Proses Manufaktur Sudu Turbin Gas dengan Pengecoran Presisi (Investment Casting)

1. Pendahuluan

Sudu turbin gas pada mesin pesawat terbang dan pembangkit tenaga listrik adalah suatu

komponen kompleks yang dimanufaktur dengan geometri , sturktur dan toleransi yang sangat

presisi. Sudu turbin tekanan tinggi digunakan pada bagian turbin gas dengan suhu tertinggi

bahkan memerlukan suatu proses pendinginan (cooling) terintegrasi. Sudu turbin adalah

bagian yang sangat penting dalam suatu turbin gas,laksana suatu insang pada ikan.

2. Fungsi Sudu Turbin

Sebagaimana dikatakan di atas, sudu turbin digunakan pada turbin gas yang digunakan pada

pendorong pesawat terbang dan system pembangkit tenaga listrik di atas tanah (land based

power generation). Turbin terdiri dari saluran masuk udara, kompresor, ruang bakar, bagian

turbin dengan tekanan tinggi dan rendah, dan saluran buangan (exhaust ). Turbin gas

beroperasi pada suatu prinsip yang sederhana yaitu mengkonversikan energy panas (heat)

menjadi energy mekanik dengan menyedot sejumlah udara yang sangat besar, memampatkan

sampai tekanan yang tinggi, mencampurkan udara termampatkan itu dengan bahan bakar

kemudian membakarnya. Yang kesemua pekerjaan penekanan dan pengekspansian dilakukan

oleh sudu turbin.

3. Perancangan (Design) SuduTurbin

Sudu turbin dirancang dengan beberapa banyak pertimbangan seperti geometri yang aero-

properties yang berhubungan sifat fluida kerja: temperatur, tekanan, dan kecepatan. Selain itu

juga bergantung pada pemilihan bahan yang tepat yang dipengaruhi oleh beban yang bekerja

seperti puntiran (akibat putaran yang sangat tinggi). Sehingga baik geometri, material dan

dimensi juga harus diperhitungkan dengan sangat presisi.

Efisiensi termodinamik adalah suatu parameter yang penting dalam mendesain sudu-sudu

turbin gas yang perancangannya dengan beberapa parameter dan rumus-rumus yang kompleks.

Para

Engineering designer berupaya untuk memaksimalkan temperatur operasi pada turbin atau

lebih khusus lagi pada bagian turbin yang bertekanan tinggi meskipun ada batasan-batasan yang

tergantung pada kekuatan material. Turbin tersusun dari ratusan sudu yang berputar dengan

kecepatan yang sangat tinggi. Selain itu, sudu turbin juga didesain memiliki saluran pendingin

internal (berupa lubang-lubang), seperti tampak pada gambar1 dan 2 yang menambah

kepresisian pembuatannya.

Gambar 1.Sebuah sudu turbin dengan bebera pasaluran pendingin

Tegangan operasi (puntiran dan lelah/ fatigue) dan temperature operasi juga sangat tinggi yang

berakibat mengurangi umur kerja (life cycle) dari sudu. Saat ini, para desainer telah berhasil

membuat sudu turbin dengan kinerja optimal yang dilakukan melalui suatu eksperimen yang

kontinu, proses manufaktur yang tepat dan penggunaan material yang tepat pula.

4. Bahan untuk Sudu Turbin

Pemilihan bahan untuk suatu komponen mesin bergantung pada beban apa yang akan

ditanggung oleh bahan tersebut. Sebagaimana dijelaskan di atas, sudu turbin mengalami

beberapa beban seperti: beban lelah akibat puntiran jangka panjang, beban temperatur dan

tekanan yang sangat tinggi,dll. Sejumlah material logam campuran (alloys) telah

dikembangkan untuk penggunaan tertentu seperti sudu turbin gas. Saat ini material yang

digunakan adalah palladiumalloys. Alloys tersebut bergantung pada material logam tambahan

seperti molybdenum dan tungsten. Juga sejumlah persen tambahan berupa platinum untuk

menambah sifat material yang lebih baik lagi. Selain itu, pemilihan material juga diperkirakan

terhadap proses manufaktur dan biaya (cost).

Dari beberapa eksperimen, palladium alloys biasanya sangat cocok untuk kondisi temperature

di atas 1.075 derajat Celcius

5. Proses Manufaktur Sudu Turbin

5.1 Pengecoran (Casting)

Secara umum pengecoran adalah proses pembuatan suatu komponen dengan cara

mencairkan material logam dan menuangkannya kedalam suatu cetakan yang sesuai.

