HPDC (High Pressure Die Casting)

1.1 Sejarah perkembangan HPDC

Proses pengecoran merupakan metoda tertua dalam pembuatan produk logam. Pada

awalnya proses pengecoran (masih digunakan hingga sekarang), cetakan atau

pembentuk dipecahkan atau dirusak setelah pembekuan agar produk dapat

dikeluarkan dari cetakan. Penggunaan cetakan permanen yang dapat memproduksi

jumlah yang tidak terbatas tanpa merusak cetakan merupakan salah satu alternatif

pemecahan.

Pada abad pertengahan para pengrajin menggunakan cetakan besi untuk

memproduksi perkakas (gambar 1).

(Input Gambar 1)

Gambar 1 (a) Komponen dari hasil pengecoran dilapisi zinc dan dipolish

(b) Conector housing, komponen dengan keakurasian tinggi

Informasi tentang revolusi dibidang pengecoran terjadi pada saat Johannes

Gutenberg mengembangkan sebuah metoda untuk membuat tipe penggerak dengan

produksi massal dengan cetakan logam permanen. Teknik ini terus mengalami

perkembangan. Pada akhir abad 19, proses pengecoran dikembangkan dengan cara

menginjeksikan logam kedalam cetakan (metal dies) dengan menggunakan tekanan.

Perkembangan ini mencapai puncaknya ketika Ottmar Mergantler membuat mesin

linotype.

H. H. Doehler diberikan penghargaan untuk mesin produksi die casting (Doehler,

1910) yang memproduksi komponen logam dengan volume tinggi, ditunjukkan pada

gambar 1, data diagram dengan paten 973,483 (gambar 1). Pada awalnya hanya

paduan Zinc yang digunakan pada die casting, namun permintaan akan logam lain

memicu pengembangan material die dan variasi proses. Tahun 1915, Aluminium

digunakan pada die casting dengan jumlah banyak. Pengembangan berlanjut selama

berabad-abad membawa peningkatan kemampuan proses dan integritas komponen

die casting.

(INPUT GAMBAR 2)

Gambar 2 Paten diagram filed Dohler untuk mesin die casting

1.2 Konvensional HPDC

Konvensional die cast secara tradisional hanya digunakan untuk memproduksi

komponen-komponen kecil namun dari penelitian sebelumnya membuktikan teknik

ini juga digunakan untuk memproduksi komponen-komponen besar seperti

kerangka pintu mobil atau housing transmisi. Konvensional die cast juga dapat

digunakan untuk berbagai sistem paduan dengan titik lebur rendah termasuk

aluminium, zinc, magnesium, timah hitam, dan perunggu (Fredriksson dan Akerlind,

2006). Pada prinsipnya HPDC adalah mendorong logam cair pada shot tube ke

dalam cetakan dengan tekanan, tekanan ini dapat mencapai 100 MPa. Pada tabel 1

ditunjukkan tekanan yang digunakan untuk beberapa jenis part (Brown, 1999).

Tabel 1 Pedoman angka untuk pengecoran bertekanan

(BUAT TABEL 1)

1. 3 Konstruksi Cetakan (Die Construction)

Cetakan atau perkakas die casting dibuat dari paduan tool steel terdiri dari dua

bagian, fixed die half atau cover half, dan ejector die half, untuk mengeluarkan

benda cor. Pada cetakan modern mempunyai penggerak luncur, inti atau potongan-

potongan untuk membuat lubang, ulir dan bentuk lain yang diinginkan dalam

pengecoran. Lubang saluran turun pada fixed die half merupakan tempat lewatnya

logam cair sebelum memasuki cetakan dan mengisi rongga cetakan. Ejector half

biasanya terdiri dari saluran dan pintu masuk (inlet) yang mengalirkan logam cair

ke rongga cetakan. Pin pengunci berfungsi untuk mengamankan kedua bagian,

membantu dalam mengeluarkan benda cor, dan membuka cairan pendingin dan

pelumas.

Saat cetakan ditutup, kedua bagian cetakan dikunci dan disatukan dengan tekanan

mesin hidrolik. Permukaan dimana ejector dan fixed half disatukan disebut "die

parting line." Total luas permukaan area proyeksi benda cor diukur pada die parting

line, dan tekanan yang dibutuhkan mesin untuk menginjeksi logam ke rongga

cetakan menentukan besar gaya cekam mesin.

