27

Bab IV Data, Simulasi, Dan Analisis

IV.1 Data Feedstock

Percobaan injection molding yang dilaksanakan dengan menggunakan

tiga jenis feedstock Fe-2%Ni dan parameter pemrosesan yang sama menghasilkan

kualitas produk yang berbeda. Ketiga jenis feedstock tersebut tidak diketahui jenis

dan komposisi binder-nya. Feedstock yang pertama berasal dari Amerika dengan

perbandingan volume serbuk terhadap binder adalah 50%:50%. Sedangkan dua

feedstock yang lain berasal dari Korea, masing-masing dengan perbandingan serbuk

terhadap binder 50%:50% dan 49%:51%. Temperatur proses untuk ketiga jenis

feedstock tersebut sama, yaitu 167 oC.

Percobaan terhadap feedstock produksi Amerika menghasilkan produk

cacat. Produk yang dihasilkan dari proses tersebut mengalami defleksi yang sangat

besar. Percobaan dengan feedstock produksi Korea dengan fraksi volume serbuk

terhadap binder 49%:51% juga menghasilkan produk cacat. Hasil percobaan terbaik

diperoleh dari percobaan dengan menggunakan feedstock produksi Korea dengan

fraksi volume serbuk terhadap binder 50%:50%.

IV.2 Data Pengujian Feedstock

IV.2.1 SEM (Scanning Electron Microscopy)

(a) Feedstock Dalam Bentuk Gumpalan Berdiameter 1–8mm

28

(b) Partikel Fe dan Binder Dalam Satu Gumpalan Feedstock

Gambar IV.1 Hasil SEM Feedstock Fe-2%Ni Fraksi Volume 50%:50%

Gambar IV.1 merupakan hasil SEM feedstock Fe-2%Ni dengan fraksi

volume 50%:50%. Gumpalan feedstock berukuran sekitar 7-8 mm (Gambar IV.1 (a)),

sedangkan serbuk terdiri dari beberapa ukuran antara 2-7 μm dengan bentuk bulat

(Gambar IV.1 (b)).

IV.2.2 TGA (Thermogravimetry Analysis)

Pengujian TGA terhadap feedstock produksi Korea (Gambar IV.2 (a))

menunjukkan adanya dua dekomposisi material yaitu di sekitar 180 oC dan 420 oC.

Sampel pengujian tersebut diambil dari feedstock Fe-2%Ni produksi Korea yang

tidak diketahui jenis dan komposisi binder-nya. Temperatur tertinggi pengujian

tersebut adalah 550 oC, oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa dekomposisi

tersebut adalah dekomposisi binder, sedangkan serbuk logam masih tersisa dalam

sampel.

Dari grafik TGA tersebut diketahui bahwa komponen binder dengan

komposisi tertinggi feedstock produksi Korea terdekomposisi pada temperatur sekitar

180 oC hingga sekitar 280 oC. Komponen binder yang kedua terdekomposisi mulai

dari temperatur sekitar 420 oC dan telah habis pada temperatur sekitar 460 oC.

Dengan menghitung fraksi berat yang hilang pada dua dekomposisi tersebut maka

Serbuk Fe-2%Ni

Binder

29

dapat diperoleh fraksi volume jenis polimer yang bersangkutan jika diketahui jenis

polimernya.

(a) Hasil Pengujian TGA Feedstock Produksi Korea

30

(b) Hasil Pengujian TGA Feedstock Produksi Amerika

Gambar IV.2 Hasil Pengujian TGA

31

Pengujian TGA terhadap feedstock produksi Amerika menunjukkan hasil

yang mirip dengan feedstock produksi Korea, akan tetapi terdapat sedikit perbedaan

pada temperatur dekomposisi pertama dan kedua. Dekomposisi pertama feedstock

produksi Amerika terjadi pada temperatur 130-280 oC, sedangkan dekomposisi

kedua terjadi pada 430-465 oC. Temperatur pemrosesan yang diterapkan pada proses

injection molding feedstock tersebut adalah 167 oC. Pada feedstock produksi Korea,

dekomposisi pertama terjadi di atas 167 oC. Oleh karena itu, temperatur 167 oC aman

untuk melaksanakan injection molding feedstock tersebut. Pada feedstock produksi

Amerika, kurva TGA menunjukkan bahwa pada 167 oC sudah mulai terjadi

dekomposisi. Dekomposisi pada temperatur operasi ini menyebabkan permasalahan

pada waktu proses injection molding dilaksanakan karena pengaruh produk

dekomposisi polimer menjadi sulit ditebak.

IV.2.3 FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)

400900140019002400290034003900

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

1.05

Scan FTIR SHIMADZU 8400 ZUL: Fe-2%Ni S-KOREA(26-03-07)Scan FTIR SHIMADZU 8400 ZUL: Fe-2%Ni USA(26-03-07)

Wavenumbers [1/cm]

Tra

nsm

itta

nce

Gambar IV.3 Spektrum FTIR Feedstock

Gambar IV.3 merupakan spektrum FTIR feedstock produksi Korea dan

feedstock produksi Amerika. Masing-masing spektrum FTIR di atas menunjukkan

adanya banyak peak yang dimiliki oleh beberapa jenis polimer. Peak-peak yang

OH

C=O

OHPerbedaandi daerah

finger print

32

terdapat dalam spektrum di atas dirangkum dalam Tabel IV.1. Dalam spektrum

tersebut terlihat adanya beberapa bagian yang sama dan beberapa bagian yang

berbeda. Perbedaan yang mencolok antara keduanya adalah bahwa pada feedstock

produksi Korea terdapat campuran yang lebih komplek terutama dengan

ditemukannya gugus C=O pada 1724 1/cm, O–H bending pada 1234 1/cm, dan peak

pada daerah finger print (902-933 1/cm). Perbedaan spektrum FTIR ini menunjukkan

bahwa jenis binder yang terdapat dalam feedstock produksi Korea berbeda dengan

yang terdapat dalam feedstock produksi Amerika.

