ANALISA TOE CAP PLASTIK HASIL PROSES CETAK INJEKSI
Dwi Wahini Nurhajati,*, Arum Yuniari, Hardjaka, Ihda Novia Indrajati Balai Besar Kulit, Karet dan Plastik
*E-mail: dwiwahini@yahoo.com
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa toe cap yang dibuat dari berbagai bahan plastik dengan menggunakan mesin cetak injeksi. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah polikarbonat (PC), akrilonitril butadienastiren (ABS) dan polipaduan PC/ABS. Penyetelan suhu dan tekanan injeksi berdasarkan pada bahan yang digunakan. Toe cap yang diperoleh dilakukan pengujian sesuai dengan standar uji ISO 20345: 2011, Personal Protective Equipment-Safety Footwear meliputi: ketahanan pukul dengan energi 200 J dan ketahanan terhadap tekanan dengan beban 15 kN. Hasil uji menunjukkan bahwa toe cap yang dibuat dari poli paduan PC/ABS yang dicetak pada suhu 225-240 oC, suhu nozzle 120oC, tekanan injeksi 58-65% dan
tekanan holding 60% telah memenuhi persyaratan sepatu pengaman.
ANALISYS OF INJECTION MOLDED PLASTIC TOE CAP
Dwi Wahini Nurhajati,*, Arum Yuniari, Hardjaka, Ihda Novia Indrajati Center for Leather, Rubber and Plastics
*E-mail: dwiwahini@yahoo.com
ABSTRACT
The objective of this research is to analyze toe cap made of various plastic materials by injection molding machine. The materials used in this research were poly carbonate (PC), acrylonitrile butadiene styrene (ABS) and PC/ABS blends. Setting of the injection temperature and pressure was based on the specification of materials used. The resulting toe caps are tested in accordance with the test standard ISO 20345: 2011, Personal Protective Equipment-Safety Footwear includes: impact resistance at the energy of 200 J and resistance to pressure with load 15 kN. The test results showed that the toe cap made of PC/ABS blend that were molded at a temperature of 225-240 °C, nozzle temperature of 120°C, 58-65% injection pressure and 60% holding pressure compliant with safety shoes standard.
PENDAHULUAN
Toe cap merupakan bagian sepatu pengaman (safety shoes) yang berfungsi untuk untuk melindungi pemakainya dari benda jatuh, sengatan listrik dan bahaya tempat kerja lainnya. Menurut Costa, et.al (2014) toe cap adalahkomponen utama yang memberi kontribusi berat sekitar 35% daritotal berat untuk setiap model sepatu pengaman dan secara normatif menuntut persyaratan dengan ketahanan terhadap deformasi dan impak yang tinggi.Awalnya toe cap dibuat dari baja, namun dengan perkembangan teknologi sekarang sudah dijumpai toe cap dari plastik.Dalam US patent 005666745A tanggal 16 September 1997 toe caps dibuat dari resin plastik poliolefin, poliuretan, dan impact-modified nilon dan dicetak menggunakan metode cetak injeksi. Sedangkan dalam US patent 5210963A tertanggal 18 Mei 1993 mempublikasikan penemuan toe cap dari resin termoplastik dalam hal ini poliuretan yang diberi penguat serat gelas dengan persen berat 40 – 65% dari total campuran, menggunakan metode cetak injeksi. MenurutISO 20345: 2011, Personal Protective Equipment-Safety Footwear syarat mutu toe cap non logam adalah tahan terhadap impak dengan energi 200 J dan tahan terhadap tekanan dengan beban 15 kN. Plastik yang mempunyai ketahanan impak tertinggi adalah polikarbonat (PC) diikuti akrilonitril butadiene stiren (ABS).
Menurut Krache, and Debbah (2011) PC ditandai dengan sifat modulus tinggi, sifat liat yang tinggi, ketahanan impak tinggi dan sulit diproses karena viskositas lelehannya tinggi. Akrilonitril butadiene stiren (ABS) bersifat liat seperti karet termoplastik, tahan terhadap impak, dan mudah diproses. Menurut Ho et.al (2015) PC/ABS adalah produ kamorf yang merupakan polimer termoplastik campuran dari polikarbonat(PC)dan akrilonitril butadiene stiren (ABS) yang menggabungkan sifat yang sangat baik dari dua bahan tersebut dimana ABS mempunyai sifat mampu bentuk dan bahan PC terkait sifat mekanik seperti ketahanan impak, tahan panas, dan ketahanan terhadap sinar ultraviolet (UV).
