ANALISA DAN SIMULASI NUMERIK PROSES SAND CASTING DALAM PEMBUATAN HOUSE MOVING CONTACT RESISTOR BERBAHAN DASAR ALUMINIUM 6061

TUGAS AKHIR – TL091584

ANALISA DAN SIMULASI NUMERIK PROSES SAND CASTING DALAM PEMBUATAN HOUSE MOVING CONTACT RESISTOR BERBAHAN DASAR ALUMINIUM 6061

Rommel T NRP 2713 100 017

Dosen Pembimbing : Mas Irfan P. Hidayat, S.T., M.Sc., Ph.D. Dian Mughni Fellicia, S.T., M.Sc..

DEPARTEMEN TEKNIK MATERIAL FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017

i

(Halaman ini sengaja dikosongkan)

ii

FINAL PROJECT – TL091584

NUMERICAL ANALYSIS AND SIMULATION OF SAND CASTING PROCESS IN MAKING HOUSE MOVING CONTACT RESISTOR CONTACT BASED ON ALUMINIUM 6061 Rommel T NRP 2713 100 017

Advisor Lecturer : Mas Irfan P. Hidayat, S.T., M.Sc., Ph.D. Dian Mughni Fellicia, S.T., M.Sc.

MATERIAL ENGINEERING DEPARTMENT FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY INSTITUTE TECHNOLOGY SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017

iii


iv

ANALIISA DAN SIMIILASI NIIMERIKPROCESS Sん Nひ鉦ⅣG 免κ〕ラ C乙5■ ⅣGIDALAM FttMBUATAN FO爾貿 Ж BERBAEAN DASARALUMIN― 6¨ ″ 蜘縣

1

TUGぶ AIGR DittuhnUntukMemclluhi Salah Satll Syarat

Memperoleh Celar ttallaT銀 pada B畿町 3Sbdi Tc知直 Metalurgi M置威山醸 ProNm StudiS-l Depa■ emen Tchik Material Fakule Tel個 ЮlogiIIlduni lnstitI TcknologI SepulullNopember

Oleh:

ROMMEL T Nrp.2713100017

D鶴可 ui

olell Dosem Pclnbimbing Tagas AkhiF:

1. Mas Irfan P. Hidaya! ST, M.Sc. Ph.D.

2_Dian M疇愛亜 FelliCM S_T.,

Vl

(halaman ini sengaja dikosongkan)

ANALISA DAN SIMULASI NUMERIK PROCESS SAND CASTING DALAM PEMBUATAN HOUSE MOVING CONTACT RESISTOR BERBAHAN DASAR ALUMINIUM 6061 Nama Mahasiswa NRP Departemen Dosen Pembimbing

: Rommel T : 27 13 100 017 : Teknik Material dan Metalurgi FTIITS : Mas Irfan P. Hidayat ST, M.Sc., Ph.D Dian Mughni Fellicia ST., M.Sc

Abstrak Circuit Breaker memiliki salah satu komponen penting yaitu House Moving Contact Resistor. Namun, salah satu perusahaan listrik yang ada di Indonesia ingin mencoba untuk membuat material ini di Indonesia. Bahan baku coran yang digunakan adalah paduan alumunium 6061. Setelah melakukan pemodelan gating system menggunakan ANSYS berdasarkan metode elemen hingga maka diharapkan hasil pengecoran yang tidak memiliki cacat ataupun penyusutan. Paduan ini akan dileburkan pada temperatur 742oC karena titik lebur dari paduan ini terletak pada temperatur 657oC. Berdasarkan hasil dan analisa data dari penelitian didapatkan variasi ukuran runner dan bentuk riser berpengaruh terhadap perubahan temperatur. Material cor akan mengalami penurunan temperatur dari 1015 K menjadi 473 K dari detik awal pendinginan sampai detik ke 300. Tegangan termal maksimal terjadi pada variasi model 4 dengan nilai 4,41E+08 Pa. Tegangan termal sebanding dengan shrinkage. Nilai shrinkage dari model 1 sampai model 4 yaitu: 69647,199 mm3, 70580,168 mm3, 69626,509 mm3, 70773,576 mm3. Variasi sistem saluran model 3 merupakan variasi coran yang paling baik karena memiliki nilai shrinkage paling kecil dari keempat model variasi. Kata Kunci: Analisa Elemen Hingga, House Moving Contact Resistor, aluminium 6061 , Shrinkage, Crack vii


viii

NUMERICAL ANALYSIS AND SIMULATION OF SAND CASTING PROCESS IN MAKING HOUSE MOVING CONTACT RESISTOR BASED ON ALUMINIUM 6061 Student Name SRN Major Advisor Lecturer

: Rommel T : 27 13 100 017 : Materials Engineering Department : Mas Irfan P. Hidayat ST, M.Sc., Ph.D Dian Mughni Fellicia ST., M.Sc