Tabel IV.1 Gugus Kimia yang Ada dalam Spektrum FTIR Feedstock

Wavenumber (1/cm) Produksi Korea Produksi Amerika3429.2 OH OH2916.2 CH3 stretching CH3 stretching2846.7 CH2 stretching CH2 stretching1724.2 C=O -1631.7 C=C C=C1461.9 CH3 dan CH2 bending CH3 dan CH2 bending1377.1 C–C bending C–C bending1234.4 OH bending -1099.3 C–O C–O902.6 finger print -

IV.2.4 DSC (Differential Scanning Callorimetry)

Kurva DSC feedstock produksi Korea dan Amerika diberikan pada

Gambar VI.4. Kurva DSC feedstock produksi Korea menunjukkan dua titik leleh

yang mudah teramati, yaitu pada temperatur sekitar 150 oC dan sekitar 50 oC. Selain

itu, juga masih terdeteksi adanya dua titik leleh pada temperatur rendah (antara 37–

42 oC). Sedangkan pada kurva DSC feedstock produksi Amerika lebih jelas terlihat

adanya tiga titik leleh yaitu di sekitar 140 oC, 115 oC, dan 40 oC. Jika grafik TGA

dan DSC di atas dibandingkan terlihat bahwa pengujian DSC memberikan hasil yang

lebih sensitif dibandingkan TGA. Pengujian TGA hanya mendeteksi dua jenis zat

baik pada feedstock produksi Korea maupun Amerika, sedangkan pengujian DSC

mendeteksi adanya empat zat pada feedstock produksi Korea dan tiga zat pada

feedstock produksi Amerika. Hal itu mungkin disebabkan bahwa fraksi berat zat

33

yang tidak terdeteksi pada TGA tersebut sangat kecil dibandingkan dengan zat yang

lain sehingga pengurangan beratnya tidak terlihat pada kurva hasil pengujian TGA.

(a) Hasil Pengujian DSC Feedstock Produksi Korea

34

(a) Hasil Pengujian DSC Feedstock Produksi Amerika

Gambar IV.4 Hasil Pengujian DSC

35

IV.2.5 Analisis Jenis Polimer Penyusun Binder

Pemeriksaan terhadap sifat termal berbagai material binder yang umum

digunakan sebagai campuran binder pada Lampiran A menghasilkan kesimpulan

bahwa komponen utama binder, baik feedstock produksi Korea maupun Amerika,

adalah dari kategori paraffin wax dan PE/HDPE. Hal tersebut dijelaskan dalam Tabel

IV.2. Khusus untuk PE/HDPE tidak bisa dipastikan apakah gugus tersebut PE atau

HDPE mengingat selisih sifat termal keduanya sangat kecil. Untuk memastikan

apakah PE atau HDPE maka perlu dikarakterisasi dengan GPC (Gel Permeation

Chromatography) untuk mengetahui berat molekul masing-masing unsur yang

terdapat dalam binder tersebut.

Tabel IV.2 Analisis Kemungkinan Zat Penyusun Binder

Zat Referensi Feedstock Produksi Korea Feedstock ProduksiAmerika

PE/HDPE - Td :430 oC

- Tm :139 oC

- Td direpresentasikanoleh kurva TGA,dekomposisi padatemperatur 420–460oC.

- Tm ditunjukkan kurvaDSC oleh puncakendotermik padatemperatur 150 oC.

- Td direpresentasikanoleh kurva TGA,dekomposisi padatemperatur 430–465oC.

- Tm ditunjukkan kurvaDSC oleh puncakendotermik padatemperatur 140 oC.

Paraffinwax

- Td :188 oC

- Tm :47-64 oC

- Td direpresentasikanoleh kurva TGA,dekomposisi padatemperatur 180–280oC.

- Tm ditunjukkan kurvaDSC oleh puncakendotermik padatemperatur 59 oC.

- Td direpresentasikanoleh kurva TGA,dekomposisi padatemperatur 145–280oC.

- Tm ditunjukkan kurvaDSC oleh puncakendotermik padatemperatur 49 oC.

Pada PE/HDPE, titik leleh menurut literatur hanya 139 oC, sedangkan

dari kurva DSC menunjukkan sekitar 150 oC pada feedstock produksi Korea dan 140

pada feedstock produksi Amerika. Perbedaan ini bisa terjadi karena setelah

dicampurkan dengan zat lain, titik leleh polyethylene bisa bergeser. Melihat

kecenderungan itu, dugaan yang paling kuat adalah HDPE, bukan LDPE, karena titik

36

leleh setelah pencampuran lebih tinggi dari titik leleh sebelum dicampur. Dugaan

tersebut selanjutnya diuji dengan spektrum FTIR. Dalam Gambar IV.5, terlihat

bahwa seluruh puncak yang dimiliki oleh HDPE maupun paraffin wax terdapat pada

spektrum feedstock. Oleh karena itu, analisis adanya HDPE dan paraffin wax di atas

adalah benar.

Namun demikian, penjumlahan spektrum HDPE dan paraffin wax saja

belum sepenuhnya dapat menyerupai spektrum feedstock. Dalam Lampiran A,

campuran untuk binder dari HDPE dan paraffin wax adalah asam stearat (stearic

acid). Asam stearat mempunyai rumus molekul CH3(CH2)16COOH. Semua gugus

dalam rumus molekul asam stearat dapat dijumpai pada spektrum FTIR feedstock

produksi Korea; yaitu CH3 pada panjang gelombang 2916.2 (1/cm), C=O pada

panjang gelombang 1724.2 (1/cm), dan OH pada panjang gelombang 3429.2 (1/cm).

Oleh karena itu selain HDPE dan paraffin wax, diduga juga terdapat asam stearat

dalam binder feedstock produksi Korea. Dugaan ini diperkuat bahwa secara teoritis

dalam campuran binder diperlukan surfaktan yang berfungsi untuk memperbaiki

wetability antara binder dan partikel-partikel logam. Surfaktan juga berfungsi

sebagai pelumas yang dapat menurunkan gesekan antar serbuk logam dan antara

serbuk logam dengan dinding barell atau cetakan sehingga feedstock dapat lebih

mudah mengalir pada waktu proses injeksi berlangsung.

