ja‐ kopintatupit (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 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 10 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök 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 keer‐ nalaatikon, 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 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 11 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök olevan tasopinnan kohdalle. Koneellisesti eli keernatykillä kaavattaessa täyttökohta on mah‐ dollista 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 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 12 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Keernoilla valmistetaan kappaleen sisäpuolisten muotojen (Kuva 10) lisäksi kappaleen ulko‐ puolisia vastahellityksellisiä muotoja. Keernoja voi käyttää myös helposti rikkoontuvien tai hiekan kiinni palamiselle alttiiden muotin osien vahvistamiseen. Tällöin keernan valmistus‐ materiaaliksi 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 polysty‐ reenirakeita metallisessa muotissa. Kappale on tällöin muotoiltava siten, että se voidaan poistaa muotin sisältä. Tämä edellyttää, että kappaleessa on selkeä jakopinta ja EPS‐ muotovalun 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) muot‐ tien 3D‐tulostaminen. Työstömenetelmässä valmistetaan aluksi aihio kovetetusta hiekkaseoksesta. Kappaleen muoto työstetään tämän jälkeen aihioon samalla tavoin kuin valmistettaisiin metallista kes‐ tomuottia. 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. Mene‐ telmällä 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 kiinni‐ tetään 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 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 13 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Kuva 13. Kuorimuotin puoliskot. Kuori‐ muotin valmistuksessa käytetään yleensä metallimallia. Kuorimuottimenetelmällä valmistettu‐ jen 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 (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html), CC BY‐SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by‐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 ruiskuvalumenetel‐ mällä. Molemmissa menetelmissä tarvitaan kestomuotti, joka voi olla metallinen tai esimerkiksi silikonista valmistettu. Pienten sarjojen mallit voidaan valmistaa myös 3D‐ tulostimella. Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 14 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Keraamisia muotteja käytetään yleisimmin tarkkuusvalu‐ ja Replicast‐menetelmissä. Keraa‐ misten 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 prototyyppivalmis‐ tuksen menetelmä. Tarkkuusvalu on taloudellinen vasta suurehkoille, 500 ‐ 1000 kappaleen sarjoille. Menetelmällä voidaan valaa mitä tahansa metallia. Tarkkuusvalu on suhteellisen helposti automatisoitavissa. Kuva 15. Tarkkuusvalumuotin valmistami‐ nen vahamenetelmällä. Aluksi valetaan yhden kappaleen vahamallit vahamallimuoteissa. Vahamal‐ lit kootaan vahasta valmistettujen valukanavien kanssa vahamallipuuksi. Valumallipuuhun muodos‐ tetaan 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 muot‐ tipuoliskot. Kuva: ”ILA Berlin 2012 PD 238ʺ, Bin im Garten – Oma työ. Lisenssi CC BY‐SA 3.0 via Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org. Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 15 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Tarkkuusvalukappaleen muotoilua rajoittaa suursarja‐ tuotannossa se, että vahamallit joudutaan valmistamaan hellite‐ tyllä, 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 suunnit‐ telijan on huomioitava se, kuinka muotti saadaan täytettyä ja syötettyä tehokkaasti. Kuva 17. Valmis tarkkuusvalumuotti. Kappale on alhaalla vasemmalla valukanavaan kiinnitet‐ tynä. Ohuet, ylöspäin suuntautuvat kanavat ovat ilmanpoistoa varten. Replicast. Replicast on patentoitu valumenetelmä, jolla voidaan valaa ohutseinämäisiä, mittatarkkoja ja metallurgisesti hyvälaatuisia kappaleita. Menetelmä muistuttaa sekä tark‐ kuusvalua (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). Prototyyppi‐ valmistuksen 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 ke‐ raamijauheella, kuivataan ja sintrataan lämmön avulla. EPS‐malli palaa ja kaasuuntuu sintraamisen aikana pois. Sintratut keraamikuoret tuetaan kuivalla sideaineettomalla hiekal‐ la. 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 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 16 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök 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 asete‐ taan 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 täyteainei‐ ta (mm. talkkia ja asbestia) muotin lujuuden lisäämiseksi ja huokoisia täyteaineita tai sekoituksen aikana kaasuuntuvia seoskomponentteja muotin läpäisevyyden parantamiseksi. Muotti kovetetaan kuumentamalla. Kuumentaminen haihduttaa kideveden muottimateriaa‐ lista. 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 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 17 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Kestomuottimenetelmät Kestomuottimenetelmiä sovelletaan metalliseoksille, polymeerimateriaaleille ja lasille. Jos valettava aine on jokin metalliseos, kestomuotin valmistusmateriaaliksi valikoidaan valurau‐ ta, kupariseos tai työkaluteräs. Lasille ja polymeerimateriaaleille käytetään yleisimmin työkaluteräksestä valmistettua muottia. Toisinaan lyhyille sarjoille käytetään myös silikonis‐ ta, alumiinista, keraamista tai grafiitista tehtyjä kestomuotteja. Keraami‐ ja grafiittimuotit soveltuvat kaikenlaisten materiaalien ‐ myös rautametallien ‐ kestomuottivaluun. Alumiini‐ ja 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 avaa‐ minen. 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 ja‐ kopintoja. 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 valu‐ menetelmistä sallii tietyin rajoituksin useampia jakopintoja. Metalliseosten kokilli‐ tai matalapainevalu ovat esimerkiksi menetelmiä, joihin on tarjolla useilla muottipöydillä varus‐ tettuja 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 metalli‐ seosten 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 hiekkamuottimene‐ telmissä. Metallimuottia käytettäessä sula jähmettyy nopeasti ja tämän ansiosta kappaleisiin saadaan hienojakoinen mikrorakenne sekä kertamuottivaluun verrattuna paremmat mekaa‐ niset ominaisuudet. Valurauta ja teräs eivät kuitenkaan yleensä muodosta suotuisaa mikrorakennetta, jos ne jähmettyvät liian nopeasti. Kestomuotin käyttöaika riippuu valumateriaalista ja ‐menetelmästä. Valulämpötilan kohotes‐ sa muotin käyttöaika lyhenee. Myös muotin raaka‐aine, huolto ja korjaus sekä valukappaleen muoto vaikuttavat muotilla saatavien valukertojen lukumäärään. Painevalumuotin kestoikä on arviolta 50 000 ‐ 200 000 valukertaa. Ruiskuvalumuotin kestoikä on samaa suuruusluok‐ kaa. Osa polymeerimateriaaleista sisältää muottia hiovia tai syövyttäviä ainesosia, jolloin sen kestoikä lyhenee. Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 18 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök 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 häiriöttömäs‐ ti. Vaikka menetelmät luokitellaan suurten sarjojen menetelmiksi, polymeerituotteiden valmis‐ tukseen 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 saavutettavil‐ la 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 mat‐ kapuhelinten kuorista auton osiin. Ruiskuvalukone koostuu plastisointiyksiköstä (Kuva 19), raaka‐aineen annosteluyksiköstä, suuttimesta, muottipöydistä sulkumekanismeineen, ulostyöntöyksiköstä, keernanvetoyksi‐ köstä 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 poiste‐ taan 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, keernanve‐ toyksikkö 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). Kyl‐ mäkammiokoneen valukammio on vaakasuorassa muottiin yhdistyneenä (Kuva 21). Valukammio on sylinterimäinen tila, josta valumäntä työntää sulan muottiin. Männän liike on kolmivaiheinen (Kuva 20). Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 19 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Kuva 19. Ruiskuvalukoneen plastisointiyksikön toimintaperiaate. Polymeeriraaka‐aine annos‐ tellaan 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 (http://creativecommons.org/licenses/by‐sa/3.0)], Wikimedia Commons. Kuva 20. Painevalukoneen kolmivaiheinen valuisku. Ensimmäisen vaiheen aikana valukone täyttää muotin valupor‐ tille 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. Merkil‐ le pantavaa on, että kappale täytetään ja syötetään samasta suunnasta. Kappaleen jähmettyminen kestää kappalekoosta riippuen sekunnista muutamiin sekunteihin. Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 20 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Kuva 21. Kylmäkammiopainevalun periaate. Kylmäkammiopainevalukoneen mäntä on vaaka‐ asennossa ulottaen liikkeensä muotin sisälle. Valettava metalliannos täytetään valukammioon kauho‐ malla tai annostelemalla suoraan uunista. Kauhonta siirtää sulan pinnalla olevaa hapettunutta ainesosaa muottiin. Kuva 22. Kuumakammiopainevalun periaate. Valumäntä sijaitsee pystyasennossa kuumanapi‐ touunin sisällä. Kuumakammiopainevalukoneen valukammiota kutsutaan hanhenkaulaksi. Valukammio on jatkuvasti täynnä sulaa. Annostelu tapahtuu sulan hapettuneen pintakerroksen alapuolelta, jolloin kappaleisiin päätyy hapettunutta metallia vähemmän kuin kylmäkammiomenetel‐ mässä. Ruisku‐ ja painevalumuotit toimivat valukoneen kanssa yhteistyössä siten, että niissä on kaikki tarvittavat osat ja mekanismit raaka‐aineen täyttämistä ja jäähdyttämistä sekä kappa‐ leen poistoa varten. Ruisku‐ tai painevalettu tuote voi olla ohutseinämäinen, koska muotti täytetään koneen tuottaman voiman avulla. Useissa muissa valumenetelmissä muotti täyte‐ tään painovoimaisesti, jolloin raaka‐aineen virtausnopeuteen ei pysty vaikuttamaan. Kaasunpoisto ja raaka‐aineen virtaus muotin sisällä täytyy suunnitella jo kappaleeseen huo‐ lellisesti, 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) ohutseinämäis‐ ten 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. Käy‐ tännössä minimiseinämänpaksuutta ei ole. Menetelmällä voi valaa 1/10 mm luokkaa olevia Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 21 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök seinämiä, mutta näin ohuet yksityiskohdat eivät ole käyttökelpoisia muualla kuin kalvosara‐ nan tyyppisissä rakenteissa. Seinämänpaksuuden on yleensä oltava tasainen. Paksuja seinämiä voi valaa erikoistekniikoilla, esimerkiksi kaasuavusteisen ruiskuvalun menetelmäl‐ lä. 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. Käytän‐ nön raja tulee vastaan ruiskuvalukoneen muottipöytien koon, sulkuvoiman ja raaka‐aineen annoskoon kautta. Kylmäkanavamuotilla ei yleensä voi valmistaa enempää kuin 1 – 4 tuotet‐ ta 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 verrat‐ tuna erinomainen mittatarkkuus. Reiät, kierteet, kapeat raot, merkinnät jne. voi valaa valmiiksi, jolloin säästetään työstökustannuksissa. Liitosvalun hyödyntäminen on mahdollis‐ ta. Muotti on suhteellisen kallis, joten sarjakoon on oltava yleensä vähintään 1000–5000 kappaletta. Kuva 23. Ruiskuvalumuotin kuumakanavajärjestelmän periaatekuva. Muottipuoliskoa, johon kuumakanavajärjestelmä sisältyy, kutsutaan kuumapuoliskoksi. Toista puoliskoa kutsutaan keernapuo‐ liskoksi tai liikkuvaksi muottipuoliskoksi. Lähde: Keyarts kohteessa en.wikipedia CC BY‐SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by‐sa/3.0), Wikimedia Commons. Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 22 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Kuva 24. Ruiskuvalukappaleita valukkei‐ neen. Kappaleet on valettu kylmäkanavamuotilla. Kylmäkanava koostuu muotin suuttimessa muo‐ toutuvasta osasta, jakokanavasta ja valuporteista. Lähde: Blue tooth7 (Oma työ) CC BY‐SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by‐sa/3.0), Wikimedia Commons. Kuva 25. Painevalukappale valukkeineen. Tabletti on valukammion päässä, männän edessä muotoutuva valukanaviston osa. Valukanava johtaa sulan valuportille. Kanava päättyy valuis‐ kua vaimentavaan osaan. Vaimennus tarvitaan, koska sulan liikenopeus muuttuu valuportilla hyvin lyhyessä, sekunnin murto‐osan luokkaa olevassa ajassa. Ylijuoksuihin ajetaan sularinta‐ man edessä kulkeva hapettunut ainesosa. Muottipesässä oleva ilma poistuu ylijuoksuihin liitettyjen ilmanpoistokanavien kautta ulos muotis‐ ta. Kokillivalu Kokillivalun yleisyys perustuu suhteellisin yksinkertaisiin ja edullisiin laitteisiin. Kannatta‐ van sarjan alaraja on 500–1000 kappaletta. Kevytmetallivalussa muotit voivat kestää jopa 50 000 valua. Kappalekoko on yleensä alle 100 kg (messinkivalussa tavallisesti 0,02–10 kg ja kevytmetallivalussa 0,10–20 kg), vaikka suurempiakin kappaleita voidaan valaa. Seinämän‐ paksuudet ovat 1,5–2,0 mm ylöspäin. Kokillivalua voidaan tehdä manuaalisesti täyttämällä muotit käsin siten, että muotti on kiinnitetty raken‐ teeltaan yksinkertaiseen, hydraulisesti toimivaan aukaisulaitteeseen. Menetelmä on kuitenkin automa‐ tisoitavissa suurille sarjoille joko robotilla tai automaattisella kokillivalukoneella. Kokillivalu‐ koneissa on vaihtelevasti saatavilla toimintoja keernojen liikuttamiseen tai ulostyöntöön. Kuva 26. Kokillivalumuotti kiinnitettynä muo‐ tinaukaisulaitteeseen. Muotti on avattu. Keskellä näkyy valmis, muotista poistettavissa oleva kappale. Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 23 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Kokillivalumenetelmä tuottaa nopean jähmettymisen ja jäähtymisen kautta hienojakoisen ja tiiviin mikrorakenteen valukappaleeseen ja sitä kautta hyvät mekaaniset ominaisuudet. Nopea jähmet‐ tyminen voi kuitenkin joissain tapauksissa olla haitallista. Menetelmä on täysin pai‐ novoimainen, 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 pai‐ nevalu. Kuva 27. Kokillivaluna voidaan tuot‐ taa tiiviitä valuja, joissa on hyvä pinnanlaatu. Kuvassa on koneistettu alumiinivalu. ʺRad‐ traeger Alu Kokilleʺ, Georg Fischer Automotive AG. CC BY‐SA 3.0 de, Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org Kokillivalua käytetään tavallisesti alumiini‐, sinkki‐ ja kupariseoksille. Muotti avataan jakota‐ solta, 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 suunni‐ tella 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 mahdolli‐ suudet 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 valmiste‐ taan 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 Charles A. Harper, Edward M. Petrie, Plastics Materials and Processes: A Concise Encyclopedia, John Wiley & Sons, USA, 2003 6 Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 24 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Matalapainevalu Matalapainevalu on kokillivalun sovellutus. Siinä muotti täytetään alhaalta käsin. Muotti asetetaan täytettäväksi ilmatiiviiksi koostetun kuumanapitouunin päälle. Uunista johtaa muotin täyttökanavaan nk. nousuputki. Uunitilaan kohdistetaan ohjatusti 0,3–0,5 atm ylipai‐ ne paineilman avulla. Paine nostaa metallin nousuputkea