Stabilitas Bentuk dan Dimensi Plastik Polypropylene Terhadap Kecepatan Putaran Screw (Ariefin)
STABILITAS BENTUK DAN DIMENSI PLASTIK POLYPROPYLENE
TERHADAP KECEPATAN PUTARAN SCREW MESIN EKSTRUSI
Ariefin
Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Lhokseumawe
Jl. Banda Aceh-Medan Km. 280 P.O. Box 90, Buketrata, Lhokseumawe 24301
E-mail: arieting62@yahoo.com
Abstract
Research aim is to analyze the influence of the screw rotation speed to change the shape to and dimensions of the product by a single screw extrusion. This study a model of the form of the product produced square shaped rectangular. Material type of plastic is polypropylene (PP). Extrusion machine used is a single screw with a ratio l/d barrel- screw is 14. Speed greatly depending on the size pulleys diameter that used. At this study, variation in screw rotation is done by varying the amount of difference that used. Each pulley diameter pulleys varied rotation speed is measured using a rotation speed variation tachometer. As for will do are 100, 80, 60, 40, and 20 showed rpm. Results screw ratation speed extrusion machine approximates the shape of die is at 100 rpm. Difference diameter dimensions die and cross section products range from 12 % to 38 %.
PENDAHULUAN
Produk plastik telah mendominasi setiap bidang dari kehidupan manusia sekarang ini, mulai dari peralatan rumah tangga, pertanian, industri, rumah sakit, sampai pada
teknologi ruang angkasa menggunakan
plastik.Trend penggunaan bahan plastik
cenderung terus meningkat dari tahun ke tahun.Di Indonesia pemakaian bahan plastik, baik untuk keperluan industri, rumah tangga, pengemasan dan keperluan lainnya terus
meningkat.Tetapi penggunaan plastik di
Indonesia masih jauh tertinggal dibandingkan negara di Asia Tenggara [1].
Ketertinggalan Indonesia dalam
penggunaan plastik dikarenakan oleh salah satu faktor yaitu kurangnya teknologi tentang pengolahan plastik, baik dari segi peralatan maupun teknik produksinya.Produk plastik dapat diproduksi melalui proses-proses tertentu
sesuai dengan kebutuhannya. Persentase
penggunaan dari setiap proses adalah Extrusion 36%, Injection 32%, Blow molding 10%,
Calendering 6%, Coating 5%, Compression
3%, Powder (Roto) 2%, dan lain-lain 6% [2]. Dari persentase di atas dapat kita lihat, kebanyak produk plastik diproduksi dengan menggunakan proses ekstrusi. Pada proses
ekstrusi bentuk produk dengan dimensi
toleransi yang ketat tidak mudah didapat,
karena terdapat beberapa faktor yang
mempengaruhi. Faktor-faktor tersebut antara lain, yaitu: kecepatan putaran screw, besarnya tekanan dan temperatur yang digunakan.
Ketepatan dan stabilitas dimensi
produk yang baik sangat diharapkan dalam proses pembentuk plastik, tetapi itu tidak mudah didapat, sehingga banyak produk yang mempunyai ukuran yang tidak sesuai dengan harapan. Ketepatan dan stabilitas dimensi tersebut dipengaruhi oleh banyak faktor (kecepatan putaran screw, besarnya tekanan dan temperatur proses) sehingga dimensi dapat menyimpang dari yang direncanakan. Melalui penelitian ini akan dilihat pengaruh kecepatan
screw terhadap dimensi produk dengan mengkondisikan temperatur proses sebagai variabel tetap.
Berdasarkan permasalahan tersebut,
maka perlu dilakukan penelitian yang
berkenaan dengan variabel-variabel yang
mempengaruhi hasil proses pembentukan
plastik. Pada penelitian ini ruang lingkup dibatasi hanya dengan memvariasikan salah satu faktor yang dapat merubah dimensi dan bentuk produk yaitu kecepatan putaran screw. Untuk temperatur diatur konstan sebesar 1800C, berdasarkan hasil penelitian [3] untuk mesin ekstrusi single screw yang akan digunakan nantinya.
Penelitian bertujuan untuk menganalisis pengaruh kecepatan putaran screw terhadap perubahan bentuk dan dimensi produk yang dihasilkan oleh mesin ekstrusi single screw. Mesin ekstrusi tanpa menggunakan sistem penepatan dan pendingin.
