ANALISA PEMODELAN CETAKAN COR UNTUK PADUAN ALUMINIUM

Seminar Nasional dan Gelar Produk | SENASPRO 2017 249

ANALISA PEMODELAN CETAKAN COR UNTUK PADUAN ALUMINIUM

Gatra Anugrah Pratama1_{, Prantasi Harmi Tjahjanti}2

1

Prodi Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Sidoarjo / Sidoarjo

Jl. Raya Gelam 250, Candi Sidoarjo 61217, Indonesia Telp: 0318945444, Fax: 0318949333 E-mail: 1)_{gbaladewa@gmail.com,} 2)_{prantasi@gmail.com}

Abstrak

Proses pengecoran adalah proses menuangkan fluida cor cair yang panas ke dalam suatu wadah atau cetakan. Untuk mengetahui tingkat kelayakan suatu cetakan dengan cara mendesain, membuat cetakan cor kemudian menguji cobanya. Jika gagal maka perlu membuat ulang. Hal tersebut dianggap memakan waktu yang relatif lama. Sehingga tujuan dari penelitian ini adalah untuk membuat suatu desain sederhana, analisa dan simulasi terhadap cetakan cor jenis gravitasi dengan menggunakan software Solidworks 2013. Jenis material yang digunakan dalam penelitian ini adalah besi ASTM A36, keramik Alumina Al203 dan Karbon fiber yang masing-masing memiliki ketebalan 10mm, 20mm dan 30mm. Seluruh material tersebut diuji ketahanannya terhadap tekanan, tegangan dan panas menggunakan menu Solidworks Simulation. Dalam proses analisa tekanan dan tegangan perlu memasukkan nilai beban yang didasarkan pada massa cairan cor paduan aluminium. Sedangkan untuk analisa energi panas (Thermal) yang perlu dimasukkan ke dalam pengaturan simulasi adalah berdasar pada titik cair dari paduan aluminium jenis AlSiMg sebesar 660,2o_{C yang dibulatkan} menjadi 700o _{C. Untuk menentukan bahwa suatu benda tersebut aman atau tidaknya didasarkan pada} perhitungan Safety of Factor dari Material Strenght dibagi Design Strenght. Hasil dari analisa dan simulasi tegangan adalah menghindari penggunaan cetakan dengan tebal 10mm karena menurut perhitungan safety factor hasil yang didapat adalah dibawah 1 sehingga cetakan tersebut belum bisa dikatakan tidak aman. Untuk menambah keakuratan suatu hasil maka nilai heat flux dan konveksi dibandingkan dengan perhitngan manual. Untuk hasil konveksi cetakan cor terhadap udara luar yang paling cepat mengeluarkan panas adalah cetakan yang memiliki ketebalan 30mm dengan nilai sebesar 83,9W ASTM A36, 87,15W Alumina dan 89,56W karbon fiber

.

Kata kunci: Solidworks, Safety Factor, Simulation, Heat Flux, ASTM A36.

1. PENDAHULUAN

Pemilihan material dalam proses pengecoran sangat diperlukan apalagi menyangkut tentang ketahanan dalam penuangan cor. Teknologi cetakan dibuat dari besi untuk pengecoran logam kuningan berukuran 300mm x 100mm dengan menggunakan cetakan permanen berdimensi 400mm x 200mm x 40mm [Suyitno', Salim, & Mahardika, 2016]. Peneliti tersebut menggunakan cetakan permanen sebagai pengganti cetakan pasir dan hasilnya dapat meminimalisir waktu, tenaga dan juga biaya. Namun dalam jurnal tidak mencantumkan perhitungan panas dan menggambar dengan aplikasi apa. (Kamarudin, 2013) Mendesain dan melakukan optimasi terhadap runner & gatting system pada cetakan cor permanen yang menggunakan aplikasi Solidwork sebagai modelling 3D dan Ansys untuk analisanya. (Sunanda & Himte, 2013) meneliti tentang desain dan analisa pengecoran besi murni dengan cetakan yang berbeda. Penelitian lain tentang pengaplikasian benda solid untuk pemroduksian wadah (billets) dengan ukuran cetakan 170mm x 265mm x 170mm tebal dinding 25mm digunakan untuk proses pengecoran (casting) dengan dimensi 120mm x 120mm x 240mm menggunakan program aplikasi Solidwork untuk modelling dan Procast untuk analisanya. (Maniar, Gupta, & Chaubey, 2012). Oleh karena itu, suatu analisa dibutuhkan untuk mengetahui tentang kondisi ketahanan material cetakan cor didalam proses pembuatan suatu produk. Berbagai analisa dilakukan oleh para peneliti untuk mengetahui karakteristik dan sifat produk cetakan yang dibuat agar menghasilkan suatu produk yang memiliki keunggulan tertentu. Berbagai aplikasi atau software komputer yang digunakan peneliti lain untuk membantu dalam analisa pengecoran diantaranya Ansys, ProCast, Adstefan, Magmasoft, dll. Dari sekian penelitian jarang sekali ditemukan penelitian

