ANALISA DISTRIBUSI TEMPERATUR DAN TEKANAN PADA METODE PENGECORAN SQUEEZE CASTING
MENGGUNAKAN METODE COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD)
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
KHAIRUR RAZIQ 130401035
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2018
KATA PENGANTAR
Assalamualaikum warahmatullaahi wabarakaatuh.
Alhamdulillahi Rabbil „Alamin, segala puji dan syukur kehadirat Allah SWT. yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan penelitian skripsi yang dipilih dari mata kuliah Pengecoran Logam dengan judul “Analisa Distribusi Temperatur dan Tekanan pada Metode Pengecoran Squeeze Casting Menggunakan Metode Computational Fluid Dynamic (CFD) ”.
Laporan ini disusun berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan kurang lebih selama 4 bulan, mulai dari September hingga Desember 2017.
Adapun laporan skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat mahasiswa untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Dan laporan skripsi ini tidak akan selesai tanpa dukungan dari pembimbing dan bantuan dari berbagai pihak, baik selama penelitian ataupun pada saat penyusunan laporan.
Oleh karena itu, tidak berlebihan kiranya penulis mengucapkan terima kasih yang tak terhingga ke semua pihak, khususnya kepada:
1. Bapak Ir. Tugiman, M.T. selaku Dosen Pembimbing Skripsi di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara yang telah senantiasa sabar dalam memberikan pengarahan, bimbingan, motivasi, nasehat, dan pelajaran yang sangat berharga selama proses penyelesaian skripsi ini.
2. Kedua orang tua tercinta Syaifuddin (Bapak) dan Rubiyah (Mamak), yang telah banyak memberi dukungan moril maupun materil serta doa dan motivasi yang tiada hentinya untuk memberikan semangat kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan skripsi ini.
3. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, M.T. dan Terang UHSG. Manik, S.T., M.T. selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin USU.
4. Seluruh Staf Pengajar dan seluruh Pegawai Administrasi di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
5. Ilham Budianto, Muhammad Iqbal, dan Fahmi Bakrie A. Saragih selaku rekan satu team dalam penelitian skripsi, yang telah banyak membantu dan bekerja sama dengan baik selama proses penelitian.
6. Dan seluruh kawan-kawan stambuk 2013 yang telah memberikan dukungan baik berupa tenaga dan motivasi kepada penulis.
Semoga skripsi ini dapat memberikan ilmu tambahan bagi penulis maupun pembaca serta dapat bermanfaat bagi orang lain. Penulis mengharapkan masukan dan kritikan yang bersifat membangun dalam penyempurnaan skripsi. Penulis mengucapkan banyak terima kasih atas kerjasamanya.
Wassalamualaikum warahmatullaahi wabarakaatuh.
Medan, 19 Desember 2017 Penulis
Khairur Raziq NIM. 130401035
ABSTRAK
Untuk meningkatkan kualitas hasil pengecoran, tekanan dalam pengecoran squeeze casting divariasikan dengan tujuan untuk melihat distribusi temperatur dan tekanan dan karakteristik logam cair selama dilakukan penekanan. Analisa persebaran temperatur dan tekanan dilakukan dengan cara mengamati proses distribusi penekanan didalam cetakan dengan menggunakan proses simulasi dengan software berbasis CFD. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui efek dari tekanan squeeze terhadap temperatur dan tekanan cairan logam dari paduan aluminium dalam pengecoran dengan menggunakan cetakan permanen. Bahan baku dari penelitian ini adalah paduan aluminium silikon A356. Penelitian ini akan dibedakan atas tekanan 25MPa, 30MPa, 35MPa, 35MPa, 40MPa, dan 45MPa. Pengujian kekerasan juga dilakukan terhadap hasil pengecoran pada masing-masing tekanan. Hasil penelitian menunjukkan tekanan 45MPa memiliki nilai kekerasan rata-rata yang tinggi yaitu 76,57BHN. Sementara pada tekanan 25MPa memiliki nilai kekerasan rata-rata terendah dengan nilai kekerasan 74,58BHN.
Kata kunci : Computational fluid dynamic (CFD), squeeze casting, temperatur, tekanan, nilai kekerasan.
ABSTRACT
To improve the casting quality, the pressure in the squeeze casting is varied with the aim of looking at the distribution of temperature and pressure and the characteristics of the molten metal during pressing. Temperature and pressure distribution analysis is done by observing the pressure distribution process in the mold by using simulation process with CFD based software. This study aims to determine the effect of squeeze pressure on temperature and pressure of metal liquid from aluminum alloy in casting using permanent mold. The raw material of this research is silicon aluminum alloy A356. This study will be differentiated by 25MPa, 30MPa, 35MPa, 35MPa, 40MPa, and 45MPa pressure. Violence testing is also performed on casting results at each pressure. The results showed a pressure of 45MPa has a high average hardness value of 76.57BHN. While at 25MPa pressure it has the lowest average hardness value with 74.58BHN hardness value.
Keywords : Computational fluid dynamic (CFD), squeeze casting, temperature, pressure, hardness value.
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRAK ... iii
ABSTRACT ... iv
DAFTAR ISI ...v
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... xii
DAFTAR NOTASI ... xiv
BAB I PENDAHULUAN ...1
1.1. Latar Belakang ...1
1.2. Rumusan masalah ...3
1.3. Tujuan Penelitian ...4
1.4. Manfaat penelitian ...4
1.5. Batasan masalah ...5
1.6. Sistematika Penulisan ...5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...6
2.1. Aluminium ...6
2.1.1. Aluminium-Silicon Alloy...7
2.1.2. Aluminium A356 ...9
2.2. Magnesium ...10
2.2.1. Sifat Fisik Magnesium ...12
2.2.2. Aplikasi Magnesium ...12
2.3. Fly Ash ...13
2.3.1. Fly Ash Batubara ...13
2.3.2. Palm Oil Fly Ash (POFA) ...13
2.4. Metal Matrix Composites (MMCs) ...15
2.4.1. Jenis-jenis Metal Matrix Composites (MMCs) ...16
2.5. Pengecoran Cetakan Permanen ...19
2.6. Dinamika Fluida ...20
2.6.1. Jenis Pergerakan Aliran Fluida ...21
2.6.2. Jenis Gaya Aliran Fluida ...22
2.6.3. Jenis Kompres Aliran Fluida ...23
2.7. Computational Dynamic Fluid (CFD) ...23
2.7.1. Proses Simulasi CFD ...25
2.7.2. Persamaan Bentuk Aliran ...26
2.8. Squeeze Casting ...29
2.8.1. Klasifikasi Pengecoran Squeeze Casting ...31
2.8.2. Parameter Proses Pengecoran Squeeze Casting ...33
2.9. Metode-metode Pengecoran Aluminium ...35
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ...39
3.1. Diagram fish bone penelitian ...39
3.2. Tempat dan Waktu Penelitian ...39
3.3. Alat dan Bahan Penelitian ...39
3.3.1. Alat Penelitian ...39
3.3.2. Bahan Penelitian...40
3.4. Variabel Penelitian ...41
3.4.1. Variabel Terikat ...41
3.4.2. Variabel Bebas ...41
3.5. Cara Pelaksanaan Penelitian ...41
3.6. Diagram Alir Penelitian ...42
3.7. Setup Pengujian ...44
3.7.1. Proses Simulasi ...44
3.7.1.1. Tahap Pre-processing ...44
3.7.1.2. Tahap Post-processing ...48
3.7.1.3. Tahap Solving ...48
3.7.1.4. Diagram Alir Simulasi ...49
3.7.2. Proses Pengecoran ...50
3.7.3. Set up Alat Mesin Squeeze Casting ...50
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ...53
4.1. Simulasi Hasil Distribusi Kecepatan ...53
4.2. Simulasi Hasil Distribusi Temperatur ...56
4.3. Simulasi Hasil Distribusi Tekanan ...59
4.4. Simulasi Hasil Konsentrasi Cacat Permukaan ...62
4.5. Simulasi Hasil Distribusi Temperatur saat Proses Penekanan ...65
4.6. Simulasi Hasil Distribusi Tekanan saat Proses Penekanan ..80
4.7. Pengaruh Distribusi Temperatur dan Tekanan Terhadap Kekerasan Hasil Coran ...96
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...101
5.1. Kesimpulan ...101
5.2. Saran ...103
DAFTAR PUSTAKA ...xv
LAMPIRAN ... xviii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Diagram Fasa Al-Si ...8
