BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Definisi Plastic Injection Molding
Plastic Injection Molding ( PIM ) merupakan metode proses produksi yang cenderung menjadi pilihan untuk digunakan dalam menghasilkan atau memproses komponen-komponen yang kecil dan berbentuk rumit, dimana biayanya lebih murah jika dibandingkan dengan menggunakan metode-metode lain yang biasa digunakan (Boses, 1995). Gambar 2.1 memperlihatkan kemampuan pemrosesan dan tingkat ketelitian komponen yang dihasilkan dengan PIM dibandingkan dengan proses-proses lain. Proses ini mampu menghasilkan bentuk rumit dalam jumlah besar maupun kecil pada hampir semua jenis bahan termasuk logam, keramik, campuran logam dan plastik.
Salah satu keistimewaan proses PIM ialah kemampuannya dalam menggabungkan dan menggunakan kelebihan-kelebihan teknologi seperti kemampuan pembentukan bahan plastik, ketepatan dalam proses pencetakan dan kebebasan memilih bahan. Hal ini digambarkan pada gambar 2.2. Komponen yang dihasilkan dengan teknologi PIM kini banyak digunakan dalam industri otomotif, kimia, penerbangan, listrik, komputer, kedokteran dan peralatan militer.
Gambar 2.1 Kelebihan proses PIM Dibandingkan Dengan Proses - Proses Yang Lain ( Cremer, 1994 )
Serbuk Binder
Campuran Butiran
Pencetakan
Debinding Sintering Selesai Keluaran
Gambar 2.2 Keistimewaan proses Plastic Injection Molding ( PIM ) (Moller, 1994)
Secara umum proses PIM dibagi menjadi beberapa tahap seperti pada gambar 2.3 (German, 1990). Proses ini dimulai dengan mencampur serbuk dan bahan pengikat. Kemudian campuran ini dibutirkan lalu disuntik ke dalam cetakan (mould) sesuai dengan bentuk yang diinginkan. Komponen yang dihasilkan dari proses injeksi disebut Green Compact. Bahan pengikat yang digunakan kemudian dipisahkan melalui proses yang disebut sebagai proses pemisahan (debinding).
Komponen yang telah dibuang bahan pengikatnya disebut Brown Compact, yang
selanjutnya dipanaskan pada suhu di bawah titik didih bahan utama plastik yang digunakan. Proses ini disebut proses pemanasan (sintering). Komponen hasil pemanasan lalu didinginkan.
2.2. Pengenalan Bahan Baku
Penemuan ebonite atau karet keras, pada tahun 1839 oleh Charles Goodyear dan penemuan seluloid oleh J. W. Hyatt sekitar 1869 merupakan awal perkembangan industri plastik. Pada tahun 1909 bahan yang paling penting yaitu resin penol formaldehida dikembangkan oleh kelompok yang dipimpin Dr. L.H. Baekeland. Setelah itu penelitian mengenai bahan sintetis meningkat dengan cepat dan mulai dikembangkan bahan buatan dengan berbagai sifat fisik. Di Indonesia pemakaian bahan plastik, baik untuk keperluan industri, rumah tangga, pengemasan, dan keperluan lainnya meningkat dengan cepat sekitar tahun 1970-an.
Istilah plastik mencakup semua bahan yang mampu dibentuk. Dalam pengertian modern lebih luas, plastik mencakup semua bahan sintetis organik yang berubah menjadi plastis setelah dipanaskan dan mampu dibentuk dibawah pengaruh tekanan. Bahan ini secara bertahap mulai menggantikan gelas, kayu dan logam di bidang industri bangunan dan digunakan juga sebagai pelapis dan serat untuk tekstil. (B.H.Amstead, 1991)
Plastik adalah bahan yang dipolimerisasi dengan pelunak, pewarna, stabiliser, pengisi, dan bahan tambah yang siap untuk diproduksi sesuai dengan hasil yang diinginkan (Irvin I Rubin, 1972)
Pada dasarnya plastik secara umum digolongkan ke dalam 3 (tiga) macam dilihat dari temperaturnya, yakni :
1. Bahan Thermoplastik (Thermoplastic) yaitu akan melunak bila dipanaskan dan setelah didinginkan akan dapat mengeras. Contoh Bahan Thermoplastik adalah : Polisterin, Polietilen, Nilon, Plastik fleksiglass dan Teflon.