Abstract Circuit Breaker has one important component which is House Moving Contact Resistor. This Material is imported from Germany.. The raw material of casting used is allumunium alloy 6061. Modelling gating system using ANSYS based on finite element method, so it expect that the result of casting doesnt have crack or shrinkage. The alloy would be melted at temperatur 742oC because the melting point at 657oC. Based on result and data analyzed from the research, it is found that the gating system does not significantly affect the temperature change. Material of casting will decrease temperature from 1015 K to 473 K from the initial seconds of cooling down to 300 seconds. Thermal stress maximum occurs on 4th model in amount of 4.41E+08. Thermal stress is proportional to shrinkage. Thermal stress is higher, same as the shrinkage. Value of shrinkage from 1st model to 4th model are: 69647,199 mm3, 70580,168 mm3, 69626,509 mm3, 70773,576 mm3. 3rd model is the best gating system because this model has smallest shrinkage value of four variation model. Key Words: Analyse Finite Element, House Moving Contact Resistor, Alumunium 6061, Shrinkage, Porosity, Crack

ix


x

KATA PENGANTAR Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan YME karna anugerah-Nya sehingga Tugas Akhir ini dapat diselesaikan. Tugas Akhir yang berjudul “Analisa dan Simulasi Numerik Proses Sand Casting dalam Pembuatan House Moving Contact Resistor Berbahan Dasar Alumunium 6061” ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik dari Jurusan Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Penyusunan Tugas Akhir ini dapat terlaksana dengan baik berkat bantuan, bimbingan, dan saran dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Orangtua serta keluarga penulis yang selalu memberikan dukungan kepada penulis dengan doa, moral, tenaga, dan materi. 2. Bapak Mas Irfan P. Hidayat, S.T., M.Sc., Ph.D serta Ibu Dian Mughni Fellicia S.T., M.Sc. selaku dosen pembimbing serta Bapak Ibu dosen penguji yang selalu bersedia memberikan bimbingan dan pengarahan. 3. Bapak Wikan Jatimurti S.T., M.Sc selaku dosen wali saya selama menjadi mahasiswa Departemen Teknik Material yang selalu memberikan pengarahan. 4. Bapak Agung Purniawan, S.T., M.Eng. selaku Ketua Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS. 5. Seluruh dosen Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS. 6. Seluruh karyawan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS. 7. Tim Pemodelan Casting yang selalu saling mendukung hingga TA ini dapat selesai dengan baik. 8. Teman-teman PKKTM angkatan 2013 yang selalu memberikan dukungan sukacita dan doa. 9. Seluruh teman-teman Jurusan Teknik Material dan Metalurgi angkatan 2013. Penulis menyadari bahwa penyusunan laporan Tugas Akhir ini masih terdapat banyak kekurangan. Oleh karena itu penulis selalu mengharapkan adanya kritik serta saran yang membangun dari berbagai pihak untuk perbaikan di masa yang akan datang. xi

Surabaya, Juli 2016

Penulis

xii

DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL .................................................................. i TITLE ....................................................................................... iii LEMBAR PENGESAHAN ........................................................ v ABSTRAK................................................................................ vii ABSTRACT ............................................................................. ix KATA PENGANTAR ............................................................. xi DAFTAR ISI ........................................................................... xiii DAFTAR GAMBAR ................................................................ xv DAFTAR TABEL .................................................................... xvii BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ................................................................ 1 1.2. Rumusan Permasalahan ................................................... 2 1.3. Batasan Masalah .............................................................. 2 1.4. Tujuan Penelitian............................................................. 2 1.5. Manfaat............................................................................ 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Penelitian Sebelumnya ..................................................... 5 2.2. Aluminium ....................................................................... 6 2.2.1. Sifat-sifat Alumunium .............................................. 8 2.3. Pengecoran ....................................................................... 10 2.3.1 Perancangan Pola ..................................................... 12 2.3.2 Cetakan ...................................................................... 12 2.3.3 Gating system ............................................................ 14 2.3.4 Analisis Cacat Coran ................................................. 16 2.4 Metode Elemen Hingga, Transfer Panas dan Solidifikasi 17 2.5. Proses Perpindahan Kalor ................................................ 22 2.5.1 Perpindahan Kalor secara Konveksi .......................... 22 2.6. Tegangan Termal .............................................................. 23