Menurut Kavade, and Kadam (2012) proses cetak injeksi merupakan proses siklus untuk memproduksi artikel identik dari cetakan, dan yang paling banyak digunakan untuk pengolahan polimer. Keuntungan utama dari proses ini adalah dapat memproduksisuatu benda yang memiliki geometri yang kompleks pada tingkat produksi yang tinggi secara berulang. Kompleksitas hampir tak terbatas dan ukuran bisa berkisar dari sangat kecil sampai yang sangat besar. Menurut Shi, and Park (2013) proses cetak injeksi adalah teknologi yang kompleks dengan beberapa kemungkinan masalah produksi. Permasalahan juga dapat disebabkanoleh cacat dalam cetakan atau lebih sering terkait dengan pengolahan.Banyak faktor pengolahan yang terlibat dalam proses ini danmemiliki pengaruh yang besar pada kualitas produk akhir.Faktor-faktor ini biasanya dapatdiklasifikasikan ke dalam empat kategori yaitu bahan, mesin injeksi, desain produk dan kondisi proses.Dalam proses pencetakan plastik menggunakan mesin injection molding maka padabagian-bagian tertentu suatu produk tidak lepas dari cacat produk seperti sink mark, shortshot, mold flash, silver streak, warpage, bubble, string ataupun earline(Zulianto, 2015).Cacat produk dapat terjadi bila tidak tepat dalam menentukan setting parameter proses seperti tekanan injeksi, temperatur injeksi serta waktu pendinginan (Cahyadi, 2014).
Tujuan penelitian ini adalah menganalisa toe cap yang dibuat dari berbagai bahan plastik dengan mesin cetak injeksi.
BAHAN DAN METODE
Bahan Penelitian
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah resin poli karbonat (PC) (injection grade, MFI 300oC/1,2kg = 10g/10 menit, suhu proses/leleh 230-320oC), resin ABS (injection grade, MFI 220oC/10kg =
25g/10 menit, suhu proses/leleh 220-230oC), polipaduan ABS/PC 25/75 (injection grade, MFI 240oC/5kg =
Sifat fisis bahan plastik yang digunakan dalam penelitian ini secara lebih lengkap disajikan pada Tabel 1. Dari Tabel 1 terlihat bahwa bahan plastik tersebut dapat digunakan untuk membuat toe cap ditinjau dari sifat ketahanan impak yang mempunyai nilai diatas 200 Joule.
Tabel 1. Sifat fisis berbagai bahan plastik
No Sifat fisis Metode Uji Satuan Bahan plastik
PC ABS PC/ABC
1 Densitas ASTM D-792 g/ml 1,2 1,04 1,15
2 Ketahanan impak Izod ASTM D-256 J/m 850 210 590
3 Kuat tarik ASTM D- 638 MPa 61.8 49 53,9
4 Kekerasan Rockwell ASTM D- 785 R 77 116 110
Peralatan Penelitian
Alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat proses berupa mesin cetak injeksi Komatsu 80T (kapasitas 80 ton) dan Nissei 80T (kapasitas 80 ton), serta cetakan toe cap no 7 dan 9. Cetakan toe cap disajikan pada Gambar 1. Alat uji sifat fisis meliputi alat uji pukul (International Safety Boot Tester STD 409) dan alat uji tekan (Tensile Strain Tester) merk Zwick & Roell.
Gambar 1. Cetakan toe cap
Metode Penelitian
Pencetakan toe cap
Pencetakan toe cap menggunakanmesin cetak injeksi (injection molding) merek Komatsu 80T merek Nissei 100T dilakukan di PT. Yogya Presisi Teknikatama Industri (YPTI), Yogyakarta. Prinsip proses cetakinjeksiadalahbahan plastik dimasukkan kedalam mesin injeksi melalui hopper, plastik dari hopper masuk ke unit injeksi dimana terdapat barrel panas yang telah di atur suhunya sesuai dengan kondisi proses yang ditetapkan sehingga bahan plastik akan leleh. Selanjutnya bahan plastik leleh akan mengalir dari unit injeksi melalui sprue, runner, gate dan masuk ke dalam cavity. Bahan plastik yang ada di dalam cavity kemudian ditahan (holding) di dalam mold di bawah tekanan tertentu untuk menjaga adanya shrinkage selama produk mengalami pendinginan. Selanjutnya produk yang sudah membeku tadi didorong keluar dari cavity oleh ejector. Bahan plastik sebelum dicetak dilakukan pemanasan pendahuluan (preheating) terlebih dahulu selama 4 jam pada suhu sekitar 80oC untuk mengurangi kadar air yang ada didalam plastik yang
Pengujian toe cap
Toe cap yang dihasilkan dilakukan uji sesuai dengan standar uji ISO 20345: 2011, Personal Protective Equipment-Safety Footwear meliputi: ketahanan impak dengan energi 200 J dan ketahanan terhadap tekanan dengan beban 15 kN.