Pada HPDC terdapat empat jenis die (NADCA, 2004):

1. Single cavity untuk produksi satu komponen (gambar 3a)

2. Multiple cavity untuk produksi sejumlah komponen yang identik (gambar 3b)

3. Unit die untuk produksi komponen dengan bentuk yang berbeda pada satu

waktu (gambar 3c)

(INPUT GAMBAR 3A)

Gambar 3 a. Single cavity, b. Multiple cavity, c. Unit die

4. Die kombinasi untuk menghasilkan beberapa part yang berbeda untuk sebuah

rakitan (gambar 4)

(INPUT GAMBAR 4)

Gambar 4 Combination die

Untuk lebih jelasnya pada lampiran 1-5 ditunjukkan berbagai jenis mesin yang

digunakan pada proses HDPC (NADCA, 2004).

1.4 Proses pada HPDC

Konvensional die casting mempunyai dua proses dasar: proses hot chamber dan

proses cold chamber.

1.4.1 Proses Hot Chamber

Gambar 5 menunjukkan skema mesin pengecoran hot chamber.

(INPUT GAMBAR 5)

Gambar 5 Skema mesin pengecoran Hot chamber

Mesin hot chamber dapat beroperasi dengan cepat dengan waktu siklus bervariasi

dari kurang dari satu detik (untuk berat komponen kurang dari beberapa gram)

hingga 30 detik (untuk komponen dengan berat beberapa kilogram).

(INPUT GAMBAR 6)

Gambar 6 Skema siklus operasi hot chamber

Siklus dasar pengoperasian seperti berikut (gambar 6): (i) cetakan ditutup dan

saluran gooseneck diisi dengan logam cair, biasanya proses pengisian berkisar

antara 5 hingga 40 msec; (ii) plunger mendorong logam cair melalui saluran

gooseneck dan nozzle; (iii) cetakan dibuka dan inti dimundurkan; logam cor tinggal

pada ejector die; plunger kembali keposisi semula, menarik logam cair kembali

melalui nozzle dan gooseneck; (iv) pin ejector mendorong benda cor keluar dari

ejector die. Plunger membuka lubang inlet, logam cair mengisi silinder gooseneck.

Hot chamber die casting biasanya digunakan untuk logam dengan temperatur cair

yang rendah dan logam yang tidak bereaksi membentuk paduan dengan logam die

(baja) seperti timah hitam, timah putih dan zinc (eFunda, 1999). Logam dengan

temperatur leleh tinggi seperti paduan aluminium menyebabkan degradasi secara

cepat pada sistem injeksi logam. Mesin hot chamber ini gambaran lengkapnya dapat

dilihat pada lampiran 2.

1.4.2 Proses Cold Chamber

Mesin cold chamber die casting (lampiran 1) khusus digunakan untuk komponen die

cast yang menggunakan perunggu dan paduan aluminium.

(INPUT GAMBAR 7)

Gambar 7 Skema mesin pengecoran cold chamber

Gambar 7 menunjukkan sebuah ilustrasi mesin cold chamber, sistem injeksi logam

hanya dalam waktu singkat bersentuhan dengan logam cair. Logam cair dituang

dengan menggunakan ladel (sendok) ke shot sleeve untuk setiap siklusnya. Saluran

die dan ujung piston disemprot dengan dengan oli atau pendingin agar terlindungi.

Perlakuan ini memperpanjang umur bahan die dan mengurangi adhesi pada

pembekuan komponen.

Untuk semua proses pengecoran mempunyai siklus produksi yang sama, pada

gambar 8 ditunjukkan ilustrasi model siklus menggunakan proses die casting cold

chamber. Siklus operasi sebagai berikut: (a) Cetakan ditutup dan logam cair dituang

pada cold chamber cylinder; (b) kemudian dengan cepat plunger mendorong logam

cair; (c) ke dalam cetakan dengan tekanan tinggi; (d) tekanan tinggi dipertahankan

selama proses pembekuan; (e) setelah pembekuan selesai, cetakan dibuka, plunger

mendorong terak beku keluar silinder (f), jika terdapat inti, inti dimundurkan, pin

ejector mendorong komponen keluar dan plunger kembali ke posisi awal. Proses ini

sangat berguna untuk logam dengan temperatur cair tinggi seperti aluminium dan

tembaga (dan paduannya).

