1. M EK A M SM E PENCETAKAN
Langkah-Iangkah Injection Molding Process dapat diperinci seperti gambar di bawah in i:
1.
I angkah 1; Awal dari proses plastisasi
Langkah 2: Akhir dari proses piastisasi
3.
Langkah 3: Penutupan cetakan
Langkah 4; Awal dari Proses Injeksi
w
...— 1
Langkah 5: Akhir dari proses Injeksi dan pcndinginan cetakan
6,
V 7
Y ^ ^ iY i0 li9 0 0 $ \ Aij.lAau> I---
Langkah 6: Pelepasan benda kerja
Keterangan :
Langkah L- Awal dari proses plastisasi
Screw bergerak secara rotasi dan mentransport melt (pellet yang sudah mencair) ke screw chamber. Kemudian screw kembali ke posisi semula.
Langkah 2; Akhir dari proses plastisasi
Screw berhenti bergerak. Dan di dalam screw chamber terdapat cukup material untuk memulai proses.
Screw bergerak ke depan menuju nozzle secara axial tanpa berotasi dan mentransport melt tersebut ke dalam cavit\'.
Langkah 5; Akliir dari proses Injeksi dan pendinginan cetakan
Pengisian cairan plastik panas ke mold berhenti dan cooling system berjalan untiik membekukan cairan plastik panas (hot malt) dan membentuk produk yang sesuai dengan rongga cavit)^
Pada langkah ini, Injection unit akan memulai kembali proses dan mempersiapkan material untuk ditembakkan ke mold (mengulangj Langkah Awal proses plastisasi).
Langkah 6: Pelepasan benda kerja
Mold membuka dan produk yang sudah jadi akan keluar. Prosedur dari plasticating proses selesai (diulang seperti Step 2).
Material plastik yang akan digunakan untuk proses Injection Molding dapat berupa pellets atau powder (serbuk). Kebanyakan yang dipakai adalah berbentuk pellets. Material tersebut (pellets) sebelum proses dimulai diletakkan di dalam hopper. Material plastik yang berasal dari hopper tersebut dipanaskan oleh gesekan yang terjadi dan heater bands yang berada disekeliling banel sehingga meleleh (melt). Cairan plastik tersebut oleh screw didorong ke arah
secara otomalis screw terdorong ke depan mendorong melt dari screw chamber melewati nozzle kc mold ca\^(y (langkah 4 ) atau dcngan kata lain, caiian plastik panas (hot melt) tersebut diinjeksikan dengan tekanan tinggi ke dalam rongga caA-ity dari cetakan.
Adanya sistem pendingin di dalam mold menyebabkan cairan plastik membeku setelah beberapa saat dan membentuk sesuai dengan rongga cavity.
Kemudian mekanisme pengeluaran akan mengeluarkan plastik yang telah membeku dan sudah merupakan produk itu dari dalam mold. Setelah itu maka proses berulang seperti peitama kali.
2. CAVITY
Cavity adalah merupakan bentxik negative {negative shape) dari produk yang diinginkan sesuai dengan bentuk dan dimensi produk.
2.1 Jumlah Cavity Berdasarkan Kapasitas Maksimum Volume Satu Langkah Inieksi (N ,)
V p ^ ' ^ d + s ) ... (2,la )
=
0,
8.... ..;...
(2.1b)Vp
dimana;
% = berat produk (gr)
P p = beratjenis material (kg/m^) s = penjojsutan (shrinkage ) (%) Vs = volume injeksi maksimum (m^) Vp = volume produk (m^)
2.2 Jutnlah Cavity Berdasarkan Gava Pencekaman Mesin Inieksi (N.)
F m a x • S p N ^ =
Ap. Pi (2.2)
dimana;
max ■ Gaya pencekaman maksimum mesin injeksi (N)
^ Safety factor (1,2 - 1,5) Luas proyeksi produk (m^) tekanan injeksi maximum (Pa)
2.3 Hot Runner
Sistem hot runner ini dikembangkan untuk memperbaiki kelemahan-kelemahan yang teijadi pada sistem yang lain. Adapun kelebihan hot runner yang paling menonjol selain kualitas produk yang lebih halus, kecenderungan untuk membuang bahan baku dapat dikurangi. Pada sistem ini, plate yang menjadi rumah saluran runner, disebut manifold (hot manifold), diberi sistem pemanas agar material di dalam saluran selalu dalam keadaan melt.
