NASKAH PUBLIKASI TUGAS AKHIR
ANALISA PENGARUH PARAMETER TEKANAN TERHADAP CACAT
WARPAGE DARI PRODUK INJECTION MOLDING BERBAHAN
POLYPROPYLENE
Diajukan Sebagai Syarat Menyelesaikan Program Studi Strata Satu Pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun Oleh: M. Anwar Fathoni
D200 10 0079
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
ANALISA PENGARUH PARAMETER TEKANAN TERHADAP CACAT WARPAGE DARI PRODUK INJECTION MOLDING BERBAHAN POLYPROPYLENE
M. Anwar Fathoni, Bambang Waluyo F, Joko Sedyono Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan, Kartasura Email : Muh.anthoni@gmail.com
ABSTRAKSI
Injection molding adalah proses pembentukan plastik dengan cara melelehkan material plastik yang diinjeksikan ke dalam sebuah cetakan ( mold ). Cacat yang sering terjadi pada produk injection molding antara lain shrinkage, warpage, flash dan incompletely fillet parts. Faktor penyebab terjadinya warpage dipengaruhi oleh tekanan injeksi, suhu cetakan, titik leleh dan waktu tahan pada proses injeksi (Huang dan Tai, 2001). Oleh karena itu, tujuan dari penelitian ini adalah untuk meneliti pengaruh tekanan terhadap terjadinya cacat warpage dari hasil produk injection molding dan untuk menentukan parameter tekanan yang tepat sehingga didapatkan produk yang optimal dari injection molding.
Langkah awal, pembuatan cetakan (mold) dengan mesin CNC milling dan pembuatan pendingin dengan sistem softooling tipe saluran pendingin conformal. Metode yang digunakan adalah pemrosesan gambar dengan pengambilan gambar menggunakan sebuah kamera 14 pixel yang diproses menggunakan software solidwork dan pengukuran ketinggian warpage menggunakan dial indikator. Metode ini digunakan untuk pengambilan data sehingga dapat dianalisa secara statistik serta dapat diambil sebuah kesimpulan.
Dari hasil penelitian didapat kesimpulan bahwa Secara umum menaikan tekanan injeksi membuat area warpage yang terjadi semakin besar akan tetapi nilai warpage yang terjadi cenderung stabil walaupun begitu ada tekanan optimal dimana pada tekanan tersebut nilai warpage yang terjadi paling kecil. Tekanan optimal dalam penelitian ini yaitu pada tekanan 19.11 kg/cm2.
PARAMETER EFFECT ANALYSIS PRESSURE ON WARPAGE DEFECT INJECTION MOLDING PRODUCT BASED FROM POLYPROPYLENE
M. Anwar Fathoni, Bambang Waluyo F, Joko Sedyono Mechanical Engineering Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan, Kartasura Email : Muh.anthoni@gmail.com
ABSTRACT
Injection molding is a plastic molding process by melting the plastic material is injected into a mold. The flaw common in injection molding products such as shrinkage, warpage, flash and incompletely fillet parts. The causes of warpage caused by the injection pressure, mold temperature, melting and holding time in the injection process (Huang and Tai, 2001). Therefore, the aim of this study was to investigate the effect of pressure on the occurrence of defects warpage of injection molding products and to determine appropriate pressure to obtain the optimal product of injection molding.
The first step, a molding with a CNC milling machine and manufacturing softooling cooling system type conformal cooling channels. The method used is processing an image with a camera taking pictures using 14 pixels are processed using software solidwork warpage and height measurements using a dial indicator. This method is used for collecting data so it can be analyzed statistically and can be drawn to a conclusion.
The results of the study concluded that the general increase of injection pressure makes the area the greater the warpage occurred but the warpage that occurs tends to be stable although there is optimal pressure where the pressure is the lowest warpage occurred. Optimal pressure in this study, at 11.19 kg/cm2.
