Tahap-tahap pelaksanaan analisis dan simulasi injection molding

Bab III Metode Penelitian
III.1
Flowchart Penelitian
Tahap-tahap pelaksanaan analisis dan simulasi injection molding feedstock
Fe-2%Ni dengan perangkat lunak Moldflow Plastic Insight dilakukan dalam
beberapa tahap sebagaimana yang dijelaskan dalam flowchart Gambar III.1.
START
Studi Literatur
Studi Perangkat Lunak Moldflow Plastic Insight 5.0
Karakterisasi Feedstock:
FTIR, TGA, DSC
Analisis Data Karakterisasi dan
Inventarisasi Data Simulasi :
- Data Material
- Data Controller
- Data Mesin
Input Basis Data pada Moldflow :
- Data Material
- Data Controller
- Data Mesin
Simulasi Moldflow :
Pemodelan CAD
Import dan meshing
Desain cavity, gating system, dan cooling system
Pendefinisian material, controller setting, mesin,
dan coolant
- Analisis
-
Interpretasi dan Analisis Hasil
STOP
Gambar III.1 Flowchart Penelitian
18
III.2
Karakterisasi Material
Parameter yang paling penting untuk simulasi injection molding adalah
sifat-sifat material. Karena Moldflow merupakan perangkat lunak simulasi plastic
injection molding maka data material yang tersedia dalam basis data Moldflow
adalah data plastik. Untuk dapat melakukan analisis dan injection molding Fe-2%Ni
dengan Moldflow maka feedstock Fe-2%Ni tersebut harus dikarakterisasi terlebih
dulu untuk mendapatkan berbagai parameter yang diperlukan. Karena keterbatasan
peralatan pengujian, sifat-sifat feedstock dalam penelitian ini didekati secara
matematis. Pengujian yang dilakukan adalah FTIR (Fourier Transform Infrared
Spectroscopy), TGA (Thermogravimetry Analysis), dan DSC (Diffrential Scanning
Calorimetry) untuk mengetahui jenis dan komposisi binder. Selanjutnya, sifat-sifat
feedstock didekati secara matematis dari komposisi dan sifat individual elemen
penyusun binder.
III.2.1 Analisis Termal
Sifat termal yang diperlukan antara lain:
a. Temperatur dekomposisi binder
Temperatur dekomposisi binder berguna untuk menentukan temperatur
debinding. Campuran binder sebisa mungkin masih memperlihatkan sifat
masing-masing komponen penyusunnya. Hal ini bertujuan agar proses debinding
dapat dilakukan dengan pemanasan bertingkat (progressive heating). Temperatur
dekomposisi dapat diketahui dengan TGA (Thermogravimetry Analysis).
b. Temperatur leleh
Temperatur leleh berguna untuk menentukan temperatur injeksi yang sesuai.
Pada akhir pemanasan, yaitu tepat pada nozel mesin injeksi, feedstock harus
dalam keadaan meleleh. Umumnya, injeksi dilakukan sekitar 10oC di atas
temperatur leleh. Temperatur injeksi ini tidak boleh di atas temperatur
dekomposisi binder. Temperatur leleh dapat diuji dengan DSC (Diffrential
Scanning Calorimetry).
c. Temperatur transisi
Temperatur transisi disebut juga dengan no-flow temperature, yaitu temperatur
dimana polimer tepat mulai memperlihatkan sifat alir. Sifat ini berhubungan erat
19
dengan sifat viskositas feedstock. Temperatur transisi juga dapat diketahui
dengan DSC (Diffrential Scanning Calorimetry).
d. Specific heat, Cp
Specific heat dapat bervariasi sebagai fungsi temperatur. Sifat ini juga bisa diukur
dengan DSC.
e. Konduktifitas termal
Konduktifitas termal feedstock selama proses injection molding juga berubah
seiring dengan perubahan temperatur feedstock. Jika karakteristik tersebut tidak
diketahui maka dapat didekati dengan harga konduktifitas termal pada temperatur
injeksi.