Gambai- di bawah ini memperlihatkan salah satu contoh dari sistem hot runner
ilQJLfiLUim fl.idO.lJl
HOT R U N N E R
E L E C T R I C H E A T E D M A N I F O L D
MOLD S E P A R A T E S
Gb.2.1. Contoh .vistem hot runner.
Hot manifold tersebut harus diberi pemanasan awal lebih dahulu dengan cara mengalirkan sejumlah arus listrik ke dalam sistem. Arus listrik ini akan menghasilkan panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur sistem hot runner dari temperatur kamar ke temperatur proses. Adapun energi yang diperlukan untuk memanasi manifold dapat dirumuskan seperti di bawah i n i :
... (2.3) dimana ;
Q = energi yang diperlukan untuk memanasi manifold (watt) m = berat manifold (kg)
Cp = panas jenis bahan manifold (wattjam/kg°K)
(IT = selisih antara temperatur proses dengan temperatur kamar (‘^C) t = lama waktu pemanasan dari suhu awal ke temperatur \'ang
diperlukan (jam).
Dengan pertimbangan bahvva manifold yang dipanasi akan kehilangan ]?anas karena konduksi, radiasi, maupun konveksi, maka perhitungan di atas ditambah 20% sehingga encrgi yang diperlukan menjadi 120% x Q = 1,2Q watt (SisAvoto, 1985). Energi scbesar 1,2Q watt tersebut diperoleh dari Catridge Heater yang ditempatkan daiam manifold.
Di bawah ini dapat dilihat contoh dari Catridge Heater
o - T’
t-H _
__________
Gb.2.2. Contoh catridge heater
2.4 Tekanan Inieksi
Tekanan Injeksi adalah tekanan yang diperlukan agar produk daj terbentuk dengan baik. Besamya tekanan injeksi adalah perbandingan antars panjang aliran (flow length) dan tebal dinding (wall thickness) dari cetakan
= L X H X SF X n .(2.4)
dimana;
Pinj = tekanan Injeksi (N /m ^
L = panjang aliran {flow length) (cm)
H = tebal dinding (wall thickness) (N/cm^) (lampiran B ) SF = faktor keamanan {safety factor ) (1,2 - 1,5) n =jum lah cavity
2.5 Gava Pencekaman
Fclamp = Pm jX A ...(2.5)
dim ana:
Fciamp = gaya pencekaman
Pjjjj = tekanan injeksi (injection pressure) (N /m ^ Ap = luas proyeksi produk (m ^
Untuk menjaga supaya tidak teijadi flash (atau cairan plastik panas yang keluar dari cetakan) maka, gaya pencekaman yang teijadi ( ' ) dibuat 10% lebih besar dari hasil periiitungan yang didapat ( Siswoto, 1985 ).
Fclamp=Pi,yXA... (2.6) Fclamp*=Fclan^(l + 10% )...(2.7)
2.6 Waktu Siklus Proses(Cvcle Time Proses)
Waktu Siklus Proses adalah waktu total yang diperlukan untuk mencetak produk dari bahan baku yang berupa pellets (biji plastik) sampai menjadi produk jadi.
Waktu Siklus Proses ini terdiri dari waktu gerak membuka dan menutup dari mold, pause time, injection time, holding time dan cooling time. Di bawah ini dapat dilihat bagian dari Waktu Siklus Proses.
i4--- — >1
Gb.2.3. Pembagian cycle time proses.
*c.
dimana :
(2.8)
t^j = waktu siklus proses t„, = waktu istirahatpa
tjjjj = waktu gerak cetakan membuka tj, = waktu gerak cetakan
t(jj = waktu gerak cetakan menutup
■ = waktu injeksi
^ = delay time
j' = waktu injeksi sesungguhnya
= holding time
= waktu pendinginan
2.6.1. Waktu gerak cetakan.
Adalah waktu yang diperlukan untuk membuka cetakan mengeluarkan produk dari dalam cetakan dan menutup kembali.