250 SENASPRO 2017 | Seminar Nasional dan Gelar Produk

tentang pengecoran menggunakan aplikasi Solidworks. Dengan hal tersebut penelitian ini membuat penelitian dengan judul “Analisa Pemodelan Cetakan Cor untuk paduan Aluinium”. Peneliti mencoba menggunakan aplikasi ini untuk pemodelan produk berupa cetakan cor dan sebagai acuan analisa yang utama dengan bahan utama dari logam ASTM A36 dan pembandingnya adalah Alumina dan Karbon fiber.

2. METODE

Metode yang dilakukan mulai awal mulai, proses pembuatan gambar sepenuhnya menggunakan aplikasi Solidworks 2013, perhitungan data didasarkan pada perhitungan volume benda cor, tekanan hingga perpindahan panas dari fluida cor terhadap cetakan cor. Alur proses penelitian dapat dilihat seperti dibawah ini:

Pembuatan gambar menggunakan Solidworks 2013 yakni : Buka Aplikasi Solidworks 2013, klik New Part > gunakan tool Center rectangle dengan ukuran sesuai ketebalan masing-masing cetakan, klik Extrude Bosses dan beri ketebalan, kemudian gambar sketsa persegi atas untuk lubang

Seminar Nasional dan Gelar Produk | SENASPRO 2017 251 fluida cor, kemudian klik Extrude Cut untuk menghilangkan bagian dalamnya. Hasil jadi untuk massing-masing ketebalan dinding yang berbeda bisa dilihat pada gambar dibawah ini:

Gambar1. Cetakan cor tebal dinding 10mm, 20mm dan 30mm.

Pembuatan cetakan bervariasi ketebalan dan jenis material yang berbeda beda digambar dengan aplikasi Solidworks 2013

Variabel Material Ketebalan (mm)

1 2 3

ASTM A36 10 20 30

Alumina 10 20 30

Karbon Fiber 10 20 30

Prinsip-prinsip dasar yang digunakan adalah sebagai berikut:. Tegangan :

𝜎 =

𝐹 𝐴

……… (1)

Konduksi

Qconduction = 𝑘.

𝑑𝑡 𝑑𝑥

=

𝑘 𝐿

(𝑇1 − 𝑇2) ………..….(2)

Konveksi

Qconvection = ℎ. 𝐴. ∆𝑇 ……….….(3)

Factor of Safety

𝑆𝑎𝑓𝑒𝑡𝑦 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 ≤

𝑀𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑆𝑡𝑟𝑒𝑛𝑔ℎ𝑡 𝐷𝑒𝑠𝑖𝑔𝑛 𝑆𝑡𝑟𝑒𝑛𝑔ℎ𝑡

Proses simulasi mulai awal ditunjukkan pada bab 3, dengan urutan sebagai berikut:

 Awal simulasi bisa dilakukan apabila benda yang akan dianalisa sudah dibuat.

 Aktifkan menu Solidworks Simulation > pilih New Study > Static Simulation.

 Masukkan nilai Gaya yang diterima oleh benda sebesar 7,203 N seperti yang didapat dari perhitungan sebelumnya.

 Selanjutnya masukkan nilai Pressure pada cetakan tersebut.

 Setelah itu klik Mesh kemudian dilanjutkan klik Run Simulation untuk mengetahui persebaran tegangan hasil simulasi.

 Untuk perpindahan panas, klik New Study > Thermal Simulation > Thermal Loads. Kemudian masukkan nilai 700o _{C pada bagian dalam cetakan yang mengenai fluida cor.}

252 SENASPRO 2017 | Seminar Nasional dan Gelar Produk

 Setelah itu klik kanan Thermal Loads, pilih Convection untuk menyimulasikan perpindahan panasnya berdasar suhu udara normal.