Selain dugaan adanya asam stearat, gugus C=C di 1631.7 (1/cm) pada

feedstock produksi Korea menunjukkan adanya senyawa turunan alkohol tak jenuh

yang dalam feedstock juga biasa dipergunakan sebagai force repulsive agent yang

berfungsi sebagai deaglomerator. Namun demikian, fraksi asam stearat maupun

senyawa turunan alkohol tak jenuh tersebut tidak bisa ditentukan karena tidak

terdeteksi oleh TGA.

Sebaliknya, pada feedstock produksi Amerika gugus zat aditif yang

dimiliki oleh feedstock produksi Korea tersebut tidak ditemukan. Spektrum FTIR

feedstock produksi Amerika tersebut terlihat lebih pure sebagai campuran antara

HDPE dan paraffin wax. Ada kemungkinan adanya zat lain selain HDPE dan

paraffin wax dalam feedstock produksi Amerika, yang ditunjukkan pada peak

endotermik pada temperatur 117 oC pada kurva DSC. Akan tetapi fraksi zat tersebut

juga tidak bisa dikenali karena tidak terdeteksi oleh kurva TGA. Jenis zat tersebut

37

juga belum dapat dikenali karena data dari karakterisasi yang dilakukan dalam

penelitian ini tidak mencukupi untuk menyimpulkan jenis zat tersebut.

Gambar IV.5 Gambar Analisis Spektrum FTIR Feedstock

38

IV.2.6 Analisis Perbandingan Feedstock

Dari pengujian TGA, DSC, dan FTIR di atas dapat disimpulkan beberapa

fakta yang menyebabkan feedstock produksi Korea dengan fraksi volume 50%:50%

memberikan hasil paling baik pada percobaan injection molding terhadap ketiga jenis

feedstock tersebut:

a. Temperatur operasi 167 oC merupakan temperatur ideal untuk pemrosesan

feedstock produksi Korea karena berada antara 15–20 oC di atas titik leleh binder.

Sebaliknya, pada temperatur tersebut feedstock produksi Amerika telah mulai

mengalami dekomposisi. Jika proses injeksi dilaksanakan di atas temperatur

dekomposisi binder maka produk degradasi polimer terperangkap di dalam green

compact. Hal tersebut menyebabkan cacat dalam green compact karena produk

dekomposisi polimer terhadap green compat menjadi sulit ditebak. Jika produk

dekomposisi binder tersebut tertinggal sebagai deposit maka deposit tersebut

tidak bisa hilang dengan proses debinding. Jika terbawa pada pemanasan yang

lebih tinggi, yaitu pada akhir tahap debinding atau sintering, deposit tersebut

dapat mengganggu fenomena difusi sehingga produk akan mengalami shrinkage

tidak homogin sehingga menyebabkan cacat pada produk akhir.

b. Selain dua zat utama yang terdeteksi pada pengujian TGA, masih ada zat lain

dalam feedstock. Zat yang tidak terdeteksi oleh TGA tersebut dapat dideteksi

oleh pengujian DSC dan FTIR. Diduga zat-zat tersebut adalah zat aditif yang

jumlahnya dalam fraksi volume sangat kecil. Zat aditif tersebut ditambahkan ke

dalam feedstock untuk memperbaiki sifat campuran, yaitu untuk pelumas atau

untuk deaglomerator.

c. Hasil pengujian FTIR menunjukkan bahwa feedstock produksi Korea mempunyai

campuran yang lebih komplek. Dibandingkan dengan feedstock produksi

Amerika, feedstock produksi Korea memiliki gugus C=O pada 1724 1/cm, O–H

bending pada 1099 1/cm dan kemunculan peak di daerah finger print pada 902-

933 1/cm. Gugus tersebut diduga dimiliki oleh senyawa turunan alkohol yang

sering dicampurkan ke dalam feedstock sebagai force repulsive agent untuk

mengurangi terjadinya aglomerasi. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa

feedstock Korea mempunyai homogenitas distribusi penempatan serbuk karena

adanya campuran zat deaglomerator. Homogenitas penempatan serbuk tersebut

39

menentukan homogenitas densitas green compact. Gradien densitas green

compact menyebabkan non-uniform shrinkage pada proses debinding dan

sintering sehingga menyebabkan terjadinya defleksi pada produk akhir. Hal ini

menjelaskan mengapa produk akhir percobaan injection molding dengan

feedstock Korea lebih baik dibandingkan dengan produk akhir yang dihasilkan

dari feedstock produksi Amerika.

d. Feedstock produksi Korea dengan fraksi volume 50%:50% memberikan hasil

yang lebih baik dibandingkan dengan feedstock serupa tapi fraksi volume

49%:51% berarti campuran feedstock produksi Korea dengan komposisi

50%:50% adalah yang paling optimal. Komposisi serbuk–binder ini sangat

berpengaruh pada sifat rheologis feedstock sehingga sangat mempengaruhi

keberhasilan proses injection molding. Sifat rheologis feedstock yang baik akan

memberikan pola alir pengisian cetakan yang lebih baik sehingga feedstock dapat

mengalir kedalam seluruh rongga cetak dengan lebih mudah. Sifat rheologis yang

baik dapat mengurangi cacat air traps (udara terperangkap) dan weld lines. Oleh

karena itu, dapat dijelaskan bahwa komposisi feedstock produksi Korea dengan

fraksi volume 50%:50% adalah lebih baik dibandingkan dengan fraksi volume

49%:51%.

e. Perbedaan binder system antara feedstock produksi Korea dan feedstock produksi

Amerika terletak pada tambahan zat-zat aditif yang ada di dalam keduanya.

Feedstock produksi Korea diduga mempunyai dua jenis zat aditif, yaitu asam

stearat sebagai pelumas dan senyawa turunan alkohol sebagai deaglomerator,

sedangkan feedstock produksi Amerika hanya memiliki satu jenis zat aditif.

Pencampuran zat aditif tersebut dengan paraffin wax dan HDPE menyebabkan

pergeseran sifat termal paraffin wax dan HDPE sehingga temperatur dekomposisi

dan temperatur leleh paraffin wax dan HDPE dalam campuran menjadi berbeda.