III.2.2 FTIR
FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) digunakan untuk
mengkarakterisasi jenis binder yang ada di dalam feedstock. FTIR dapat memberikan
informasi gugus polimer yang ada di dalam sampel. Karena binder tersusun oleh
beberapa jenis polimer maka spektrum FTIR yang diperoleh merupakan gabungan
dari spektrum gugus yang dimiliki oleh polimer penyusunnya. Hal ini menyebabkan
pengambilan kesimpulan mengenai jenis dan komposisi binder menjadi sulit
dilakukan dan masih harus digabungkan dengan teknik karakterisasi lainnya.
III.2.3 Penentuan Jenis dan Komposisi Binder
Untuk menentukan jenis dan komposisi penyusun binder diperlukan
beberapa teknik karakterisasi yang masing-masing memberikan informasi tertentu
yang kemudian digabungkan secara simultan untuk dijadikan dasar pengambilan
kesimpulan mengenai jenis dan komposisi binder.
Dalam penelitian ini, jenis polimer penyusun binder ditentukan dengan
menggabungkan informasi dari literatur, thermal analysis (TGA dan DSC), dan
FTIR. Setiap jenis polimer yang umum digunakan sebagai binder diperiksa
kecocokan temperatur transisi, temperatur leleh, temperatur dekomposisi, dan
keterlihatan peak pada spektrum FTIR yang mewakili gugus kimia yang dimiliki
oleh setiap jenis polimer tersebut. Komposisi ditentukan dengan memperhatikan
20
pengurangan berat yang terjadi pada tiap-tiap dekomposisi pada hasil pengujian TGA.
Jika jenis polimer diketahui maka fraksi volume binder dapat diketahui dari fraksi
berat yang diperoleh dari TGA.
III.2.4 Metoda Pendekatan Sifat Campuran Binder - Serbuk Logam
Dalam hal sifat feedstock tidak tersedia dan sulit untuk melakukan
pengujian, maka dapat dilakukan pendekatan secara matematis. Metode ini
mendekati sifat campuran dengan memperhitungkan sifat padatan dan lelehan binder.
Ada beberapa persamaan penting yang diperlukan untuk pendekatan matematis
tersebut, yaitu :
a. Rules of Mixture
Menurut rules of mixture, sifat campuran serbuk padat dengan binder ditentukan
oleh sifat padatan, sifat lelehan binder, dan besarnya fraksi volume serbuk
terhadap binder (solid loading). Persamaan rules of mixture adalah sebagai
berikut [6]:
Ym = Yb + Φ (Yp – Yb)
dimana :
Ym = sifat campuran
Yb
= sifat murni binder
Yp
= sifat murni padatan
Φ
= solid loading.
Persamaan tersebut dapat diterapkan untuk koefisien ekspansi termal, temperatur
transisi, konduktifitas termal dan kapasitas panas (heat capacity).
b. Logarithmic Additivity Rule
Untuk temperatur dan laju regangan konstan, viskositas binder yang terdiri dari
beberapa campuran dapat didekati dengan logarithmic additivity rule [6] sebagai
berikut :
n
ln (η b ) = ¦ Wi ln (η i ) ,
i =1
dimana :
ηi
= viskositas elemen binder
21
Wi
= fraksi berat elemen binder
n
= jumlah elemen penyusun binder
ηb
= viskositas binder.