xiii

BAB III METODE PENELITIAN 3.1. Metode Penelitian ............................................................ 25 3.2. Spesifikasi Material ......................................................... 26 3.2.1. Material Al 6061 ....................................................... 26 3.2.2. Material Cetakan Pasir .............................................. 27 3.3. Proses Penelitian.............................................................. 29 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Validasi Penelitian............................................................35 4.2. Analisa Termal ................................................................ 38 4.2.1. Perbandingan Kurva Pendinginan Cetakan................39 4.2.2. Perbandingan Kurva Perpindahan Panas Cetakan ..... 41 4.2.3. Distribusi Temperatur................................................ 43 4.2.4. Gradien Tempeatur .................................................... 53 4.3. Analisa Struktural ............................................................ 57 4.3.1. Tegangan Termal ....................................................... 59 4.3.2. Shrinkage ................................................................... 63 4.3.3. Perbandingan Massa Jenis di Dalam Coran pada Beberapa Waktu ......................................................... 66 4.4. Kualitas Cetakan.............................................................. 68 4.5. Analisa Kegagalan dari Berbagai Model Sistem Saluran.69 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan...................................................................... 71 5.2. Saran ................................................................................ 71 DAFTAR PUSTAKA .............................................................. 73 BIODATA PENULIS LAMPIRAN

xiv

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Elemen dasar dari Gating System . ......................... 13 Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ......................................... 25 Gambar 3.2 Diagram Alir Pemodelan........................................ 30 Gambar 3.3 Geometri Material Coran ....................................... 31 Gambar 3.4 a. Meshing dari material coran Al 6061(b) Meshing dari material cetakan (c) Meshing gabungan antara cetakan dengan Al 6061 ...................................... ...32 Gambar 3.5 Input Sifat-Sifat Material. .................................... ..33 Gambar 4.1 Hasil simulasi tegangan termal (a) dan deformasi (b)Coran pada detik 5400 ...................................... 36 Gambar 4.2 Kurva perbandingan perubahan temperatur proses pendinginan pada keempat model coran ................ 39 Gambar 4.3 Kurva perubahan temperatur pada proses perpindahan panas pada cetakan............................ 42 Gambar 4.4 Gambar distribusi temperatur proses solidifikasi 5 (a) detik (b) 900 detik (c) 1800 detik (d) 2700 detik... 44 Gambar 4.5 Gambar distribusi temperatur proses solidifikasi dengan variasi bentuk riser (a) 5 detik (b) 900 detik (c) 1800 detik (d) 2700 detik.. ...................... 45 Gambar 4.6 Gambar distribusi temperatur proses solidifikasi dengan variasi ukuran runner (a) 5 detik (b) 900 detik (c) 1800 detik (d) 2700 detik.. ...................... 46 Gambar 4.7 Gambar distribusi temperatur proses solidifikasi dengan variasi ukuran runner danbentuk riser (a) 5 detik (b) 900 detik (c) 1800 detik (d) 2700 detik... 47 Gambar 4.8 Distribusi temperatur perpindahan panas dari coran ke cetakan dengan variasi model 1 (a) 5 detik (b) 900 detik (c) 1800 detik (d) 2700 detik ........................ 49 Gambar 4.9 Distribusi temperatur perpindahan panas dari coran ke cetakan dengan variasi model 2 (a) 5 detik (b) 900 detik (c) 1800 detik (d) 2700 detik. ....................... 50 Gambar 4.10 Distribusi temperatur perpindahan panas dari coran xv

ke cetakan dengan variasi model 3 pada bagian cetakan (a) 5 detik (b) 900 detik (c) 1800 detik (d) 2700 detik. ............................................................ 51 Gambar 4.11 Distribusi temperatur perpindahan panas dari coran ke cetakan dengan variasi model 4 pada bagian cetakan (a) 5 detik (b) 900 detik (c) 1800 detik (d) 2700 detik .............................................................. 52 Gambar 4.12 Gradien temperatur pada model 1 pada detik ke (a) 60 dan detik ke (b) 5400; model 2 detik ke(c) 60 dan detik ke(d) 5400; model 3 detik ke(e) 60 dan detik ke(f) 5400; model 4 detik ke(g) 60 dan detik ke(h) 5400 ...................................................................... 57 Gambar 4.13 Kurva perbandingan nilai teganan termal pada keempat model ....................................................... 59 Gambar 4.14 Distribusi tegangan termal pada pada (a) model 1, (b) model 2, (c) model 3, (d) model 4 pada detik ke 5400. ..................................................................... 63 Gambar 4.15 Deformasi yang terjadi pada daerah coran (a) model 1(b) model 2 (c) model 3 (d) model 4.................... 66 Gambar 4.16 Kurva Kenaikan Massa Jenis pada Coran. ............. 68