(INPUT GAMBAR 8)

Gambar 8. Siklus pengecoran untuk cold chamber die casting

1.5 Sistem Injeksi Logam Cair

Pada proses HPDC terdapat dua jenis sistem injeksi yaitu (Campbell, 1991):

1.Horizontal Injection

Sistem injeksi ini terdiri dari tiga tahapan utama: i) piston dengan akselarasi

terkontrol mendorong logam cair dari shot sleeve; ii) pengisian rongga cetakan

dengan cepat; iii) penahanan dengan tekanan tinggi

2.Vertical injection

Sistem ini pertama kali didesain oleh Joseph Polak, seorang insinyur

berkebangsaan Ceko pada tahun 1920. Desain yang lebih modern

menggunakan vakum untuk mengisi shot sleeve (gambar 9), desain ini

memiliki beberapa kelebihan yaitu kualitas logam cair yang lebih baik pada

pengisian shot sleeve dan pengontrolan yang lebih baik pada pengisian logam

cair pada rongga cetakan. Namun sistem ini juga memiliki kekurangan yaitu

biaya perawatan lebih mahal.

(INPUT GAMBAR 9)

Gambar 9. Skema sistem injeksi a) horizontal injection; b) vertical injection

1.6 Die Coating

Refraktory die coatings tidak digunakan pada pengecoran bertekanan karena

perpindahan panas yang tinggi dibutuhkan untuk mendinginkan logam cor

dengan cepat dan memenuhi waktu siklus pengecoran dengan cepat. Namun

cetakan harus disemprot diselang waktu pengisian dengan lubricant. Pada siklus

cetakan dengan temperatur tinggi (250-300ºC) dan dengan interval injeksi logam

cair pada tekanan tinggi, logam cair akan merusak dan mengelas cetakan baja.

Lubricant diperlukan untuk melindungi cetakan dari kerusakan metalurgi dan

erosi, dan juga melumasi saluran, inti, dan ejector pin untuk mecegah kerusakan.

Pelapisan juga harus memiliki fungsi sebagai pendingin, pada pressure die

casting terdapat dua jenis lubricant (Brown, 1999):

1.Lubricant untuk mekanis

Lubricant berbahan dasar air dan minyak dalam bentuk grafit dan non grafit.

Lubricant padat diinjeksikan pada cold chamber dengan Power Lube PL300

penggunaan biasanya 0.5-2.5 gram dan bergantung terhadap ukuran piston

dan berat logam cor.

2.Lubricant untuk permukaan cetakan.

Ada banyak produk kimia yang dapat digunakan untuk pelumasan permukaan

cetakan seperti:

Aluminium SL-7562 untuk medium dan heavy duty aluminum casting

SL-7577 untuk heavy duty aluminum casting

1.7 Fluiditas logam cair pada HPDC

Fluiditas adalah maksimum jarak yang ditempuh logam cair pada cetakan standar

(Campbell, 1991). Sumber lain (Han dan Xu, 2005) mendefinisikan bahwa fluiditas

adalah pengukuran secara empiri seberapa jauh jarak aliran logam cair yang

mengalir pada saluran tertentu sebelum terhenti akibat pembekuan.

(INPUT GAMBAR 10)

Gambar 10. Grafik hubungan Fluidity length dan solidus temperatur (Han dan Xu, 2005)

Peneltian Han dan Xu, 2005, menggunakan dua metoda dalam mengukur fluiditas

pada HPDC yaitu dengan Ragone Test dan Die Casting Conditions, hasilnya panjang

fluiditas berkurang seiring bertambahnya temperatur solidus paduan (gambar 10),

hal ini merupakan suatu hal yang unik pada HPDC karena tekanan tinggi digunakan

untuk menginjeksi logam cair ke dalam rongga cetakan, logam cair dapat mengalir

pada fraksi solid tinggi dibandingkan pada kondisi die casting normal.