PENDAHULUAN
Plastik merupakan polimer yang banyak dimanfaatkan pada kehidupan sekarang ini karena memiliki kelebihan seperti sifatnya yang ringan, mudah dibentuk, dapat didaur ulang dan tahan korosi. Berbeda dengan material logam walaupun dapat dibentuk dan didaur ulang sifatnya cenderung berat dan tidak tahan korosi. Produk berbahan plastik sangat mudah ditemui dalam kehidupan sehari-hari contoh printer, keyboard, casing handphone, packing makanan dan minuman, pesawat telepon, dashboard mobil, body motor, helm, peralatan rumah tangga dan lain-lain. Produk tersebut dibuat dengan teknik pembentukan yang disebut dengan istilah injection molding.
Injection molding adalah proses pembentukan plastik dengan cara melelehkan material plastik yang kemudian diinjeksikan ke dalam sebuah cetakan (mold). Dengan teknik injection molding plastik dapat diolah menjadi produk yang dikehendaki hanya dengan mendesain sebuah mold. Walaupun begitu terkadang hasil produk yang dihasilkan tidak sesuai dengan cetakan atau terjadi cacat pada produk tersebut. Cacat yang biasa ditemui pada produk injection molding antara lain Short shot, Sink mark, Air traps, flash dan Warpage. Cacat produk dapat menurunkan nilai kualitas produk tersebut dan mengakibatkan proses produksi menjadi terhambat sehingga ini akan menjadi suatu kerugian bagi unit produksi karena hasil akhir tidak sesuai dengan apa yang sudah direncanakan. Untuk mendapatkan hasil produk yang optimal ada beberapa parameter yang perlu diperhatikan dalam injection molding, parameter suhu, tekanan, waktu tahan dan pendinginan merupakan parameter
penting yang harus diperhatikan untuk menghindari cacat pada produk.
Pada proses injection molding dengan pengaturan parameter penekanan yang tepat dapat meningkatkan kualitas dan menghemat biaya produksi. Hal ini dikarenakan parameter proses penekanan dan waktu penekanan yang pada umumnya dilakukan oleh sistem hidrolik merupakan salah satu parameter penting yang harus diperhatikan untuk keberhasilan proses produksi melalui injection molding (Manas Chanda and Shalil Roy,2006). terlalu luas maka batasan masalah yang diambil adalah :
1. Suhu di dalam barrel diatur 150 oC,
mold yang digunakan tipe single mold dengan pendingin sistem softtooling tipe saluran conformal dan waktu tahan 5 detik.
2. Variasi tekanan yang digunakan menggunakan sotfware solidwork dan pengukuran nilai warpage menggunakan dial indikator.
TUJAN PENELITIAN
Tujuan penelitian ini adalah: 1. Untuk meneliti pengaruh tekanan
terhadap terjadinya cacat warpage dari hasil produk injection molding. 2. Untuk menentukan parameter
tekanan yang tepat sehingga didapatkan produk yang optimal dari injection molding.
TINJAUAN PUSTAKA
Fischer (2003), warpage dapat dikurangi dengan jalan mengurangi ukuran gate, mengurangi tekanan, memposisikan ulang saluran pendingin, mengurangi temperatur cetakan dekat gate dan sprue, mengurangi waktu tahan, serta menaikkan temperatur cetakan.
Suyono (2011), variasi serbuk aluminium dan serbuk kuningan sebagai bahan pengisi mould berpengaruh terhadap penyusutan dimensi produk dan diperoleh penyusutan dimensi produk pada mould yang berisi serbuk aluminium lebih rendah presentasenya dibandingkan mould yang berisi serbuk kuningan.
Sendi (2012), parameter tekanan dan waktu penekanan mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap terjadinya shrinkage.
S.Selvaraj dan P.Venkataramaiah (2013), melakukan pengukuran besarnya warpage yang terjadi pada komponen plastik injection molding menggunakan pemrosesan gambar dengan bantuan kamera digital resolusi 14 mega pixel dengan software photoshop dan MALTAB.