Konsep dasar ekstrusi mirip injection
molding yaitu material lewat melalui hopper ke
dalam barrel yg mana dicairkan dan didorong keluar karena pergerakan dari screw. Proses ekstrusi biasanya untuk membentuk komponen-komponen yang kontinyu dengan bentuk profil yang konstan seperti misalnya film, sheet,
filament, pipa, batangan dan lain-lain. Perbedaan utama ekstrusi dengan injection
moulding adalah ekstrusi beroperasi pada
tekanan rendah (1-10 MPa) namun bisa juga mencapai (35-70 MPa) sedang injection
moulding beroperasi pada tekanan tinggi
(14-210 MPa).
Material yang masuk ke barrel dibawa mengalir oleh screw ke sepanjang barrel hingga keluar melalui die, dengan putaran sekitar 60 rpm. Screw mempunyai peran yang penting untuk mendorong material hingga keluar menjadi produk. Screw dibagi menjadi tiga bagian yaitu: (1) feed section, bagian ini merupakan bagain awal dimana material berpindah dari hooper ke barrel dan bagian
dimana terjadi pemanasan awal; (2)
compression section, bagian dimana plastik
bertransformasi menjadi liquid hingga menjadi
melt dan material ditekan ke depan; dan (3) metering section, bagian dimana terjadi pengadukan untuk mendapatkan melt yang homogen, dan material terdorong melewati die hingga keluar menjadi produk.
Screw dan barrel adalah dua komponen
utama dari sebuah mesin ekstrusi. Screw berfungsi sebagai poros pendorong, pemotong, dan pengaduk plastik panas yang terdapat di
dalam barrel. Sedangkan barrel adalah
selongsong yang merupakan ruang pemanas dimana screw berada di dalamnya. Barrel berfungsi sebagai tempat proses plastisisasi.
Jurnal Teknologi, Vol. 13, No. 1, April 2013 : 11-15
Menurut Rosato [2], untuk menjamin
kelangsung proses, rasio diameter screw dan diameter barrel (clearance) dianjurkan sebesar 0.0005 s.d 0.002 in (0,05 mm).
Dalam penggunaannya diameter screw mempengaruhi laju aliran plastik dalam barrel.
Pemilihan diameter dan panjang screw
didasarkan pada rasio perbandingan (L/D) dengan range 6 s.d 48, akan tetapi kebanyakan proses plastik mengambil ratio L/D sebesar 24 s.d 36 [2]. Sedangkan Groover [4] menyatakan bahwa secara tipikal, diameter dalam barrel berkisar dari 1 s.d 6 in (25 s.d 150 mm).Panjang
barrel relatif terhadap diameter biasanya rasio
perbandingan antara 10 s.d 30.
Istilah plastik mencakup produk
polimerisasi sintetik atau semi-sintetik.Mereka
terbentuk dari kondensasi organik atau
penambahan polimer dan bisa juga terdiri dari zat lain untuk meningkatkan performa atau ekonomi. Ada beberapa polimer alami yang termasuk plastik. Plastik dapt dibentuk menjadi film atau fiber sintetik. Nama ini berasal dari fakta bahwa banyak dari mereka "malleable", memiliki properti keplastikan. Plastik didesain dengan variasi yang sangat banyak dalam properti yang dapat menoleransi panas, keras, "reliency" dan lain-lain. Digabungkan dengan
kemampuan adaptasinya, komposisi yang
umum dan beratnya yang ringan memastikan plastik digunakan hampir di seluruh bidang
industri. Amstead [5] mengelompokan
polypropylene ke dalam kelompok
termoplastik. Bahan ini memiliki sifat-sifat
listrik yang baik, nilai impak dan kekuatan yang tinggi dan sangat tahan terhadap suhu dan bahan-bahan kimia. Contoh produk dari bahan ini antara lain: alat-alat untuk rumah sakit, mainan anak-anak, koper, perabot, lembaran untuk pengemasan makanan, kotak televisi dan isolasi listrik..
Beberapa penelitian tentang plastik telah dilakukan seperti, Indra [6] meneliti tentang pengaruh temperatur melting PP pada
proses ekstrusi, dari hasil penelitian
menunjukan temperatur melting yang berbeda menghasilkan dimensi yang berbeda pula. Michaeli [7] melalui papernya memaparkan metode baru desain geometri die untuk ekstrusi. Metode ini menggunakan gabungan finite element analisis (FEA) dan flow analisis network (FAN). Hasil risetnya dalah algoritma untuk optimasi aliran pada saluran dies ekstrusi secara aoutomatis. Michaeli [8] juga meneliti gesekan polypropelene (PP) di dalam feed
section dari single screw ekstrusi, yang menghasilkan additive, filler dan bentuk pellet berpengaruh terhadap gesekan di dalam extruders.