1.8 Kelebihan dan kekurangan HPDC

Konvensional die casting merupakan proses yang efisien dan ekonomis dengan

penggunaan yang optimal produknya dapat menggantikan komponen sejenis yang

diproduksi dengan berbagai proses manufaktur. Penggabungan cetakan menjadi

satu mengurangi biaya dan upah buruh. Proses ini akan menguntungkan jika jumlah

komponen yang dicor melebihi 5000 hingga 10000. Umur cetakan HPDC bervariasi

dari 8000 kali pengecoran untuk perunggu dan 800.000 kali pengecoran untuk

paduan zinc. Berikut keuntungan dan kerugian metoda ini (Jorstad, 2003):

Tabel 2 Kelebihan dan kekurangan proses HPDC

Keuntungan Kekurangan

Proses sangat cepat,

Dapat membuat komponen

sangat tipis dan rumit

Tingkat presisi tinggi

dibandingkan dengan

proses konvensional

Hanya memerlukan sedikit

pengerjaan untuk finishing

Part inset dapat digunakan

pada awal proses contoh

bearing dan baut

Biaya bengkel sangat

mahal karena penggunaan

tekanan tinggi dan thermal

fatigue tinggi

Proses pengisian sangat

cepat mengakibatkan

aliran turbulen yang dapat

menyerap gas dalam

jumlah besar

Komponen dengan

menggunakan inti biasanya

sangat sulit untuk dicor.

Hanya dapat mengecor

logam dengan titik lebur

rendah.

1.9 Permasalahan pada Konvensional Die Casting

Pada pasar global saat banyak produk yang dihasilkan dari die casting konvensional.

Namun teknik ini mempunyai keterbatasan untuk penggunaan dalam skala yang

lebih besar yaitu adanya kecenderungan mengalami cacat porositas.

Porositas membatasi penggunaan proses die casting konvensional untuk

menghasilkan komponen. Pressure vessel harus bebas dari kebocoran. Hal ini

hampir tidak dapat dipenuhi pada proses ini, lebih lanjut pendeteksian porositas

sangat sulit.

Porositas disebabkan oleh dua sumber: penyusutan selama pembekuan dan gas

yang terjebak. Pada umumnya paduan memiliki densitas yang lebih tinggi pada

keadaan padat dibanding pada keadaan cair sehingga terbentuk shrinkage porosity

pada pembekuan. Pengisian saluran yang mengakibatkan aliran turbulen menjebak

gas-gas dan membentuk porositas. Parameter lain yang dapat menyebabkan

porositas adalah temperatur furnace, temperatur die, kecepatan plunger, dan

kenaikan tekanan (Tsoukolas dkk, 2004).

Penelitian lain menyebutkan adanya pengaruh tebal dinding cetakan terhadap

pembentukan porositas dimana persentasenya berkurang dengan bertambahnya

ketebalan dinding. Berikut grafik hubungan ketebalan dinding dan persentase

porositas dari beberapa bahan (AZ91, AM50, MR1153M) (Aghion dkk, 2007):

(INPUT GAMBAR 11)

Gambar 11. Grafik hubungan tebal dinding cetakan dan persentase porositas

Pada dinding tipis, logam cair mengalami aliran turbulensi tinggi menambah

porositas yang disebabkan gas dan penyusutan

Porositas mempengaruhi sifat-sifat mekanis komponen die cast, cacat ini

menyebabkan konsentrasi tegangan dan mengawali retak. Banyak penelitan

dilakukan untuk mempelajari variasi porositas dengan berbagai kondisi operasi

(Lindsey dan Wallace, 1972), (Vinarcik dan Mobley, 1992). Beberapa metoda telah

dikembangkan untuk memperhitungkan porositas pada komponen die cast (Gordon

dkk, 1991), total porositas yang ada pada komponen ditentukan dengan persamaan:

%P=(penyusutan pembekuan)+(kontribusi gas)...........(1)

yang kemudian didefinisikan:

................................................(2)

Dimana:

%P = persen porositas (%)

β = faktor penyusutan pembekuan (%)

V* = volume cairan dalam saluran yang tidak mensuplai logam cair selama

pembekuan (cm3)

Vc = volume saluran pengecoran (cm3)

T = Suhu gas selama pembekuan (atm)

P = Tekanan yang digunakan pada saat pembekuan (atm)

Φ = fraksi gas yang tidak menyebabkan porositas penyusutan pembekuan

ρ = Densitas logam cair pada temperatur cair (gr/cm3)

ν = jumlah gas yang terkandung dalam logam cor pada temperatur standard dan

kondisi tekanan (273K pada 1 atm) (cm3/100gr paduan)