xvi

DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Koefisien pemuaian termal aluminium ......................... 7 Tabel 2.2 Konduktivitas listrik aluminium ................................... 7 Tabel 2.3 Sifat mekanik aluminium. ............................................. 7 Tabel 2.4 Sifat-sifat fisik alumunium ........................................... 8 Tabel 2.5 Toleransi penyusutan logam menggunakan sand casting ......................................................................... 17 Tabel 3.1 Komposisi paduan Alumunium 6061 ......................... 26 Tabel 3.2 Konduktifitas termal, kapasitas panas spesifik serta massa jenis paduan Al 6061 ........................................ 26 Tabel 3.3 Modulus elastisitas, poisson ratio (Comsol Material L Library) serta koefisien ekspansi termal paduan Al 6061........................................................................ 27 Tabel 3.4 Komposisi paduan pasir silika .................................... 27 Tabel 3.5 Konduktifitas termal dan kapasitas panas spesifik serta massa jenis cetakan pasir.............................................28 Tabel 3.6 Modulus elastisitas dan poisson ratio serta koefisien ekspansi termal cetakan pasir ...................................... 28 Tabel 3.7 Variasi desain gating system ....................................... 29 Tabel 4.1 Nilai tegangan termal maksimum pada benda cor........37 Tabel 4.2 Nilai shrinkage coran antara simulasi dengan eksperimen...................................................................37 Tabel 4.3 Pengaturan simulasi transien termal ........................... 39 Tabel 4.4 Perbandingan temperatur proses pendinginan cor pada keempat model dalam beberapa detik ......................... 41 Tabel 4.5 Perbandingan temperatur proses perpindahan panas pada dari coran ke cetakan pada keempat model dalam beberapa detik ............................................................. 43 Tabel 4.6 Pengaturan simulasi transien struktural ...................... 59 Tabel 4.7 Perbandingan tegangan termal pada keempat model selama proses pendinginan.......................................... 60 Tabel 4.8 Shrinkage maksimum yang terjadi selama proses pengecoran .................................................................. 67 Tabel 4.9 Volume material coran pada berbagai waktu.............. 68

xvii

Tabel 4.10 Formula kualitas cetakan pengecoran..........................69 Tabel 4.11 Nilai kualitas cetakan pengecoran................................70 Tabel 4.12 Perbandingan keseluruhan hasil coran dari

berbagai model sistem salauran setelah 5400 detik.............................................................................71

xviii

BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Paduan alumunium memiliki sifat konduktivitas listrik dan sifat tahan korosi yang baik. Hal ini yang menyebabkan paduan alumunium khususnya paduan alumunium 6061 sering digunakan pada industri listrik, salah satunya pada komponen House Moving Contact (HCM) Resistor pada Miniatur Circuit Breaker (MCB). Proses pengecoran logam termasuk proses yang paling penting dalam industri logam. Untuk melakukan pengecoran logam memerlukan beberapa faktor seperti adanya aliran logam cair, terjadi perpindahan panas selama pembekuan dan pendinginan dari logam dalam cetakan, pengaruh material cetakan serta pembekuan logam dari kondisi cair. Pengecoran logam menggunakan dapur peleburan yang berfungsi untuk mencairkan logam. Proses pengecoran selain untuk mencairkan logam, dipakai juga untuk membentuk logam sesuai dengan bentuk yang diinginkan. Proses pengecoran terhadap spesimen ini dilakukan dikarenakan adanya permintaan dari salah satu perusahan listrik yang ada di Indonesia. Selama ini pihak industri tersebut harus mengimpor spesimen ini dari Eropa yang membutuhkan waktu yang cukup lama dalam pemesanannya dan memerlukan biaya yang mahal serta komponen tersebut sering mengalami kerusakan. Hal ini mengakibatkan pihak perusahaan tersebut ingin melakukan pengecoran sendiri namun dikarenakan keterbatasan laboratorium di perusahaan sehingga pihak perusahaan melakukan kerja sama dengan perguruan tinggi, dalam hal ini ITS, melalui Departermen Teknik Material. Oleh karena itu, dengan adanya masalah diatas mendasari dilakukannya penelitian ini. Selain melalui eksperimen, proses pengecoran tersebut juga dilakukan melalui simulasi numerical dengan menggunakan 1

2 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS ANSYS. Proses pengecoran seringkali menimbulkan crack dan shrinkage pada saat pembekuan. Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian mengenai analisa numerik pada gating system terhadap munculnya crack dan shrinkage. I.2 Rumusan Masalah Dibawah ini merupakan permasalahan yang dibahas pada penelitian tugas akhir ini : 1. Bagaimana pengaruh bentuk runner dan riser dalam gating system terhadap pembentukan shrinkage yang terjadi pada hasil simulasi pengecoran alumunium alloy 6061? 2. Bagaimana pengaruh bentuk runner dan riser dalam gating system terhadap pembentukan crack yang terjadi pada hasil simulasi pengecoran alumunium alloy 6061? I.3 Batasan Masalah Untuk mendapatkan hasil penelitian yang akurat serta tidak menyimpang maka diperlukan batasan masalah sebagai berikut : 1. Diasumsikan tidak ada inklusi benda asing di dalam rongga cetak. 2. Material cetakan serta material coran diasumsikan homogen. 3. Bagian dasar cetakan diasumsikan menyentuh tanah sehingga tidak terjadi konveksi. 4. Diasumsikan fenomena perpindahan panas hanya terjadi pada riser dan rongga cetak. I.4 Tujuan Penelitian Tujuan yang diharapkan dari penelitian ini sebagai berikut : 1. Mengetahui pengaruh bentuk runner dan riser dalam gating system terhadap pembentukan shrinkage yang