c. Viskositas Relatif Suspensi
Viskositas lelehan feedstock meningkat seiring dengan bertambahnya fraksi
volume serbuk logam. Perbandingan antara viskositas binder murni dan
viskositas campuran binder–serbuk logam disebut dengan viskositas relatif
(relative viscosity). Teori mengenai pengaruh kandungan serbuk dalam binder ini
sempat beberapa kali mengalami perkembangan, dimulai oleh Einstein [6,11]
pada tahun 1906 dan yang terakhir membuktikan secara eksperimental adalah
Krieger dan Dougherty [11] pada tahun 1959. Akan tetapi, semua teori tersebut
sependapat bahwa parameter yang paling berpengaruh dalam hal ini adalah fraksi
volume serbuk logam (solid loading). Persamaan
Krieger dan Dougherty
tersebut adalah sebagai berikut [11]:
η
− 2 ,5
= (1 − CV ) ,
ηo
dimana
η
: viskositas suspensi
η0
: viskositas binder
C
: konstanta 1,35 < C < 1,91
V
: solid loading (dalam terminologi German dilambangkan
dengan Φ.
III.3
Simulasi
Proses simulasi dengan perangkat lunak simulasi injection molding dapat
dijelaskan sebagaimana flowchart pada Gambar III.2. Sedangkan detail pelaksanaan
simulasi adalah sebagai berikut:
III.4.1 Pemodelan Geometri Komponen
Moldflow Plastic Insight merupakan perangkat lunak analisis injection
molding yang tidak dilengkapi dengan fasilitas pembangunan model geometris. Oleh
22
karena itu, cara paling mudah untuk membuat model geometris komponen yang akan
dianalisis adalah dengan menggunakan perangkat lunak CAD lain. File model CAD
tersebut kemudian di-import ke dalam Moldflow dengan mendefinisikan terlebih
dulu jenis mesh yang akan digunakan. Kemampuan import terhadap beberapa jenis
file sistem CAD tersebut difasilitasi oleh aplikasi Moldflow Design Link, yaitu
program add-on Moldflow yang mampu membaca berbagai jenis file CAD dan
meng-import ke dalam Moldflow. Aplikasi ini bekerja di belakang layar. File-file
yang bisa di-import adalah seperti yang terdapat dalam Tabel III.1.
START
Pemodelan Geometri
Komponen di Software CAD
Import Model dan
Meshing ke Moldflow
Pemodelan Rongga Cetak dan
Gating System
Pemodelan
Saluran Pendingin
Pendefinisian :
- Material
- Jenis Analisis
- Process Setting
SIMULASI
OK?
No
Yes
STOP
Gambar III.2 Flowchart Proses Simulasi
23
Tabel III.1 Jenis File yang Dapat Di-import ke Moldflow [10]
Format
File suffix
Catia V5
Pro/ENGINEER®
SolidWorks 2004
catpart
prt
sldpart
Parasolid
x_t,xmt,xmt_txt
Parasolid
x_b,xmb
STEP
stp,step
Description
CATIA V5 part file, versi 6 to 13-SP5
Pro/ENGINEER part file, semua versi hingga Wildfire2
SolidWorks 2004 native file format
Parasolid Transmit File Format (ASCII), versi 16.0 atau
sebelumnya
Parasolid Transmit File Format (binary), versi 16.0 atau
sebelumnya
STEP AP203 dan AP214 Class II, class III, class IV, class
V entities dan class VI entities dan assemblies
III.4.2 Import Model dan Meshing
Model dibuat dalam salah satu tipe file dari file yang dapat di-import
oleh Moldflow (Tabel III.1) kemudian di-import ke dalam Moldflow. Pada waktu
meng-import file model tersebut didefinisikan jenis meshing yang akan digunakan
dalam analisis elemen hingga. Dari ketiga jenis meshing yang dijelaskan pada Bab II,
jenis fusion mesh paling baik digunakan karena cukup mewakili model secara
keseluruhan dan memberikan output paling lengkap (Tabel II.1). Penggunaan fusion
mesh akan menghasilkan jumlah elemen yang tidak terlalu besar sehingga simulasi
dapat dijalankan dengan ringan.