' b = > l , b + ' p a + t b , ... ( 2 9)
2.6.2. Waktu gerak cetakan m em buka.
Adalah waktu yang diperlukan untuk membuka cetakan dan mengeluarkan produk dari dalam cetakan.
Kecepatan gerak cetakan membuka umumnya lebih lambat dari pada kecepatan gerak menutup, supaya produk tidak cacat waktu dikeluarkan dari cetakan.
= ...
dimana :
L = jarak bukaan cetakan (mm)
Vjijj = kecepatan gerak cetakan membuka (mm/s)
2.6.3. Waktu gerak cetakan menutup.
Adalah waktu yang diperlukan oleh cetakan untuk bergerak menutup.
...
dimana :
L = jarak bukaan cetakan (mm)
= kecepatan gerak mold menutup (mm/s)
2.6.4. Waktu Istirahat.
Waktu cetakan berhenti untuk beberapa saat sebelum menutup kembali.
2.6.5. Waktu Injeksi.
Adalah waktu yang diperlukan oleh cetakan dari posisi cetakan menutup sampai cairan plastik mengisi penuh ro n ^ a cavity.
Setelah cetakan menutup, injection nozzle tidak langsung menglnjeksikan cairan plastik, tapi berhenti selama kurang lebih
3 detik( waktu delay.)
ti = V + td ...(2-12)
2.6.6. Waktu injeksi sesungguhnya (t,').
Adalah waktu yang diperlukan oleh cairan plastik untuk mengisi rongga cavity sampai penuh.
...
dimana ;
Vg = volume material untuk satu kali injeksi (cm^) V = volume injeksi maximum (cm^)
= vvaktxj injeksi untuk volume langkah maximum (s).
2.6.7. Waktu tunda.
Adalah waktu yang diperlukan oleh cetakan setelah menutup sampai kondisi cetakan siap menerima cairan plastik dan nozzle.
2.6.8. Holding time.
Adalah waktu yang diperlukan agar cairan plastik di dalam rongga cavity benar-benar mampat.
2.6.9. Waktu pendinginan.
Adalah waktu untuk menurunkan temperatur dinding produk dari temperatur pemasukan cairan plastik ke dalam cavity sampai mencapai temperatur pengeluaran produk.
Twmax--- ... ... (2-14) bp = jp.k.Cp ... (2.15) T w m « = T „ - 1 0 ...(2.16)
dimana :
1 bp = heat penetrabiJity produk (m ,°K.s 2 )
Tw ma x=T w- 1 0 ... (2.16) diiTiana ;
bp = heat penetrability produk (m .‘’K.s 2 )
b^^, = heat penetrability dinding produk (m .^K.s 2 ) T = wall temperatxir cavity ('^C)
= temperatxir cairan plastik sebelum kontak ( C) Tq^ = temperatur dinding cavity sebelum kontak (°C)
Asumsi-asumsi yang diambil untuk melakukan perhitungan waktu pendin^an:
♦ Tepat setelah injeksi dilakukan, temperatur di dalam mold dianggap kon- stan, sehin^a Tj^ bukan fungsi dari perambatan panas.
♦ Temperatur dinding cavity dianggap konstan, sehin^a bukan meru- pakan fungsi dari waktu pendinginan.
'P dimana :
s = tebal dinding produk (mm)
= melting temperatur (°C)
T0 = temperatur keluaran produk (°C) Xp = diffusivitas panas produk (m /s) 2
= waktu pendinginan (® C)
dengan suhu rendah (lebih rendah dari suhu pada waktu diinjeksikan oleh nozzle ke dalam cavity). Dalam kaitan ini teijadi pemindahan sejumlah kalor, yaitu dari material plastik kepada cetakan.
Karena proses pencetakan berpusat di dalam rongga cavity, maka pada umumnya bagian ini akan raenerima material plastik dengan jumlah yang lebih banyak dari bagian lain. Karena hal tersebut, maka kalor yang dipindahkan ke dalam rongga cavity akan lebih besar. Dan diasumsikan bahwa material plastik yang mengisi di luar rongga cavity cukup kecil, sehingga bagian lain tidak perlu ditinjau secara terpisah.