Tabel 2. Kondisi proses pencetakan toe cap pada berbagai bahan plastik
No Parameter proses
8 Waktu pendinginan, dt 50 50 40 40
9 Waktu siklus, dt 80 80 75 80
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil uji toe cap plastik terkait uji ketahanan pukul dengan energi 200 J dan uji ketahanan terhadap tekanan dengan beban 15 kN disajikan pada Tabel 4 dan 5.
Tabel 3. Hasil proses pencetakan toe cap pada berbagai bahan plastik
Bahan plastik
(mesin injeksi) Kondisi proses Toe cap yang dihasilkan Keterangan
PC Mesin K80T Cetakan no 7
suhu 290 – 302 oC, suhu nozzle 257oC, tekanan injeksi 100-102%, nozzle 161oC, tekanan injeksi 62-70% nozzle 182oC, tekanan injeksi 32-38%
Tekanan holding = 85%
Warna: Hitam Berat/set: 79,7 g Produk penuh, kusam dan sedikit ada silver streak, dan void
ABS/PC Mesin N80T Cetakan no 9
Suhu 225-240 oC, suhu nozzle 120oC, tekanan injeksi 58-65%
Tabel 4. Hasil uji ketahanan impak dengan energi 200 J
No
Hasil uji ketahanan impak ISO 20345:2011
Jarak minimum ruang antara toe cap, mm
1. mesin K80T membuat toe cap ukuran 7
Tabel 4 memperlihatkan bahwa toe cap yang dibuat dari bahan PC maupun ABS semuanya pecah sewaktu dikenai uji ketahanan impak dengan energi 200J. Demikian juga untuk toe cap yang dibuat dari polipaduan PC/ABS yang di proses dengan mesin K80T pada suhu 270-280oC mengalami retak dan ada juga yang pecah
ketika dilakukan uji ketahanan impak. Hal ini ini berarti toe cap tersebut tidak mampu menyerap energi pada daerah plastis. Kejadian ini dikarenakan pada toe cap tersebut terdapat silver sterak akibat adanya uap air yang terperangkap akibat preheating yang kurang yang menyebabkan tidak tahan impak, selain itu untuk toe cap yang dibuat dari PC/ABS dengan mesin K80T juga terdapat "void" yang dikarenakan suhu nozzle
terlalu tinggi (Tabel 3 dan Gambar 2). Adanya silver streak ataupun void pada produk plastik hasil cetak injeksi menyebabkan produknya rapuh karena tidak adanya adhesi antar muka yang baik. Menurut Nurhidayat dan Wijoyo (2014) rongga yang terjadi didalam komposit akan berpengaruh terhadap menurunnya kekuatan impak pada komposit. Toe cap yang dibuat dari poli paduan PC/ABSdengan
menggunakan mesin Nissei 80T pada suhu 225-240 oC, suhu nozzle 120oC, tekanan injeksi 58-65% dan
tekanan holding 60% tidak retak sewaktu dikenai uji ketahanan impak dengan energi 200J sehingga telah memenuhi persyaratan sepatu pengaman. Hal ini juga sesuai data yang ada di Tabel 3 yang menyatakan bahwa toe cap yang dihasilkan penuh dan mengkilap tanpa ada silver streak. Menurut Mathivanan et.al
(2010) pengaturan optimal dari variabel proses injection molding memainkan peran yang sangat penting dalam mengontrol kualitas produk injeksi. Selama injection molding bahan termoplastik lelehan mengalami kombinasi gradien medan aliran yaitu geser dan elongational. Pada temperatur tinggi material akan getas karena pengaruh vibrasi elektronnya yang semakin rendah, begitupun sebaliknya.