myöten muottiin. Kun kappale on jähmettynyt, ylipaine poistetaan ja ylimääräinen metalli palaa takaisin uuniin. Kuva 28. Matalapainevalun periaatekuva. Matalapainevalumenetelmää käytetään yleisimmin alumiiniseoksille ja kuparipohjaisille seoksille. Muotit valmistetaan useimmiten valuraudasta. Matalapainevaluna voidaan erikois‐ tapauksissa valaa myös valurautoja ja terästä grafiittimuotteihin. Matalapainevalun kappalekoko on yleensä suurempi kuin kokillivalun, tavallisesti 1‐20 kg (100–150 kg mahdollinen). Pinnanlaatu ja toleranssit vastaavat kokillivalua. Kappaleet muotoillaan lähes samoin periaattein kuin kokillivalukappaleet. Kappaleessa täytyy olla selkeä jakotaso, riittävät hellitykset sen molemmin puolin ja mieluiten ei vastahel‐ lityksiä. Keernat voidaan tehdä hiekasta samoin kuin kokillivalussa. Matalapainevalun kanavisto on pienikokoinen ja kierrätysmetallia säästävä. Jähmettymiskutistumaa kompen‐ soidaan sekä syöttökuvuin että valukanavan kautta. Matalapainevalukoneita on kahta tyyppiä: lineaarisesti johteilla avautu‐ va ja karusellityyppinen kone. Matalapainevalukoneissa, samoin kuin kokillivalukoneissakin, on vaih‐ televasti mahdollisuudet käyttää ulostyöntimiä tai keernoja liikuttavia laitteita. Kuva 29. Karusellityyppinen KWC matalapainevalukone. Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 25 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Puhallusmuovaus ja muottiin puhallus Menetelmiä sovelletaan polymeeripohjaisille materiaaleille ja lasille. Polymeerimateriaaleille on yleisesti käytössä kaksi menetelmää: puhallusmuovaus ruiskuvaletusta esivalmisteesta (Kuva 30) ja perinteinen menetelmä, jossa suulakepuristettu sula muoviletku pakotetaan paineilman avulla muottiin (Kuva 31). Lasille sovelletaan menetelmää, jossa jähmeä esimuo‐ toiltu sula pakotetaan paineilman avulla muottiin. Muotissa on yksi jakopinta. Menetelmä tuottaa kappaleeseen tasapaksun seinämän. Sekä muottiin puhallus että puhallusmuovaus ovat pitkälle mekanisoituja suurten sarjojen mene‐ telmiä. 1) 2) 3) 4) 5) Kuva 30. Puhallusmuovaus ruiskuvaletusta esivalmisteesta. 1) Esivalmiste lämmitetään infrapunasäteiden avulla. 2) Muotti suljetaan. 3) Esivalmistetta venytetään pituussuunnassa. 4) Muottiin puhalletaan paineilma tuurnan läpi. 5) Valmis, jäähtynyt kappale poistetaan muotista. Thomaxgold (Oma työ) [CC BY‐SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by‐sa/4.0)], Wikimedia Commons Kuva 31. Puhallusmuovaus suulakepuristetusta sulasta polymeeriletkusta. 1) Suulakkeelle tuleva raaka‐ainevirta. 2) Polymeerisula. 3) Suulake. 4) Paineilmatuurna. 5) Suulakkeen läpi ajettu sula muoviletku. 6) Puhallusmuovausmuotti. 7) Ilmanpaine. 8) Valmis puhallusmuovattu tuote. Lähde: LaurensvanLieshout (Oma työ) CC BY‐SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by‐ sa/3.0)], Wikimedia Commons Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 26 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Keskipakovalu ja rotaatiovalu Metalliseosten keskipakovalumenetelmät jaetaan aitoon keskipakovaluun, keskipakopaineva‐ luun sekä keskipakomuotovaluun. Aidolla keskipakovalulla (Kuva 32 ja Kuva 33 a, b) valmistetaan pyörähdyssymmetrisiä sylinterimäisiä tai kuppimaisia kappaleita. Sula metalli kaadetaan riittävän nopeasti pyörivään (pyörimisnopeus luokkaa 150–200 r/min) metalli‐ muottiin, jolloin metalli asettuu keskipakovoiman vaikutuksesta muotin seinämiä vasten ja kappaleen keskelle muodostuu tyhjä tila ilman keernaa. Kuva 32. Aidon keskipakovalun periaate. Keskipakomuotovalulla (Kuva 33 c) voidaan valaa muotokappaleita hiekasta tai metallista valmistettuun muottiin. Kappaleet voivat olla monimutkaisen muotoisia. Muodon määrää yksinomaan muotti. Kappaleen keskelle ei muodostu tyhjää tilaa. Keskipakopainevalulla valetaan