Sigit dan Agung (2014), membandingkan sistem pendingin konformal dengan konvensional menggunakan simulasi software
Autodesk Moldflow hasil penelitiannya, penggunaan sistem pendingin konformal
mampu mempercepat proses
pendinginan dari 15,7 detik menjadi 3,2 detik atau sekitar 80%. Hal ini dapat menurunkan waktu siklus proses produksi dan dapat meningkatkan kapasitas produksi secara keseluruhan. Pada sistem pendingin konvensional besarnya volumetric shrinkage 4,80 % dan pada sistem pendingin konformal sebesar 4,65%, masih dibawah nilai kritis yaitu 7%.
LANDASAN TEORI Polypropylene
thermoseting. Sifat-sifat listriknya hampir sama dengan sifat-sifat pada polyethylene. Tahan kimianya kira-kira sama bahkan lebih baik dari pada polyethylene massa jenis tinggi (Boedeker.com, 2010).
Adapun sifat fisis, mekanis dan thermal dari polypropylene adalah sebagai berikut:
Tabel 1. Sifat fisis, mekanis dan thermal
dari polypropylene (Boedeker.com, 2010)
Injection molding
Injection molding pada polimer identik pengecoran bertekanan pada logam dan merupakan salah satu teknik pembentukan polimer yang banyak digunakan. Untuk thermoplastik waktu satu siklus proses injection molding singkat (sekitar 10-30 detik) karena produk langsung membeku setelah diinjeksikan ke dalam cetakan.
Sementara, untuk thermoset waktu yang dibutuhkan agak lama karena pemanasan terjadi selama material berada dalam tekanan cetakan yang bersuhu tinggi. Bagian utama mesin injection molding dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Bagian utama mesin injection
molding vertikal
Produk-produk yang dihasilkan melalui proses injection molding diantaranya printer, keyboard, casing handphone, packing makanan dan minuman, pesawat telepon, dashboard mobil, body motor, helm, peralatan rumah tangga dan lain-lain.
Kontruksi mesin injetion molding Secara umum konstruksi mesin injection molding terdiri dari tida unit pokok yang penting yaitu injection unit, clamping unit dan mold unit.
1. Injection unit
Gambar 2. Bagian injection unit
2. Clamping unit
Clamping unit berfungsi untuk membuka dan menutup mold dan menjaga dengan memberikan tekanan pada penahan (clamping pressure) terhadap mold agar material yang diinjeksikan pada mold tidak meresap keluar saat proses berlangsung.
Gambar 3. Skematis dan bagian-bagian
dari clamping unit
3. Mold unit
Mold unit merupakan bagian terpenting pada mesin injection molding, yang mempunyai fungsi utama yaitu untuk membentuk benda yang akan dicetak.
Gambar 4. Bagian utama mold unit
Sistem pendingin conformal
Saluran pendingin conformal dibuat mengikuti kontur produk yang dicetak sehingga memungkinkan terjadi proses pendinginan yang seragam dan lebih cepat (Gambar 5).
Gambar 5. Sistem pendingin conformal
(Sachs, 2000)
Cacat produk injection molding
Cacat produk yang terjadi pada proses injection molding diantaranya:
b. Warpage: Kondisi dimana produk melengkung atau bengkok.
c. Sink mark: Kondisi dimana terjadi perbedaan ketebalan permukaan pada permukaan produk.
d. Flash: Kondisi dimana terdapat material plastik yang lebih ikut membeku di pinggir-pingir produk. e. Air trapped: Kondisi dimana ada
gelembung udara yang terjebak didalam produk.
Cacat Warpage
Warpage digunakan untuk menjelaskan bagian yang melengkung atau memutar keluar dari bentuk dan mengubah tidak hanya dimensi tetapi juga kontur dan bagian sudut. (Lihat Gambar 6).