Gambar 2.2 (a)Struktur mikro paduan hypoeutectic, (b)Struktur mikro paduan eutectic, (c)Struktur mikro paduan hypereutectic ...9
Gambar 2.3 Diagram alir Palm Oil Fly Ash (POFA) ...14
Gambar 2.4 Pembagian komposit berdasarkan jenis penguat ...16
Gambar 2.5 Mekanisme pengecoran cetakan permanen ...19
Gambar 2.6 Distribusi kecepatan aliran laminar pada pipa tertutup ...22
Gambar 2.7 Distribusi kecepatan aliran turbulen dalam pipa tertutup pada arah aksial... 23
Gambar 2.8 Hukum kekekalan massa pada sebuah elemen fluida 3 dimensi ...26
Gambar 2.9 Hukum kekekalan momentum arah sumbu-x pada sebuah elemen fluida 3 dimensi. ... 27
Gambar 2.10 Kerja yang dikenakan pada sebuah elemen arah sumbu-x ... 28
Gambar 2.11 Fluks panas yang melintasi permukaan sebuah elemen ...28
Gambar 2.12 Skema mesin squeeze casting ... 30
Gambar 2.13 Mekanisme direct squeeze casting ... 31
Gambar 2.14 Mekanisme indirect squeeze casting ...33
Gambar 2.15 Mekanisme gravity casting ...36
Gambar 2.16 Mekanisme low pressure casting ...36
Gambar 2.17 Mekanisme centrifugal casting ...37
Gambar 2.18 Mekanisme mold casting ...38
Gambar 2.19 Mekanisme stir casting ...38
Gambar 3.1 Diagram fish bone penelitian...39
Gambar 3.2 Cetakan permanen (a)tampak atas, (b)tampak tengah, dan (c)tampak bawah ...40
Gambar 3.3 Mesin squeeze casting ...40
Gambar 3.4 Diagram alir penelitian ...43
Gambar 3.5 Dimensi model coran dalam bentuk 2 dimensi ...44
Gambar 3.6 Model coran dalam software Fluent 6.3 ...45
Gambar 3.7 Bentuk mesh model coran ...46
Gambar 3.8 Penentuan parameter dasar simulasi ...46
Gambar 3.9 Penentuan sifat fisik dan gaya pada proses simulasi ...47
Gambar 3.10 Penentuan jenis fluida ...47
Gambar 3.11 Penentuan material cetakan ...48
Gambar 3.12 Diagram alir simulasi ...49
Gambar 3.13 Setup alat pengecoran squeeze casting ...51
Gambar 4.1 Kecepatan aliran pada saat proses penuangan (a)1 detik, (b)2 detik, (c)3 detik, (d)4 detik, dan (e)5 detik ...54
Gambar 4.2 Grafik kecepatan magnitudo v.s waktu penuangan ...56
Gambar 4.3 Distribusi temperatur pada saat proses penuangan (a)1 detik, (b)2 detik, (c)3 detik, (d)4 detik, dan (e)5 detik ...57
Gambar 4.4 Grafik distribusi temperatur v.s waktu penuangan...59
Gambar 4.5 Distribusi tekanan pada saat proses penuangan (a)1 detik, (b)2 detik, (c)3 detik, (d)4 detik, dan (e)5 detik ...60
Gambar 4.6 Grafik distribusi tekanan v.s waktu penuangan ...61
Gambar 4.7 Konsentrasi cacat permukaan pada saat proses penuangan (a)1 detik, (b)2 detik, (c)3 detik, (d)4 detik, dan (e)5 detik ...63
Gambar 4.8 Grafik konsentrasi caact v.s waktu penuangan ...65
Gambar 4.9 Distribusi temperatur pada saat penekanan 25MPa (a)5 detik, (b)10 detik, (c)15 detik, (d)20 detik, dan (e)25 detik, dan (f)30 detik ...66
Gambar 4.10 Grafik distribusi temperatur v.s bagian coran tekanan 25MPa .68 Gambar 4.11 Distribusi temperatur pada saat penekanan 30MPa (a)5 detik, (b)10 detik, (c)15 detik, (d)20 detik, dan (e)25 detik, dan (f)30 detik ...69
Gambar 4.12 Grafik distribusi temperatur v.s bagian coran tekanan 30MPa .71 Gambar 4.13 Distribusi temperatur pada saat penekanan 35MPa (a)5 detik, (b)10 detik, (c)15 detik, (d)20 detik, dan (e)25 detik, dan (f)30 detik ...72 Gambar 4.14 Grafik distribusi temperatur v.s bagian coran tekanan 35MPa .74 Gambar 4.15 Distribusi temperatur pada saat penekanan 40MPa (a)5 detik,
(b)10 detik, (c)15 detik, (d)20 detik, dan (e)25 detik, dan (f)30 detik ...75 Gambar 4.16 Grafik distribusi temperatur v.s bagian coran tekanan 40MPa .77 Gambar 4.17 Distribusi temperatur pada saat penekanan 45MPa (a)5 detik, (b)10 detik, (c)15 detik, (d)20 detik, dan (e)25 detik, dan (f)30 detik ...78 Gambar 4.18 Grafik distribusi temperatur v.s bagian coran tekanan 45MPa .80 Gambar 4.19 Distribusi tekanan pada saat penekanan 25MPa (a)5 detik, (b)10 detik, (c)15 detik, (d)20 detik, dan (e)25 detik, dan (f)30 detik ...81 Gambar 4.20 Grafik distribusi tekanan v.s bagian coran tekanan 25MPa ...83 Gambar 4.21 Distribusi tekanan pada saat penekanan 30MPa (a)5 detik, (b)10 detik, (c)15 detik, (d)20 detik, dan (e)25 detik, dan (f)30 detik ...84 Gambar 4.22 Grafik distribusi tekanan v.s bagian coran tekanan 30MPa ...86 Gambar 4.23 Distribusi tekanan pada saat penekanan 35MPa (a)5 detik, (b)10 detik, (c)15 detik, (d)20 detik, dan (e)25 detik, dan (f)30 detik ...87 Gambar 4.24 Grafik distribusi tekanan v.s bagian coran tekanan 35MPa ...89 Gambar 4.25 Distribusi tekanan pada saat penekanan 40MPa (a)5 detik, (b)10 detik, (c)15 detik, (d)20 detik, dan (e)25 detik, dan (f)30 detik ...90 Gambar 4.26 Grafik distribusi tekanan v.s bagian coran tekanan 40MPa ...92 Gambar 4.27 Distribusi tekanan pada saat penekanan 45MPa (a)5 detik, (b)10 detik, (c)15 detik, (d)20 detik, dan (e)25 detik, dan (f)30 detik ...93 Gambar 4.28 Grafik distribusi tekanan v.s bagian coran tekanan 45MPa ...95 Gambar 4.29 Grafik hubungan temperatur dan tekanan terhadap nilai
kekerasan ...97 Gambar 3.30 Perbandingan persebaran distribusi (a)temperatur, (b)tekanan, dan (c)kekerasan pada tekanan 25MPa ...98 Gambar 3.31 Perbandingan persebaran distribusi (a)temperatur, (b)tekanan,
dan (c)kekerasan pada tekanan 30MPa ...99 Gambar 3.32 Perbandingan persebaran distribusi (a)temperatur, (b)tekanan, dan (c)kekerasan pada tekanan 35MPa ...99 Gambar 3.33 Perbandingan persebaran distribusi (a)temperatur, (b)tekanan, dan (c)kekerasan pada tekanan 40MPa ...99 Gambar 3.34 Perbandingan persebaran distribusi (a)temperatur, (b)tekanan, dan (c)kekerasan pada tekanan 45MPa ...100
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Kandungan Si Terhadap Temperatur Titik Beku Paduan
Aluminium ...9 Tabel 2.2 Komposisi Aluminium A356 ...10 Tabel 2.3 Sifat Mekanik Aluminium A356...10 Tabel 2.4 Sifat Fisik Magnesium ...12 Tabel 2.5 Komposisi Kimia Palm Oil Fly Ash ...15 Tabel 4.1 Distribusi kecepatan magnitudo berdasarkan titik pengukuran ....55 Tabel 4.2 Distribusi temperatur penuangan berdasarkan titik pengukuran ...58 Tabel 4.3 Distribusi tekanan penuangan berdasarkan titik pengukuran ...61 Tabel 4.4 Konsentrasi cacat permukaan berdasarkan titik pengukuran ...64 Tabel 4.5 Distribusi temperatur pada saat penekanan 25MPa berdasarkan titik pengukuran ...67 Tabel 4.6 Distribusi temperatur pada saat penekanan 30MPa berdasarkan titik pengukuran ...70 Tabel 4.7 Distribusi temperatur pada saat penekanan 35MPa berdasarkan titik pengukuran ...73 Tabel 4.8 Distribusi temperatur pada saat penekanan 40MPa berdasarkan titik pengukuran ...76 Tabel 4.9 Distribusi temperatur pada saat penekanan 45MPa berdasarkan titik pengukuran ...79 Tabel 4.10 Distribusi tekanan pada saat penekanan 25MPa berdasarkan titik pengukuran ...82 Tabel 4.11 Distribusi tekanan pada saat penekanan 30MPa berdasarkan titik pengukuran ...85 Tabel 4.12 Distribusi tekanan pada saat penekanan 35MPa berdasarkan titik pengukuran ...88 Tabel 4.13 Distribusi tekanan pada saat penekanan 40MPa berdasarkan titik pengukuran ...91 Tabel 4.14 Distribusi tekanan pada saat penekanan 45MPa berdasarkan titik pengukuran ...94 Tabel 4.15 Data hasil pengujian kekerasan Brinell ...96
DAFTAR NOTASI
Simbol Keterangan Satuan
𝜏 tegangan geser pada fluida N/m2
𝜇 viskositas dinamik fluida N.s/m2
du/dy gradien kecepatan 1/s
𝑚 laju aliran massa kg/s
t waktu s
𝜌 massa jenis fluida gr/cm3
F gaya N
T temperatur oC
m massa kg
a percepatan m/s2
P tekanan Pa
W daya Joule
Q kalor Joule
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Aluminium adalah logam non-ferrous yang paling banyak digunakan di dunia, dengan konsumsi hingga 24 juta ton per tahun. Sekitar 75% dari total volume ini (18 juta ton) adalah aluminium primer yaitu aluminium yang diekstraksi dari bijih, berlawanan dengan aluminium sekunder yang berasal dari pengolahan logam bekas [34].