IV.3 Fraksinasi Penyusun Binder

Dalam penelitian ini, simulasi hanya dilakukan menggunakan feedstock

yang memberikan hasil terbaik dalam percobaan injection molding, yaitu feedstock

produksi Korea dengan fraksi volume 50%:50%. Fraksinasi komponen polimer

penyusun binder ditentukan dengan hasil pengujian TGA. Sebagaimana disebutkan

40

di atas, bahwa TGA hanya mendeteksi dua kejadian dekomposisi, sedangkan

menurut spektrum FTIR dan analisis DSC masih ada unsur lain yang terdapat dalam

campuran binder. Oleh karena itu, fraksinasi dalam penelitian ini sifatnya masih

pendekatan. Fraksinasi yang pertama diperoleh dari kurva TGA adalah fraksi berat.

Dengan diketahuinya dua unsur yang terdekomposisi pada kurva TGA tersebut

adalah paraffin wax dan HDPE maka fraksi volume paraffin wax dan HDPE dapat

ditentukan. Dari perhitungan pada Lampiran B diperoleh bahwa fraksi volume

paraffin wax dan HDPE binder feedstock produksi Korea di atas adalah

63,5%:36,5%. Fraksi volume tersebut digunakan untuk mendekati sifat campuran

binder. Sifat campuran binder dan serbuk logam ditentukan dengan rules of mixture.

Perhitungan fraksi volume dari kurva TGA dan penggunannya dalam rules of

mixture untuk menentukan sifat campuran binder-serbuk logam dicantumkan dalam

Lampiran B.

IV.4 Inventarisasi Data Simulasi

IV.4.1 Basis Data Material

Perhitungan sifat-sifat feedstock secara lengkap dapat dilihat pada

Lampiran B, sedangkan inventarisasi data penting sifat material untuk keperluan

simulasi dengan Moldflow adalah sebagai berikut :

a. Data sifat termal

- melt temperatur : 150 oC (diambil dari data percobaan DSC)

- transition temperature : 70 oC (diambil dari data percobaan DSC)

- specific heat : 1305.4 J/kgC (Rule of mixture, Lampiran B)

- thermal conductivity : 40,366 W/mC (Rule of mixture, Lampiran B)

Khusus untuk konduktifitas termal, harga konduktifitas termal feedstock jauh di

atas harga yang wajar untuk polimer. Moldflow membatasi harga konduktifitas

termal yang bisa diinputkan dalam kisaran antara 0 dan 10 W/mC.

b. Koefisien Cross-WLF Viscosity Model (Lampiran B)

- n : 0,3386

- Tau* : 100000 Pa

- D1 : 1010 Pa.s

41

- D2 : 263 K

- D3 : 0

- A1 : 17,44

- A2~ : 51,6 K.

Jika parameter hasil iterasi di atas dimasukkan ke dalam Moldflow akan

diperoleh plot Cross-WLF Viscosity Model adalah sebagai berikut :

Gambar IV. 6 Plot Cross-WLF Viscosity Model

c. Data 2-Domain Tait PVT Model Properties (Lampiran B)

- Melt Density : 4,41 g/cm3

- Solid Density : 4,47 g/cm3

- b5 : 359.9705335 K

- b6 : 1.76851E-07 K/Pa

- b1m : 0.001060483 m3/kg

- b2m : 7.32239E-07 m3/kg-K

- b3m : 173066389.9 Pa

- b4m : 0.005372341 1/K

- b1s : 0.000977654 m3/kg

- b2s : 3.89313E-07 m3/kg-K

42

- b3s : 289161859.1 Pa

- b4s : 0.002117674 1/K

- b7 : 8.27562E-05 m3/kg

- b8 : 0.087255048 1/K

- b9 : 2.31997E-08 1/Pa.

Plot 2-Domain Tait PVT Model feedstock adalah sebagai berikut :

Gambar IV.7 Plot 2-Domain Tait PVT Model

d. Data sifat mekanik (Rule of mixture, Lampiran B)

- 1st principle direction E1 : 634444 MPa

- 2nd principle direction E1 : 634444 MPa

- poisson ration (v12) : 0.324

- poisson ration (v23) : 0.324

- �1 (thermal expantion coefficient) : 0.0001119 1/C

- �2 (thermal expantion coefficient) : 0.0001119 1/C

e. Data Filler Properties

Berdasarkan contoh yang terdapat dalam basis data material Moldflow, untuk

mensimulasikan injection molding dengan material campuran antara polimer dan

serbuk padat, maka serbuk logam didefinisikan sebagai filler. Dalam kasus ini,

43

serbuk Fe-2%Ni dalam kondisi prealloyed. Oleh karena itu, Fe-2%Ni

didefinisikan sebagai satu kesatuan. Berdasarkan perhitungan yang terlampir

dalam Lampiran B, diperoleh persen berat Fe-2%Ni sebesar 88 %Wt. Dalam

simulasi ini, sifat mekanik lain dari filler didekati dengan sifat mekanik serbuk

besi (Fe) yang terdapat dalam basis data Moldflow.

IV.4.2 Basis Data Spesifikasi Mesin Injection Molding

Mesin injection molding yang digunakan adalah NISSEI seri PN-60.

Berikut adalah data yang diperlukan dalam basis data spesifikasi mesin yang

digunakan dalam simulasi:

a. Injection Unit

maximum injection stroke : 85 mm

maximum injection rate : 177cm3/s

machine screw diameter : 36 mm

b. Hydraulic Unit

maximum injection pressure : 169 MPa

intensification ratio : 10

machine hydraulic respon time : 0,2

c. Clamping Unit

maximum machine clamp force : 64.1 Ton.

IV.4.3 Basis Data Controller

Parameter operasi didefinisikan dalam basis data controller sebagai berikut:

- Fill time : 1,6 detik

- Stroke volume determination : Automatic

- Cooling time : 20 s

- Velocity/pressure (tergantung mana yang tercapai terlebih dulu) :

Velocity/pressure switch-over by % volume : 99 % Volume

Velocity/pressure switch-over by injection time : 1,6 s

- Packing/holding time : 20 s

- Pack/hold pressure profile :

44

Tabel IV.3 Packing/Holding Pressure Profile

Duration (s) % Filling Pressure

0 80

20 80

- Ambient temperature : 25 oC

- Melt temperature (temperatur nozel) : 167 oC

- Mold cavity temperature : 60 oC.