 Klik pada bagian luar yang kontak langsung dengan udara luar, masukkan Convection

Coefficient sebesar 5 w/m2_{K dan Bulk Ambient Temperature sebesar 323,15 K.}

 Setelah itu klik Mesh, kemudian Run Simulation untuk mengetahui persebaran temperature yang terjadi pada cetakan cor tersebut

Keterangan notasi dari persamaan matematis yang ditulis sebaiknya dicantumkan pada bagian akhir makalah sebelum Daftar Pustaka, dan diberi satuan (SI)

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Analisa-analisa dibawah ini hampir seluruhnya memiliki acuan pada struktur finite element yang juga menyangkut Stress (N/m2_{), Displacement (mm) dan Strain (regangan). Mulai dari input} gaya sebesar 7,203 N dan total pressure 204,05 N/m2 _{sehingga menghasilkan gambaran efek pada} cetakan cor seperti berikut :

3.1 Hasil Simulasi Static.

Gambar 2. Hasil simulasi Stress pada cetakan ketebalan 10mm

Gambar 3. Hasil Simulasi Stress pada cetakan ketebalan 20mm

Gambar 4. Simulasi Stress pada cetakan ketebalan 30mm 3.1 Data hasil simulasi

Variabel Material

Nilai Maksimal Safety Of Factor

Tebal(mm) Stress Von mises (N/m2₎

Displacement (mm)

Seminar Nasional dan Gelar Produk | SENASPRO 2017 253 ASTM A36 10 5923,2 6,3e-007 2,2e-008 0,38 20 688,7 6,7e-008 2,2e-009 3,25 30 654,5 6,7e-008 2,4e-009 3,42 Alumina Al203 10 6025,7 3,4e-007 1,2e-008 0,37 20 691,1 3e-007 2e-008 3,24 30 662,7 36e-008 1,2e-009 3,38 Karbon Fiber 10 6337,3 1,2e+000 4,2e-002 0,35 20 705,3 1,2e+000 0,005 3,17 30 687,4 1,2e-001 2e-003 3,26

3.2 Grafik Hasil simulasi Perpindahan panas

Gambar 5. Grafik Hasil Heat flux ASTM A36

Gambar 6. Grafik Hasil Heat flux Alumina

3228930 3655179 2483676 496063 ₂₂₃₉₅₈ 115254 2466000 1444500 1016333 0 1000000 2000000 3000000 4000000 10mm 20mm 30mm H e at F lu x(W /m 2)

Tebal Dinding Cetakan Cor

Grafik Hasil Heat Flux ASTM A36

Hflux Max Hflux Min Hflux Manual

2448392 2809867.7 1847440.5 259382 ₁₀₄₁₃₁ 46407 1669500 921750 632700 0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 10mm 20mm 30mm H ea t Fl u x (W /m 2)

Tebal Dinding Cetakan Cor

Grafik Hasil Heat Flux Alumina

254 SENASPRO 2017 | Seminar Nasional dan Gelar Produk

Gambar 7. Grafik heat flux Karbon fiber

Dari grafik-grafik diatas dapat menunjukkan tentang perbedaan heat flux maksimal, minimal dan manual yang dimana cetakan Karbon fiber dengan ketebalan 20 mm memiliki nilai heat flux tertinggi sehingga dapat dikatakan bahwa cetakan dengan tebal 20mm dapat diaplikasikan karena bisa mengkonduksi panas dengan nilai maksimum yang tinggi.

Gambar 8. Grafik nilai Konveksi

Pada gambar grafik 8 menunjukkan tingkat nilai konveksi pada material ASTM A36, Alumina dan Karbon fiber. Nilai konveksi yang terendah adalah pada material ASTM A36 dengan ketebalan 10mm. Sedangkan nilai konveksi yang paling besar ada pada material Karbon fiber tebal 30mm dengan nilai konveksi sebesar 89,56W. Konveksi juga berpengaruh terhadap proses pendinginan benda kerja. Dengan hasil demikian maka dapat diketahui bahwa semakin tebal dan luas benda yang dilalui laju konveksi maka semakin besar pula nilai konveksi sehingga proses pendinginan pada benda tersebut semakin cepat

4. KESIMPULAN

1) Proses penggambaran cetakan cor di Solidworks bisa dengan mudah dikerjakan dengan cara : Open Solidworks > New Part > buat sketsa persegi bagian bawah cor sesuai ukuran > klik Extrude Boss (masukkan ketebalan cetakan), gambar sketsa dari atas (center rectangle) > klik extrude Cut (masukkan kedalaman lubang cor) > klik OK.