Nilai kekerasan yang rendah dipengaruhi oleh banyak hal salah satunya adalah desain sistem pengecoran yang kurang baik. Beberapa hal yang mempengaruhi pada sistem pengecoran antara lain kesalahan dalam teknik pengecoran, ketidaksesuaian komposisi, sistem pencampuran dan pengadukan, dan desain cetakan [23].
Penelitian ini akan mendalami tentang variasi tekanan pada sistem pengecoran dengan metode squeeze casting. Tekanan pada squeeze casting memiliki peranan penting karena tekanan merupakan hal yang mempengaruhi distribusi temperatur pada logam cair ketika berada di dalam cetakan. Telah banyak dilakukan upaya penelitian secara luas untuk mempelajari pengaruh perancangan sistem pengecoran pada pengecoran logam cair seperti gravity casting, steer casting, dan centrifugal casting. Penelitian-penelitian tersebut menunjukkan bahwa kerugian-kerugian pada pengecoran seperti: turbulensi pada aliran logam cair, inklusi pada cetakan, lapisan oksida, dan terak dapat diantisipasi dengan sistem pengecoran yang optimal [37].
Sifat pengecoran dipengaruhi oleh proses pencetakan yang digunakan dan sifat bahan cetakan yang digunakan. Jenis cetakan yang digunakan dalam pengecoran logam sangat bergantung pada jenis pengecoran yang akan diproduksi. Perpindahan panas antara pengecoran dan cetakan terutama dikendalikan oleh kondisi pada antarmuka logam cetakan. Kualitas coran dalam
cetakan dipengaruhi secara signifikan oleh sifat-sifatnya seperti kekuatan kompresi, permeabilitas, kekerasan cetakan dan lain-lain yang bergantung pada parameter masukan. Selama proses pengecoran pendinginan logam cair terjadi di dinding cetakan dan ini menghasilkan pembentukan kulit tipis pada antarmuka cetakan/logam (paduan) yang meningkat di sekitar antarmuka cetakan/logam saat proses solidifikasi berlangsung. Kekasaran permukaan cetakan akan menyebabkan penurunan koefisien perpindahan panas pada antarmuka logam/cetakan. Secara umum, laju pembekuan bergantung pada laju perpindahan panas dari lelehan ke dalam cetakan, sifat termal dari logam, tingkat pemadatan (dikontrol oleh geometri cetakan) dan sifat fisik cetakan. Prosedur pengecoran yang tidak tepat dapat menimbulkan cacat seperti lubang pin, porositas, rongga penyusutan dan yang sebagian besar bertanggung jawab atas sifat mekanik yang buruk dari paduan aluminium yang diproduksi [2].
Sifat kekerasan pada hasil coran dapat dipengaruhi oleh faktor desain pengecoran yang kurang baik. Oleh sebab itu, untuk mengatasi kesalahan desain digunakan software berbasis CFD (Computational Fluid Dynamics). Salah satu program komputer yang mampu mengaplikasi desain pengecoran ini yaitu software CFD Fluent 6.3. Program desain grafis dua dimensi ini mampu menampilkan suatu produk atau hasil akhir seperti benda sesungguhnya sebelum proses pembuatan benda kerja dilakukan sehingga suatu produk dapat diketahui bentuk distribusi alirannya dan dapat dianalisa karakteristiknya sebelum diproduksi [39].
Safril (2016) melakukan penelitian terhadap pengaruh tekanan squeeze terhadap tingkat kekerasan dan keausan hasil coran. Metode penelitian yang digunakan adalah menerapkan beberapa variasi tekanan hingga 4MPa. Hasil penelitian yang menggunakan pemeriksaan mikrografi menunjukkan retensi yang baik dan distribusi fly ash yang hampir seragam dalam matriks dan meminimalisir adanya rongga dan diskontinuitas. Hasil metalografi menunjukkan ikatan antar muka yang baik antara partikel fly ash dan bahan matriks [29].
Eddy Djatmiko (2011) melakukan penelitian tentang pengaruh temperatur cetakan terhadap sifat mekanis pada paduan aluminium pada pengecoran squeeze casting. Variasi temperatur yang digunakan yaitu temperatur 410oC, 450oC, dan 490oC. Hasil pengecoran menunjukkan bahwa temperatur cetakan tertinggi memiliki nilai kekerasan yang tinggi dan meningkatkan strukturmikro yang baik, dan menghalangi pergerakan dislokasi.
Yuwen Xuan (2012) melakukan penelitian yaitu berupa simulasi terhadap produk pengecoran filling process yang dibuat dari material pure aluminium dengan metode casting filling process menggunakan software simulasi ANSYS Fluent. Hasil penelitian menunjukkan distribusi temperatur, turbulensi, energi, dan tegangan permukaan dapat terkontrol dengan baik. Sifat material cetakan dan perhitungan kondisi batas dapat diterapkan [39].
Berdasarkan penelitian-penelitian diatas terdapat beberapa penelitian dan simulasi tentang pengaruh distribusi tekanan terhadap hasil pengecoran aluminium tetapi masih jarang yang menggunakan metode simulasi untuk menganalisa bagaimana distribusi temperatur dan tekanan aliran fluida saat cairan memenuhi cetakan pada pengecoran squeeze casting. Oleh karena itu, penelitian ini akan membahas fenomena tersebut dan menganalisa hubungan antara karakteristik cairan logam terhadap sifat mekanik. Dengan mempertimbangkan hal-hal diatas, diharapkan akan meningkatkan kualitas produk cor pada pengecoran aluminium.
1.2 Rumusan Masalah
Sifat mekanik merupakan salah satu faktor utama yang perlu diperhatikan dalam memproduksi produk cor yang berkualitas tinggi. Salah satu sifat mekanik yang sering muncul pada hasil pengecoran menggunakan cetakan permanen yaitu kekerasan. Melalui simulasi menggunakan software berbasis CFD (Computational Fluid Dynamics) dapat dilihat berbagai karakteristik cairan logam dan bagaimana proses terdistribusinya temperatur dan tekanan benda coran saat dilakukan penekanan dan dapat diidentifikasi pengaruhnya terhadap sifat mekanisnya. Oleh karena itu, penulis tertarik untuk
mambahas hal tersebut dengan tujuan untuk menciptakan benda coran dengan kualitas yang lebih baik.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini dibagi atas tujuan umum dan tujuan khusus.
1.3.1. Tujuan umum
Tujuan umum penelitian ini yaitu untuk mengetahui pengaruh distribusi temperatur dan tekanan pada pengecoran metode squeeze casting terhadap karakteristik aliran cairan aluminium di dalam cetakan dengan lima variasi tekanan menggunakan perangkat lunak berbasis Computational Fluid Dynamics (CFD).
