SIMULASI PENGARUH TIPE GATING SYSTEM
TERHADAP
KARAKTERISTIK ALIRAN LOGAM CAIR ALUMINIUM A356
MENGGUNAKAN METODE COMPUTATIONAL FLUID
DYNAMICS
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
RAMA SANJAYA
100401067
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
ABSTRAK
Dalam rangka meningkatkan kualitas hasil pengecoran, sistem saluran masuk divariasikan dengan tujuan untuk melihat karakteristik logam cair. Analisa aliran dilakukan dengan cara mengamati proses pengisian rongga cetak. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui efek dari posisi ingate terhadap cacat permukaan kecepatan aliran, temperatur, tekanan dan turbulensi cairan dari paduan aluminium dalam casting dengan menggunakan cetakan pasir. Bahan baku dari penelitian ini adalah paduan aluminium silikon A356. Penelitian ini akan dibedakan atas saluran masuk top gating system, parting-line gating system & bottom gating system. Pengujian cacat permukaan juga dilakukan dengan membandingkan hasil simulasi dengan hasil eksperimental. Proses simulasi dilakukan dengan menggunakan software berbasis CFD. Hasil penelitian menunjukkan top gating system memiliki kecepatan fluida tertinggi yaitu ±263 cm/s sedangkan kecepatan fluida terendah terjadi pada model saluran parting-line dengan ±178 cm/s. Konsentrasi tertinggi cacat permukaan ditemukan dalam sistem model saluran parting-line gating system dengan persentase ±0,32%. Sementara konsentrasi cacat terendah adalah pada top gating system dengan ±0,15%. Tekanan tertinggi terjadi pada parting-line gating system yaitu sebesar ±11,65 kPa sementara tekanan terendah ditemukan di top gating system sebesar ±11,14 kPa. Model saluran dengan rata-rata suhu tertinggi terdapat pada parting-line gating system dengan ±729,67 oC sedangkan bottom gating system memiliki suhu rata-rata terendah dengan ±729,11 oC.
ABSTRACT
In order to improve the quality of the castings produced, the gating system was changed with the intention to see the characteristics of molten metal. Flow analysis of the component is done in order to visibly analyse the cavity filling process. This study aims to determine the effects of ingate position to surface defect, fluid velocity, pressure, temperature and fluid turbulence of aluminum alloys in casting by using sand molds. The raw material of this study is A356 aluminium alloy. This research will beassessed position of ingate in top, middle and bottom. Surface defect testing also conducted by comparing simulation result to experimental works. Simulation process is conducted by using CFD based analysis software. The results showed top gating system has the highest fluid velocity that is ±263 cm/s while the lowest fluid velocity occur on parting-line
gating system with ±178 cm/s. The highest concentration of surface defects found
in the model system of parting-line gating system that is ±0,32%. While the lowest defect concentration is on top gating system with only ±0,15%. The highest pressure occurs in parting-line gating system that is equal to ±11,65 kPa while the lowest pressure found in top gating system that is ±11,14 kPa. Gating system with highest average temperatur obtained at the parting-line gating system with ±729,67 oC while bottom gating system has the lowest average temperature with ±729,11 oC.
i KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan ke hadirat Allah SWT atas segala karunia dan rahmat-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun judul skripsi ini adalah “Simulasi Pengaruh Tipe Gating System Terhadap Karakteristik Aliran Logam Material Aluminium A356 Menggunakan Metode Computational Fluid Dynamics”.
Selama penulisan skripsi ini penulis banyak mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis menyampaikan banyak terima kasih kepada:
1. Orang tua saya tercinta, Ayahanda Syaiful dan Ibunda Jusmiarti serta kakak – kakak saya (Silvia dan Shinta Veroza) dan juga abang – abang saya (Heru Joni Aldi dan Roni Anto) yang telah membesarkan penulis, membimbing, memberikan kasih sayang, memberikan nasehat memberikan perhatian baik spiritual maupun material serta semangat yang begitu besar kepada penulis mulai awal kuliah hingga penyelesaian skripsi ini.
2. Bapak Suprianto, ST. MT selaku dosen pembimbing skripsi yang telah meluangkan waktu dan pikiran serta kesabaran dalam membimbing dan mengajar penulis untuk menyelesaikan skripsi ini.
