09 STUDI KASUS PEMILIHAN PROSES MANUFAKTUR
9.1 Pengecoran Con-Rod Aluminum
Connecting rod berfungsi untuk menghubungkan gerakan osilasi menjadi gerakan putar pada mesin pembakaran dalam, atau gerakan putar menjadi gerakan osilasi pada pompa.
Gambar 9.1 Batang penghubung. Ketepatan ukuran dan permukaan lubang bor lebih tinggi dari bagian lainnya, yang membutuhkan pemesinan berikutnya.
Persyaratan desain. Con-rod adalah bentuk 3D padat yang terbuat dari paduan nonferrous.
Dimensi con-rod sedemikian rupa sehingga massanya sekitar 0.3 kg dan penampang minimumnya 8 mm. Presisi dan toleransi pengecoran tidak penting karena lubang boran dan permukaanya masih dikerjakan lanjut untuk memperoleh persayaratan yang diinginkan.
Asumsikan ukuran batch 100.000. Persyaratan desain tersebut dapat disusun seperti pada Tabel 9.1.
Pemilihan. Batasan diplot pada matriks proses dan grafik pada Gambar 14.4 hingga 14.10.
Material, bentuk, dan ukuran batch yang diperlukan menghilangkan sebagian besar proses yang tercantun dan menyisakan tiga proses pengecoran dan pemesinan. Permesinan ditolak dengan alasan pemborosan material maka tinggal pengecoran pasir, pengecoran cetakan, dan pengecoran tekanan rendah (Tabel 9.2).
Tahapan lebih lanjut adalah memeriksa biaya relatifnya dengan menggunakan model Persamaan 8.6. Data yang relevan disusun dalam Tabel 9.3, dimana semua biaya dinormalisasi dengan biaya material, mCm / (1 − f). Hasilnya diplot dalam Gambar 9.2 sebagai kurva biaya
unit C versus ukuran batch n mengikuti contoh di Gambar 8.33. Pada ukuran batch kecil, biaya unit didominasi oleh biaya tetap perkakas (istilah kedua di sebelah kanan Persamaan 8.6).
Ketika ukuran batch n meningkat, kontribusinya jatuh (perkakas memiliki umur yang lebih besar daripada n) sampai meratakan pada nilai yang didominasi oleh biaya "variabel" material, tenaga kerja, dan overhead lainnya.
Tabel 9.1 Persyaratan desain con-rod Function
Constraints
Objective Free variables
Connecting rod
a. Technical constraints: (1) Material: aluminum casting alloy, (2) Shape: solid, 3D, (3) Estimated mass: 0.3-0.4 kg, (4) Minimum section: 8 mm
b. Quality constrains: (1) Tolerance <1.0 mm (surfaces),
<0.02 mm (bores), (2) Roughness: not critical c. Economic constraint: Batch size: 100,000 Minimize cost
Choice of process
Process-operating conditions Tabel 9.2 Daftar proses pembentukan con-rod
Process Comment
Sand casting plus machining Low pressure casting
Die casting
Bagan proses-toleransi, Gambar 9.8, mengungkapkan bahwa tidak satu pun dari proses ini yang dapat memenuhi persyaratan tentang toleransi pengeboran. Semua akan memerlukan operasi pemesinan berikutnya.
Proses yang bersaing biasanya berbeda dalam biaya perkakas Ct dan tingkat produksi n, yang menyebabkan kurva C - n berpotongan. Peralatan pengecoran pasir murah tetapi prosesnya lambat. Biaya cetakan untuk pengecoran tekanan rendah lebih besar daripada untuk pengecoran pasir, dan prosesnya sedikit lebih cepat. Peralatan die-casting harganya jauh lebih mahal tetapi jauh lebih cepat. Biaya material, biaya tenaga kerja per jam, dan waktu pengembalian modal.
Kurva untuk pengecoran pasir, pengecoran tekanan rendah, dan pengecoran cetakan bersinggungan pada ukuran batch 200. Pengecoran pasir lebih ekonomis. Pengecoran tekanan rendah menjadi jauh lebih murah daripada yang lain untuk batch antara 200 dan 8000, di atasnya adalah die casting menjadi pilihan paling ekonomis. Pilihan terbaik untuk ukuran batch 100.000 adalah die casting. Untuk batch kecil, biaya komponen didominasi oleh perkakas.
Ketika ukuran batch bertambah, kontribusi dalam persamaan biaya berkurang. Jika prosesnya cepat, maka biaya unit turun sampai sekitar tiga kali lipat dari komponen material yang dibuat.
Postscript. Ada masalah kualitas selain kepresisian dan kehalusan yang masuk ke dalam pilihan proses. Coran pasir cenderung terbentuk gelembung dan inklusi yang bertindak sebagai titik awal retakan fatik dalam komponen yang dibebani secara berulang seperti con-rod.
Beberapa teknik pengecoran tekanan rendah, aliran logam cair masuk ke dalam cetakan akan
mengurangi cacat. Die casting menggunakan tekanan yang lebih tinggi, dan umumnya memberikan casting berkualitas tinggi. Pertimbangan seperti ini dapat menggeser titik peralihan ekonomi, memperluas rentang batch ekonomi dari proses yang menawarkan kualitas tertinggi.
Gambar 9.2 Biaya pengecoran relatif con-rod sebagai fungsi produksi 9.2 Pembentukan Kipas
Kipas untuk penyedot debu (Gambar 9.3) dirancang agar murah, stabil, dan efisien. Untuk meminimalkan biaya adalah proses pembentukan kipas hingga bentuk akhir dalam satu proses dan hanya menyisakan hub tengah yang akan dikerjakan dengan permesinan. Hal ini berarti pemilihan satu proses yang dapat memenuhi spesifikasi presisi dan toleransi, menghindari kebutuhan permesinan atau finishing disk atau sudu (blades).