2. Bahan Thermoseting (Thermosetting) yaitu plastik dalam bentuk cair dan dapat dicetak sesuai yang diinginkan serta akan mengeras jika dipanaskan dan tetap tidak dapat dibuat menjadi plastik lagi. Contoh bahan thermosetting adalah : Bakelit, Silikon dan Epoksi.
3. Bahan Elastis (Elastomer) yaitu bahan yang sangat elastis. Contoh bahan elastis adalah : Karet sintetis.
Beberapa keuntungan plastik adalah : 1. Massa jenis rendah (0,9-2,2 [kg/dm3])
2. Tahan terhdap arus listrik dan panas, memiliki sedikit elektron bebas
untuk mengalirkan panas dan arus listrik.
3. Tahan terhadap korosi kimia karena tidak terionisasi untuk membentuk
elektron kimia. Pada umumnya tahan terhadap larutan kimia, dan logam juga sangat sukar untuk larut.
4. Mempunyai permukaan dan penampakan yang sangat baik dan mudah
diwarnai.
Kerugian plastik adalah : 1. Modulus elastisnya rendah.
2. Mudah mulur (Creep) pada suhu kamar.
3. Maksimum temperatur nominalnya rendah.
4. Mudah patah pada sudut bagian yang tajam.
Secara umum Thermoplastic tidak tahan terhadap temperatur tinggi, kecuali
Teflon. Bahan-bahan Thermoplastic akan meleleh bila dipanaskan pada
temperatur tinggi, sedangkan pada bahan-bahan Thermosetting tidak terbakar tapi akan terpisah dan hancur.
Temperatur pelelehan dan pemisahan untuk bahan-bahan plastik jauh lebih
rendah dibandingkan baja. Plastik akan memanjang (Creep) pada temperatur
kamar. Kecenderungan bahan plastik akan mulur bila temperaturnya naik menunjukkan bahwa perubahan kecil saja pada temperatur dapat mempengaruhi sifat-sifat fisik bahan. Pengaruh temperatur dan laju regangan pada tegangan tarik harus dievaluasi dengan baik bila plastik akan digunakan. Pertama terjadi deformasi elastis seketika, diikuti deformasi melar, setelah waktu tertentu apabila tegangan hilang dari benda uji sebagian akan kembali ke bentuk semula setelah waktu yang lama. Cara deformasi seperti ini banyak ditemukan, suatu garis pendekatan yang sering dipakai untuk berbagai bahan mempergunakan empat model unsur kombinasi pegas dan peredam.
2.2.1. Polyethylene
Polyethylene ini dibuat dengan jalan polimerisasi gas etilen yang dapat diperoleh dengan memberi hydrogen gas petroleum pada pemecahan minyak (nafta), gas alam atau asetelin.
polyethylene digolongkan menjadi polyethylene tekanan tinggi, tekanan medium dan tekanan rendah. Oleh tekanan polimerisasinya atau masing-masing
menjadi polyethylene massa jenis rendah dengan massa jenis 0,910-0,926,
polyethylene massa jenis medium dengan massa jenis 0,926-0,940 dan
polyethylene massa jenis tinggi 0,941-0,965. Menurut massa jenisnya, karenanya sifatnya erat kaitannya dengan massa jenisnya (kristanilitas) cara polimerisasi etilen yang berbeda didapat struktur-struktur yang berbeda pula. Pada
polyethylene massa jenis rendah, molekul-molekulnya tidak mengkristal secara baik tetapi memiliki banyak cabang. Disisi lain polyethylene tekanan rendah kurang bercabang dan merupakan rantai lurus karena itu massa jenisnya lebih besar sebab mengkristal secara baik sehingga memiliki kristalinitas tinggi. Karena kristal yang berbentuk baik itu mempunyai gaya antar molekul yang kuat, maka bahan ini memiliki kekuatan mekanis yang tinggi dan titik lunak yang tinggi pula. Berikut ini akan ditunjukkan hubungan antara massa jenis dan sifat-sifat lain
polyethylene.