Gambar 6. Warpage karena
ketidak-seragaman diding ketebalan (Selvaraj, 2013)
Cacat warpage terjadi karena beberapa faktor diantaranya karena perbedaan antara shringkage dan cooling time yang tergantung pada kontraksi kedua permukaan dan ketebalan komponen dari hasil distribusi temperature mold, Ketidaksamaan distribusi tekanan pada produk, injection pressure terlalu tinggi atau terlalu rendah dan cooling terlalu pendek, kurangnya clamping force atau kurangnya kemampuan mensetting clamping force
yang ideal dan kurangnya kekakuan struktural produk serta aliran.
warpage dapat dikurangi dengan jalan mengurangi ukuran gate, mengurangi tekanan, memposisikan ulang saluran pendingin, mengurangi temperatur cetakan dekat gate dan sprue, mengurangi waktu tahan, serta menaikkan temperatur cetakan. (fischer, 2003)
Skema dan rumus perhitungan warpage, w (fischer, 2003)
Gambar 7. Skema perhitungan warpage
Warpage (w) = hpart/ dpart ......(2.1)
Dimana : w : Warpage
hpart : Ketinggian warpage (mm)
dpart : Diameter Spesimen (mm)
Gambar 8. Diagram alir penelitian
Studi pustaka dengan mencari jurnal-jurnal penelitian yang berhubungan dengan penelitian yang akan dilakukan dan survei lapangan dengan datang langsung ke tempat penelitian untuk meninjau alat penelitian yang akan digunakan.
Alat dan bahan
Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain:
1. Mesin injeksi plastik
2. Thermometer
DATA DAN HASIL PENELITIAN
Data pembuatan Spesimen
Pembuatan spesimen dengan variasi tekanan 6.37 kg/cm2, 12.74 kg/cm2,
19.11 kg/cm2, 25.48 kg/cm2 dan 31.85
kg/cm2 diperoleh data sebagai berikut.
Temperatur leleh polypropylene 170 oC Temperatur didalam barel 150 oC
Waktu tekan 5 Detik
Temperatur air pendingin 30oC Debit air pendingin rata-rata 3.61 cm3/s Waktu injeksi rata-rata 35.78 Detik
Waktu pendinginan rata-rata 30.78 Detik
Tabel 2. Data pembuatan spesimen
Dalam proses pembuatan spesimen dengan variabel data di atas diperoleh hasil bahwa semua spesimen mengalami cacat warpage. Cacat warpage bisa terjadi karena beberapa faktor diantaranya pengaruh tekanan injeksi, temperatur, waktu tahan dan sistem pendinginan.
Pembuatan spesimen dengan variasi tekanan injeksi
Pengolahan dan Analisis data
Kesimpulan Pengambilan gambar menggunakan kamera 14 mega pixel
Studi pustaka dan survei lapangan
Menyatukan cetakan dan pendingin
31.847 kg/cm2
Pengukuran area warpage menggunakan solidwork Mengoleskan karbon ke permukaan spesimen
Mulai
Selesai Mendesain cetakan dengan software solidwork, core dan cavity sesuai dimensi
spesimen ASTM D955
Pembuatan pendingin cetakan dengan sistem softtooling tipe saluran conformal
Pencampuran serbuk alumunium dengan epoxy dengan perbandingan 2:1 dan saluran pipa tembaga dicetak di dalamnya Pemilihan bahan dan pemrosesan bahan
dengan mesin CNC milling sesuai desain cetakan
Pengeringan cetakan pendingin pada temperatur ruang dalam waktu 24 jam
6.369 kg/cm2 12.738 kg/cm2 19.108 kg/cm2 25.477 kg/cm2
Cacat warpage dilihat dari segi pengaruh temperatur, cacat warpage dalam injection molding berhubungan erat dengan fenomena shrinkage atau penyusutan. Penyusutan yang tidak seragam pada permukaan atas dan permukaan bawah spesimen bisa menjadi faktor yang menyebabkan spesimen mengalami cacat warpage ini dapat dilihat pada Tabel 4.1 dimana temperatur cetakan atas rata-rata 38 oC
dan temperatur bawah cetakan rata-rata 36 oC terjadi selisih sebesar 2 oC. Selisih
temperatur ini bisa disebabkan karena perpindahan panas yang kurang baik dari sistem pendingin.