Gambar 9.3 Kipas (fan) dibuat dari nylon, memerlukan kekasaran yang rendah dan kepresisian tertentu, dan diproduksi dalam jumlah yang besar.
Persyaratan desain. Nilon adalah material pilihan untuk kipas angin. Laju pemompaan kipas ditentukan oleh laju putaran dan ukurannya. Desainer menghitung kebutuhan kipas dengan radius 60 mm, jumlah 12 bilah profil dengan ketebalan rata-rata 4 mm. Volume material kipas adalah luas permukaan dikalikan dengan tebalnya, sekitar 10−4m3. Berat material diperoleh dengan mengalikan densitas nilon 1100 kg/m3) di kisaran 0.1 hingga 0.15 kg. Kipas memiliki bentuk yang cukup kompleks dengan kesimetrisan yang tinggi.
Tabel 9.4 Persyaratan proses pada kipas (fan) Function
Constraints
Objective Free variables
Fan
Technical constraints: (1) material: nylon, (2) estimated mass: 0.1-0.15 kg, (3) minimum section: 4 mm, (4) shape: solid, 3D.
Quality constraints: (1) tolerance: ±0.5 mm, (2) roughness: <1µm.
Economic constraint: batch size: 100,000 Minimize cost
Choice of process
Process-operating conditions
Gambar 14.5 Matriks proses-kompatibilitas bentuk, yang menunjukkan persyaratan studi kasus. Ringkasan kompatibilitas material muncul di sebelah kiri. Perpotongan tahap seleksi ini dan yang terakhir mempersempit pilihan.
Kendala toleransi dan keadatan hanya batas atas (Gambar 9.8 dan 9.9); ketiga kelas proses bertahan. Ukuran batch yang direncanakan 10.000 diplot pada grafik ukuran batch ekonomi (Gambar 9.10) menghilangkan permesinan dari padat. Proses yang masih ada tercantum dalam Tabel 9.5.
Table 9.5 Processes for forming the fan
Process Comment
Injection molding Compression molding
Injection molding meets all the design requirements; compression molding may require further finishing operations
Dalam pandangan desainer, kesetimbangan dan kehalusan permukaan adalah pertimbangan yang benar-benar penting. Geometri menentukan efisiensi pemompaan kipas dan kebisingan yang ditimbulkannya. Desainer menentukan toleransi ±0.5 mm dan kekasaran permukaan
≤1μm. Produksi kipas diperkirakan sebesar 10,000.
Pemilihan. Perhatikan matriks material-proses (Gambar 9.4) dan matriks bentuk-proses (Gambar 9.5) di mana kotak pemilihan telah digambar. Perpotongan keduanya menyisakan lima kelas proses pembentukan (yang dikotak di angka kedua. Penyaringan pada massa dan ketebalan penampang (Gambar 9.6 dan 9.7) menghilangkan pengecoran polimer dan RTM, meninggalkan tiga lainnya.
Gambar 9.6 Diagram rentang proses-massa, yang menunjukkan persyaratan dari tiga studi kasus. Dimasukkannya proses asembling memungkinkan fabrikasi struktur besar untuk dieksplorasi.
Gambar 9.7 Diagram proses-ketebalan penampang, yang menunjukkan persyaratan studi kasus
Gambar 9.8 Diagram proses-toleransi yang menunjukkan persyaratan studi kasus.
Dimasukkannya proses penyambungan dan finishing memungkinkan fabrikasi struktur besar dapat dieksplorasi. Toleransi dan kekasaran permukaan ditentukan sebagai batas atas saja, sehingga kotak pemilihan (kiri) terbuka.
Gambar 9.9 Diagram proses-kekasaran permukaan. Hanya satu kasus, kipas (fan) diperlakukan pembatasan.
Gambar 9.10 Diagram proses-batch ekonomis-ukuran yang menunjukkan persyaratan dari tiga studi kasus. Kotak untuk tabel optik mencakup rentang volume produksi yang tercantum dalam persyaratan.
Table 9.6 Data for the cost equation for the processes in Table 9.5 Capital write-off time two (yrs) Load factor mengimplementasikan data CES dikumpulkan dalam Tabel 9.6. Gambar 9.11 menunjukkan kurva biaya yang dihasilkan. Perkakas untuk cetakan kompresi lebih murah daripada cetakan injeksi, hanya saja lebih lambat karena menggunakan multiple die cavities, injection molding dapat menghasilkan beberapa unit dalam satu kali tembakan. Hal ini dapat membuat dua kurva berpotongan pada sekitar 10,000 unit. Di bawah titik potong ini, cocok menggunakan cetakan kompresi (compression molding) karena lebih murah, sedangkan di atas ini dapat digunakan cetakan injeksi (injection molding).
Gambar 9.11 Biaya relatif untuk mencetak kipas sebagai fungsi dari produksi berjalan.
Biaya dinormalisasi oleh biaya material.
Postscript. Seperti biasanya akan selalu muncul pertimbangan lain, seperti pertanyaan tentang investasi modal, keterampilan lokal, overhead rate, dan sebagainya. Grafik tidak dapat menjawab ini. Tetapi prosedur ini telah membantu dalam mempersempit pilihan, memberikan alternatif, dan memaparkan latar belakang di mana seleksi akhir dapat dilakukan.