3. Bapak Ir. Tugiman, MT selaku Koordinator Skripsi dan Kepala Laboratorium Metalurgi.
4. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri sebagai Ketua Departemen Teknik Mesin USU dan Bapak Ir. M Syahril Gultom, MT. sebagai Sekretaris Departemen Teknik Mesin USU.
ii 6. Teman satu tim (Abdul Rahman) yang telah memberikan kesempatan kepada
penulis untuk bergabung dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
7. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin USU angkatan 2010, khususnya (Nursuci Adek, Chandra Andrika, Fadel Muhammad Harahap & Aji Pajar Prastia) yang banyak memberikan motivasi kepada penulis dalam menyusun skripsi ini, atas masukan dan bantuannya dalam menyelesaikan skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini belum sempurna, baik dari segi teknik maupun dari segi materi. Oleh sebab itu, demi penyempurnaan skripsi ini kritik dan saran sangat penulis harapkan.
Akhir kata, penulis berharap agar laporan ini bermanfaat bagi pembaca pada umumnya dan penulis sendiri pada khususnya.
Medan, September 2015 Penulis,
iii
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ...5
2.1 Aluminium ...4
2.1.1. Aluminium - Silicon Alloy...5
2.1.2. Aluminium A356...8
2.2 Pengecoran Cetakan Pasir...9
2.3 Sistem Saluran Masuk ...12
2.4 Dinamika Fluida ...16
2.4.1 Aliran Fluida Berdasarkan Gerak... ...16
2.4.2 Aliran Fluida Berdasarkan Gaya Yang Bekerja.... ...17
iv
2.5 Cacat Rongga Udara (Blowhole) ...19
2.6 CFD (Computational Fluid Dinamics) ...20
2.6.1 Proses Simulasi CFD... ...21
2.6.2 Persamaan Pembentuk Aliran... ...22
2.7 Stir Casting ...26
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN ...29
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ...29
3.2 Alat dan Bahan Penelitian ...29
3.2.1 Alat Penelitian ...29
3.2.2 Bahan Penelitian ...30
3.3 Variabel Penelitian...31
3.3.1 Variabel Terikat...32
3.3.2 Variabel Bebas ...32
3.4 Cara Pelaksanaan Penelitian ...31
3.5 Diagram Alir Penelitian ...33
3.6 Set-up Pengujian... ...34
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ...43
4.1 SimulasiHasil Konsentrasi Cacat Permukaan... ...43
4.1.1 Perbandingan antara Konsentrasi Cacat Permukaan Hasil Simulasi dan Hasil Pengecoran Eksperimental... ...48
4.2 Analisa Simulasi Hasil Distribusi kecepatan ...50
4.3Simulasi Hasil Distribusi Temperatur... ...54
v
4.5 Simulasi Hasil Distribusi Tekanan ...60
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ...63
5.1 Kesimpulan ...63
5.2 Saran... ...64
vi DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Diagram Fasa Al-Si ...6
Gambar 2.2 Daerah Diagram Fasa Al-Si...6
Gambar 2.3 Struktur mikro hypoeutectic, eutectic & hypereutectic.... ...7
Gambar 2.4 Proses Pembuatan Cetakan ...11
Gambar 2.5 Elemen Dasar pada Sistem Saluran Masuk ...13
Gambar 2.6 Klasifikasi Saluran Masuk Berdasarkan Bidang Pembagi ...13
Gambar 2.7 Klasifikasi Saluran Masuk Berdasarkan Ketinggian ... ...14
Gambar 2.8 Rasio Luas Area Sprue Exit, Runner dan Ingate ...15
Gambar 2.9 Distribusi Kecepatan Aliran Laminar pada Pipa Tertutup ...18
Gambar 2.10 Distribusi Kecepatan Aliran Turbulen Dalam Pipa Tertutup pada Arah Aksial... ...19
Gambar 2.11 Cacat Rongga Udara (Blowholes) ...20
Gambar 2.12 Hukum Kekekalan Massa pada Elemen Fluida 3 Dimensi... ..23
Gambar 2.13 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi... ...24
Gambar 2.14 Kerja yang Dikenakan pada Elemen Arah Sumbu-x.... ...25
Gambar 2.15 Fluks Panas yang melintasi permukaan sebuah elemen... ...25
Gambar 2.16 Skema Eksperimental Mesin Stir Casting... ...27
Gambar 3.1 Cetakan Pasir Tampak Dari Atas Dan Tengah ...30
Gambar 3.2 Mesin Stir Casting... ...30
Gambar 3.3 Diagram Alir Penelitian ...34