Dari segi waktu tahan, waktu tahan yang terlalu cepat juga bisa menjadi faktor penyebab warpage tidak terkontol. Waktu tahan yang terlalu cepat menyebabkan lelehan polypropylene yang diijeksikan kedalam cetakan belum benar-benar membeku sehingga saat spesimen dikeluarkan dari cetakan terjadi perubahan kontur bentuk.
Selain cacat warpage pada spesimen juga timbul cacat lain seperti flash. Cacat flash terjadi akibat cetakan tidak mampu menahan tekanan tinggi dari lelehan polypropylene yang diinjeksikan ke dalam cetakan sehingga membuat cetakan menjadi sedikit terbuka. Selain itu temperatur leleh yang terlalu tinggi bisa juga yang menyebabkan terjadinya flash pada spesimen. Cacat warpage dan flash dapat dilihat pada Gambar 7.
Gambar 7. Cacat yang timbul pada
spesimen
Dari Gambar 7 dapat dilihat lingkaran berwarna merah merupakan cacat warpage dan lingkaran berwarna biru merupakan cacat flash. Cacat warpage dapat dilihat secara jelas setelah spesimen diolesi karbon seperti Gambar 8.
Gambar 8. Area warpage setelah
spesimen diolesi karbon
DATA HASIL PENGUKURAN WARPAGE
penampang spesimen. Berikut adalah hasil pengukuran area warpage menggunakan software solidwork:
Tabel 3. Data hasil pengukuran area
warpage rata-rata
Dari pengukuran didapatkan hasil bahwa area warpage rata-rata paling kecil terjadi pada spesimen dengan tekanan 12.74 kg/cm2 dan area
warpage rata-rata paling besar terjadi pada spesimen dengan tekanan 31.85 kg/cm2. Sedangkan pada tekanan
paling rendah yaitu pada tekanan 6.37 kg/cm2 area warpage yang terjadi lebih
besar dari tekanan 12.74 kg/cm2.
Persentase area warpage dibuat dalam sebuah grafik berdasarkan data Tabel 3. sebagai berikut:
Grafik 1. pengaruh tekanan terhadap
persentase area warpage
Berdasarkan Grafik 1. menunjukan bahwa dengan menaikan dan menurunkan nilai tekanan akan berpengaruh terhadap besarnya presentase area warpage yang terjadi. Pada tekanan yang rendah persentase area warpage yang terjadi juga kecil dan pada tekanan yang tinggi persentase area warpage yang terjadi juga semakin besar. Area warpage semakin besar ketika tekanan yang diberikan besar ini terjadi karena pada saat lelehan plastik polypropylene yang diinjeksikan ke dalam cetakan sudah memenuhi cetakan tetapi masih menerima tekanan sebesar tekanan yang diberikan. Tekanan dari lelehan plastik mendorong ke semua arah akan tetapi karena bagian terlemah terjadi pada bagian antara cetakan atas dan cetakan bawah yaitu pada bagian bertemunya cavity dan core sehingga membuat cetakan menjadi sedikit terbuka. Membukanya cetakan bisa terjadi karena kurangnya gaya clamp dan kekuatan material dari cetakan yang tidak mampu menahan tekanan dari lelehan plastik polypropylene sehingga mengakibatkan cetakan melengkung dan spesimen yang belum membeku atau bagian terlemah dari spesimen menjadi warpage. Besarnya lengkungan atau area warpage sebesar tekanan yang diberikan
Pengukuran besarnya nilai warpage menggunakan dial indikator
Pengukuran besarnya ketinggian warpage yang terjadi pada spesimen menggunakan dial indikator. Hasil pengukuran dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4. Data hasil pengukuran nilai
warpage rata-rata
Berdasarkan Tabel 4. maka didapatkan sebuah grafik seperti berikut:
Grafik 2. pengaruh tekanan terhadap
besarnya nilai warpage
Berdasarkan Grafik 2. diatas menunjukan bahwa dengan adanya kenaikan tekanan membuat besarnya nilai warpage mengalami kenaikan dan penurunan. Penurunan terjadi pada tekanan 6.37 kg/cm2, 12.74 kg/cm2,