Kalor yang dilepaskan oleh material plastik ke dalam ro n ^ a cavity, dipindahkan ke dinding cavity. Karena pemindahan kalor berlangsung secara terus menerus selama operasional, maka kalor yang diterima dinding cavity makin lama semakin banyak, sehin^a menyebabkan kenaikkan suhu pada dinding cavity dan apabila kenaikkan suhunya mencapai suhu dari material yang dimasukkan, maka proses pemindahan kalor tidak dapat berlangsimg. Untuk itu harus teijadi pembuangan kalor dari dinding cavity.
Sebenamya pembuangan kalor ini dapat secara alami, yaitu kalor yang diterima dinding cavity akan merambat ke pennukaan luar dari cetakan, kemudian dari permukaan kalor akan lepas secara konveksi ataupun radiasi.
Tetapi kecepatan pembuangan ini rendah atau tidak memadai dengan jumlah kalor yang diterima, maka perlu dilakukan pembuangan kalor secara buatan.
Pembuangan kalor dari dinding cavity dapat dilaksanakan dengan membuat saluran di dekat dinding cavity. Dimana di dalam saluran tersebut dialirkan zat yang bersifat dapat mengalir (air).
Kalor yang diteiima dinding cavity akan merambat ke dinding saluran, kemudian dari dinding saluran ini kalor akan dihanyutkan oleh 'aUi an aii '.
2.7.1. Kcbutuhan air pendingin.
Agar penghanyutan kalor dapat beijalan baik, maka keadaan air di dalam saluian hams turbulen.
Pada aliran turbulen ini lintasan air berguling, dimana suatu titik air yang sebelumnya berada di tengah saluran, akan pindah ke tepi saluran dan menyapu dinding saluran serta menghanyutkan kalor. Pada aliran ini tidak ada air diam, semua air di dalam saluran bei^erak dan menyapu dinding saluran dengan cepat.
Gambar 2.4 Aliran turbulen Syarat aliran Turbulent:
> 2 3 0 0 ...
dimana :
(2.18)
R
w
Reynold Number wd
V (2.19)
= kecepatan aliran (m/det )
Syarat aliran Turbulent:
Re > 2 3 0 0 ... ... (2.18) dimana :
Re = Re^otiold Number _ wd
V (2.19)
w = kecepatan aliran (m/det )2
= diameter saluran (m) 2
V = kinematic viscosity (m /s)
2.7.2. Jumlah kalor yang harus dibuang.
3 ^ 0 H dimana :
Qo = G x i x ^ ^ ^ ^ ... (2.20)
G = Berat material plstik yang masuk ke mold (kg)
Qq = jumlah kalor yang akan dilepas material plastik ke dalam cetakan dalam setiap jam (KKal/hr)
H = cycle time pencetakan produk (s) i = selisih entalphy
Kalor yang diterima cetakan sebesar Qq di atas, sebj^ian akan dibuang oleh cetakan secara konveksi dan sebagjan akan dibuang oleh aliran air pendingin. Sebenamya ada sebagjan kalor yang dibuang cetakan secara radiasi, tetapi karena teilalu kecil, sehingga tidak diperfiitungkan.
2.7.3. Besar kalor yang dibuang secara konveksi (aianii)-
Pembuangan kalor secara konveksi didasaikan pada pembuangan kalor oleh udara yang mengelilingi permukaan cetakan dan teqadi dengan sendiiinya.
Qj = a i X F ( t , ^ - g (KKaVjam) ...(2.21) dimana :
Qj = besar kalor yang dibuang secara konveksi (KKal/jam) F = luas pennukaan cetakan (m)
*Am “ rata-rata permukaan cetakan ('^C) ly = suhu udara (°C)
(X j = faktor pemindahan panas antara udara dengan cetakan (KKal/m^jam°C)
Q , = (0,25 + |^ ) F ( t ^ - g " ' \ K K a I / k g ) ...(2.22) Aw
Dengan demikian Qj = Qq - Qj, atau kalor yang harus dibuang oleh aliran pendingin adalah Qq - Qj.
2.7.4. Panjang saluran pendingin yang diperlukan.
Q2 adalah kalor yang harus dilepas oleh dinding-dinding plate, dimana pada akhimya dihanyutkan oleh aliran air. Di dalam Injection Molding, kalor ini didinginkan dari dua arah yaitu oleh saluran air pendingin pada female dan male.
