KESAN PARAMETER PERCAMPURAN DAN PEMBUTIRAN KE ATAS PENYEDIAAN BAHAN SUAPAN YANG OPTIMUM BAGI PROSES PENGACUAN
SUNTIKAN LOGAM
Norhamidi Muhamad, Murtadhahadi, Abu Bakar Sulong, Che Hassan Che Harun, Khairur Rijal Jamaludin*,Mohd Halim Irwan Ibrahim
Kumpulan Penyelidikan Proses Persisan, Jabatan Kejuruteraan Mekanikal dan Bahan,
Fakulti Kejuruteraan,
Universiti Kebangsaan Malaysia, 43600 Bangi, Selangor
*Kolej Sains dan Teknologi, Universiti Teknologi Malaysia, International Campus, 54100 Kuala Lumpur
E-mel: murtadha88@yahoo.com, Tel: 03-8921-7029, Faks:03-8925-9659
ABSTRAK
Kejayaan proses pengacuanan suntikan logam amat dipengaruhi oleh penyediaan bahan suapan MIM yang optimum. Penyediaan bahan suapan MIM merupakan peringkat (i) dan (ii) daripada lima peringkat proses MIM; (i) proses pencampuran untuk menghasilkan bahan suapan, (ii) pembutiran, (iii) penyuntikan, (iv) penyahikatan dan (v) persinteran. Setiap peringkat memainkan peranan yang penting dalam menghasilkan produk akhir yang berkualiti. Bahan suapan MIM harus mempunyai dua ciri utama iaitu sekata dan berbentuk butiran. Kajian ini difokuskan untuk mendapatkan kaedah penyediaan bahan suapan yang optimum untuk proses pengacuanan suntikan logam. Bahan suapan yang digunakan dalam kajian ini iaitu serbuk keluli tahan karat SS 316 L, PEG (Polyethylne Glycol), PMMA (Polymethylmethacrylate) dan Asid Stearik. Purata saiz serbuk adalah 16 µm dan nilai pembebanan serbuk adalah 63.5 % isipadu. Bahan pengikat PMMA perlu dilarutkan dengan pelarut (Aseton) terlebih dahulu sebelum proses percampuran. Proses pencampuran dilakukan menggunakan mesin pencampur Sigma atau Bilah-Z pada julat suhu pencampuran antara 27ºC ke 70ºC selama dua jam. Pembutiran dilaksanakan dengan menggunakan mesin pembutir jenis penghancur. Keputusan menunjukkan pencampuran pada suhu 70ºC akan menghasilkan pencampuran bahan suapan yang sekata. Proses pembutiran yang baik diperolehi sewaktu bahan suapan yang baru dikeluarkan dari mesin pencampur, dan ia masih mempunyai suhu sekitar 40oC ke 50oC. Bahan pengikat PMMA yang dilarutkan dengan Aseton pada masa proses pencampuran juga salah satu syarat untuk menghasilakan pembutiran yang baik.
Katakunci: Pengacuanan Suntikan Logam (MIM), Bahan Suapan, Pencampuran, Pembutiran
PENGENALAN
tinggi dengan kos yang rendah. Proses ini mengandungi beberapa peringkat proses dan
setiap satunya memainkan peranan yang penting dalam menghasilkan produk akhir yang
berkualiti. Proses pertama (i) iaitu proses pencampuran untuk menghasilkan bahan
suapan, (ii) pembutiran, (iii) penyuntikan, (iv) penyahikatan dan (v) persinteran.
Tahap awal dalam proses MIM adalah mencampur serbuk logam dengan bahan pengikat yang sesuai. Objektif pencampuran ini adalah (German 1990): Menyaluti zarah-zarah dengan bahan pengikat, menghancurkan gumpalan-gumpalan dan mendapatkan taburan pengikat dan saiz zarah yang seragam. Antara pembolehubah yang boleh memberikan kesan terhadap pencapaian tujuan pencampuran adalah (Raman et al. 1993): Faktor dalaman yang meliputi ciri-ciri serbuk, sistem bahan pengikat dan faktor luaran yang meliputi pembolehubah mesin.
Saiz zarah yang kecil akan mempermudah terbentuknya gumpalan-gumpalan. Ini disebabkan luas permukaan zarah bertambah sehingga kesan-kesan permukaan akan mempengaruhi sifat zarah. Daya-daya elektrostatik, van der waals dan ikatan hidrogen daripada wap air yang terjerap akan membentuk gumpalan-gumpalan kecil (Mutsuddy 1991) yang menyukarkan tercapainya keadaan seragam. Selain factor dalaman yang memang merupakan ciri-ciri serbuk dan bahan pengikat, maka faktor luaran yang merupakan parameter proses pencampuran boleh memberi kesan ke atas prestasi pencampuran. Antara pembolehubah ini termasuklah halaju, suhu dan masa pencampuran.