polyethylene mudah diolah maka dari itu sering di cetak dengan penekanan, injeksi, ekstruksi, peniupan dan hampa udara. polyethylene massa jenis terendah terutama digunakan dalam bentuk tipis atau lembaran, misalnya : tas, botol-botol yang dapat dijepit tabung tinta pada pena, tali senar/dawai, isolator kabel, wadah alat dapur, botol minyak tanah, dan kantong tempat sampah. Sedangkan
polyethylene massa jenis tinggi digunakan untuk perpipaan, mainan, filament tenunan dan peralatan rumah tangga. Kedua jenis polyethylene ini memiliki daya tahan kimia yang sangat baik, sedikit penyerapan uap air dan ketahanan listrik yang tinggi. Umumnya bahan tambahan (additive) digunkan dalam polyethylene
yaitu karbon hitam sebagai penstabil, pewarna untuk memberikan warna, serat kaca untuk peningkatan daya lentur, tarik dan karet butyl (butyl rubber) untuk mencegah terjadinya tekanan saat tidak digunakan. (Tata Surdia, 1999)
2.2.2. Polypropylene
Bahan baku polyprophylene di dapat dengan menguraikan petroleum
dengan metode tekanan rendah polyethylene menggunakan katalis zieger-natta
polyprophylene dengan keteraturan ruang dapat diperoleh dari polyprophylene.
Sifat-sifat polyprophylene serupa dengan sifat-sifat polyethylene. Massa jenisnya rendah (0,90-0,92) termasuk kelompok yang paling ringan diantara bahan polimer, dapat terbakar bila dinyalakan dibandingkan polyethylene massa jenis tinggi. Titik lunaknya tinggi sekali (176°C), kekuatan tarik, kekuatan lentur dan kekuatannya lebih tinggi tetapi tahan impaknya lebih rendah terutama pada temperatur rendah. Sifat tembus cahayanya pada pencetakan lebih baik dari pada
polyethylene dengan permukaan mengkilap, penyusutannya pada pencetakan kecil, penampilan dan ketelitian dimensinya lebih baik. Sifat mekaniknya dapat ditingkatkan sampai batas tertentu dengan jalan mencampurkan serat gelas dan pemuaian termal juga dapat diperbaiki sampai setingkat dengan bahan thermoseting. Sifat-sifat listriknya hampir sama dengan sifat-sifat pada
polyethylene. Ketahanan kimianya kira-kira sama bahkan lebih baik dari pada
polyethylene massa jenis tinggi. Ketahanan retak-tegangannya sangat baik. Dalam hidrokarbon aromatik dan hidrokarbon yang terklorinasi, larut pada 80°C atau lebih, tetapi pada temperatur biasa hanya membengkak. Oleh karena itu sukar untuk diolah dengan perekatan dan pencapan seperti halnya dengan polyethylene
yang memerlukan perlakuan tertentu pada permukaannya. Tabel 2.1 Sifat-sifat Polypropylene
Sifat-sifat Polyprophylene Kristalinitas Massa jenis [103Kg.m-3] Tg [°C] Tm[°C] Tegangan Tarik [N.mm-2] Modulus Tarik [N.mm-2] Perpanjangan [%] 60% 0,90 10 176 30 sampai 40 1,1 sampai 1,6 50 sampai 600
Catatan
Tg = Temperatur tansisi kaca yaitu temperatur dimana polimer berubah dari keadaan beku (rigid) ke suatu bahan yang liat (fleksible)
Tm = Temperatur luluh yaitu pada saat kritanilitas tidak tampak (kristanilitas : Derajat kemungkinan terbentuknya susunan kristal dalam bentuk rantai).
Molekul Polypropylene mengandung atom karbon tertier dengan gugus
metil rantai utama. Atom hidrogen terikat pada atom karbon tertier yang mudah bereaksi dengan oksigen dan ozon, yang menyebabkan ketahanan oksidasinya lebih kecil daripada polyethylene. Di lain fihak karena temperatur pengolahan lebih tinggi daripada polyethylene, oksidasi harus dicegah. Fenol alkil dipakai sebagai anti oksidasi yang dikombinasikan dengan senyawa belerang organik dan senyawa amin.