Silver streak pada toe cap PC Hasil uji impak toe cap PC, pecah
Silver streak pada toe cap ABS Hasil uji impak toe cap ABS, pecah
Silver streak/void pada toe cap PC/ABSABS Hasil uji impak toe cap PC/ABS, retak
Tabel 5 memperlihatkan bahwa semua toe cap yang dibuat baik yang berbahan baku PC, ABS, dan PC/ABS pada berbagai kondisi proses tidak retak ketika dikenai uji dengan beban 15 kN. Hal ini berarti memenuhi persyaratan toe cap yaitu tahan terhadap tekanan dengan beban 15 kN.
Tabel 5. Hasil uji ketahanan terhadap tekanan dengan beban 15 kN
No
Hasil uji ketahanan terhadap tekanan ISO 20345:2011
Jarak minimum ruang antara toe cap, mm
1. Mesin K80T membuat toe cap ukuran 7
2. Mesin N80T membuat toe cap ukuran 9 dengan energi 200J, demikian juga untuk toe cap yang dibuat dari polipaduan PC/ABS yang di proses dengan mesin K80T pada suhu 270-280oC. Namun semua toe cap tersebut tahan terhadaptekanandenganbeban 15 kN.Toe cap yang dibuat dari poli paduan PC/ABSdengan menggunakan mesin Nissei 80T pada suhu 225-240
oC, suhu nozzle 120oC, tekanan injeksi 58-65% dan tekanan holding 60% tahan terhadap uji impak dengan
enerji 200 J dan tahan terhadap tekanan dengan beban 15 kN sehingga telah memenuhi persyaratan sepatu pengaman.
UCAPAN TERIMA KASIH
DAFTAR PUSTAKA
Cahyadi, D. (2014). Analisis Parameter Operasi pada Proses Plastik Injection Moolding untuk Pengendalian Cacat Produk, SINTEK JURNAL, 8(2), 9-16
Costa, S.L., Mendonça, J.P.,& Peixinho, N. (2014). Numerical Simulation of Quasi-Static Compression Behavior of the Toe Cap Component for Safety Footwear, International Journal of Computer Theory and Engineering, 6(4), 285-291.
Harwood, J.M. (1993). US patent 5210963A: Molded Plastic Toe Cap. Washington, USA: U.S. Patent and Trademark Office
Harwood, J.M. (1997). US Paten US005666745A: Molded plastic toe cap for shoes. Washington, USA: U.S. Patent and Trademark Office
Ho, M.H, Wang, P.N., Yeh, J.P., and Li, S.J. (2015). Research on Fatigue Fracture Characterization of PC/ABS Blend.5th International Conference on Advanced Design and Manufacturing Engineering (ICADME 2015), Published by Atlantis Press, pp. 1899-1902.
International Organization for Standardization ISO 20345: 2011, Personal Protective Equipment-Safety Footwear
Kavade, M. V., &Kadam, S. D. (2012). Parameter Optimization of Injection Molding of Polypropylene by using Taguchi Methodology, IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE), 4(4), 49-58
Krache, R., &Debbah, I. (2011), Some Mechanical and Thermal Properties of PC/ABS Blends, Materials Sciences and Applications, 2, 404-410.
Mathivavan, D., Nouby, M., & Vidya, R. (2010). Minimization of sink mark defects in injection molding process – Taguchi approach, International Journal of Engineering, Science and Technology, 2 (2), 13-22
Nurhidayat, A. dan Wijoyo. (2014). Pengaruh Fraksi Volume Serat Cantula terhadap Ketangguhan Impak Komposit Cantula-HDPE Daur Ulang Sebagai Bahan Core Lantai Ramah Lingkungan, Prosiding SNATIF Ke -1, Fakultas Teknik – Universitas Muria Kudus, 145-152
Shin, H., &Park, E.S. (2013). Analysis of Incomplete Filling Defect for Injection-Molded AirCleaner Cover Using Moldflow Simulation. Journal of Polymers. Article ID 720209, 1-13, http://dx.doi.org/10.1155/2013/720209, Hindawi Publishing Corporation, diases tanggal 24 April 2016.
Taghizadeh, S., Özdemir, A., &Uluer, O.2013. Warpage Prediction in Plastic Injection Molded Part Using Artificial Neural Network, Iranian Journal of Science and Technology Transactions of Mechanical Engineering, 37 (M2), 149-160.
Zulianto, D. (2015). Analisa Pengaruh Variasi Suhu Plastik Terhadap Cacat Warpage Dari Produk Injection Molding berbahan PolyProphylene (PP)Bab I: Pendahuluan, Tugas Akhir thesis, UniversitasMuhammadiyah Surakarta,
http://eprints.ums.ac.id/41085, diakses tanggal 25 Agustus 2016