IV.5 Simulasi dan Analisis

IV.5.1 Deskripsi Model

Penjelasan model komponen yang digunakan dalam analisis ini adalah

sebagai berikut :

a. Model Komponen

Moldflow tidak disertai dengan interface pembuatan model yang baik. Oleh

karena itu model dibuat dengan perangkat lunak CAD lain. Dalam penelitian ini,

model dikerjakan dengan Solid Works 2004. Model tersebut kemudian di-import

ke dalam Moldflow dan didefinisikan dengan fusion elemen mesh. Gambar teknik

komponen yang dianalisis dalam penelitian ini terlampir pada Lampiran D,

sedangkan gambar model yang telah di-import dan didefinisikan dengan fusion

elemen mesh (model elemen hingga) diberikan pada Gambar IV.9.

b. Gating System

Dalam simulasi ini digunakan cetakan dengan dua rongga cetak. Gating system

didesain simetris untuk memperoleh aliran yang seimbang ke dalam kedua

rongga cetak tersebut. Dalam simulasi ini, lokasi gate disesuaikan dengan

percobaan injection molding yang telah dilaksanakan. Geometri sprue, runner,

dan gate diberikan pada Gambar IV.8.

45

Gambar IV.8 Gating System

c. Data Model Elemen Hingga

Gambar IV.9 Model Elemen Hingga

- Mesh type : fusion

- Jumlah rongga cetak : 2

- Jumlah total elemen : 12586 elemen

- Jumlah nodal : 6362 nodal

- Jumlah beam element : 18 (sprue, runner, dan gate)

46

- Volume komponen total (2 cavity) : 11 cm3

- Volume sprue, runner, dan gate : 1,57 cm3

IV.5.2 Hasil Simulasi

Dalam simulasi ini, input data di atas disimpan dalam user database

Moldflow. Tiga buah basis data dibuat, masing-masing basis data material,

spesifikasi mesin, dan controller. Basis data dalam Moldflow disimpan dengan file

berekstensi .udb (user database). Basis data lainnya mengikuti default basis data

Moldflow atau dibuat secara langsung pada waktu pemodelan dilaksanakan. Output

simulasi adalah sebagai berikut :

a. Filling Time

Gambar IV.10 Simulasi Filling Time

Hasil simulasi filling time diberikan pada Gambar IV.10. Dengan pendefinisian

input waktu pengisian selama 1,6 detik maka diperoleh bahwa keseluruhan

rongga cetak baru akan terisi dalam waktu 1,913 detik. Simulasi tersebut juga

menunjukkan material mengalir ke dalam kedua rongga cetak dengan seimbang.

Akan tetapi, hasil ini juga menunjukkan bahwa penentuan lokasi gate kurang

47

tepat karena menyebabkan lokasi yang terisi terakhir kali mengarah ke salah satu

sisi saja, yaitu pada bagian bawah rongga cetak. Hal ini dapat menyebabkan

overpacking, yaitu adanya bagian yang sudah terisi dan terkompresi lebih dengan

material sementara ada bagian lain yang masih mengalir. Terjadinya overpacking

dapat menyebabkan terjadinya warpage. Kondisi ini bisa diperbaiki dengan

memilih lokasi gate yang lebih baik sehingga diperoleh aliran dalam cetakan

yang lebih seimbang. Aliran pengisian cetakan yang baik adalah yang dapat

mengisi seluruh bagian terjauh secara bersamaan.

b. Pressure At V/P Switchover

Gambar IV.11 Plot Distribusi Tekanan pada Saat Terjadi V/P Switchover

V/P switchover adalah kondisi peralihan kontrol pergerakan mandrel yang

semula berdasarkan kecepatan injeksi beralih ke tekanan dalam nozel. Hasil

simulasi V/P switchover diberikan pada Gambar IV.11. V/P switchover pada

umumnya didefinisikan pada kondisi 99% volume rongga cetak telah terisi.

Dalam simulasi ini, V/P switchover didefinisikan dengan 99% volume dan waktu

injeksi 1,6 detik. Kedua kondisi ini akan digunakan salah satunya tergantung

mana yang tercapai lebih dulu. Hasil analisis menunjukkan bahwa V/P

48

switchover terjadi pada detik ke 1,6 dimana baru 91,48% volume rongga cetak

terisi [Lampiran C].

c. XY Plot of Pressure At Injection Location

Distribusi tekanan pada titik injeksi terhadap waktu diberikan pada Gambar

IV.12. Tekanan naik dengan sangat cepat pada saat pengisian rongga cetak.

Puncak tekanan yang terjadi adalah 81,78 MPa. Setelah itu tekanan dijaga

konstan hingga produk dalam rongga cetak membeku. Sesuai dengan pengaturan

pack/holding pada basis data controller, tekanan yang diperlukan untuk

penahanan selama pembekuan didefinisikan sebesar 80% tekanan maksimum

yaitu sebesar 65,42 MPa. Waktu pembekuan sesuai dengan yang ditentukan

dalam controller, yaitu selama 20 detik.

Gambar IV.12 Plot Distribusi Tekanan Terhadap Waktu pada Titik Injeksi

d. Pressure at End of Fill

Distribusi tekanan pada setiap lokasi pada akhir langkah injeksi diberikan pada

Gambar IV.13. Tekanan nozel pada saat akhir langkah injeksi adalah 65,42 MPa.

Tekanan pada rongga cetak sebelum terisi oleh cairan adalah nol (1 atm absolut).

49

Tekanan ini naik baru setelah terjangkau oleh muka aliran (flow front). Tekanan

ini terus naik seiring dengan semakin jauhnya posisi itu dari muka aliran. Cairan

dapat mengalir jika ada gradien tekanan. Oleh karena itu tekanan paling besar

adalah pada nozel. Pada akhir langkah injeksi, tekanan pada posisi terjauh harus

lebih dari nol agar material dapat mengisi seluruh rongga cetak. Udara dalam

rongga cetak terdorong ke luar dari rongga cetak dan tergantikan dengan

feedstock.