19.11 kg/cm2 dan terjadi kenaikan pada
tekanan 25.48 kg/cm2 yang cukup tinggi
namun nilai warpage kembali turun pada tekanan 31.85 kg/cm2 yang merupakan
tekanan tertinggi yang digunakan dalam penelitian ini. Pada tekanan 19.11 kg/cm2 merupakan tekanan optimal
dalam penelitian ini dimana nilai warpage yang terjadi paling kecil. Walaupun terjadi kenaikan dan penurunan nilai
warpage namun dilihat dari trendline besarnya nilai warpage cenderung stabil. Stabilnya nilai warpage ini bisa terjadi karena daerah terlemah dari spesimen terjadi pada daerah dekat gate atau daerah lelehan plastik polypropylene masuk sehingga pada tekanan rendah maka kecepatan aliran injeksi juga rendah dan waktu injeksi yang dibutuhkan lebih lama dari tekanan yang lebih tinggi. Waktu injeksi yang lebih lama membuat spesimen memiliki cukup waktu untuk membeku dengan sempurna pada bagian terjauh dari gate namun tidak pada daerah dekat gate yang butuh waktu lebih lama untuk membeku. Sehingga saat lelehan plastik polypropylene sudah memenuhi cetakan namun masih menerima tekanan mengakibatkan bagian terlemah mendapatkan dorongan dimana pada bagian terjauh dari gate sudah membeku dengan sempurna sehingga bagian terlemah spesimen menjadi warpage. Semakin tinggi tekanan maka waktu injeksinya juga semakin cepat menyebabkan daerah yang belum membeku pada spesimen semakin besar dan pada saat spesimen menerima dorongan tekanan tersebar kebagian yang belum membeku sehingga membuat area warpage-nya semakin besar namun nilai warpage-nya cenderung stabil.
KESIMPULAN
Dari penelitian yang telah dilakukan, dapat diperoleh beberapa hasil yang merupakan jawaban dari penelitian ini.
1. Secara umum menaikan tekanan injeksi membuat area warpage yang terjadi semakin besar akan tetapi nilai warpage yang terjadi cenderung stabil walaupun begitu ada tekanan optimal dimana pada tekanan
tersebut nilai warpage yang terjadi paling kecil.
2. Tekanan optimal dalam penelitian ini yaitu pada tekanan 19.11 kg/cm2.
SARAN
Saran dari peneliti jika nantinya ada peneliti lain yang ingin melanjutkan penelitian ini:
1. Perhatikan perancangan desain dan pemilihan bahan untuk cetakan khususnya pada kekuatan clamp cetakan.
2. Gunakan bahan plastik yang berbeda sehingga nantinya dapat digunakan sebagai pembanding dengan penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA
Jerry M. Fischer., 2003, Handbook of Molded Part Shrinkage and Warpage, Plastics Design Library/ William Andrew Publishing, Norwich, New York.
Suyono., 2011, Pengaruh Serbuk Aluminium dan Serbuk Kuningan terhadap Penyusutan (Shringkage) Produk pada Pembuatan Cetakan Softtooling untuk Mesin Injeksi Plastik, Skripsi S-1 Teknik Mesin, Universitas Muhammadiyah Surakarta, Surakarta.
Sendi Dwi Oktaviandi., 2012, Analisa Pengaruh Parameter Tekanan dan Waktu Penekanan Terhadap Sifat Mekanik dan Cacat Penyusutan Dari Produk Injection Molding Berbahan Polyethylene (PE), Skripsi S-1 Teknik Mesin, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa, Cilegon.
S.Selvaraj and P.Venkataramaiah., 2013, Measurement of warpage of injection moulded Plastic components using image processing, Internasional Jurnal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology Jurnal vol 2, Issue 12, December.
Sigit Y. dan Agung K., 2014, Perbandingan Sistem Pendingin Konvensional dan Konformal pada Proses Injeksi Plastik, Skripsi S-1 Teknik Mesin, Institut Teknologi