Mutsuddy & Ford (1995) dan Wei et al. (1998) menyatakan ada tiga kategori mekanisma pencampuran, iaitu:Pencampuran resapan (diffusive mixing), pencampuran lamina (laminar mixing) dan pencampuran serakan (dispersive mixing). Pencampuran dijalankan pada keadaan serakan, kuasa yang tinggi diperlukan manakala, tegasan yang wujud pada mesin juga akan tinggi (Edwards 1992). Pencampuran serakan diperlukan untuk menyerakkan serbuk di dalam bahan pengikat
Suhu pencampuran biasanya disesuaikan dengan suhu lebur bahan pengikat. Pencampuran yang dijalankan pada suhu dimana campuran masih mempunyai kekuatan alah, akan menyebabkan wujudnya kerosakan peronggaan dalam campuran. Suhu yang terlalu tinggi pula tidak sesuai untuk bahan suapan, kerana boleh merosak polimer yang terkandung dalam bahan pengikat dan menyebabkan bahan pengikat terpisah daripada serbuk (German 1990, Iriany 2002). Masa pencampuran juga boleh memberi kesan ke atas prestasi pencampuran. Walau bagaimanapun faktor ini dipengaruhi oleh pembolehubah lain iaitu suhu dan halaju.
Proses selanjutnya adalah pembutiran bertujuan untuk mengecilkan saiz butiran bahan suapan supaya ianya sesuai untuk disuap ke dalam mesin pengacuan suntikan atau menyediakan bahan suapan yang mudah untuk dibawa dengan saiz yang kecil dan sekata untuk disuapkan ke dalam mesin pengacuan suntikan (German 1990). Proses pembutiran dipraktikkan apabila proses pencampuran dilakukan secara pukal seperti pencampur bilah sigma dan dua planet. Gumpalan adunan yang besar dihasilkan semasa proses pencampuran dihancurkan atau dibutirkan sejurus sahaja ianya menyejuk (Muhammad Hussein 2002). Prosedur pencampuran dan pembutiran yang tidak sesuai akan menyebabkan bahan suapan yang tidak sekata dan juga bahan suapan akan berbentuk serbuk yang tidak boleh disuntik dalam proses MIM (Murtadhahadi 2007).
Kaedah ujikaji dalam kajian ini merangkumi dua peringkat proses dalam pengacuan suntikan logam iaitu bermula daripada proses penentuan dan penyediaan bahan suapan dengan pembebanan serbuk yang sesuai, proses pencampuran bahan suapan dan pembutiran.
Bahan suapan yang digunakan dalam kajian ini terdiri daripada serbuk logam keluli tahan karat (Stainless Steel) (SS 316 L), berbentuk sfera dengan diameter serbuk 16 µm. Bahan pengikat pula terdiri daripada Polietilena Glikol (PEG), Polimetil Metakrilat (PMMA) dan Asid Stearik (AS). Komposisi serbuk dan bahan pengikat untuk bahan suapan yang digunakan dalam ujikaji proses pengacuan suntikan logam selanjutnya dapat dilihat dalam Jadual 1.
JADUAL 1 Komposisi Serbuk dan Bahan Pengikat Z. Sebelum proses pencampuran dijalankan, PMMA dilarutkan terlebih dahulu dalam pelarut aseton dengan kadar larutan sebanyak perbandingan sekitar 1 gram PMMA/2 ml aseton. Kaedah pengacauan tanpa henti dilakukan bagi membolehkan PMMA benar-benar larut dan mencapai bentuk emulsi, selama lebih kurang 15 minit pada suhu bilik. Kaedah pencampuran bahan suapan seterusnya dilakukan seperti berikut:
• Aras suhu awal mesin pencampur pada tahap 27oC. Masukkan serbuk SS 316 L dan AS dan campur selama 5 minit. Tambahkan PMMA dan campur selama 15 minit. Kemudian tambahkan PEG, dan seterusnya campur sampai 15 minit.
• Tetapkan suhu pada 70oC, dan campur selama 60 minit lagi. Bahan suapan akan bercampur secara seragam dan aseton akan meruap.