kerralla useita muotteja. Muotit asetellaan symmetrisesti kaatokanavan ympärille. Muotteja voi olla useissa kerroksissa päällekkäin. Kappaleiden tulee olla pienehköjä. Muotit ovat joko hiekkamuotteja, keraamisia muotteja tai metallista valmis‐ tettuja kestomuotteja. a) b) c) Kuva 33. Erilaisia keskipakovalumenetelmiä. a) Keskipakovalu, muotin pyöritys pystyakselin ympäri. b) Keskipakovalu, muotin pyöritys vaaka‐akselin ympäri. c) Keskipakomuotovalu. Lähde: Користувач: Shkod (Oma työ) [CC BY‐SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by‐sa/3.0)], Wikimedia Commons. Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 27 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Polymeerimateriaalien valussa vastaavaa menetelmää kutsutaan rotaatiovaluksi. Menetel‐ mällä voi valaa hyvin suurikokoisiakin tuotteita (Kuva 35). Rotaatiovalun periaate esitetään kaaviona seuraavassa kuvassa (Kuva 34). Polymeeriraaka‐aineannos täytetään muottiin, jonka jälkeen muottia kuumennetaan ja pyöri‐ tetään vähintään kaksiakselisesti. Sulanut polymeeriannos pakottuu pyörityksen vaikutuksesta muotin sisäpinnoille tasaiseksi kerrokseksi. Kun pyöritystä on jatkettu riittä‐ västi, muotti jäähdytetään vesisuihkuilla ja valmis kappale poistetaan. Muottia pyörittävässä koneessa ei ole muottipöytiä, joten muotti voi yleensä olla käsin avattava. Käsin avaaminen mahdollistaa useat jakopinnat. Kuva 34. Rotaatiovalun periaate. Lähde: Valryti (Oma työ) [CC BY‐SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by‐sa/3.0), Wikimedia Commons. Kuva 35. Rotaatiovalettua muovisäiliötä poistetaan muotista. Lähde: Stéphan Courtois (Oma työ) [CC BY‐SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by‐sa/3.0), Wikimedia Commons. Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 28 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Puristusvalu, ahtopuristus ja siirtopuristus Puristusvalu on metalliseoksille käytetty menetelmä. Sulapanos kaadetaan vaakasuoraan jaetun muotin alempaan puoliskoon, minkä jälkeen muotti suljetaan hitaasti painamalla yläpuolisko paikoilleen sekä nostamalla puristuspaine arvoon 70–120 MPa. Painetta pidetään yllä, kunnes metalli on jähmettynyt. Puristusvalu voidaan suorittaa suoralla puristuksella, tuurnapuristuksella tai pursotuspuristuksella. Kuva 36. Puristusvalu. a) Suora puristus. b) Tuurnapuristus. c) Pursotuspuristus. Suora puristus sopii massiivisille, tuurnapuristus ontoille ja pursotuspuristus laattamaisille kappaleille. Menetelmää voidaan käyttää alumiini‐ ja kupariseoksille sekä teräksille. Se sopii myös komposiittirakenteiden valmistukseen. Ei‐rautametalleilla kappalekoot ovat alueella 0,1–30 kg ja teräksillä 3‐100 kg. Metallin saanto on lähes 100 % ja saadut kappaleet virheettö‐ miä. Lisäksi materiaalille saadaan tiivis ja hieno kiderakenne sekä hyvät lujuusominaisuudet. Menetelmä sopii parhaiten yksinkertaisille, 15 000–100 000 kpl sarjoissa valmistettaville kappaleille. Puristusvalun tärkein käyttöalue on hydrauliikka‐ ja ajoneuvoteollisuuden osissa. Kappaleiden suunnittelun perusperiaatteet ovat samat kuin kestomuottimenetelmissä yleen‐ sä. Ahtopuristus (Kuva 37) on polymeerimateriaaleille, ensisijaisesti kertamuoveille ja vulkanoi‐ taville kumeille, käytettävä menetelmä. Raaka‐aine annostellaan suoraan muottiin, muotti painetaan kiinni ja pidetään suljettuna kunnes kappale on jähmettynyt. Raaka‐ainetta annos‐ tellaan muottiin hieman enemmän kuin kappaleeseen tarvitaan. Ylimääräinen osuus pursottuu jakotason kautta muotissa oleviin ylijuoksu‐uriin. Kuva 37. Ahtopuristuksen periaate. Valettava materiaali annostellaan suoraan muottiin ja muotti painetaan kiinni. Ylimääräinen materiaali virtaa jakopinnan kautta ylijuoksu‐uriin. Lähde: ariel cornejo (Oma työ) CC BY‐SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by‐sa/4.0), Wikimedia Commons. Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 29 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Siirtopuristus on ahtopuristusta vastaava menetelmä, jota käytetään myös kertamuoveille ja kumeille. Erona on, että raaka‐ainetta ei annostella suoraan muottipesiin, vaan erilliseen annostelukammioon. Raaka‐aine puristetaan pesiin kanavia pitkin. Kuva 38. Siirtopuristuksen periaate. Valettava materiaali annostellaan pesien yläpuolella olevaan annostelukammioon, josta se painetaan männällä pesiin. Lähde: ariel cornejo (Oma työ) CC BY‐SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by‐sa/4.0), Wikimedia Commons. Jatkuvavalu ja ekstruusio Jatkuva‐ eli liukuvalua käytetään metallisten profiilien ja putkien valmistuksessa. Muoto saadaan vesijäähdytteisellä grafiitti‐ tai metallimuotilla. jonka läpi menevän metallin jähmet‐ tyessä sitä vedetään ulospäin ja muottiin valuu sulaa metallia tilalle. Jatkuvavalua käytetään lähinnä metallien valmistusteollisuudessa, jossa se korvaa valannevalun. Sillä saadaan pa‐ rempi saanto, pienempi energian kulutus, parempi laatu, lyhempi prosessin läpimenoaika sekä pienemmät työkustannukset. Lisäksi menetelmä on helppo automatisoida. Jatkuvavalulla tehdään vakiomittaisia tankoja, levyjä, putkia ja profiileja. Jatkuvavalulla valmistettujen valurautalevyjen ja ‐laattojen käyttö on lisääntymässä työstökoneteollisuuden rakenneaineina. Teräksen osalta jatkuvavalua käytetään lähinnä vain valmistettaessa eräitä erikoistuotteita (mm. kulutusta kestävät levyt ja tankomyllyjen tangot). Kupariseoksille jatkuvavalua käytetään runsaasti pyöreiden ja kulmikkaiden tankojen valmistuksessa. Alumiiniseoksista valmistetaan monimuotoisia profiileita esimerkiksi rakennus‐ teollisuuden tarpeisiin. Jatkuvavalussa voi käyttää kokillivalettavia alumiiniseoksia. Kuva 39. Jatkuvavalun periaate. Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 30 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Kuva 40. Teräksen jatkuvavalu, Feralpi Stahl, Riesa, Saksa. Lähde: Viktor Mácha (Oma työ) [CC BY‐SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by‐sa/3.0)], Wikimedia Commons Alumiinia valetaan jatkuvavalun lisäksi ekstruusio‐ eli pursotusmenetelmällä. Metallia ei sulateta. Se esilämmitetään ja työnnetään suurella voimalla muotin läpi. Metalliraaka‐aine toimitetaan pursotuskoneelle paksuina tankoina (Kuva 42). Takaa. Edestä. Kuva 41. Alumiinin pursotusmuotti. Lähde: Wizard191 (Oma työ) CC BY‐SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by‐sa/3.0), Wikimedia Commons. Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 31 http://www.valuatlas.fi ‐ ValuAtlas – Suunnittelijan perusopas – Seija Meskanen, Tuula Höök Kuva 42. Alumiiniseoksesta valmistettuja raaka‐ainetankoja pursotusmenetelmää varten. Lähde: Swoolverton (Oma työ) CC BY‐SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by‐sa/3.0), Wiki‐ media Commons. Polymeerimateriaaleista valmistetaan ekstruusiomenetelmällä erilaisia profiileja, kalvoja, levyjä, putkia, tankoja, puhallusmuovauksen esivalmisteita ja kuituja. Polymeeriekstruuderi muistuttaa ruiskuvalukoneen ruuvia, mutta on jatkuvatoiminen (Kuva 43). Ekstruuderin päähän asennetaan jäähdytetty muotti, jonka läpi sula polymeeri ajetaan. Kuva 43. Polymeerimateriaalien ekstruusion periaate. 1) Ruuvi. 2) Paineilman syöttö. 3) Raaka‐ainesuppilo. 4) Polymeeriraaka‐aine. 5) Sylinteri. 6) Lämmittimet. 7) Plastisoituminen. 8) Hydraulipumppu. 9) Muotti. 10) Keerna/tuurna. Lähde: Cdang, Brendan Rockey, University of Alberta Industrial Design, Christophe Poret CC BY‐SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by‐ sa/3.0)], Wikimedia Commons. Muokattu 3.9.2015 (Tuula Höök) ‐ Valumenetelmät ‐ 32
© Copyright 2024