Agar degradasi oleh sinar Ultra Violet secara efektif dapat dikurangi, maka
dicampurkan bubuk karbon sebagai bahan pengabsorb UV. Polypropylene
mempunyai tembus cahaya jauh lebih baik daripada polyethylene, oleh karena itu dipakai sebagai bahan pada pembuatan film. Dengan mempergunakan bahan penginti kristal, ukuran kristal dapat dibuat lebih kecil agar lebih transfaran, yang juga memperbaiki kekakuannya dari kekuatan impaknya pada temperatur rendah. Sebagai penginti dipergunakan bahan Na, Zn, Al dan garam-garam logam lainnya dari asam karboksilat aromatik. Permeabilitas gas polypropylene lebih baik dari pada polyethylene, karena itu perlu berhati-hati untuk mencegah dispersi pada pengepakan wangi-wangian tersebut. (Tata Surdia, 1999)
2.2.3. Polystyrene
Polystyrene adalah bahan thermoplastik yang khusus diciptakan untuk setak injeksi dan ekstrusi. Ciri-ciri khasnya ialah berat jenisnya yang rendah (1,07), daya tahan terhadap air dan zat kimia, stabilitas dimensi dan kemampuan isolasi. Polystyrene merupakan bahan pengganti karet yang baik untuk isolasi listrik. Resin polystyrene dapat dicetak menjadi kotak baterai, piring, bagian dari radio, roda gigi, pola untuk pengecoran, kotak es, kemasan, gelas dan ubin tembok. Bahan ini dapat dicetak injeksi, diekstrusi atau dibentuk dalam cetakan.
Sifat-sifat Polystyrene yaitu tidak berwarna dan merupakan resin transparan dapat
diwarnai secara bening. Massa jenisnya lebih rendah dari Polyethylene dan
polyprophylene. Memiliki sifat yang baik sekali terutama bagi frekwensi tinggi, walaupun kestabilan terhadap cahaya dan sifat tahan cuacanya agak rendah daripada resin metakrilik. Ketahanan radiasinya sangat baik. Polystyrene mudah larut dalam keton ester dan pelarut hidrokarbon aromatik, tahan terhadap asam, alkali, asam klor, asam organik, minyak bumi dan alkohol. Kestabilan panas dan kecairannya pada pencairan sangat baik, sedangkan barang cetakan yang titik lunaknya rendah (70°C) memiliki ketahanan impak yang rendah dan bersifat getas. Ketahanan terhadap retak tegangan, juga kurang baik.
Jenis-jenis Polystyrene antara lain : a. Polystyrene keperluan umum Adalah plastik yang paling umum dipakai
b. Polystyrene dengan ketahanan impak tinggi
Kegetasan, yang merupakan kekurangan bagi Polystyrene, telah diperbaiki
terutama dengan jalan mencampurkan 5-20 % karet sintetik atau SBR (Styrene
Butadiene Rubber). Makin banyak kadar karetnya makin baik ketahanan impaknya sedangkan sebaliknya terjadi pada kekuatan tarik, ketahanan panas, mampu cetak, kehalusan permukaan dan seterusnya makin berkurang. Untuk memperbaiki sifat tembus cahaya dari bahan yang dicampur karet, dibuat sehalus mungkin partikel karet yang didispersikan agar dapat menghindari hamburan cahaya, dengan itu pula kekuatan impaknya menjadi lebih baik.
c. Polystyrene tahan cahaya
Seperti telah diuraikan diatas, Polystyrene mempunyai ketahanan cahaya yang buruk, jadi karena cahaya fluoresen dan cahaya matahari langsung menjadi pudar
warnanya dan terdegradasi. Polystyrene keperluan umum tidak cocok untuk
peralatan yang kena sinar atau pengunaan diluar rumah. Jenis ini telah
dikembangkan dengan mencampur zat pengabsorb Ultra Violet dan zat
d. Polystyrene busa
Butan, pentan, heksan dst, dicampurkan sebagai bahan pembusa bagi Polystyrene,
yang dibuat dalam bentuk butiran. Kalau dipanaskan dalam cetakan akan mengembang menjadi 20-70 kali lebih besar menjadi lunak dan kuat sebagai barang busa yang tercetak. Kertas stiren yang mempunyai permukaan mengkilat bagus dibuat dengan menggunakan mesin ekstrusi. Busa Polystyrene terdiri dari gelembung-gelembung kecil yang bebas sehingga dapat menghalangi panas dan suara.