1.3.2. Tujuan Khusus
1. Mengetahui fenomena turbulensi di dalam cetakan permanen.
2. Mengetahui kecepatan aliran, distribusi temperatur, tekanan, dan konsentrasi cacat saat penuangan logam cair.
3. Mengetahui distribusi temperatur cairan logam di dalam cetakan saat proses penekanan.
4. Mengetahui distribusi tekanan cairan logam didalam cetakan saat proses penekanan.
5. Analisa hubungan antara karakteristik cairan logam terhadap sifat mekanik.
1.4 Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah:
1. Bagi peneliti
Penelitian ini dapat menambah pengetahuan, wawasan dan pengalaman tentang Aluminium Metal Matrix Composites.
2. Bagi akademik
Penelitian ini bermanfaat sebagai referensi untuk penelitian tentang struktur Aluminium Metal Matrix Composites.
1.5 Batasan Masalah
Batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Pengecoran dilakukan menggunakan cetakan permanen dengan lima variasi tekanan antara lain; 25Mpa, 30Mpa, 35Mpa, 40Mpa, dan 45MPa.
2. Cetakan permanen yang digunakan terbuat dari bahan steel dengan suhu 300oC, dan dapat digunakan kembali pada setiap tekanan.
3. Material coran yang digunakan pada simulasi yaitu aluminium sedangkan material yang digunakan untuk pengujian yaitu aluminium alloy A356 dengan penambahan material magnesium sebesar 5% dan palm oil fly ash sebesar 7,5%.
4. Topik pembahasan di dalam penelitian ini dikhususkan pada turbulensi, kecepatan aliran, temperatur, dan tekanan pada coran.
1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan ini disajikan dalam tulisan yang terdiri dari 5 bab.
BAB I Pendahuluan. Bab ini memberikan gambaran menyeluruh mengenai tugas akhir yang meliputi pembahasan latar belakang, perumusan masalah, tujuan penulisan, dan sistematika penulisan. BAB II Tinjauan Pustaka, dimana pada bab ini berisikan landasan teori dan studi literatur yang berkaitan dengan pokok permasalahan serta metode pendekatan yang digunakan untuk menganalisa persoalan. BAB III Metode Penelitian berisikan metode dari pengerjaan meliputi langkah-langkah pengolahan dan analisa data. BAB IV Hasil dan Pembahasan. Bab ini berisi tentang hasil pengujian eksperimental dan simulasi disertai analisa mengenai topik yang dibahas. BAB V Kesimpulan dan Saran. Bab ini berisikan rangkuman jawaban dari permasalahan yang telah dibahas pada bab-bab sebelumnya.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Aluminium
Aluminium merupakan unsur kimia golongan IIIA dalam sistim periodik unsur, dengan nomor atom 13 dan berat atom 26,98 gram per mol. Aluminium memiliki struktur kristal FCC (Face-Centered Cubic), sehingga aluminium tetap ulet meskipun pada temperatur yang sangat rendah. Dengan kata lain aluminium mempunyai sifat mampu bentuk yang baik. Aluminium memiliki densitas 2,7 g/cm³ dan digolongkan sebagai material yang ringan [34].
Kombinasi dari sifat yang disediakan oleh aluminium dan paduannya menjadikan aluminium sebagai salah satu bahan logam yang paling ekonomis dan menarik untuk berbagai kegunaan, seperti foil pembungkus hingga aplikasi keteknikan yang paling banyak diminati. Paduan aluminium adalah yang kedua setelah baja yang digunakan sebagai logam struktural. Aluminium memiliki massa jenis 2,7 gr/cm3, kira-kira sepertiga dari massa jenis baja (7,83 gr/cm3). Berat yang ringan seperti itu, ditambah dengan kekuatan tinggi beberapa paduan aluminium melebihi kekuatan baja tuang, memungkinkan perancangan dan konstruksi struktur ringan yang kuat dan sangat menguntungkan untuk segala hal misalnya komponen mesin vehicle dan pesawat terbang serta semua jenis kendaraan darat dan air [20].
Proses pembentukan alumunium dapat dilakukan dengan berbagai cara, salah satunya dengan menggunakan metode cetakan atau pengecoran. Untuk membuat coran harus dilakukan proses-proses seperti : pencairan logam, membuat cetakan, menuang dan membersihkan coran. Cetakan biasanya dibuat dengan cara memadatkan pasir. Pasir yang dipakai untuk membuat cetakan kadang- kadang pasir alam atau pasir buatan yang mengandung lempung, cetakan pasir mudah dibuat dan biaya tidak mahal asal menggunakan pasir yang cocok. Selain menggunakan cetakan pasir juga bisa menggunakan cetakan logam, cetakan
logam yang dipakai titik dididhnya harus lebih tinggi dari logam yang dicairkan.
Pengecoran dengan cetakan pasir dapat menyebabkan laju temperature yang kecil dan membentuk struktur kolom yang tidak jelas. Disamping itu cetakan pasir menyebabkan permukaan kasar, sedangkan cetakan logam menghasilkan permukaan yang lebih halus [8].
2.1.1. Aluminium-Silicon Alloy
Paduan aluminium-silicon biner menunjukkan fluiditas yang sangat baik, kemampuan cor, dan ketahanan terhadap korosi. Paduan ini menunjukkan kekuatan yang rendah dan machinability yang buruk. Kekuatan, keuletan, dan mampu cor paduan aluminium silicon hypoeutectic dapat ditingkatkan dengan modifikasi eutektik aluminium-silikon. Memadukan aluminium dengan unsur lainnya merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat aluminium tersebut.
Paduan adalah kombinasi dua atau lebih jenis logam, kombinasi ini dapat merupakan campuran dari dua struktur kristalin. Paduan mudah terbentuk bila pelarut dan atom yang larut memiliki ukuran yang sama dan strukrur elektron yang serupa. Paduan Al-Si sangat baik kecairannya, mempunyai permukaan yang sangat bagus, tanpa kegetasan panas, dan sangat baik untuk paduan coran. Karena memiliki kelebihan yang baik, paduan ini sangat banyak dipakai [34].
Diagram fasa paduan Al-Si ditunjukkan pada Gambar 2.1 dimana diagram fasa ini digunakan sebagai pedoman untuk menganalisa perubahan fasa pada proses pengecoran Al-Si
Gambar 2.1 Diagram Fasa Al-Si [6]
Paduan logam Aluminium memiliki daerah sistem biner, mulai dari sistem yang paling sederhana hingga sistem yang paling kompleks. Secara garis besar paduan Aluminium-Silikon dibagi 3 daerah utama, yaitu sebagai berikut:
1. Daerah Hypoeutectoid
Paduan Al-Si disebut Hypoeutectic yaitu apabila pada paduan tersebut terdapat kandungan silicon < 11.7% dimana struktur akhir yang terbentuk pada fasa ini adalah struktur ferrite (alpha) yang kaya akan aluminium dengan struktur eutektik sebagai tambahan.
2. Daerah Eutectic
Paduan Al-Si disebut Eutectic yaitu apabila pada paduan tersebut terdapat kandungan silikon sekitar 11.7% sampai 12.5%. Pada komposisi ini paduan Al-Si dapat membeku secara langsung (dari fasa cair ke fasa padat).
3. Daerah Hypereutectic
Paduan Al-Si disebut Hypereutectic yaitu apabila pada paduan tersebut terdapat kandungan silikon lebih dari 12.2% sehingga kaya akan kandungan silikon dengan fasa eutektik sebagai fasa tambahan [27].
(a) (b) (c)
Gambar 2.2 (a) Struktur mikro paduan hypoeutectic, (b) Struktur mikro paduan eutectic, (c) Struktur mikro paduan hypereutectic [6]
Tipe paduan tergantung pada presentase kandungan silikon ini akan berpengaruh terhadap titik beku (freezing point) yang dipakai pada proses pengecoran aluminium yang dapat dilihat pada tabel 2.1.
Tabel 2.1. Kandungan Si Terhadap Temperatur Titik Beku Paduan Aluminium [6]
Alloy Si content BS alloy Typical freezing range (oC)
Low silicon 4-6% LM 4 625-525
Medium silicon 7,5-9,5% LM 25 615-550
Eutectic alloys 10-13% LM 6 575-565
Special hyperreutectic alloys >16% LM 30 650-505
2.1.2. Aluminium A356
Aluminium alloy A356 adalah campuran logam yang memiliki kualitas pengecoran dan pemesinan yang baik. Material ini sering digunakan pada proses perlakuan panas. Material ini cukup tahan korosi dan sangat bagus bila digunakan pada pengelasan. Jenis aluminium ini sering digunakan pada bagian pesawat, housing pompa, impeler, blower berkecepatan tinggi dan pengecoran pada struktur yang kuat [36].