Jika kondisi pada male dan female dianggap sama, maka dapat dianggap masing-masing akan membuang kalor sebesar Tetapi jika diasumsikan salah satu (male/female) berkondisi lebih jelek maka akan
terbagi menjadi dua yailu dan dan Q, - Q2„,3ie + Qofemalc.
A. Pembuangan panas melalui bagian female 1. Panas yang diteiima bagian female
X f X T X (T ,^- T^,) ... (2.23)
dimana;
Q jf = panas yang diterima bagian female (kJ/hr) f = luas pennukaan produk (m )
OCj = koefisien perpindahan panas antara plastik dan cetakan (kJ/hr)
= suhu rata-rata dinding cavity (”C)
Tjm = suhu rata-rata dari plastik yang dimasukkan (°C) T = perbandingan waktu injeksi (tj), holding time (t,^),
dan waktu pendinginan (t^,) dengan cycle time (t,) t j + fc^+
fct
2. Hambatan perambatan panas female . = 1 r 2 , 3 . L
"V A . ' ^ ( A - a ) b - ( S - b )
Jika ada beberapa saluran pendingin, maka hambatan perambatan dari masing-masing saluran pendinginan hams dijumlahkan menjadi Rvtop dimana :
— ^ + . . + -— ... (2.25)
^ \ / t o t ^ V l ^Vn
dimana ;
Ry= hambatan perambatan female (hr.°C/kJ) A = panjang ca\aty (m)
a = panjang saluran pendingjn searah A (m) B = tinggi dinding cavit>- (m)
b = diameter saluran pendingin diukur searah B (m) L = jarak rata-rata dinding cavity ke saluran pendingin
(m)
X = faktor perambatan panas, untuk steel 42 kcal/m.hr°C
3. Temperatur rata-rata dinding saluran pendingin
^ccf “ ■ (Qaf ^vtot) ... (2.26) dimana :
Tccf = temperatur rata-rata dinding saluran pendingin
4. Panjang saluran pendingin yang diperlukan
^ 2 f e m a l e ^ ^
^female 3 , 5 3 ( 1 + Q , 0 1 5 T a m ) x ( T T a m )
...C2.27)
dimana :
^female panjang saluran pendingin yang diperlukan (m)
Tgjjj = temperatur air rata-rata (°C)
B. Pembuangan panas melalui bagian male dan panjang saluran pendingin yang diperlukan
1. Panas yang diterima bagian male
Q2male Q2 “ Q2female ...
dimana :
Qjmaie ^ panas yang diterima bagian male (kJ/hr)
2. Hambatan perambatan panas (Ry) Male
... ...
3. Hambatanperambatan panas total pada male
■5- ^ ^ = ^ + • ■ ■ + - ^ ... a-3 0 )
^ V t o t ■'^Vl ^Vn
dim ana:
Ryj = hambatan perambatan panas male (hr°C/kJ) d j = diameter luar male (m)
dj = diameter dalam male (m) Lj = panjang male (m)
% - faktor perambatan panas (42 KKaI/m.hr°C)
4. Temperatur rata-rata dindtng saluran
= T w - ( Q 2 m a le - R v t o t ) ... ( 2 - 3 1 )
dimana :
= lempeiatxir rata-rata dinding saluran ])endingin ( " o
5. Paniang saluran pendingin yang diperlukan
^male 3 , 53(1 + 0, 0 1 5 . T a m ) x ( T c c m -
... (2.32) dim ana:
Tgjjj = temperatxir rata-rata air (°C)
Lj^aie ” psnjang saluran pendingin yang dibutuhkan (m)
6. Pengecekan pendinginan
Pendinginan cetakan hams diperiksa lagj apakah sudah sesuai dan memenuhi syarat. Pertama-tama debit air yang disuplai oleh pompa apakah sudah memenuhi debit minimal yang dibutuhkan untuk pendinginan.