Groover [4] dalam bukunya
menyatakan polypropylene (PP) diperkenalkan sejak tahun 1950 dan saat ini menjadi plastik
utama yang banyak digunakan dalam
pembuatan produk plastik. Polypropylene mempunyai simbol kimia (C3H6)n. Karakteristik
PP menurut [4] antara lain: mempunyai modulus elastisitas 1400 MPa, tensile strength 35 MPa, elongation 10% s.d 500%,
glass-transitiontemperature -200 C, dan melting
temperature 1760 C. Howe [9] menyatakan polimer jenis polypropylene (PP) banyak
digunakan untuk produk pipa, tubing,
kontainer, interior otomotif dan lain-lain.
METODE
Pada penelitian ini, model dari produk yang dianalisis berbentuk persegi empat. Bahan plastik yang digunakan adalah bahan plastik jenis polypropylene (PP). Bahan PP ini termasuk dalam kategori bahan polimer
termoplastik. Mesin ekstrusi yang digunakan
adalah mesin ekstrusi singlescrew dengan per bandingan L/D barrel- screw adalah 14.
Kecepatan putaran screw sangat
tergantung dari besarnya diameter puli yang digunakan. Pada penelitian ini, variasi putaran
screw dilakukan dengan memvariasikan
perbedaan besaran diameter puli yang
digunakan. Setiap puli yang divariasikan diukur kecepatan putaran menggunakan tachometer. Adapun variasi kecepatan yang akan dilakukan adalah 100, 80, 60, 40, dan 20 rpm
Adapun prosedur pengujian:
a. Setting ukuran puli sesuai dengan putaran yang diinginkan. Pengukuran kecepatan
screw dilakukan dengan tachometer.
b. Lakukan pemanasan dengan cara
menghidupkan heater hingga mencapai temperatur 1800C dan tahan (holding time) hingga 15 menit pada temperatur tersebut. Tujuan dari holding time selama 15 menit
tersebut adalah untuk mendapatkan
temperatur yang homogen dibagian luar dan dalam barrel.
c. Hidupkan motor listrik untuk mendapatkan putaran screw. Putaran motor listrik dengan sistem transmisi sabuk direduksi
oleh gear box reduksi dan puli kemudian diteruskan ke poros screw.
d. Masukan butiran plastik ke dalam
pengumpan (hooper). Dengan gaya
gravitasi butiran plastik masuk ke dalam
barrel dan dengan screw yang berputar
memindahkan material ke sepanjang barrel. Elemen pemanas (heater) meleburkan butiran plastik hingga mencapai temperatur
melting. Melalui pergerakan screw dalam barrel, butiran plastik yang telah menjadi
viskos plastik ditekan ke dalam die.
e. Produk yang keluar dari cetakan dapat didinginkan dengan udara.
f. Potong bagian produk dan ukur
dimensinya.
g. Untuk analisis permukaan, penampang produk yang dipotong diamplas dan dilakukan pengamatan melalui mikroskop atau scanner.
Die dibuat dari baja St 37 dengan
diamter persegi empat 10 mm. Die yang digunakan diperlihatkan pada gambar 1.
Gambar 1. Bentuk die
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari hasil pengujian dengan
menggunakan temperatur 1800C dengan variasi putaran 100, 80, 60, 40, dan 20 rpm dihasilkan beberapa karakteristik bentuk produk yang berbeda sebagai berikut.
a. Putaran 100 rpm
Putaran 100 rpm didapat dari penggunaan puli motor 4 inchi, reduser 4 inchi dan 8 inchi dan screw 4 inchi. Posisi puli tampak depan dan bentuk penampang produk diperlihatkan pada gambar 2.
Bentuk penampang produk yang
dihasilkan pada putaran 100 rpm mendekati bentuk segi empat, akan tetapi masih terjadi
perubahan dimensi. Pengukuran dimensi
diameter rata-rata produk (12,65 mm), diameter
die 10 mm. Terjadi selisih ukuran produk lebih
besar 21% dari ukuran diameter die. Pada batangan masih terlihat butiran plastik yang belum mencair sempurna.
Gambar 2. Posisi puli putaran 100 rpm dan penampang produk
b. Putaran 80 rpm
Putaran 80 rpm didapat dari penggunaan puli motor 4 inchi, reduser 4 inchi dan 5 inchi dan screw 3 inchi. Posisi puli tampak depan dan bentuk penampang produk diperlihatkan pada gambar 3.