Tabel 2.2 Komposisi Aluminium A356 [36]
Elements Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Al Other
Wt. % 7,5 0,2 0,2 0,1 0,45 0,1 0,2 Balance 0,05
Dari komposisi terlihat bahwa material tersebut menggunakan alloy utama Si sekitar 7% termasuk ke dalam golongan hypoeutectic Al-Si alloy yang banyak digunakan pada komponen-komponen otomotif [35].
Berikut ini merupakan spesifikasi aluminium alloy A356 pada keadaan atmosfir yang di tabulasikan pada tabel 2.2.
Tabel 2.3 Sifat Mekanik Aluminium A356 [13]
No. Mechanical Properties
1 0,2% Proof Stress (N/mm0) 185
2 Tensile Stress (N/mm_) 230
3 Elongation (%) 2
4 Impact -
5 Brinell Hardness 75
6 Endurance Limit 56
7 Modulus of Elasticity 71
8 Shear strength 120
2.2. Magnesium
Magnesium unsur kedelapan yang paling berlimpah dan merupakan sekitar 2% dari berat kerak bumi dan merupakan unsur yang paling banyak ketiga terlarut dalam air laut. Magnesium banyak digunakan dalam industri dan pertanian.
Magnesium adalah logam ringan, putih keperak-perakan dan cukup kuat, Magnesium sifatnya lebih ringan dibandingkan alumunium yaitu 1,74 gr/cm3.
Magnesium mudah terurai ke udara, dan magnesium yang terbelah-belah secara halus dapat dengan mudah terbakar di udara dan mengeluarkan api putih. Dalam pembuatan komposit ini menggunakan penambahan unsur Mg [34].
Magnesium merupakan logam ringan yang mempunyai sifat mudah terbakar jika saat peleburan kontak dengan oksigen dan reaktif. Magnesium paduan banyak digunakan pada komponen struktur pesawat, otomotif dan elektronik.
Pemanfaatan magnesium pada industri otomotif adalah untuk menghasilkan produk kendaraan ringan, sehingga pemakaian bahan bakar lebih hemat dan mengurangi emisi gas buang. Beberapa jenis kendaraan terbaru menggunakan gearbox housing dan engine block yang dibuat dari magnesium hingga bobotnya turun 25%, dibandingkan menggunakan aluminium. Pada industri kecil pengecoran biasanya paduan yang mengandung unsur magnesium dianggap material yang mengganggu, karena magnesium cair akan terbakar jika kontak dengan udara saat peleburan dan penuangan.Inilah salah satu kesulitan dalam pengecoran magnesium, mencegah teroksidasinya magnesium cair dengan udara.
Magnesium (Mg) tergolong logam ringan, dan tahan terhadap karat berkat lapisan oksida magnesium. Logam magnesium mempunyai struktur Kristal HCP.
Magnesium alloy dapat dituang pada cetakan pasir dan juga dapat dilas dan dimesin. Bijih magnesium yang banyak kita kenal adalah magnesit (Magnesium karbonat). Magnesium adalah logam yang paling ringan diantara logam yang biasa digunakan dalam suatu struktur. Magnesium mempunyai kekurangan seperti kekuatan dan keuletan rendah dan mudah menyala, sehingga memiliki keterbatasan dalam proses pembentukan. Magnesium adalah logam yang paling ringan diperdagangkan, pemakainnya yang terbanyak adalah pada industri pesawat terbang, tetapi sekarang pemakaian untuk bidang lain juga telah ditemukan. Semakin tinggi temperatur peleburan berpengaruh pada penurunan volume dan berat hasil pengecoran. Semakin lama waktu peleburan juga berpengaruh pada penurunan volume dan berat hasil pengecoran [30].
2.2.1. Sifat Fisik Magnesium Tabel 2.4 Sifat Fisik Magnesium [33]
No. Sifat Fisik Magnesium Paduan
1 Titik Cair , K 922 K
2 Titik Didih , K 1380 K
3 Energi Ionisasi I 738 kJ/mol
4 Energi Ionisasi II 1450 kJ/mol
5 Kerapatan massa (ρ) 1,74 g/cm3
6 Jari-jari atom 1,60 A
7 Kapasitas Panas 1,02 J/gK
8 Potensial Ionisasi 7,646 Volt
9 Konduktivitas Kalor 156 W/mK
10 Entalpi Penguapan 127,6 kJ/mol
11 Entalpi Pembentukan 8,95 kJ/mol
2.2.2. Aplikasi Magnesium
Magnesium adalah yang paling ringan dari semua logam yang digunakan sebagai dasar paduan konstruksi. Properti inilah yang membujuk produsen untuk mengganti bahan yang lebih padat, tidak hanya baja, besi cor dan paduan dasar tembaga tapi bahkan paduan aluminium dengan paduan berbasis magnesium.
Magnesium merupakan unsur paduan dalam berbagai jenis logam non-ferro.
Paduan magnesium khusus digunakan di dalam pesawat terbang dan penggunaan paduan magnesium di industri mobil-mobil Eropa mencakup bagian-bagian seperti roda kemudi, bagian kolom kemudi, panel instrumen, tempat duduk, kotak roda gigi, sistem intake udara, perlengkapan roda gigi, tutup tangki dan lain-lain.
Selain dalam bidang otomotif, paduan berbasis magnesium telah digunakan untuk aplikasi dalam peralatan sehari-hari seperti batang sepeda. [32].
2.3. Fly Ash
Abu terbang merupakan limbah padat yang dihasilkan dari hasil pembakaran pada pembangkit tenaga listrik. Limbah padat ini terdapat dalam jumlah yang cukup besar. Jumlah abu terbang yang dihasilkan sekitar 15% -17 % dari tiap satu ton pembakaran bahan bakar. Saat sekarang ini, pemanfaatan abu terbang batubara sering digunakan sebagai salah satu bahan campuran pembuat paduan pengecoran logam aluminium, karena mengandung senyawa kimia yang bersifat pozzolan seperti alumina dan silika sehingga sesuai digunakan sebagai bahan baku [14].
2.3.1. Fly Ash Batubara
Abu terbang (fly ash) didefinisikan sebagai butiran basil residu pembakaran bath ban atau bubuk batu ban. Fly ash dapat dibedakan menjadi tiga, yaitu abu terbang yang normal yang dihasilkan dari pembakaran batubara antrasit atau bath ban bitomius (kelas F), abu terbang yang dihasilkan dari bath bars jenis lignite atau subbitumeus (kelas C), dan abu terbang yang dilinsilkan dari basil kalsinasi pozolan alam seperti tanah diatonice, shole, tuft, bath apung (kelas 1%- Fly ash mengandung unsur kimia antara lain silika (SiO2), alumina (Al2O3), fero oksida (Fe2O3) dan kalsium oksida (CaO), juga mengandung unsur tambahan lain yaitu magnesium oksida (MgO), titanium oksida (TiO2), alkalin (Na2O dan K2O), sulfur trioksida (SO3), pospor oksida (P2O5) dan carbon [4].
2.3.2. Palm Oil Fly Ash (POFA)
POFA merupakan salah satu hasil pembakaran tandan kosong kelapa sawit diman POFA merupakan limbah dari industri yang tidak mengandung toksik bagi tanah dan organisme. Selain itu POFA dapat menambah kandungan unsur hara dalam tanah yang memperbaiki kualitas tanah dasar kolam perikanan.
Kemampuan POFA sebagai bahan dan zat yang dapat digunakan untuk memperbaiki sifat fisik dan kimia tanah karena keunggulan sifat kimiawinya yang kaya akan unsur hara [2].
Gambar 2.3 Diagram alir Palm Oil Fly Ash (POFA) [2]
Hasil proses pembuatan crude palm oil (CPO) maka akan dihasilkan limbah padat diantaranya serabut dan cangkang buah sawit. Limbah berupa cangkak dan serat digunakan sebagai bahan bakar ketel (boiler) untuk menghasilkan energi mekanik dan panas. Cangkang dan serat buah sawit yang sudah terbakar, akan meghasilkan sisa-sisa pembakaran yang nantinya akan menjadi limbah dari boiler atau furnance (tungku pembakaran) berupa abu terbang (Palm Oil Fly Ash). Limbah abu sawit mengandung silica (SiO2) yang merupakan bahan pozzolanic [38].