Gambar 3.4 Dimensi Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Top Gating System... ...34
Gambar 3.5 Dimensi Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Parting-line Gating System... ...35
Gambar 3.6 Dimensi Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Bottom Gating System... ...35
vii Gambar 3.8 Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Parting-Line
Gating System... ...36
Gambar 3.9 Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Bottom Gating System... ...37
Gambar 3.10 Bentuk Mesh ...38
Gambar 3.11 Penentuan Parameter Dasar... ...38
Gambar 3.12 Penentuan Sifat – Sifat Fisika dan Gaya pada Percobaan... ..39
Gambar 3.13 Penentuan Jenis Fluida... ...39
Gambar 3.14 Penentuan Material Cetakan... ...40
Gambar 3.15 Diagram Alir Simulasi... ...41
Gambar 4.1 Kontur Distribusi Kecepatan Magnitudo pada Model Saluran Masuk Top Gating System... ...44
Gambar 4.2 Kontur Distribusi Kecepatan pada Model Saluran Masuk Parting-line Gating System... ...44
Gambar 4.3 Kontur Distribusi Kecepatan pada Model Saluran Masuk Bottom Gating System... ...45
Gambar 4.4 Grafik Kecepatan Magnitudo vs. Tipe Saluran Masuk ...46
Gambar 4.5 Kontur Distribusi Temperatur pada Model Saluran Masuk Top Gating System... ...47
Gambar 4.6 Kontur Distribusi Temperatur pada Model Saluran Masuk Parting-line Gating System... ...48
Gambar 4.7 Kontur Distribusi Temperatur pada Model Saluran Masuk Bottom Gating System... ...48
Gambar 4.8 Grafik Temperatur vs. Tipe Saluran Masuk... ...49
Gambar 4.9 Grafik Nilai Kekerasan Rata – Rata vs Tipe Gating System...51
Gambar 4.10 Perbandingan Persebaran Temperatur Terhadap Nilai Kekerasan Model Sistem Saluran Masuk Top Gating System (Tipe A).... ...51
viii Gambar 4.12 Perbandingan Persebaran Temperatur Terhadap Nilai
Kekerasan Model Sistem Saluran Masuk Bottom Gating
System (Type C)... ...52 Gambar 4.13 Kontur Distribusi Tekanan pada Model Saluran Masuk Top
Gating System... ...53 Gambar 4.14 Kontur Distribusi Tekanan pada Model Saluran Masuk
Parting-line Gating System... ...53 Gambar 4.15 Kontur Distribusi Tekanan pada Model Saluran Masuk Bottom Gating System.... ...54 Gambar 4.16 Grafik Tekanan vs. Tipe Saluran Masuk... ...55 Gambar 4.17 Fase Terbentuknya Cacat Permukaan pada Model Saluran
Masuk Top Gating System... ...56 Gambar 4.18 Fase Terbentuknya Cacat Permukaan pada Model Saluran
Masuk Parting-line Gating System... ...57 Gambar 4.19 Fase Terbentuknya Cacat Permukaan pada Model Saluran
Masuk Bottom Gating System... ...58 Gambar 4.20 Kontur Konsentrasi Cacat Permukaan Hasil Simulasi &
Eksperimen Top Gating System... ...60 Gambar 4.21 Kontur Konsentrasi Cacat Permukaan Hasil Simulasi &
Eksperimen Parting-line Gating System... ...60 Gambar 4.22 Kontur Konsentrasi Cacat Permukaan Hasil Simulasi &
Eksperimen Parting-line Gating System... ...61 Gambar 4.23 Grafik Konsentrasi Cacat Permukaan Pada 3 Model Saluran
ix DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Kandungan Si Terhadap Temperatur Titik Beku Paduan
Aluminium... ...8
Tabel 2.2. Spesifikasi Fluida... ...9
Tabel 2.3 Elemen Penyusun Aluminium Alloy A356... ...9
Tabel 4.1 Konsentrasi Cacat Permukaan Maksimum... ...48
Tabel 4.2 Distribusi Kecepatan Magnitudo Berdasarkan Titik Pengukuran... ...54
Tabel 4.3 Distribusi Temperatur Pada Pada 9 Titik Pengukuran... ...57
Tabel 4.4 Data hasil pengujian kekerasan... ...58
x DAFTAR NOTASI
Simbol Definisi Satuan
τ tegangan geser pada fluida N/m2
μ viskositas dinamik fluida N.s/m2 du/dy gradient kecepatan 1/s
ṁ laju aliran massa kg/s
t waktu s
ρ massa jenis fluida kg/m3
F gaya N
T temperatur oC
m massa kg
a percepatan m/s2
P tekanan N
W daya joule