BAB I Pendahuluan

3 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS terjadi pada hasil simulasi pengecoran alumunium alloy 6061. 2. Mengetahui pengaruh bentuk runner dan riser dalam gating system terhadap pembentukan crack yang terjadi pada hasil simulasi pengecoran alumunium alloy 6061. I.5 Manfaat Berdasarkan penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat kepada pembaca sebagai studi dan referensi dalam menentukan bentuk runner dan riser dalam pengecoran alumunium 6061 terhadapa proses pembentukan shrinkage dan crack diketahui pengaruh variasi gating system pada saat proses pengecoran dan juga hasil coran terhadap crack dan shrinkage sehingga mendapatkan hasil coran yang baik dan memajukan peneltian di bidang pengecoran di Departemen Teknik Material ITS.

BAB I Pendahuluan

4 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS


BAB I Pendahuluan

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Penelitian Sebelumnya Simulasi numerik pada proses pengecoran merupakan penelitian yang begitu menarik untuk dipelajari secara mendalam untuk meningkatkan hasil coran yang baik. Berikut ini beberapa penelitian mengenai simulasi pengecoran alumunium: Pada tahun 2016, Sebastian Dezecot melakukan pemodelan dan karakterisai secara tiga dimensi (3D) untuk melihat kerusakan fatigue saat temperatur tinggi pada coran paduan alumunium. Material yang digunakan pada penelitian ini adalah paduan alumunium yang digunakan pada bagian permesinan karena paduan ini memiliki sifat mekanik yang baik dan juga tahan terhadap korosi pada temperatur tinggi. Penelitian ini menggunakan Avizo untuk pemodelannya. Penelitian ini menggambarkan mulai terjadinya kerusakan pada paduan alumunium selama pengamatan menggunakan X ray synchrotron tomography. Munculnya awalan retak sudah teridentifikasi selama pengujian Low Cycle Fatigue (LCF). Kesimpulan dari penelitian ini adalah terdapat regangan plastis di daerah pori microshrinkage dengan bentuk yang kompleks dan adanya partikel keras seperti partikel Si yang mengalami kerusakan selama siklus mekanik yang pertama (Dezecot, 2016). Pada tahun 2013, Choudari melakukan simulasi mengenai distribusi temperatur pada pengecoran Alumunium menggunakan sand casting dengan validasi eksperimen. Peleburan alumunium hingga 973 K dengan waktu solidifikasi 60 menit. Distribusi temperatur yang diperoleh pada simulasi dan eksperimen memiliki kesamaan. Kesimpulan, proses solidifikasi yang terjadi dapat dilihat secara visual oleh ANSYS (Choudari,2013). Pada tahun 2011, Vanderesse melakukan simulasi mengenai keberbahayaan porositas pada paduan alumunium. Pada penelitian ini, peneliti menggunakan software Avizo. Paduan yang digunakan adalah AlSi9Cu3(Fe). Penelitian ini juga melakukan pengujian fatigue. Pengujian tersebut dilakukan bergantung pada tidak 5

6 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS berubahnya permukaan patahan akibat tekanan yang diberikan pada siklus fatigue. Pada tahun 2005, Vijayaram melakukan simulasi dari solidifikasi pada proses pengecoran. Pada penelitian menggunakan metode simulasi Boundary Element Method (BEM) untuk membantu dalam mengidentifikasi letak cacat dari bentuk geometri komponen (Vijayaram, 2005). Pada tahun 2016, Bahtiyar melakukan penelitian mengenai analisa perpindahan panas pada pengecoran Al-12%Si dengan menggunakan metode elemen hingga. Penelitian ini ingin membandingkan penggunaan pasir atau SS304 sebagai cetakan. Dari hasil yang diperoleh ternyata cetakan pasir lebih baik dibandingkan cetakan SS304 karena pada cetakan pasir tegangan termal lebih kecil sehingga shrinkage yang akan terjadi pada proses pengecoran akan semakin kecil (Bahtiyar, 2016). 2.2 Aluminium Proses Hall-Heroult masih digunakan untuk memproduksi aluminium sampai sekarang ini. Penggunaan aluminium sebagai logam setiap tahunnya adalah urutan yang kedua setelah besi dan baja, yang tertinggi di antara logam non ferro. Aluminium merupakan logam ringan yang mempunyai ketahanan korosi yang baik dan hantaran listrik yang baik dan sifat – sifat yang baik lainnya sebagai sifat logam. Sebagai tambahan terhadap, kekuatan mekaniknya yang sangat meningkat dengan penambahan Cu, Mg, Si, Mn, Zn, Ni, dsb. Secara satu persatu atau bersamasama, memberikan juga sifat-sifat baik lainnya seperti ketahanan korosi, ketahanan aus, koefisien pemuaian rendah. Material ini dipergunakan di dalam bidang yang luas bukan saja untuk peralatan rumah tangga tapi juga dipakai untuk keperluan material pesawat terbang, mobil, kapal laut, konstruksi. Berikut ini merupakan beberapa sifat propertis dari alumunium menurut ASM