Bahan pozzolan ada dua senyawa SiO2 dan Al2O3 yang dimana abu sawit merupakan bahan pozzolanic, yaitu material yang tidak mengikat seperti semen, namun mengandung senyawa silica oksida (SiO2) aktif yang apabila bereaksi dengan kapur bebas atau kalsium Hidroksida (Ca(OH2) dan air akan membentuk material seperti semen yaitu Kalsium Silikat Hidrat. Untuk unsur penyusun fly ash sangatlah beragam tergantung dari sumber bahan bakarnya, tetapi pada umumnya fly ash mengandung SiO2, CaO, Seperti pada tabel berikut:
Tabel. 2.5 Komposisi Kimia Palm Oil Fly Ash [38]
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O Referensi 43,60 11,50 4,70 8,40 4,80 2,80 3,50 Awal, 1997
57,70 4,50 3,30 6,50 4,20 0,20 8,20 Jaturapitakul, 2007 57,80 4,60 3,30 6,60 4,20 0,30 8,30 Chindaprasirt, 2007 63,60 1,60 1,40 7,60 3,90 0,20 6,90 Chindaprasirt, 2008 48,99 3,78 4,89 11,69 1,22 - 10,51 Eldagal, 2008 65,30 2,50 1,90 6,40 3,00 0,40 5,70 Tangchirapat, 2009 63,60 1,50 1,50 7,50 3,90 0,20 6,90 Rukzon, 2009 45,17 1,21 0,32 19,77 3,01 5,2 7,35 Kaosol, 2010 79,30 3,15 7,12 2,79 1,21 0,45 3,23 Saifuddin, 2010 67,40 10,01 0,01 1,54 3,02 - - Endriyani, 2012
2.4. Metal Matrix Composites (MMCs)
Salah satu jenis komposit matrik logam yang banyak dikembangkan industri otomotif dewasa ini adalah komposit yang matriknya berupa logam (MMC/metal matrix composite) yaitu komposit bermatrik aluminium (AMC/aluminum matrix composite). Matrik yang digunakan dalam A-MMC dapat berupa Al murni dan atau paduan Al seperti Al-Si, Al-Cu, 2xxx, 6xxx dan 7xxx, sedangkan penguat yang umum digunakan adalah SiC atau Al2O3. Pemakaian bahan alumunium dan atau paduanya sebagai matrik karena memiliki sifat sangat menarik yaitu densitas rendah, memiliki kemampuan untuk dikuatkan dengan pengendapan presipitat, ketahanan korosi sangat baik, konduktifitas panas dan listrik tinggi dan damping capasity tinggi. A-MMCs dapat menghasilkan karakteristik mekanik yang bervariasi tergantung dari jenis paduanya.
Metal matrix composite mewakili material yang sangat luas termasuk didalamnya adalah metallic foam, cermets, juga partikel-partikel yang bersifat lebih konvensional, dan fiber yang diperkuak metal. Teknik pembuatan metal matrix composite tergantung dari matriks dan penguat yang digunakan, yang
diklasifikasikan berdasarkan apakah matrix tersebut berada fasa padat, cair atau gas, ketika akan digabungkan dengan penguatnya [21].
Komposit berdasarkan dari jenis penguatnya dibagi 3 macam yaitu komposit partikulat, komposit fiber dan komposit struktural. Setiap jenis- jenis komposit memiliki beberapa sub bagian lainnya. Adapun pembagian komposit berdasarkan penguatnya dapat secara jelas dilihat pada gambar 2.5 berikut ini:
Gambar 2.4 Pembagian komposit berdasarkaan jenis penguat [21]
Aplikasi Metal Matrix Composite (MMC) dalam dunia keteknikan digunakan dalam pembuatan komponen-komponen mesin seperti piston, connecting rod, brake system, cylinder liner, dan valves [21].
2.4.1. Jenis-jenis Metal Matrix Composite (MMC)
Pada umumnya MMC dikelompokkan berdasarkan pada bentuk pengikatnya :
a. Particulate MMC
Particulate MMC adalah jenis utama paling sering digunakan serta dikembangkan dalam industri, aplikasinya didalam dunia industri juga sangat luas sekali, contohnya: Fan Exit Guide Vanes (FEGV) dari mesin turbin gas, Rotating blade sleeves pada helikopter.
Bahan penguat yang umum adalah SiC atau Al2O3 SiC bereaksi dengan Al pada saat meleleh dan SiC bahkan bereaksi dengan Ti pada keadaan padat.
Alumunia bersifat kerang efektif, dibandingkan SiC, dalam paduan Al, tetapi Alumunia sangat bereksi trhadap Ti. Stabilitas yang paling baik untuk Al2O3 dengan matriks Mg. Umumnya particulate MMC maksimal mengandung keramik hingga 80% volume jika digunakan untuk pengepakan elektrik.
Particulate MMC pada umumnya dibuat dengan cara dilelehkan dan diteruskan dengan teknik pengecoran atau pencampuran serbuk (powder blending) dan penggabungan (consolidation).
b. Short Fiber MMC
Short Fiber MMC pertama kali menarik perhatian Punlik pada pertengahan tahun 1980, ketika dikembangkannya mesin diesel dimana material yang digunakan diperkuat dengan Short alumunia fiber. Fiber ini mempunyai butir-butir polycrystalline yang kecil. Karekteristiknya dipengaruhi oleh derajat reaksi selama proses. Pengolahan fiber lebih lanjut, seperti forging dan ekstrusi, dapat dilakukan jika memenuhi persyaratan yang telah ditentukan.
Sifat-sifat mekanik yang superior dapat diperoleh jika struktur butirnya diganti dengan sebuah kristal, hal ini dinamakan whisker. Fiber yang tipis dibuat sebagai monocrystals. Whiskers mempunyai diameter, sehingga aspek rationya meningkat beberapa ratus. Kekuatan tariknya sangat tinggi, walaupun biaya pembuatannya sangat mahal. Namun masalah utama pada material ini adalah whiskers dan fragmen whiskers, jika tersebar di udara dalam ukuran sub-mikron dan terhirup, maka akan merusak paru-paru.
Untuk mencegah resiko kesehatan yang lebih lanjut, maka produksi dari material tersebut telah dibatasi. Material tersebut digunakan untuk bahan piston, cylinder liner dan sebagai track shoes dalam tank militer.
c. Long Fiber MMC
Beberapa macam long fiber MMCs ada yang telah dipelajari dan ada yang beberapa diantaranya telah digunakan pada beberapa aplikasi tertentu.
Bagaimanapun, sebagai konsekuensi dari sulitnya pengolahan dan batasan pada sifat ketangguhannya, penggunaan MMC jenis ini masih terbatas.
Pengertian dari multifilamen mengarah pada fiber dengan diameter relatif kecil (5-30), yang penanganannya cukup mudah dalam bentuk deretan atau rangkaian. Material yang termasuk dalam golongan ini antara lain karbon, SiC, dan berbagai macam oksida. Beberapa multifilamen umum digunakan, namun sebagian besar tidak dapat bertahan pada temperatur yang terjadi selama proses produksi MMC.
Carbon fiber tidak begitu popular untuk digunakan sebagai penguat pada MMC dikarenakan korosi galvanis yang terjadi. Masalah karena reaksi kimia juga muncul pada paduan Al, Ti dan besi. Pada Al, reaksi yang terjadi bersifat higroskopik, dimana Al yang diperkuat dengan graphite fiber akan cenderung mengalami korosi yang terus-menerus dalam lingkungan berair. Berbagai cara dilakukan untuk melindungi carbon fiber dengan melapisi permukaannya menggunakan titanium nitrida, namun pada umumnya cara ini masih mahal dan sulit dilakukan pada multifilament.
d. Cermets
Struktur mikro cermets terdiri dari rangkaian partikel keramik yang diikat oleh metal (dalam porsi kecil), cermets dapat dianggap sebagai jenis MMC yang spesial. Faktor utama yang menyebabkan cermets banyak diminati oleh dunia industri adalah proses produksinya yang mudah. Biasanya MMC ini diproduksi dengan mencampurkan serbuk keramik berkisar 1- 10. Untuk produksi cermets dengan base oksida perlu diberikan tekanan hidrostatik untuk menghilangkan porositas.
e. Metalic Foams
Metalic foams telah banyak menarik perhatian akhir-akhir ini, hal ini dikarenakan biaya produksi material yang rendah dan berbagai kombinasi sifat material yang bisa dihasilkan. Ada beberapa cara dapat digunakan
untuk memproduksi material ini, terutama dengan membuat close cell structures, yang melibatkan pemrosesan material dalam keadaan cair dan semisolid. Masalah yang dihadapi dari pembuatan produk ini adalah viskositas logam cair yang rendah. Sering diperlukan untuk menstabilkan foam yang ada dengan mendispersikan keramik, baik dalam bentuk oksida film maupun dalam bentuk serbuk keramik, hal ini akan membantu menaikkan viskositasnya [3].
2.5. Pengecoran Cetakan Permanen
Permanent mold casting adalah pembuatan logam dengan cetakan dipadukan dengan tekanan hidrostastik. Cara ini tidak praktis untuk pengecoran yang berukuran besar dan ketika menggunakan logam dengan titik didih tinggi.