Debit minimal:
- 0,785 x D ^ x V ... (2.33)
Q • = debit minimal yangharus disuplai pompa (It/hr) D = diameter saluran pendingin (m)
_ R e x } - i
V D (2.34)
dimana :
V = kecepatan air pendinginan
= Reynold Number (=10000)
= \iscositas air
V
i s
•1 t a s
Temperatur^C
Gb.2.5. Viscositas air (Sisw oto,1980)
Lalu pengecekan dilanju&an dengan menghitung kapasitas pendinginan, dimana kapasitas pendinginan hams lebih besar dari kalor yang hams dibuang oleh saluran pendinginan (Qj).
Hai^a Kapasitas Pendinginan
= ... (2.35)
dimana :
Kp = kapasitas pendinginan (cooling capacity) (Kkal) Qmin ^ debit cairan pendingjn (It/hr)
Cp = panas jenis cairan pendingin (kJ/kg°K)
h = waktu pemasukan material dan pendinginannya (s)
H = waktu siklus proses pencetakan (s)
2.8 Penyusutan {Shrinkage)
Pada pendinginan material akan diikuti oleh penyusutan material, sehingga produk yang dihasilkan akan selalu lebih kecil dari ukuran cavity-nya.
Penyusutan produk akan berhenti bila telah mencapai suhu kamar. Berdasarkan shrinkage dinyatakan dengan prosentase sepeiti pada tabel di bawah i n i :
Table 2.1. Eaktor Pen>oisutan {Shrinkage Factor) Material Shrinkage Factor
(%)
Density (gr / ml)
PVC 0,3 - 0,6 1,35
PS 0,45 1,05
PC 0,5 -0,7 1,2
ABC, SAN 0,5 1,06- 1,1
PE 1,5-2,5 0,95
PP 1,3 - 2,0 0,93
Dengan adanya faktor penyusutan di atas maka dimensi cavity harus dibuat lebih besar.
Kapasitas Volume {Volume capacity) V - Vp + Vp X s%
dimana :
V = kapasitas Volume Vp = volume produk
s% = faktor penyusutan (Shrinkage Factor)
(2.36)
2.9. Gaya Pelepasan Produk (Ejector Force)
Gaya pelepasan product adalah gaya yang diperlukan oleh cetakan untuk melepaskan produk dan cetakan male.
Pelepasan produk ini tidak perlu menunggu sampai mencapai temperatur kamar, tapi biasan\'a walaupun masiJi diatas temperamr kamar produk sudah bisa dilcpaskan.
dm' = din(l+(Xm.d']')
= dm{]+amCl\^.-T^)} ... (2.37) dp' = dp( 1 -;-(Xp.d T)
- d p { K a p ( l e - l \ ^ ) ) ... (2.38) diniana :
dm' = Icbar male ])ada saat pelepasan (inm) dm = lebar male pada suhu kamar (mm)
dp' = lebar bagian dalam produk pada saal pelepa.san (mm) dp = lebar bagian dalam produk pada suhu kamar (mm) a m = koef. muai linear male (1/'"'K)
a p = koef. muai linear polipropilen (I A'K)
T0 = temperatur produk saat pengeluaran produk (‘^C)
= temperatur male saat pengeluaran produk ('^C) T,, = temperatur kamar (*^C)
Tegangan tank pada produk saat produk mencekeram male adalah ...
dimana :
S = Shrinkage
Ep = Modulus Elastisitas polypropilene (N/m") Tp = tegang tarik pada produk saat pelepasan (N/m")
T eg a n g^ tank pada produk saat produk mencengkeram cetakan male
akan menimbulkan gaya penait^iang A-A produk besamya
Fa = 2.s.Lc.xp ... (2.40) dim ana:
Fa = gaya penampang A-A produk (N) s == tebal dinding produk (m)
= panjang cetakan male yang dicengkeram produk (m) 2 . s . L i r ' "Cd
Tb ... (2.41)
2 . s - Td
- . - - ■ ... (2.42) Qm
dim ana;
xb = tekanan bidatig pada male (N /m ^
Gaya pelepasan yang diperhikan agar produk mulai lepas dari male
adalah
Fjj =(xxA^,XTjb
= X 7t X X X Tb ... ... (2.43)
dim ana:
Fjj = gaya pelepasan produk (N )
)0. = k o ^ . gesek antara plastik dengan male (0,2)
Ab = luas peimukaan produk yang mencengkeram male (m ^