BAB II Tinjauan Pustaka

7 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS Handbook Volume 2 dapat dilihat dalam tabel 2.1, tabel 2.2 dan tabel 2.3 dibawah ini: Tabel 2.1 Koefisien pemuaian termal aluminium (ASM Handbook Volume 2, 1990) Rentang Koefisien Rata – Temperatur, oC rata, µm/m.k -200 hingga 20 18.0 -150 hingga 20 19.9 -100 hingga 20 21.0 -50 hingga 20 21.8 20 hingga 100 23.6 20 hingga 200 24.5 20 hingga 300 25.5 20 hingga 400 26.4 20 hingga 500 27.4 Table 2.2 Konduktivitas listrik aluminium (ASM Handbook Volume 2, 1990) Kemurnian Aluminium, % 99.999+ 99.8

Konduktivitas Elektrik, volumetric %IACS 65 hingga 66 62

Tahanan Elektrik, nΩ.m 26.2 26.55

Tabel 2.3 Sifat mekanik aluminium (ASM Handbook Volume 2, 1990)

Kemurnian, % 99.99 99.8

Kekuatan Tarik Yield, ±0.2% Mpa Ksi 10 1.4 20 2.9


Kekuatan Tarik Mpa 45 60

Ksi 6.5 8.7

Pemanjangan dalam 50 mm, % 50 45

8 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS 2.2.1 Sifat-Sifat Alumunium Aluminium adalah logam yang ringan dan cukup penting dalam kehidupan manusia. Aluminium merupakan unsur kimia golongan IIIA dalam sistim periodik unsur, dengan nomor atom 13 dan berat atom 26,98 gram per mol. Struktur kristal aluminium adalah struktur kristal FCC, sehingga aluminium tetap ulet meskipun pada temperatur yang sangat rendah. Keuletan yang tinggi dari aluminium menyebabkan logam tersebut mudah dibentuk atau mempunyai sifat mampu bentuk yang baik . Aluminium memiliki beberapa kekurangan yaitu kekuatan dan kekerasan yang rendah bila dibanding dengan logam lain seperti besi dan baja. Aluminium memiliki karakteristik sebagai logam ringan dengan densitas 2,7 g/cm3. Selain sifat-sifat tersebut aluminium mempunyai sifat-sifat yang sangat baik dan bila dipadu dengan logam lain bisa mendapatkan sifat-sifat yang tidak bisa ditemui pada logam lain. Adapun sifat-sifat dari aluminium antara lain : ringan, tahan korosi, penghantar panas dan listrik yang baik. Sifat tahan korosi pada aluminium diperoleh karena terbentuknya lapisan oksida aluminium pada permukan alumunium. Lapisan oksida ini melekat pada permukaan dengan kuat dan rapat serta sangat stabil (tidak bereaksi dengan lingkungannya) sehingga melindungi bagian yang lebih dalam. Adanya lapisan oksida ini disatu pihak menyebabkan tahan korosi tetapi di lain pihak menyebabkan aluminium menjadi sukar dilas dan disoldier (titik leburnya lebih dari 2000º C). Sifat mekanik dan fisik aluminium dapat dilihat pada tabel 2.4 berikut : Tabel 2.4 Sifat-sifat fisik alumunium (Setyaji, 2012) Sifat-sifat Massa Jenis (200C) Titik Cair


Kemurnian Alumunium (%) 2,6968 660,2

2,71 653-657

9 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS Kalor Jenis (cal/g.0C) (1000C) Tahanan Listrik (%) Hantaran Listrik Koefisien Temperatur (/0C) Koefisien Pemuaian (20-1000C)