2) Proses simulasi static dari asumsi hasil jadi cor dengan nilai masukan gaya sebesar 7,203 N dan Tekanan sebesar 204,5

262093.1 391129.7 0 279.5 101.12 10.84 88332 44197.3 _29474.3 0 100000 200000 300000 400000 500000 10mm 20mm 30mm H ea t Fl u x (W /m 2)

Tebal dinding cetakan cor

Grafik Heat Flux Karbon Fiber

Hflux Max Hflux Min Hflux Manual

tebal 10 tebal 20 tebal 30

ASTM A36 44.2 65 83.9 Alumina 49.7 69.13 87.15 Karbon Fiber 57.9 73.12 89.56 0 20 40 60 80 100 Ko n vek si (J/ s) Ketebalan dinding (mm)

Grafik Nilai Konveksi

Seminar Nasional dan Gelar Produk | SENASPRO 2017 255 3) Cetakan cor dengan hasil tegangan yang maksimum ada pada material Karbon fiber dengan

tebal 10mm 6377,3 N/m2 _.

4) Hasil safety factor yang dibawah nilai 1 dari material-material yang telah disimulasi adalah ASTM A36 dengan nilai 0,38 , Alumina dengan nilai 0,37 dan Karbon fiber dengan nilai 0,35. 5) Hasil simulasi termal yang menunjukkan panas pada bagian luar yang perlu dihindari adalah

bertemperatur tinggi yakni pada ASTM A36 tebal 10 mm dengan nilai 206,8 o_C.

6) Hasil konveksi cetakan yang besar terhadap udara luar adalah menunjukkan bahwa proses perpindahan panas berjalan dengan lebih cepat. Terlihat di grafik 4.4 yang menunjukkan semakin besar luasan benda semakin tinggi pula nilai konveksi.

7) Persentasi perhitungan heat flux manual yang mendekati dengan perhitungan solidworks simulation maksimal adalah pada cetakan ASTM A36 dengan nilai persentasi 23,6%. 8) Alumina dipilih karena bersifat isolator. Jadi penggunaan cetakan cor yang baik untuk paduan

aluminium ini adalah cetakan material Alumina Al2O3 dengan ketebalan 20mm.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Ajay, B., Mahesh, V. R., & C.K, M. (2014). Permanent Mold Casting Excelent Casting Method for Manufacture of Automotive. International Journal on Recent and Innovation Trends in Computing and Communication, 2.

[2] Bhardwaj, A., Rawlani, R. V., & Mukherjee, C. (2014). “Permanent Mold Casting” Excellent Casting Method for Manufacture of automotive. International Journal on Recent and Innovation Trends in Computing and Communication, 2254-2255.

[3] Dassault Systèmes SolidWorks Corporation, 1995-2010, An Introduction to Stress Analysis Applications with SolidWorks Simulation, Instructor Guide a Dassault Systèmes S.A. company, 300 Baker Avenue, Concord, Mass. 01742 USA

[4] Fitrullah, M., Koswara, & Parmonangan, R. (2014). Penambahan Cil Pada Desain Sistem Saluran (gating system) Low Pressure Die Casting (LPDC) Untuk Mereduksi Kebocoran Akibat Hole Ada Produk Kran Hotel Dengan Simulasi Procast V2008. Jurnal Energi dan Manufaktur, 7, 9-18.

[5] Hall, J. (n.d.). Defect Prevention in Permanent Mold Casting Through Process

Control.Retrievedfrom

http://www.palmermfg.com/pdfs/flippingbooks/simple-solutions-092015/files/assets/common/downloads/page0022.pdf

[6] Kamarudin, M. A. (2013). DESIGN AND OPTIMIZATION OF RUNNER AND GATING. Universiti Teknikal Malaysia Melaka (UTeM), 1-8.

[7] Maniar, V., Gupta, P. B., & Chaubey, A. (2012). THE APPLICATION OF SOLID MODELLING, AND CASTING SIMULATION TECHNOLOGIES FOR BILLET PRODUCTION. International Journal of Advance Research in Science, Engineering and Technology, Vol.01,, 13-17.

[8] Sadino. (1997). Diktat Kuliah Teknik Cor. Surabaya: Institute Teknologi Sepuluh November Surabaya.

[9] Sunanda, D., & Himte, D. R. (2013). Design and Analysis of Pure Iron Casting with Different Mould. International Journal of Modern Engineering Research (IJMER), 2875-2887. [10] Surdia Tata, Saito Shinroku, 1985, Buku Pengetahuan Bahan Teknik, Penerbit Pratnya

Paramita.

[11] Suyitno', Salim, U. A., & Mahardika, M. (2016). Aplikasi Cetakan Permanen untuk Meningkatkan Produksi dan Kualitas Produk IKM Pengecoran Logam Kuningan di Ngawen, Sidokarto, Godean, Yogyakarta. Indonesian Journal of Community Engagement, 68-79.