Gambar 3. Posisi puli putaran 80 rpm dan penampang produk
Bentuk penampang produk yang
dihasilkan pada putaran 80 rpm mendekati bentuk segi empat. Dimensi diameter die 10 mm dan diameter rata-rata produk (15,15 mm), disini terjadi selisih ukuran produk lebih besar 34% dari ukuran diameter die. Pada batangan masih terlihat juga butiran plastik yang belum mencair sempurna.
Jurnal Teknologi, Vol. 13, No. 1, April 2013 : 11-15
c. Putaran 60 rpm
Putaran 60 rpm didapat dari penggunaan puli motor 4 inchi, reduser 4 inchi dan 4 inchi dan screw 3 inchi. Posisi puli tampak depan dan bentuk penampang produk diperlihatkan pada gambar 4.
Bentuk penampang produk yang
dihasilkan pada putaran 60 rpm berbentuk batangan segi empat. Dari pengukuran dimensi, diameter rata-rata produk (16 mm), diameter
die 10 mm. Terjadi selisih ukuran produk lebih
besar 38% dari ukuran diameter die. Pada
batangan butiran plastik telah mencair
sempurna.
Gambar 4. Posisi puli putaran 60 rpm dan penampang produk
d. Putaran 40 rpm
Putaran 40 rpm didapat dari penggunaan puli motor 4 inchi, reduser 4 inchi dan 4 inchi dan screw 5 inchi. Posisi puli tampak depan dan bentuk penampang produk diperlihatkan pada gambar 5.
Gambar 5. Posisi puli putaran 40 rpm dan penampang produk
Bentuk penampang produk yang dihasilkan pada putaran 40 rpm berbentuk batangan segi empat. Dari pengukuran diameter rata-rata produk (15 mm) dan diameter die 10 mm. Terjadi selisih ukuran produk lebih besar 33% dari ukuran diameter die. Pada batangan butiran plastik telah mencair sempurna.
e. Putaran 20 rpm
Putaran 20 rpm didapat dari penggunaan puli motor 4 inchi, reduser 4 inchi dan 3 inchi dan screw 9 inchi. Posisi puli tampak depan dan bentuk penampang produk diperlihatkan pada gambar 6.
Gambar 6. Posisi puli putaran 20 rpm dan penampang produk
Bentuk penampang produk yang dihasilkan pada putaran 20 rpm berbentuk batangan segi empat. Dari pengukuran diameter rata-rata produk (13,45 mm), diameter die 10 mm. Terjadi selisih ukuran produk lebih besar 25% dari ukuran diameter die. Pada batangan butiran plastik telah mencair sempurna.
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian dapat diambil kesimpulan; Selisih ukuran dimensi diameter die dan penampang produk berkisar antara 12% sampai dengan 38%. Kecepatan putaran screw yang semakin tinggi akan menghasilkan bentuk penampang produk yang mendekati bentuk die. Pada putaran screw yang semakin tinggi, plastik belum mencair sempurna.
Kecepatan screw mesin ekstrusi yang
DAFTAR PUSTAKA
[1] Suratno, B.,. 2003. Polimer and Composite
Material, Seminar Dosen Tamu di Magister T. Mesin USU, Sentra Teknologi Polimer, Serpong
[2] Rosato, D. 1997. Plastics Processing Data
Handbook, Ed.2, Chapman & Hall,
London.
[3] Indra., M. 2007, Analisis Bentuk
Ekstruded Polypropylene Akibat
Perbedaan Temperatur Proses
Menggunakan Single Screw Extrusion,
Jurnal Sistem Teknik Industri USU, Vol. 8. No.1, 2007
[4] Groover. Mikel P. 1996. Fundamentals of
Modern Manufacturing Materials, Processes and Systems, John Wiley &
Sons Inc. New York
[5] Amstead B.H, 1991. Teknologi Mekanik. Jilid 1, Erlangga, Jakarta
[6] Indra., M 2005, Analisis Temperatur
Melting Polypropylene Terhadap
Perubahan Bentuk Produk Dengan
Menggunakan Desain Extrusi SingleScrew,
Prosiding Research Grant TPSDP Batch III. Jakarta
[7] Michaeli,W., Imhoff, A. Friction in the Feed Section of Single Screw Extruders Dependent on Pellet Shape, Fillers and Additives, Journal of Applied Polymer
Engineering, Vol. 24, No. 5, 2004
[8] Michaeli,W., Kaul,S. Approach of an Automati Extrusion Die Optimization,
Journal of Applied Polymer Engineering, Vol. 24, No. 5, 2004
[9] Howe, David. 1999. Polimer Data
Handbook. Oxford University Press, Inc