0,2226

0,229

64,94

59

0,00429

0,0115

23,86x10-6

23,5x10-6

Salah satu cara terbaik untuk memperbaiki sifat alumunium adalah memadukan alumunium dengan unsur lain. Paduan adalah kombinasi dua atau lebih jenis logam, kombinasi ini dapat merupakan campuran dari dua struktur kristalin. Paduan dapat disebut juga sebagai larutan padat dalam logam. Larutan padat mudah terbentuk bila pelarut dan atom yang larut memiliki ukuran yang sama dan strukrur elektron yang serupa. Larutan dalam logam utama tersebut memiliki batas kelarutan maksimum. Paduan yang masih dalam batas kelarutan disebut dengan paduan logam fasa tunggal. Sedangkan paduan yang melebihi batas kelarutan disebut dengan fasa ganda. Peningkatan kekuatan dan kekerasan logam paduan disebabkan oleh adanya atom-atom yang larut yang menghambat pergerakan dislokasi dalam kristal sewaktu deformasi plastik. Secara garis besar paduan aluminium dibedakan menjadi dua jenis yaitu paduan aluminium tempa dan aluminium cor. Menurut Alumunium Association (AA) sistem di Amerika, penamaan paduan alumunium: 1. Paduan cor (casting alloys) digunakan sistem penamaan empat angka. Angka pertama menunjukkan kandungan utama paduannya. Dua angka selanjutnya menunjukkan penandaan dari paduannya. Angka terakhir yang di pisahkan dengan tanda desimal merupakan bentuk dari hasil pengecoran, misalnya casting (0) atau ingot (1,2). 2. Paduan tempa (wrought alloys) menggunakan sistem penamaan empat angka juga tetapi penamaannya berbeda dengan penamaan pada paduan jenis cor. Angka pertama menyatakan kelompok paduan atau kandungan elemen spesifik paduan, angka kedua


10 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS menunjukkan perlakuan dari paduan asli atau batas kemurnian. Sedangkan dua angka terakhir menunjukkan paduan aluminium atau kemurnian aluminium. Dari dua kelompok paduan aluminium diatas dikelompokkan lagi menjadi dua kelompok, yaitu: tidak dapat diperlaku-panaskan dan dapat diperlaku-panaskan. Untuk paduan aluminium jenis cor yang dapat diperlaku-panaskan meliputi seri 2xx.x, 3xx.x, 7xx.x, dan 8xx.x, yang tidak dapat diperlakupanaskan meliputi seri 1xx.x, 4xx.x, dan 5xx.x. Sedang aluminium jenis tempa yang tidak dapat diperlaku-panaskan meliputi seri 1xxx, 3xxx, 4xxx, dan 5xxx, yang dapat diperlaku-panaskan adalah seri 2xxx, 6xxx, 7xxx, dan 8xxx. 2.3 Pengecoran Pengecoran logam adalah proses pembuatan benda dengan mencairkan logam dan menuangkan cairan logam tersebut ke dalam rongga cetakan. Proses ini dapat digunakan untuk membuat benda-benda dengan bentuk rumit. Benda berlubang yang sangat besar dan sangat sulit atau sangat mahal jika dibuat dengan metode lain, dapat diproduksi masal secara ekonomis menggunakan teknik pengecoran yang tepat. Pengecoran logam dapat dilakukan untuk bermacam-macam logam seperti, besi,baja paduan tembaga (perunggu, kuningan, perunggu alumunium dan lain sebagainya), paduan ringan (paduan alumunium, paduan magnesium, dan sebagainya), serta paduan lain, semisal paduan seng, monel (paduan nikel dengan sedikit tembaga), hasteloy (paduan yang mengandung molibdenum, krom, dan silikon), dan sebagainya. Untuk membuat coran harus melalui proses pembuatan model pencairan logam, penuangan cairan logam ke model, membongkar, membersihkan dan memeriksa coran. Pencairan logam dapat dilakukan dengan bermacam-macam cara, misal dengan tanur induksi (tungku listrik di mana panas diterapkan dengan pemanasan induksi logam), tanur kupola (tanur pelebur dalam