Polystyrene akan lunak pada temperatur sekitar 95°C dan menjadi cairan kental pada 120 -180°C dan menjadi encer diatas 250°C, kemudian terurai diatas 320-330°C. Karena itu, dibanding dengan resin termoplastik lain, bahan ini mempunyai temperatur dekomposisi termal yang lebih tingi dan kecairanya lebih baik. Pencetakan injeksi adalah cara yang paling cocok. Akan tetapi karena tegangan dalam terjadi selama pencetakan, maka perlu penganilan yang tepat. Yaitu dipanaskan pada temperatur lebih rendah dari temperatur ketahanan panasnya (70-80°C) kemudian didinginkan perlahan-lahan. (Tata Surdia, 1999)
2.3. Pencetakan (Molding)
Mekanisme proses injection molding diawali dengan bahan baku yang
ada di hopper turun untuk memasuki rongga ulir pada screw. Screw akan
bergerak untuk membawa butiran plastik menuju barrel untuk melelehkan butiran plastik. Langkah berikutnya, cetakan ditutup dan screw didorong maju oleh piston untuk mendorong lelehan plastik dari screw chamber melalui nozzle masuk ke dalam cetakan. Lelehan plastik yang telah diinjeksi mengalami pengerasan karena energi panasnya diserap oleh dinding cetakan yang berpendingin air. Setelah
proses pendinginan dan kekakuan produk cukup maka screw bergerak mundur
untuk melakukan pengisian barrel. Pada saat itu, clamping unit akan bergerak untuk membuka cetakan. Produk dikeluarkan dengan ejector. Setelah itu, cetakan
siap untuk diinjeksi kembali. Gambar 2.4 memperlihatkan mekanisme injection
Gambar 2.4 Mesin Injection Molding
Gambar 2.5 Bagian detail plastic injection machine
Enam langkah utama yang biasanya dilakukan pada proses Injection Molding :
1. Pengapitan
Suatu mesin Injeksi memiliki tiga bagian utama, yaitu cetakan, pengapit dan unit penyuntik. Unit pengapit adalah pemegang cetakan yang mengalami tekanan selama proses penyuntikan dan pendinginan. Pada dasarnya, pengapit ini memegang kedua belah cetakan bersama-sama.
2. Suntikan
Pada saat penyuntikan, material plastik umumnya dalam bentuk butiran/pellet, diisi kedalam suatu wadah saluran tuang (hopper) yang terdapat bagian atas unit mesin. Butir/pellet ini disuap ke dalam silinder untuk dipanaskan hingga mencair. Di dalam silinder (barrel) terdapat mesin screw (berputar) yang mencampur bahan butiran/pellet cair dan mendorong campuran ke bagian ujung silinder. Ketika material yang dikumpulkan di ujung screw telah cukup, proses penyuntikan dimulai. Plastik yang dicairkan dimasukkan kedalam cetakan melalui suatu nozzle injector, ketika tekanan dan kecepatan diatur oleh screw tersebut. Sebagian mesin injeksi menggunakan suatu pendorong sebagai pengganti screw.
Mold Nozzle Injector Hopper Screw
Barrel Heaters
3. Penenangan
Tahap ini adalah waktu penenangan sesaat setelah proses penyuntikan. Plastik cair telah disuntik kedalam cetakan dan tekanan dipertahankan untuk meyakinkan segala sisi rongga cetakan telah terisi secara sempurna.
Mold Nozzle Injector Hopper Screw
Barrel Heaters
Gambar 2.7 Masa penenangan mulai pendinginan
4. Pendinginan
Plastik didinginkan didalam cetakan untuk mendapatkan bentuk padatnya didalam cetakan. Pada proses ini sekaligus pengisian ulang bahan plastik dari
hopper ke dalam barrel dengan screw yang berputar.
Mold Nozzle Injector Hopper Screw
Barrel Heaters
5. Cetakan Dibuka
Unit pengapit dibuka, yang memisahkan keduabelah cetakan
Mold Nozzle Injector Hopper
Screw Barrel Heaters
Gambar 2.9 Pembukaan kedua mold sekaligus pengeluaran hasil cetakan
6. Pengeluaran
Pena dan plat ejector mendorong dan mengeluarkan hasil cetakan dari dalam cetakan. Geram dan sisa pada sisi-sisi hasil cetakan yang tidak dipakai dapat didaur ulang untuk digunakan pada pencetakan berikutnya.