ν* = Batas kelarutan gas dalam padat pada temperatur solidus dengan temperatur

standar dan kondisi tekanan (cm3/100gr paduan)

Bagian pertama dari persamaan diatas adalah hubungan porositas selama

penyusutan pembekuan. Bagian kedua pada persamaan 2 menggambarkan

porositas gas yang terjebak. Total gas yang terkandung pada logam cor termasuk

gas dari jebakan fisik, gas dari dekomposisi lubrikan dan gas yang larut dari

paduan. Hubungan ini dapat digambarkan secara matematis,

ν = νEntrained + νLube + νSoluble gas .........................................(3)

Masing-masing kontribusi gas pada persamaan 3 dibuat dalam cm3 pada temperatur

standar dan kondisi tekanan per 100gr paduan.

Perhitungan persentase porositas juga dilakukan oleh Tsoukolas dkk, 2004 dengan

metode pendekatan Taguchi dan percobaan berikut persentase kontribusi masing-

masing parameter (temperatur furnace, temperatur die, kecepatan plunger, dan

kenaikan tekanan) terhadap porositas logam cor:

Tabel 3 Persentase kontribusi variabel terhadap porositas

(BUAT TABEL 3)

Sebagai tambahan struktur mikro pada die casting konvensional tidak dapat

memenuhi syarat mekanis yang dibutuhkan untuk beberapa aplikasi. Perlakuan

panas yang dapat mengubah struktur mikro tidak dimungkinkan karena kerusakan

terjadi selama proses thermal. Oleh karena keterbatasan ini para insinyur beralih ke

proses lain seperti investment casting, forging, injection moulding, dan perakitan

untuk memenuhi persyaratan mekanis walau proses ini lebih mahal dibanding

konvensional die casting, pada biaya material dan waktu proses.

1.10 Strategi Memperbaiki Kemampuan Die Casting

Beberapa usaha telah dibuktikan dalam memperluas kemampuan conventional die

casting dengan waktu siklus singkat, kestabilan ukuran dan beberapa keuntungan

lainnya. Ada tiga strategi yang dapat memperbaiki kemampuan proses die casting:

1. Mengurangi atau menghilangkan pengaruh gas-gas yang terjebak.

2. Mengurangi atau menghilangkan penyusutan pembekuan.

3. Mengubah struktur mikro logam.

Strategi satu dan dua mempengaruhi terhadap jumlah porositas seperti pada

persamaan 1. Strategi ketiga mengacu pada sifat mekanis dengan memodifikasi

struktur dasar komponen logam cor. Komposisi kimia paduan berpengaruh terhadap

morfologi, dan hubungan porositas pada logam cor (Lee dan Gokhale, 2006)

1.11 Proses High Integrity Die Casting

Proses die casting dengan integritas tinggi yang telah berhasil dikembangkan dan

digunakan untuk produksi komersil dengan skala besar adalah vacuum die casting,

squeeze casting dan semi-solid metalworking (Jorstad, 2003).

Vacuum die casting menggunakan pengontrol vakum untuk mengekstrak gas-gas

dari saluran cetakan dan sistem saluran turun selama proses injeksi. Proses ini

meminimalkan jumlah νentrained dan νLube seperti pada persamaan 3.

Squeeze casting dicirikan dengan penggunaan daerah pengisian yang luas. Pada

proses vacuum die casting dirancang untuk meminimalkan jumlah νentrained dan νLube

dengan mekanisme yang berbeda. Pengisian secara planar membuat gas-gas lepas

dari cetakan melalui ventilasi yang tetap terbuka selama injeksi logam cair. Daerah

pengisian yang luas membuat tekanan dapat dipertahankan selama pembekuan,

mengurangi besaran V* seperti pada persamaan 2. Porositas akibat gas yang

terjebak dan penyusutan selama pembekuan dapat berkurang dengan squeeze

casting.

Pengerjaan logam semi-solid adalah proses yang paling rumit pada proses high

integrity die casting. Selama proses campuran setengah solid dan setengah liquid

diinjeksi ke dalam saluran cetakan. Pengisian secara planar meminimalkan gas yang

terjebak seperti pada proses squeeze casting. Penyusutan selama pembekuan

menjadi sangat berkurang karena logam yang diinjeksi telah berbentuk padat.