• Selepas proses pencampuran tamat, bahan suapan dikeluarkan dari Kebuk mesin pencampur Bilah-Z dan disejukkan ke suhu sekitar (40-50) oC. untuk dapat dilakukan proses seterusnya proses pembutiran. Bahan suapan yang telah dicampur ditunjukkan di Rajah 1(a).
a b
Rajah 1.a) Bahan suapan selepas dicampur dan b) Butiran bahan suapan yang dihasilkan
pembutiran tidak akan dapat menghasilkan bahan suapan yang mempunyai butiran yang sesuai untuk disuntik pada proses MIM, tetapi ia akan menghasilkan bahan suapan yang lebih banyak peratusan serbuk daripada butirannya sehingga tidak boleh digunakan untuk dilakukan proses selanjutnya iaitu proses pengacuan suntikan logam. Manakala proses pembutiran dilakukan pada suhu bahan suapan (T3): 55-70 oC, bahan suapan tidak boleh dilakukan proses pembutiran kerana bahan suapan masih lembut dan akan melekat pada dinding kotak mesin penghancur.
KEPUTUSAN DAN PERBINCANGAN
Proses Pencampuran
Bahan suapan perlu berada dalam keadaan adunan (dough) seperti dalam Rajah 1 (b). pada bahagian kaedah ujikaji. Pemilihan kaedah pencampuran menggunakan pelarut ini dilakukan kerana salah satu daripada bahan pengikat yang digunakan adalah PMMA yang mempunyai suhu peleburan 180 ~ 220 ºC. Takat lebur PMMA jauh lebih tinggi daripada operasi pencampuran mesin pencampur, iaitu 70 ºC. Oleh kerana itu, PMMA terlebih dahulu dilarutkan dengan Aseton pada suhu 27 ºC sebelum dimasukkan ke dalam kebuk pencampur supaya ianya boleh bercampur dengan serbuk logam dengan sekata.
Penggunaan suhu 70 °C sebagai suhu tertinggi pada masa proses pencampuran adalah untuk mengelakkan bahan pengikat PEG dan Asid Stearik meruap pada masa proses pencampuran, kerana keduanya mempunyai suhu peleburan yang rendah 45-50 ºC. Suhu mesin pencampuran 70 °C juga mencukupi untuk menghilangkan aseton dalam adunan. Urutan peringkat masa dan suhu pada masa proses pencampuran atau kaedah pencampuran adalah seperti yang telah diterangkan pada bahagian kaedah ujikaji.
Proses pencampuran dilakukan selama 2 jam. Ini hampir sama dengan kajian yang telah dilakukan oleh Rhee et. al (1991) untuk mencampur bahan suapan yang berasaskan bahan pengikat lilin. Masa pencampuran selama 2 jam yang terdiri daripada 4 peringkat masa pencampuran, dengan suhu pencampuran yang berbeza-beza pada setiap peringkatnya, akan memberikan masa yang cukup bagi serbuk logam dan bahan pengikat untuk bercampur menjadi adunan yang baik.
Bahan pengikat mengisi penuh ruang antara zarah serbuk
Rajah 2 Gambar mikrograf elektron imbasan daripada hasil pencampuran bahan suapan yang sekata
Bahan pengikat tidak mengisi ruang antara zarah serbuk
Rajah 3 Gambar mikrograf elektron imbasan daripada hasil pencampuran bahan suapan yang tidak sekata
suapan lebih mudah dikeluarkan seperti mana ditunjukkan dalam Rajah 1(a), serta kotak pencampur lebih mudah dibersihkan dari bahan suapan. Akan tetapi apabila kuantiti bahan suapan lebih sedikit dicampur atau kurang setengah (> 50%) daripada had maksima mesin pencampur, maka hasil pencampuran kurang baik, bahan suapan susah untuk dikeluarkan kerana melekat pada dinding kebuk serta bahan suapan tidak sekata seperti ditunjukkan dalam Rajah 3.
Proses Pembutiran
Selepas bahan suapan dikeluarkan dari mesin pencampur, seterusnya bahan suapan dibutirkan dengan mesin penghancur sehingga bahan suapan membentuk butiran-butiran yang mempunyai purata saiz lebih kurang 2 mm. Proses pembutiran yang baik dilakukan adalah apabila bahan suapan baru dikeluarkan dari mesin pencampur dan masih mempunyai suhu 40oC–50oC, supaya proses pembutiran dapat menghasilkan bahan suapan yang mempunyai butiran yang sempurna dan mudah untuk disuntik, seperti ditunjukkan dalam Rajah 4(a). Hal ini terjadi kerana pada saat bahan suapan masih bersuhu 50oC, ianya masih lembut dan ketika proses penghancuran dilakukan bahan suapan tidak hancur tetapi ianya terpotong-potong menjadi butiran dengan saiz purata 2 mm, Rajah 4(a). Bahan suapan yang berbentuk butiran bersaiz 2 mm lebih sesuai untuk disuntik daripada yang berbentuk serbuk kerana dalam proses MIM, proses penyuapan dilakukan dengan mekanisma skru.