Gambar IV.13 Plot Distribusi Tekanan pada Akhir Injeksi

e. Volumetric Shrinkage At Ejection

Hasil analisis Volumetric shrinkage pada saat produk dikeluarkan dari cetakan

diberikan pada Gambar IV.14. Volumetric shrinkage yang terjadi adalah berkisar

antara 3,249% - 4,017%. Dari kisaran itu, distribusi volumetric shrinkage yang

terjadi pada rongga cetak kurang dari 3,4%. Sedangkan volumetric shrinkage

3,4% hingga 4,017% terjadi pada gating system. Kisaran shrinkage yang kecil

dan distribusi yang seragam ini menunjukkan bahwa produk hasil cetakan dapat

dikeluarkan dari rongga cetak dengan baik dan kecil kemungkinan terjadi

warpage dan defleksi.

50

Gambar IV.14 Plot Volumeric Shrinkage pada Setiap Titik

f. Air traps

Gambar IV.15 Plot Lokasi Kemungkinan Terjadi Shrinkage

51

Hasil analisis lokasi kemungkinan terjadi air traps diberikan pada Gambar IV.15.

Dalam simulasi ini, semua lokasi kemungkinan terjadinya udara terperangkap ada

di lokasi dengan geometri komplek. Produk hasil injeksi harus dicermati dari

kemungkinan adanya cacat ini, jika diperlukan dapat dilakukan venting untuk

mengalirkan udara keluar atau dengan diberikan air trapper, yaitu rongga kecil

pada ujung tempat terjadinya air trap yang berfungsi untuk menampung udara

yang terperangkap pada lokasi tersebut.

g. Clamp Force

Gambar IV.16 Plot Clamp Force Terhadap Waktu

Gambar IV.16 merupakan distribusi clamp force yang harus ditahan oleh

clamping unit terhadap waktu. Gambar insert menunjukkan lokasi pusat beban

cekam akibat proses pencetakan. Clamping unit berfungsi untuk menahan

tekanan pada rongga cetak pada tahap packing, yaitu penahanan tekanan dalam

rongga cetak setelah seluruh rongga cetak tersisi selama proses pembekuan.

Clamp force merupakan integral dari tekanan pada rongga cetak terhadap luas

bidang yang sejajar dengan clamping unit. Dalam simulasi ini, gaya pencekaman

naik dan mencapai puncaknya sebesar 8,6439 Ton pada akhir tahap packing.

52

h. Recommended Ram Speed

Kecepatan mandrel dalam mendorong material ke dalam cetakan tidak konstan

sepanjang proses injeksi berlangsung. Mandrel berjalan lambat pada awalnya,

kemudian meningkat ketika material mulai mengisi rongga cetak, dan kemudian

melambat kembali setelah rongga cetak sudah hapir penuh. Kecepatan mandrel

yang direkomendasikan selama proses pengisian cetakan diberikan pada Gambar

IV.17.

Gambar IV.17 Plot Rekomendasi Kecepatan Mandrel

i. Sink Index

Gambar IV.18 berikut merupakan prediksi terjadinya sink mark dan void. Sink

mark dan void bisa terjadi sebagai akibat dari geometri di sisi belakangnya. Suatu

lokasi dengan volume yang besar akan mengalami shrinkage lokal lebih besar

sehingga menyebabkan sisi di depannya mengalami void atau sink mark. Sink

index adalah suatu ukuran indikasi kemungkinan terjadinya shrinkage lokal yang

didasarkan pada perhitungan volume bagian yang telah dan yang belum

membeku dari waktu ke waktu. Sink index dipengaruhi oleh jenis material,

geometri, dan posisi relatif terhadap titik injeksi. Semakin tinggi sink index,

semakin tinggi kemungkinan terjadi shrinkage di lokasi itu. Pada simulasi ini,

53

diperoleh sink index nol dan merata di semua bagian. Hal ini menunjukkan

bahwa potensi terjadinya ketidakderagaman shrinkage sangat kecil. Hasil ini

sejalan dengan poin e (volumetric shrinkage at ejection) dimana shrinkage yang

terjadi cenderung seragam di seluruh bagian. Hal ini menunjukkan bahwa

terjadinya defleksi sebagai akibat dari ketidak seragaman shrinkage sangat kecil.

Gambar IV.18 Plot Distribusi Sink Index

j. Weld lines

Gambar IV.19 adalah hasil analisis prediksi lokasi terjadinya weld lines. Weld

lines adalah cacat yang terjadi ketika dua aliran bertemu. Dalam simulasi di atas,

prediksi lokasi weld lines terjadi pada permukaan atau pada rusuk bagian produk

dimana banyak terdapat variasi bentuk. Pada bagian tersebut terdapat core yang

menyebabkan aliran feedstock harus terpecah dan bertemu kembali untuk mengisi

penuh seluruh rongga cetakan. Geometri yang komplek pada bagian itu sangat

riskan dengan terjadinya weld lines apalagi jika tekanan pada waktu pengisian

terlalu kecil sehingga tidak cukup kuat memberikan tekanan pada aliran feedstock.

Hal ini dapat diatasi dengan memindahkan titik injeksi atau memvariasikan

tekanan injeksi sehingga diperoleh pola aliran yang lebih baik.

54

Gambar IV.19 Plot Lokasi Kemungkinan Terjadi Weld lines

k. % Shot Weight

Gambar IV.20 Plot % Shot Weight Terhadap Waktu

55

Gambar IV.20 adalah perkiraan berat feedstock dalam rongga cetak mulai dari

saat injeksi hingga membeku menjadi komponen solid. Selama proses injeksi

berlangsung, berat material yang telah mengisi rongga cetak bertambah seiring

dengan waktu. Hasil analisis ini menunjukkan persen berat material yang ada

dalam rongga cetak terhadap berat total keseluruhan komponen. Berat material

dalam analisis ini dihitung berdasarkan volume material yang ada dalam rongga

cetak dan berat jenis feedstock pada temperatur kamar.

l. Bulk Temperature

Gambar IV.21 Plot Bulk Temperature

Bulk temperature merepresentasikan energi yang dipindahkan pada suatu lokasi.