Porositas pada proses ini sesuai dengan persamaan 1. Dengan mengurangi porositas

struktur mikro yang unik dibentuk selama proses pengerjaan logam dengan sifat

mekanis lebih baik dibanding proses die casting biasa.

1.12 Perbandingan Die Casting dengan proses lainnya

Die casting vs. plastic molding - Die casting menghasilkan komponen yang lebih

kuat dengan toleransi yang hampir sama dengan kestabilan dan umur pakai lebih

lama. Komponen dari pengecoran lebih tahan terhadap temperatur ekstrem dan

sifat listrik paling baik..

Die casting vs. sand casting - Die casting dapat memproduksi komponen tipis,

ukuran yang tepat dan permukaan yang halus. Waktu produksi cepat dengan upah

buruh per casting lebih rendah. Biaya untuk finishing juga rendah.

Die casting vs. permanent mold – mempunyai kelebihan yang sama dengan

permanent moulding.

Die casting vs. forging - Die casting dapat membuat komponen dengan bentuk

kompleks, toleransi ketat, dinding tipis dan biaya finishing rendah. Lubang dengan

inti tidak terdapat pada forging.

Die casting vs. stamping - Die casting dapat membuat komponen dengan ketebalan

yang bervariasi.

Die casting vs. screw machine products - Die casting dapat membuat komponen

dengan bentuk yang sulit atau hampir tidak mungkin dari batangan logam dengan

tanpa penyetingan perkakas. Proses die casting lebih sedikit operasi dan bahan

yang terbuang.

Referensi

Aghion, E., Moscovitch, N. dan Arnon, A., 2007, “The Correlation Between Wall

Thickness and Properties of HPDC Magnesium Alloys”, Material Science and

Engineering, Elsevier, vol.10, pp. 341-346

Brown, J. R., 1999, “Fonseco Non-Ferrous Foundryman’s Handbook”,

Butterworh-Heinemann, Edisi 11

Campbell, J., 1991, “Casting”, Butterworh-Heinemann, pp. 74

Doehler, H., 1910, ”Art of and Apparatus for Casting Fluid Metal”, United States

Patent 973,473, United States Patent and Trade Mark Office, Washington, D.C.

eFunda (Engineering Fundamentals) (1999) Die Casting. Retrieved 15

November 2004. From

http://www.efunda.com/processes/metal_processing/die_casting.cfm

Fredriksson, H., dan Akerlind, U., 2006, “Component Casting”, Material

Processing during Casting, John Wiley & Sons, Ltd.

Lee, S. G. dan Gokhale, A. M., 2006, “Visualization of Three-dimensional Pore

Morphologies in a High-Pressure Die Cast Mg-Al-RE Alloy”, Scripta Materialia,

Elsevier, vol. 56, pp. 501-504

Lindsey, D., dan Wallace, J., 1972, “Effect of Vent Size and Design, Lubricant

Practice, Metal Degassing, Die Texturing and Filling of Shot Sleeve on Die

Casting Soundness”, Proceedings 7th International Die Casting Congress, pp. 1-

15.

Han, Q., dan Xu, H., 2005, “Fluidity of Alloys Under High Pressure Die Casting

Condition”, Scripta Materialia, Elsevier, vol. 53, pp.7-10.

Jorstad, L. J., 2003, “High Integrity Die casting Process Variations”, International

Conference on Structural Aluminum CastingNov 2-4, Orlando FL

NADCA (North American Die Casting Association) (2004) Retrieved 17

November. 2004. From http://www.diecasting.org .

Tsoukalas, V. D., Mavrommatis, St. A., Orfanoudakis, N. G. dan Baldoukas, A. K.,

2004, “A Study of Porosity Formation in Pressure Die Casting Using the Taguchi

Approach”, Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers, ProQuest,

vol.218, pp. 77

Vinarcik, E., dan Mobley, C., 1992, “Decomposition and Gasification

Characteristics of Die Casting Plunger Lubricants”, Report No.ERC/NSM-TB-91-

04-C, The Ohio State University Engineering Research Center for Net Shape

Manufacturing.

Bibliographi

www.diecasting.org/faq about die casting.htm

Lampiran 1

Lampiran 2

Lampiran 3

Lampiran 4

Lampiran 5

Lampiran 6