Jika bahan suapan selepas proses pencampuran telah sejuk mencapai suhu 20oC – 30oC, maka proses pembutiran tidak berjaya menghasilkan bahan suapan yang mempunyai butiran yang sesuai untuk disuntik, akan tetapi ia akan menghasilkan bahan suapan yang lebih banyak peratusan serbuknya seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4(b). Ini akan menyebabkan bahan suapan yang dihasilkan susah untuk disuntik. Masalah ini terjadi kerana apabila bahan suapan telah sejuk ianya akan menjadi sangat keras, sehingga pada ketika proses pencampuran dilakukan bahan suapan akan hancur menjadi serbuk dan hanya sebahagian kecil sahaja yang menjadi butiran. Bahan suapan yang sangat keras jika dihancurkan dengan pukulan yang kuat dan dengan putaran yang tinggi sememangnya ia akan hancur menjadi serbuk.
a b
Pemerhatian kedua terjadi pada masa proses pembutiran adalah didapati apabila PMMA
tidak dilarutkan terlebih dahulu dengan Asetón, maka bahan suapan akan hancur menjadi
serbuk kembali, sehingga bahan suapan ini tidak dapat diguna pakai menjadi bahan
suapan pada proses MIM. Hasil pembutiran yang baik juga didapati apabila PMMA terlebih
dahulu dilarutkan dengan Aseton pada suhu sekitaran atau 27 ºC sebelum dimasukkan ke dalam kebuk pencampur supaya ianya boleh bercampur dengan serbuk logam dengan sekata. Pemilihan kaedah pencampuran ini dilakukan kerana salah satu daripada bahan pengikat yang digunakan adalah PMMA yang mempunyai takat lebur yang tinggi.KESIMPULAN
Berdasarkan kepada kajian yang telah dijalakan, berikut adalah kesimpulan dikemukakan seperti berikut;
1. Keseragaman bahan pengikat yang mengandungi PEG, PMMA dan Asid Stearik dan bahan suapan akan sekata bergantung kepada kaedah dan parameter proses pencampuran seperti halaju, suhu dan masa pencampuran. Dengan menggunakan mesin pencampur jenis Bebilah Z (Sigma blade), parameter pencampuran yang optimum ialah pada halaju 25 ppm, suhu 70 ºC dan pencampuran dilakukan selama 2 jam.
2. Dalam ujikaji ini, kaedah pencampuran dengan menggunakan pelarut digunapakan. Pemilihan kaedah pencampuran ini dilakukan kerana salah satu daripada bahan pengikat yang digunakan adalah PMMA yang mempunyai suhu peleburan 180 – 220 ºC. Dari ujikaji pula didapati jika PMMA tidak dilarutkan terlebih dahulu dengan Aseton maka bahan suapan akan hancur menjadi serbuk kembali atau tidak dapat menjadi butiran pada masa dilakukan proses pembutiran.
3. Selepas bahan suapan dikeluarkan daripada mesin pencampur, proses pembutiran paling baik dilakukan pada ketika bahan suapan yang baru dikeluarkan dari mesin pencampur dan masih mempunyai suhu sekitar 40 oC – 50 oC, supaya proses pembutiran dapat menghasilkan bahan suapan yang mempunyai butiran yang sempurna dan mudah untuk disuntik dengan purata saiz lebih kurang 2 mm.
RUJUKAN
Edwards, M.F. 1992. Laminar flow and distributive mixing. Dlm. Harnby, N. Edward M.F. & Nienow, A.W. Mixing in the Process Industries. Ed. ke 2. London : Butterworth Heinemann.
German, R.M. 1990. Powder injection molding. New Jersey: Metal Powder Industries Federation.
Iriany, 2002. Kajian sifat reology bahan suapan yang mengandungi stearies sawit untuk
proses pengacuan suntikan logam. Tesis Phd. FKEJ. UKM. Bangi.
Muhammad Hussain Ismail. 2002. Kesan pembebanan serbuk logam terhadap fenomena
pemprosesan dalam pengacuan suntikan logam. Tesis Sarjana. FKEJ. UKM,
Bangi.
Murtadhahadi. 2007. Parameter penyuntikan bagi proses pengacuanan suntikan logam
(MIM) bagi bahan suapan daripada; SS 316L, PEG, PMMA dan AS. Tesis
Sarjana. FKEJ. UKM,
Bangi.
Mutsuddy, B.C. & Ford, R.G. 1995. Ceramic injection molding. London: Chapman & Hall. Raman, R., Slike III, W. & German, R.M. 1993. Homogeneity of mixed feedstock in
powder injection molding. Advances in Powder Metallurgy & Particulate Materials. 5: 1-16.
Rhee, B.O, Cao, M.Y, Zhang, H.R, Streicher, E. & Chung, C.I. 1991. Improved wax based binder formulations for powder injection molding. Powder Injection Molding 2: 43-58