Hasil analisis bulk temperature diberikan pada Gambar IV.21. Bagian dengan

aliran yang kontinyu memberikan harga bulk temperature yang lebih tinggi,

sedangkan jika aliran berhenti pada suatu daerah maka bulk temperature akan

turun dengan cepat. Hasil simulasi ini menunjukkan bahwa bulk temperature

selama pengisian cetakan cenderung seragam. Bulk temperature yang seragam

menunjukkan bahwa shrinkage yang terjadi juga seragam. Oleh karena itu

kemungkinan terjadi warpage juga sangat kecil. Hal ini sejalan dengan hasil

56

sebelumnya, yaitu poin e (volumetric shrinkage at ejection) dan poin i (sink

index).

m. Temperature at Flow Front

Gambar IV.22 Plot Distribusi Temperatur Muka Alir

Plot temperature at flow front pada gambar IV.22 berikut ini menggambarkan

distribusi temperatur pada muka aliran pada berbagai tempat selama proses

pengisian rongga cetak. Temperatur ini merupakan temperatur muka alir saat

melewati lokasi yang bersangkutan. Dalam gambar ini terlihat bahwa temperatur

muka aliran yang paling kecil terjadi pada lokasi yang paling akhir terisi. Dalam

analisis ini tidak terjadi short shot, artinya temperatur muka alir pada seluruh

lokasi lebih besar dari temperatur transisi feedstock. Short shot adalah suatu

kejadian dimana temperatur muka alir lebih kecil dari temperatur transisi material,

akibatnya aliran akan terhenti sebelum semua rongga cetak terisi material.

Namun demikian, distribusi temperatur pada titik terjauh terlihat mengumpul di

satu tempat, yaitu pada lokasi berwarna biru. Hal ini masih dapat diperbaiki

dengan mengubah posisi gate sehingga temperatur pada posisi terjauh menjadi

tidak terlalu rendah.

57

n. Circuit Coolant Temperature

Cairan pendingin yang dipergunakan dalam simulasi ini adalah air (sudah

tersedia di dalam basis data Moldflow) dengan temperatur awal 25 oC dan

bilangan Renold 104. Sirkuit pendingin didesain menggunakan dua saluran

dengan saluran masuk dan keluar seperti pada Gambar IV.23. Diameter saluran

adalah 6 mm dengan kekasaran 0,05 mm. Hasil analisis pada Gambar IV.23

menunjukkan bahwa perbedaan temperatur air masuk dan keluar sangat kecil.

Hal ini menunjukkan bahwa desain sirkuit tersebut telah mencukupi untuk

kebutuhan pendinginan pada injection molding ini.

Gambar IV.23 Plot Distribusi Temperatur Cairan Pendingin

o. Circuit Metal Temperature

Plot distribusi temperatur pada permukaan saluran pendingin pada Gambar IV.24

di atas menunjukkan bahwa temperatur permukaan saluran yang paling besar

adalah pada daerah di dekat sprue. Hal ini menunjukkan bahwa pembuangan

panas yang paling besar terjadi di daerah tersebut.

58

Gambar IV.24 Plot Distribusi Temperatur Permukaan Sirkuit Pendingin

p. Deflection

Gambar IV.25 Plot Total Defleksi pada Setiap Posisi

59

Plot all effect deflection pada Gambar IV.25 menjelaskan prediksi deformasi

setiap titik pada keseluruhan model. Moldflow memberikan output secara best fit

overlay, yaitu geometri sebelum deformasi dan sesudah terjadinya deformasi

digambarkan secara bertumpukan dengan penempatan terbaik.

Dalam komponen yang dianalisis ini, bagian yang paling kritis adalah bawah

karena bagian komponen tersebut berpasangan dengan komponen lain. Jika

defleksi yang terjadi terlalu besar maka dapat mengganggu fungsi mekanisnya.

Dalam plot total defleksi pada arah sumbu Y (Gambar IV.26), terlihat bahwa

defleksi yang terjadi pada bagian tersebut cukup kecil, yaitu maksimal sebesar

0,0038 mm. Harga ini cukup kecil sehingga tidak akan mengganggu fungsi

komponen ini secara mekanis. Namun demikian, defleksi yang timbul pada saat

debinding dan sintering juga masih harus diantisipasi.

Gambar IV.26 Plot Defleksi Pada Arah Sumbu Y

IV.6 Diskusi

Beberapa hal penting yang perlu diperhatikan dari simulasi di atas

diantaranya:

60

a. Pesan error dalam analysis report summary

Dalam analysis report summary pada Lampiran C terdapat dua pesan

error sebagai berikut :

** WARNING 98321 ** The thermal conductivity of the polymer has the wrongorder of magnitude. The polymer thermal conductivityshould be about 0.1 W/m K. Please check the thermalconductivity of the polymer on the Thermal Propertiestab of the Thermoplastics Material properties dialog.

** WARNING 98361 ** The polymer mechanical properties are of the wrong orderof magnitude. The elastic modulus (E) should be about10^9 Pa, and Poisson's ratio (MU) for isotropic materialsshould be about 0.3 - 0.5.

Kedua pesan di atas, warning 98321 dan 98361, merupakan peringatan

yang disampikan oleh Moldflow karena harga input property material di luar kisaran

kewajaran sifat plastik.

Warning 98321 merupakan peringatan mengenai konduktifitas termal

yang tidak wajar. Harga konduktifitas termal plastik yang wajar adalah sekitar 0.1

W/mK. Dalam perhitungan, konduktifitas termal feedstock yang digunakan dalam

simulasi ini adalah 40 W/mC. Karena Moldflow membatasi kisaran harga

konduktifitas termal material antara 0–10 W/mC, maka dalam simulasi ini diinputkan

9,9 W/mC. Harga ini adalah harga paling besar yang bisa diinputkan ke dalam basis

data material Moldflow. Dengan harga yang masih dalam kisaran ijin Moldflow pun

peringatan tersebut muncul. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa peringatan

tersebut akan selalu muncul jika digunakan untuk mensimulasikan metal injection

molding. Hal ini sejalan dengan penelitian serupa [3] yang dilakukan oleh tim

peneliti dari CISP (Center for Innovatif Centered Product) – Pensylvania State

University.

Warning 98361 merupakan peringatan harga sifat mekanik yang tidak

wajar. Peringatan 98361 muncul karena input sifat mekanik feedstock dinilai jauh

melebihi kewajaran sifat mekanik polimer. Sama dengan peringatan 98321 di atas,

hal ini disebabkan Moldflow menjadikan sifat polimer sebagai acuan. Jika Moldflow

diberi input dengan harga yang terlalu besar maka Moldflow akan memberikan

peringatan seperti di atas. Oleh karena itu, peringatan seperti ini tidak bisa dihindari.