2.4. Kekuatan Tarik
Kekuatan tarik adalah salah satu sifat dasar dari bahan. Hubungan tegangan-regangan pada kekuatan tarik memberikan nilai yang cukup berubah tergantung pada laju tegangan, temperatur, lebaman dst, sebab dalam bahan polimer sifat-sifat viskoelastik mempunyai kekhasan seperti dinyatakan diatas, Pada bahan thermoplastik kelakuan demikian sangat berubah dengan penyearahan molekul rantai dalam bahan. Umunya kekuatan tarik dari bahan polimer lebih
rendah daripada umpamanya baja 70 kgf/mm2, duralumin 44 kgf/mm2 dan
sebagainya. Kekuatan tarik nilon 66 adalah 6,5 - 8,4 kgf/mm2 dan PVC 3,5-6,3 kgf/mm2. Pada resin biasa seperti Polystyrene, Polyethylene dan Polypropylene
kekuatan tariknya antara 0,7-8,4 kgf/mm2. Sedangkan pada film dan serat sangat kuat, dimana molekul-molekulnya terarahkan oleh peregangan.
Gambar 2.10 menunjukan kekuatan tarik dari bahan polimer dalam bentuk kurva tegangan-regangan menurut kehasannya lunak atau besar, lemah atau kuat, getas atau liat. Dilihat dari kelakuan mulurnya ada tiga jenis kurva tegangan – regangan seperti ditunjukkan pada gambar 2.11.
Seperti ditunjukkan oleh garis OA1 pada (a) laju perpanjangan agak
rendah dan meningkat sampai 0,5-2 % pada saat patah menunjukkan hubungan lurus. Bahan yang termasuk kelompok ini adalah fenol, urea, melamin, polister tak jenuh, epoksi dan resin stiren yang bersifat patah getas.
Pada jenis selanjutnya, yang ditunjukkan pada (c), OY adalah lurus sampai titik mulur pada Y, tetapi setelah itu memberikan perpanjangan yang besar sampai 100 -1000%, dan sebelum patah tegangan tarik meningkat cepat. Kadang-kadang peningkatan terakhir ini tidak dapat teramati. Bahan yang termasuk kelompok ini adalah polyethylene, polypropylene, polyacetal dan lainnya yang terdiri dari molekul rantai.
Jenis (b) ada di antara (a) dan (c) yang tidak menunjukkan penurunan bebas setelah titik mulur seperti halnya ditunjukkan pada (c) tetapi hanya satu titik infleksi, jadi beban meningkat dan akhirnya mengakibatkan patah. Bahan yang termasuk jenis ini adalah resin ABS, Asetat, resin fluoro,dst.
Kelakuan bahan tersebut diatas berlaku pada temperatur kamar (200C). Kelakuan tersebut akan berubah banyak apabila temperatur berubah.
Gambar 2.11 Kelakuan mulur dalam kurva tegangan-regangan
Resin termoset seperti resin fenol menunjukkan kelakuan semacam pada (a), walaupun temperatur berubah sampai batas tertentu, sedangkan resin thermoplastik sering berubah dari kelakuan (a) ke (c) apabila temperatur meningkat.
Dari setiap gambar tersebut, konstanta perbandingan antara tegangan dan regangan pada bagian lurus OY adalah modulus elastic yaitu modulus elastic Young. Modulus elastic Young pada bahan polimer terletak di daerah 0,1-21 x 102 kgf/mm2 .
Harga tersebut lebih rendah daripada baja yaitu 200x102 kgf/mm2. Akan tetapi kalau molekul rantai cukup terarah seperti serat, maka harga tersebut diatas menjadi lebih besar hampir menyamai logam. Deformasi oleh penarikan sampai patah berbeda banyak tergantung pada jenis dan temperatur. Pada 20ºC perpanjangannya ada pada daerah luas yaitu 0,5 – 700%. Kebanyakan thermoset, kurang dari 5%. Pada resin thermoplastic berkristal kebanyakan menunjukkan tipe (c) dengan perpanjangan yang jelas. (Tata Surdia, 1999)