Logam bukan baja seperti alumunium, seng, timah, magnesium, perunggu bila dibuat dengan cara ini hasilnya baik.
Cetakan ini terdiri atas dua atau lebih bagian yang digabung dengan sekrup, klam, plat atau alat lain yang dapat dilepas setelah produk mengeras. Pada umumnya, permanent mold dibuat dari close-grain dan dijepit satu sama lain.
Cetakan ini biasanya dilapisi dengan bahan perekat tahan panas (heat resisting wet mixture) dan jelaga yang akan menjaga cetakan agar tidak lengket dan mengurangi efek dingin pada logam.
Gambar 2.5 Mekanisme pengecoran cetakan permanen [19]
Setelah cetakan disiapkan, kemudian ditutup dan seluruh bagian inti atau bagian yang bebas dikunci ditempat. Kedua biji besi dan biji baja dapat digunakan dalam cetakan jenis ini. Untuk mengantisipasi suhu logam dilakukan dengan menuangkan air kedalam cetakan melalui pintu yang terbuka. Setelah hasil cetakan cukup dingin, bagian yang bebas ditarik dan cetakan dibuka dan hasil cetakan diangkat. Cetakan tersebut kemudian dibersihkan dan susun kembali bagian-bagian cetakan, cetakan pun siap dituangi lagi atau digunakan lagi.
Alat ini sebagian besar digunakan untuk mencetak piston dan bagian-bagian mesin kendaraan, mesin diesel dan mesin kapal. Peneraapan lainnya banyak ditemukan di industri yang membuat beberaba marteri seperti gear pada mesin cuci, bagian-bagian pada vacum cleaner, tutup kipas angin, bagian untuk alat-alat portable, perlengkapan lampu luar ruangan, dan lain-lain.
Permanent mold casting mempunyai hasil ahir permukaan yang bagus dan detail yang tajam. Diperoleh keseragaman hasil dengan berat 1ons sampai 50 pound. Toleransinya berkisar dari 0.0025 inchi sampai 0.010 inchi [19].
2.6. Dinamika Fluida
Dinamika fluida merupakan subdisiplin dari mekanika fluida yang berhubungan dengan aliran fluida atau disebut juga sebagai ilmu yang membahas mengenai pergerakan fluida (cairan dan gas). Dinamika fluida membawahi beberapa subdisiplin diantaranya aerodinamis dan hidrodinamis. Dinamika fluida menawarkan struktur sistematis dan mendasari disiplin ilmu yang mencakup hukum empiris dan semi-empiris yang berasal dari pengukuran aliran dan digunakan untuk memecahkan masalah praktis. Solusi untuk masalah dinamika fluida biasanya melibatkan perhitungan berbagai properti dari fluida, seperti kecepatan aliran, tekanan, kepadatan, dan suhu, sebagai fungsi ruang dan waktu [18].
Fluida secara khusus didefinisikan sebagai zat yang berdeformasi terus menerus selama dipengaruhi suatu tegangan geser. Sebuah tegangan geser terbentuk apabila sebuah gaya tangensial bekerja pada sebuah permukaan.
Apabila benda-benda padat biasanya seperti baja atau logam-logam lainnya dikenai oleh suatu tegangan geser, mula-mula benda itu akan berdeformasi (biasanya sangat kecil), tetapi tidak akan terus menerus berdeformasi (mengalir).
Aliran fluida terbagi atas beberapa kategori, dibagi berdasarkan sifat-sifat yang paling dominan dari aliran tersebut, atau berdasarkan jenis dari fluida terkait [25].
2.6.1. Jenis Pergerakan Aliran Fluida
Berdasarkan pergerakannya aliran fluida terdiri dari:
1. Steady Flow
Steady flow merupakan suatu aliran fluida dimana kecepatannya tidak terpengaruh oleh perubahan waktu, sehingga kecepatan konstan pada setiap titik pada aliran tersebut.
2. Non Steady Flow
Non steady flow terjadi apabila ada suatu perubahan kecepatan pada aliran tersebut terhadap perubahan waktu.
3. Uniform Flow
Uniform flow merupakam aliran fluida yang terjadi besar dan arah dari vector-vektor kecepatan tidak berubah dari suatu titik ke titik berikutnya dalam aliranfluida tersebut.
4. Non Uniform Flow
Aliran Non Uniform Flow terjadi jika besar dan arah vector-vektor kecepatan fluida selalu berubah terhadap lintasannya. Ini terjadi apabila luas penampang medium fluida juga berubah [25].
2.6.2. Jenis Gaya Aliran Fluida
Berdasarkan pada gaya yang bekerja, aliran fluida terdiri dari:
1. Aliran Laminar
Aliran laminar didefinisikan sebagai aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan- lapisan, atau lamina-lamina dengan satu lapisan meluncur secara merata. Dalan aliran laminar ini viskositas berfungsi untuk
meredam kecenderungan-kecenderungan terjadinya gerakan relatif antara lapisan, sehingga aliran laminar memenuhi hukum pasti hukum Newton, yaitu:
𝜏 = 𝜇𝑑𝑢𝑑𝑦 ...(2.1) Dimana:
𝜏 = tegangan geser pada fluida (N/m2) 𝜇 = viskositas dinamik fluida (N.s/m2)
𝑑𝑢
𝑑𝑦 = gradien kecepatan (1/s)
Gambar 2.6 Distribusi kecepatan aliran laminar pada pipa tertutup [25]
2. Aliran Turbulen
Aliran turbulen didefinisikan sebagai aliran yang dimana pergerakan partikel-partikel fluida sangat tidak menentu karena mengalami pencampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida kebagian fluida yang lain dalam skala yang besar. Turbulensi yang terjadi mengakibatkan tegangan geser yang merata diseluruh fluida sehingga menghasilkan kerugian- kerugian aliran.
Gambar 2.7 Distribusi kecepatan aliran turbulen dalam pipa tertutup pada arah aksial [25]
3. Aliran Transisi
Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen [25].
2.6.3. Jenis Kompres Aliran Fluida
Aliran berdasarkan variasi rapat massa fluida tersebut selama mengalir yaitu sebagai berikut:
1. Compressible flow, dimana aliran dimana perbedaan dalam massa jenis tidak dapat diabaikan.
2. Incompressible flow, yaitu aliran dimana perbedaan dalam massa jenis dapat diabaikan [25].
2.7. Computational Dynamic Fluid (CFD)
Aliran fluida baik cair maupun gas merupakan suatu zat yang sangat umum dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya pengkondisian udara bagi bangunan dan mobil, aliran kompleks pada alat penukar kalor dan reaktor kimia, pembakaran di motor bakar, dan lain-lain, yang mana cukup menarik untuk diteliti, diselidiki, dan analisis. Penelitian untuk membahas fenomena tersebut membutuhkan suatu cara yang mampu mendesain dan memprediksi hasil dari berbagai macam atau jenis karakteristik fluida yang diteliti atau disimulasi dengan
akurat dan cepat. Maka berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan computational fluid dynamics [34].
Computational fluid dynamics (CFD) merupakan salah satu bidang pembelajaran dari fluida dinamis yang merupakan salah satu cabang dari fluida mekanik yang menggunakan analisis numerik dan algoritma untuk menganalisa dan memecahkan semua masalah yang berkaitan dengan aliran fluida, mulai dari aliran fluida, perpindahan panas dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida. Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida, hukum kekekalan energi, momentum, massa, serta penghitungan dengan CFD dapat dilakukan. Pengembangan sebuah perangkat lunak (software) CFD mampu memberikan kekuatan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda- benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dan struktur, dan sistem akustik hanya dengan permodelan dikomputer. Dengan menggunakan software ini dapat dibuat virtual prototype dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisa dengan menerapkan kondisi nyata dilapangan. Dengan menggunakan software CFD akan didapatkan data-data, gambar-gambar, atau kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dariperformansi keandalan sistem yang akan didesain [17].
Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol perhitungan yang memanfaatkan persamaan- persamaan. Persamaan-persamaan ini adalah persamaan yang melakukan perhitungan pada semua parameter yang terlibat dalam domain. Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa berkaitan dengan temperatur maka model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi tersebut.
Inisialisasi awal dari persamaan tersebut adalah boundary condition. Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol-kontrol perhitungan didefinisikan sebagai definisi awal yang akan dilibatkan ke kontrol-kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat [12].