Namun demikian, besaran sifat mekanik tidak dibatasi oleh Moldflow sehingga tidak

akan mengganggu hasil analisis.

61

b. Pengaruh pembatasan kisaran input konduktifitas termal

Konduktifitas termal merupakan laju perpindahan panas per satuan

panjang per derajat Celcius secara konduksi. Sifat ini merupakan suatu ukuran

kemampuan material untuk mendisipasikan panas. Pembatasan kisaran input pada

basis data sifat material dalam Moldflow dapat menyebabkan perhitungan tidak

dilaksanakan dengan semestinya.

Menurut Tabel II.3, konduktifitas termal diperlukan baik untuk analisis

aliran maupun pendinginan. Oleh karena itu ouput hasil simulasi metal injection

molding dengan Moldflow pasti terpengaruh. Kesalahan input konduktifitas termal

dapat menyebabkan kesalahan perhitungan pendinginan, perhitungan viskositas,

perhitungan aliran, dan perhitungan pembekuan. Oleh karena itu, semua output

simulasi dapat terpengaruh.

Keterbatasan Moldflow ini juga ditemui oleh Binet [3] yang melakukan

penelitian serupa pada tahun 2005. Binet melakukan simulasi injection molding

Stainless Steel 316L dengan 35 Vol% binder, terdiri dari campuran polyethylene,

wax, dan lubricant. Selain melakukan simulasi dengan Moldflow, Binet melakukan

komparasi dengan eksperimen. Dalam studi komparasi tersebut, Binet membuktikan

bahwa simulasi Moldflow dapat merepresentasikan proses injeksi dengan baik. Oleh

karena itu, untuk mengetahui seberapa besar pengaruh kesalahan input konduktifitas

termal terhadap akurasi simulasi yang dihasilkan oleh Moldflow masih perlu diteliti

lebih jauh.

c. Perbaikan Sistem Cetakan

Dalam hasil analisis prediksi lokasi air traps dan weld lines terlihat

bahwa diprediksikan akan terjadi air traps dan weld lines pada rongga cetak bagian

bawah. Bagian tersebut merupakan bagian dengan geometri paling komplek karena

terdapat core dan banyak variasi geometri. Lokasi tersebut adalah lokasi dimana

terjadi pertemuan aliran feedstock dari arah yang berbeda karena sebelumnya

terpecah oleh core. Pada lokasi tersebut juga terjadi banyak perubahan arah aliran

feedstock, oleh karena itu lokasi tersebut memang rawan dengan air traps dan weld

lines. Untuk mengatasi hal ini maka diperlukan aliran dengan tekanan yang lebih

besar sehingga dapat mengurangi akibat adanya weld lines serta dapat lebih menekan

udara untuk keluar dari daerah tersebut.

62

Hasil analisis flow front temperature menunjukkan bahwa temperatur

muka alir pada lokasi yang diprediksikan akan terjadi air traps dan weld lines sudah

mendekati temperatur transisi. Pada kondisi itu, viskositas feedstock sangat tinggi.

Jika gradien tekanan pada saat feedstock mengisi lokasi tersebut terlalu kecil maka

aliran feedstock berjalan terlalu lambat. Aliran lambat tersebut berarti hanya mampu

menyebabkan shear rate yang rendah. Sesuai dengan sifat rheologis feedstock

(Gambar IV.6), jika shear rate terlalu rendah maka viskositas menjadi sangat besar.

Hal itulah yang menyebabkan mengapa pada lokasi ini menjadi sangat rawan dengan

terjadinya air traps dan weld lines. Hal itu semakin parah dengan banyaknya variasi

geometri sehingga aliran harus selalu berubah arah untuk dapat mengisi penuh

rongga cetak.

Akibat lain dari aliran yang buruk di atas adalah kemungkinan terjadinya

gradien densitas. Densitas pada lokasi tersebut lebih rendah dari densitas pada lokasi

lain yang terisi lebih dulu. Akibatnya, pada lokasi ini juga rawan terjadi defleksi pada

saat di-debinding dan sintering.

Untuk dapat memperbaiki kondisi di atas, harus diusahakan supaya

lokasi di daerah tersebut dapat terisi lebih cepat. Hal ini dapat dilakukan dengan

pemberian tekanan injeksi yang lebih besar atau dengan memindahkan lokasi injeksi

ke lokasi yang lebih optimal. Pemberian tekanan injeksi yang lebih besar akan

memperbesar kemungkinan terjadinya fenomena jetting yang dapat mengakibatkan

terjadinya air traps dan weld lines pada lokasi dekat gate. Oleh karena itu,

pemindahan lokasi gate lebih baik.

Pada analisis filling time (Gambar IV.10) terlihat bahwa aliran pada

lokasi terjauh dari titik injeksi berlangsung tidak seimbang. Rongga cetak bagian atas

telah terisi terlebih dulu sementara rongga cetak bagian bawah belum terisi. Oleh

karena itu, lokasi titik injeksi dapat diturunkan untuk memperoleh pola pengisian

cetakan yang lebih seimbang. Penentuan lokasi terbaik dapat dilakukan dengan

Moldflow. Hasil analisis penentuan lokasi titik injeksi terbaik (best gate location)

pada model di atas adalah seperti pada Gambar IV.27.

Hasil analisis lokasi titik injeksi terbaik ditunjukkan pada lokasi dengan

warna biru pada Gambar IV.27. Oleh karena itu, untuk mengurangi kemungkinan

terjadinya air traps dan weld lines serta untuk mengurangi terjadinya short shot pada

63

lokasi tersebut maka lokasi gate perlu dipindah ke bawah (mendekati lokasi dengan

warna biru). Dengan demikian diharapakan lokasi terjadinya air traps dan weld lines

dapat terisi lebih cepat, dengan tekanan yang lebih besar, dan dengan viskositas yang

lebih rendah.

Gambar IV.27 Hasil Analisis Best Gate Location

Titik injeksi optimal

Titik injeksi awal