Cetakan yang biasa digunakan terbuat dari benda-benda tahan panas seperti pasir dan

keramik. Proses pengecoran ada beberapa macam. Namun dalam hal ini, kita akan

membahas proses pengecoran pada sudu turbin yaitu pengecoran presisi (investment

casting). Dalam proses pengecoran ini pola dibuat dari lilin yang dilapisi dengan bahan

tahan api untuk membuat cetakan, setelah sebelumnya lilin tersebut mencair terlebih

dahulu dan dikeluarkan dari rongga cetakan. Pola lilin dibuat dengan cetakan

induk (master die), dengan cara menuang atau menginjeksikan lilin cair ke dalam

cetakan induk tersebut.

Gambar 2Tahapan pengecoran presisi

Tahapan pengecoran presisi : (Gambar 2)

1. Pola lilin dibuat

2. Beberapa pola ditempelkan pada saluran turun (sprue) membentuk pohon bola

3. Pohon pola dilapisi dengan lapisan tipis bahan tahan api

4. Seluruh cetakan terbentuk dengan menutup pola yang telah dilapisi tersebut dengan bahan

tahan api sehingga menjadi kaku

5. Cetakan dipegang dalam posisi terbalik, kemudian dipanaskan sehingga lilin meleleh dan

keluar dari dalam cetakan;

6. Cetakan dipanaskan kembali dalam suhu tinggi, sehingga semua kotoran terbuang dari

cetakan dan semua logam cair dapat masuk kedalam bagian-bagian yang rumit, disebut

proses preheating

7. Setelah logam cair dituangkan dan membeku cetakan dipecahkan, dan coran dilepaskan dari

sprue-nya. Pengecoran presisi dilakukan pada sudu turbin dengan alasan sebagai berikut:

a.Dapat membuat coran dalam bentuk yang rumit;

b.Ketelitian dimensi sangat baik (toleransi ± 0.076 mm);

c.Permukaan hasil coran sangat baik;

d.Lilin dapat didaur ulang;

e.Tidak diperlukan pemesinan lanjut

5.2 Pengecoran Presisi pada Sudu Turbin

Dengan segala kerumitan geometri dan fungsi sudu turbin, maka sudu turbin juga dimanufaktur

dengan presisi. Pengecoran adalah cara yang paling tepat untuk memanufaktur sudu turbin.

Pengecoran sudu turbin dilakukan sbb:

a.Pengisi (core) berupa keramik diletakkan sedemikian rupa ke dalam pola cetakan untuk

nantinya menjad ibagian saluran pendingin pada sudu.

b.Wax (lapisan lilin) dimasukkan kedalam cetakan untuk menghasilkan bentuk awal sudu.

Gambar 3

Skema dari suatu bidang potongan pada cetakan menunjukkan keramik pengisi (cores) di lapisan lilin (wax) dan cetakan cangkang keramik 

c. Kemudian posisi core dipresisikan dengan menancapkan suatu kawat penahan (pinning

wire) pada lapisan lilin.

d. Selanjutnya bentuk awal tersebut dilapisi dengan beberapa lapisan keramik sehingga dengan

pasti membentuk lapisan yang tebal disekitar bentuk awal (pre-form) yang didalamnya

ada penahan (pinning wire).

e. Kemudian, hasil rakitan tersebut dipanaskan untuk melelehkan dan mengeluarkan lapisan

lilin kemudian dibakar untuk menguatkan keramik. Hasilnya adalah suatu cetakan

cangkang (shell) dari keramik yang berisi beberapa pola core untuk saluran pendingin yang

posisinya disesuaikan oleh beberapa kawat penahan yang tertancap pada cangkang.

f. Terakhir, cetakan dipanaskan awal(pre-heat) untuk digunakan dalam pengecoran sudu

turbin dengan menuangkan material logam yang telah dicairkan. Hasil dari cetakan tampak

seperti gambar 4 dibawah ini. Adapun lubang-lubang tambahan pada blade dapat dibuat

dengan pengeboran (drilling).

6. Kesimpulan:

Sudu turbin dirancang sesuai kebutuhan yang sangat kompleks. Bentuk, ukuran dan fungsi juga

sangat rumit sehingga dibutuhkan proses manufaktur yang rumit pula. Proses manufaktur yang

sesuai adalah dengan pengecoran presisi (investment casting) atau sering juga disebut less

waxcasting.

Gambar 4.Hasil cetakan Sudu Turbin

TEKNOLOGI MEKANIK IITUGAS II

TENTANG PROSES PENGECORAN

DISUSUN OLEH :Febry Dika Pratama B. (2112039031)

D3 TEKNIK MESIN PRODUKSIFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

2013