2.7.1. Proses Simulasi CFD
Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi pada solver CFD, yaitu sebagai berikut:
1. Preprosessor 2. Prosessor 3. Post processor
Prepocessor mencakup proses penginputan data mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisian kondisi batas (boundary condition). Ditahap ini juga wilayah kerja atau ruangan benda yang akan dianalisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering juga disebut dengan meshing. Tahap selanjutnya adalah processor, pada tahap ini terdapat proses penghitungan data-data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif. Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen.
Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit. Tahap akhir merupakan tahap post-processor dimana hasil perhitungan divisualisasikan ke dalam gambar, grafik bahkan animasi dengan pola warna tertentu.
Hal yang paling mendasar kenapa konsep CFD banyak sekali digunakan dalam dunia industri dikarenakan dengan software berbasis CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan menghemat waktu dan biaya untuk melakukan eksperimen. Dengan kata lain desain pemesinan yang dilakukan lebih singkat. Hal ini yang mendasari pemakaian konsep CFD yaitu pemahaman yang lebih dalam mengenai suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam tentang karakterisrik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik, vektor, kontur dan bahkan animasi.
Pemakaian CFD secara umum dipakai untuk memprediksi:
a. Aliran dan panas.
b. Transfer massa.
c. Perubahan fasa seperti pada proses melting, pengembunan dan pendidihan.
d. Reaksi kimia seperti pembakaran.
e. Gerakan mekanis seperti piston dan fan.
f. Tegangan dan tumpuan pada benda solid.
g. Gelembung elektromagnetik [12].
2.7.2. Persamaan Bentuk Aliran
Pemodelan dengan metode komputasi pada dasarnya menggunakan persamaan dasar dinamika fluida, momentum, dan energi. Persamaan-persamaan ini merupakan pernyataan matematis untuk tiga prinsip dasar fisika:
1. Hukum Kekekalan Massa (The Conservation of Mass)
Konsep utama hukum ini adalah laju kenaikan massa dalam volume kontrol adalah sama dengan laju net aliran massa fluida ke dalam elemen batas. Secara sederhana dapat ditulis:
𝜕𝑀
𝜕𝑡 = 𝑚 − 𝑖𝑛 𝑜𝑢𝑡 𝑚 ...(2.2) Secara umum hukum kekekalan massa (The Conservation of Mass) 3 dimensi dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut:
𝜕𝜌
𝜕𝑡 + 𝑢𝜕𝜌𝜕𝑥 + 𝑣𝜕𝜌𝜕𝑦 + 𝑤𝜕𝜌𝜕𝑧 + 𝜌 𝜕𝑢𝜕𝑥 +𝜕𝑦𝜕𝑣 +𝜕𝑤𝜕𝑧 = 0 ...(2.3)
Gambar 2.8 Hukum kekekalan massa pada sebuah elemen fluida 3 dimensi [3]
2. Hukum Kekekalan Momentum (The Conservation of Momentum)
Hukum kekekalan momentum ini merupakan interpretasi dari hukum ke-2 Newton (arah sumbu-x) yaitu :
𝐹𝑥 = 𝑚𝑎𝑥 ...(2.4)
Gambar 2.9 Hukum kekekalan momentum arah sumbu-x pada sebuah elemen fluida 3 dimensi [3]
Secara umum hukum kekekalan momentum (The Conservation of Momentum) arah sumbu-x 3 dimensi dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut:
𝜌𝐷𝑢𝐷𝑡 = −𝜕𝜌𝜕𝑥 +𝜕𝜎𝜕𝑥𝑥𝑥 +𝜕𝜏𝜕𝑦𝑦𝑥 +𝜕𝜏𝜕𝑧𝑧𝑥+ 𝜌𝑓𝑥 ...(2.5)
Dengan cara dan bentuk yang sama persamaan kekekalan momentum 3 dimensi arah sumbu-y dan arah sumbu-z dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut:
𝜌𝐷𝑣𝐷𝑡 = −𝜕𝜌𝜕𝑦 +𝜕𝜏𝜕𝑥𝑥𝑦 +𝜕𝜎𝜕𝑦𝑦𝑦 +𝜕𝜏𝜕𝑧𝑧𝑦 + 𝜌𝑓𝑦 ...(2.6)
dan
𝜌𝐷𝑤𝐷𝑡 = −𝜕𝜌𝜕𝑦 +𝜕𝜏𝜕𝑥𝑥𝑧 +𝜕𝜏𝜕𝑦𝑦𝑧 +𝜕𝜎𝜕𝑧𝑧𝑧 + 𝜌𝑓𝑧 ...(2.7)
3. Hukum kekekalan Energi (The Conservation of Energy)
Hukum ini merupakan aplikasi dari hukum ketiga fisika (termodinamika) yaitu laju perubahan energi dalam suatu elemen adalah sama dengan jumlah net fluks panas yang masuk ke dalam elemen dan kerja yang dikenakan pada elemen tersebut. Pernyataan ini dapat ditulis dalam bentuk persamaan:
𝐸 = 𝑄 + 𝑊 ...(2.8)
Gambar2.10 Kerja yang dikenakan pada sebuah elemen arah sumbu-x [3]
Gambar 2.11 Fluks panas yang melintasi permukaan sebuah elemen [3]
Secara umum kerja yang dikenakan arah sumbu-x, sumbu-y dan sumbu-z dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut:
𝑊 𝑥 = −𝜕(𝑢𝑝 )𝜕𝑥 +𝜕(𝑢𝜎𝜕𝑥𝑥𝑥)+𝜕(𝑢𝜏𝜕𝑦𝑦𝑥)+𝜕(𝑢𝜏𝜕𝑧𝑧𝑥)+ 𝑢𝜌𝑓𝑥 𝛿𝑉 ...(2.9)
𝑊 𝑦 = −𝜕(𝑣𝑝)𝜕𝑦 +𝜕(𝑣𝜏𝜕𝑥𝑥𝑦)+𝜕(𝑣𝜎𝜕𝑦𝑦𝑦)+𝜕(𝑣𝜏𝜕𝑧𝑧𝑦)+ 𝑣𝜌𝑓𝑦 𝛿𝑉 ...(2.10)
𝑊 𝑧 = −𝜕(𝑤𝑝 )𝜕𝑧 +𝜕(𝑢𝜏𝜕𝑥𝑥𝑧)+𝜕(𝑤𝜏𝜕𝑦𝑦𝑧)+𝜕(𝑤𝜎𝜕𝑧𝑧𝑧)+ 𝑤𝜌𝑓𝑥 𝛿𝑉...(2.11)
Sedangkan persamaan fluks panas yang melintasi permukaan sebuah elemen dapat ditulis dengan persamaan:
𝑄 = 𝜌𝑞 +𝜕𝑥𝜕 𝑘𝜕𝑇𝜕𝑥 +𝜕𝑦𝜕 𝑘𝜕𝑇𝜕𝑦 +𝜕𝑧𝜕 𝑘𝜕𝑇𝜕𝑧 𝛿𝑉 ...(2.12)
Dengan mensubstitusi persamaan (2.7) dan (2.8) ke dalam persamaan (2.6) di atas akan diperoleh sebuah persamaan (2.9) untuk hukum kekekalan energi di mana i, j, k = 1, 2, 3 yang menunjukkan arah sumbu- x, -y, dan –z.
𝜕(𝜌𝑐𝑇 )𝜕𝑡 + 𝜕(𝜌𝑐𝑇 )𝜕𝑥
𝑖 =𝜕𝑥𝜕
𝑖 𝑘𝜕𝑥𝜕𝑇
𝑖 − 𝑝𝜕𝑢𝜕𝑥𝑖
𝑖 + 𝜌𝑞 + Φ ...(2.13) Di mana Φ adalah fungsi dissipasi dengan bentuk sebagai berikut:
𝜇 2 𝜕𝑢𝜕𝑥 2+ 2 𝜕𝑢𝜕𝑦 2+ 2 𝜕𝑢𝜕𝑥 2+ 𝜕𝑢𝜕𝑦 +𝜕𝑣𝜕𝑥 2+ 𝜕𝑢𝜕𝑧 +𝜕𝑤𝜕𝑥 2+
𝜕𝑢
𝜕𝑧 +𝜕𝑤𝜕𝑥 2 ...(2.14)
2.8. Squeeze Casting
Pengecoran Squeeze casting sering disebut penempaan logam cair (Liquid metal forging), yaitu suatu proses dimana logam cair didinginkan sambil diberikan tekanan. Proses ini pada dasarnya mengkombinasikan keuntungan - keuntungan pada proses forging dan casting. Proses pemadatan logam cair dilakukan didalam cetakan yang diberikan tekanan dengan tenaga hidrolis.
Penekanan logam cair oleh permukaan cetakan akan menghasilkan perpindahan