Gambar III.3 Fusion Element Aspect Ratio [10]
Setelah model di-import ke dalam Moldflow dan sudah berbentuk
elemen-elemen mesh kemudian model dimanipulasi dengan penggandaan (copy),
rotasi, atau pemindahan (move) sehingga diperoleh sejumlah rongga cetak yang
diinginkan dengan letak sesuai dengan yang direncanakan. Pengecekan terhadap
keberhasilan meshing perlu dilakukan untuk memperbaiki aspect ratio keseluruhan
elemen, memeriksa adanya elemen yang overlap, dan menggabungkan nodal-nodal
yang berdekatan tapi belum terdefinisikan sebagai elemen yang berhubungan.
Pemeriksaan ini harus dilakukan karena jika ada satu saja elemen yang tidak
24
berhubungan dengan elemen lain di dekatnya maka dapat menyebabkan simulasi
tidak dapat berjalan. Pada fusion mesh, aspect ratio adalah perbandingan antara
tinggi terkecil dan panjang sisi terpanjang segitiga (h/w pada Gambar II.3).
III.4.3 Pemodelan Gating System dan Cooling Circuit
Gating system terdiri dari sprue, runner, dan gate. Dalam Moldflow,
gating system dimodelkan dengan elemen beam (elemen garis). Setiap elemen dapat
didefinisikan bentuk dan ukuran penampangnya. Jika pada satu cetakan terdapat
banyak rongga cetak (multicavity) maka aliran ke semua rongga cetak harus dibuat
seimbang. Keseimbangan ini bisa diperoleh dengan mengatur ukuran penampang
runner dan gate ke setiap rongga cetak.
Jika diinginkan simulasi pembekuan, maka pemodelan saluran pendingin
(cooling circuit) mutlak diperlukan. Hal yang harus didefinisikan antara lain lintasan
saluran, penampang saluran, jenis cairan pendingin, titik letak cairan memasuki
saluran, temperatur awal cairan, dan debit aliran. Basis data sifat cairan juga perlu
dicek sesuai dengan cairan pendingin yang digunakan.
III.4.4 Input Simulasi
Untuk melakukan simulasi injection molding, diperlukan berbagai
macam data input. Akurasi data input sangat mempengaruhi hasil simulasi yang
dijalankan. Input data tersebut tersimpan dalam berbagai basis data. Data yang harus
disediakan antara lain :
a. Basis data material :
-
data sifat termal,
-
data sifat rheologis,
-
data sifat hubungan tekanan-volume-temperatur (PVT properties),
-
data sifat mekanis,
-
data penyusutan, dan
-
data material filler.
b. Basis data mesin
-
data injection unit,
25
-
data hydraulic unit,dan
-
data clamping unit.
c. Basis data controller
Basis data controller mendefinisikan parameter-parameter proses selama proses
injection molding
berlangsung seperti
filling control,
velocity/pressure
switchover, pack/holding control, mold temperature control, ejection criteria,
dan durasi pembukaan cetakan antar siklus injeksi.
d. Data-data lain
Untuk analisis pendinginan data cairan pendingin juga diperlukan. Pendefinisian
data meshing juga seringkali diperlukan, misalnya data yang menerangkan
bentuk dan ukuran runner, sprue, atau gate.
III.4.5 Simulasi
Setelah semua data dan pengaturan yang diperlukan selesai maka
simulasi dapat dijalankan. Jenis simulasi harus ditentukan terlebih dulu, misalnya
Fill, Flow+Packing, Cooling, Design of Experiment, dan sebagainya. Moldflow akan
mengecek semua hal yang diperlukan untuk setiap jenis simulasi. Lama simulasi
tergantung pada kemampuan hardware, jenis meshing, dan jumlah elemen. Hasil
simulasi perlu diteliti ulang, jika ada peringatan error (warning massage) maka harus
dicek apakah error tersebut bisa dibiarkan atau tidak. Jika termasuk error yang fatal
maka harus dilakukan perbaikan. Penyebab error tersebut mungkin pada kesalahan
data input basis data, kesalahan desain, dan bisa juga pada kerusakan meshing
elemen.
26