11 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS pengecoran logam untuk melebur besi tuang kelabu), atau lainnya. Cetakan biasanya dibuat dengan memadatkan pasir yang diperoleh dari alam atau pasir buatan yang mengandung tanah lempung. Cetakan pasir mudah dibuat dan tidak mahal. Cetakan dapat juga terbuat dari logam, biasanya besi dan digunakan untuk mengecor logam-logam yang titik leburnya di bawah titik lebur besi. Pada pengecoran logam, dibutuhkan pola yang merupakan tiruan dari benda yang hendak dibuat dengan pengecoran. Pola dapat terbuat dari logam, kayu, stereofoam, lilin, dan sebagainya. Pola mempunyai ukuran sedikit lebih besar dari ukuran benda yang akan dibuat dengan maksud untuk mengantisipasi penyusutan selama pendinginan dan pengerjaan finishing setelah pengecoran. Selain itu, pada pola juga dibuat kemiringan pada sisinya supaya memudahkan pengangkatan pola dari pasir cetak. Cetakan adalah rongga atau ruang di dalam pasir cetak yang akan diisi dengan logam cair. Pembuatan cetakan dari pasir cetak dilakukan pada sebuah rangka cetak. Cetakan terdiri dari cope dan drag. Cope adalah cetakan yang terletak di atas, dan drag cetakan yang terletak di bawah. Hal yang perlu diperhatikan pada kup dan drag adalah penentuan permukaan pisah yang tepat. Rangka cetak yang dapat terbuat dari kayu ataupun logam adalah tempat untuk memadatkan pasir cetak yang sebelumnya telah diletakkan pola di dalamnya. Pada proses pengecoran dibutuhkan dua buah rangka cetak yaitu rangka cetak untuk cope dan rangka cetak untuk drag. Proses pembuatan cetakan dari pasir dengan tangan. (Susandri, 2015). Untuk mendapatkan hasil coran yang baik (mencegah masuknya kotoran ke dalam rongga cetakan) maka perlu diperhatikan mekanisme dan laju pembekuan logam dalam cetakan yang dipengaruhi oleh perencanaan riser, perencanaan sistem saluran dan fluiditas logam cair yang sesuai (Reinal, 1997).


12 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS 2.3.1 Perancangan Pola Cetakan adalah rongga atau ruangan yang akan dituangi logam cair untuk membuat coran. Cetakan dibuat menggunakan pola. Pola dapat dibuat dari kayu ataupun logam. Pola logam digunakan agar dapat menjaga ketelitian ukuran benda coran, terutama dalam masa produksi sehingga pola lebih awet dan produktivitas meningkat. Pola kayu lebih murah, cepat dibuatnya dan lebih mudah diolahnya. Oleh sebab itu pola kayu umumnya digunakan untuk cetakan pasir. Saat ini sering pola kayu diperkuat permukaannya dengan lapisan dempul agar lebih tahan aus dan lebih mudah dalam pembuatan cetakan. Perancangan pola dilakukan untuk mempermudah proses selanjutnya. Dalam merancang pola perlu memperhatikan aspek-aspek yang dapat mempengaruhi proses pengecoran dan kualitas hasil pengecoran. Aspek-aspek tersebut antara lain: a) Penambahan ukuran untuk mengatasi penyusutan padat saat logam mengalami pendinginan dan untuk proses pemesinan jika diperlukan. b) Memberi kemiringan pada sisi-sisi pola untuk mempermudah pengeluaran pola pada proses pembuatan cetakan. c) Menentukan bagian pisah (parting plane) untuk memudahkan pembuatan cetakan. d) Pemberian radius pada ujung-ujung pola yang sesuai untuk menghindari bentuk yang tajam dan memudahkan pembuatan cetakan (Arianto, 2010).

2.3.2 Cetakan Cetakan merupakan alat yang digunakan sebagai tempat cairan logam yang akan dibentuk oleh model. Hal yang sangat penting dalam proses pengecoran adalah pembuatan cetakan sesuai dengan modelnya masing-masing.


13 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS Proses pembuatan cetakan dapat dilakukan dengan menggunakan tangan hingga mesin yang paling modern. Pembuatan cetakan dengan menggunakan tangan dilakukan apabila dalam jumlah produksi yang kecil sedangkan untuk cetakan modern digunakan untuk model yang rumit dan jumlah yang besar. Menurut Suhardi, jenis cetakan dibagi menjadi dua yaitu cetakan pasir dan cetakan logam (permanen). Proses pengecoran dengan cetakan pasir adalah proses pengecoran dengan bahan dasar pasir untuk membuat cetakan. Penggunaan pasir sebagai bahan dasar cetakan dikarenakan cetakan mampu menahan temperatur yang lebih tinggi dari temperatur logam yang dituangkan. Untuk mendapatkan permukaan coran yang halus digunakan pasir yang halus. Pasir harus ditambah dengan unsur pengikat khusus seperti air kaca, semen, resin-fenol, resinfuran atau minyak pengering. Pasir dengan kadar air rendah lebih baik untuk menghindari terjadinya oksidasi pada cairan paduan alumunium pada waktu penuangan. Pada cetakan logam, proses penuangan logam cair sama seperti pada cetakan pasir. Pada umunya logam cair dituangkan dengan penuh gaya berat walaupun kadang-kadang diperlukan tekanan pada logam cair selama atau setelah penuangan. Sebagai bahan cetakan terutama dipakai besi cor paduan. Cara ini dapat membuat coran yang memunyai ketelitian dan kwalitas yang tinggi. Akan tetapi biaya pembuatan cetakan adalah tinggi sehingga apabila umur cetakan itu dibuat panjang, baru produksi yang ekonomis mungkin dilaksanakan (Surdia, 1976).


14 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS 2.3.3 Gating system Dalam proses pengecoran, penggunaan gating system menjadi sangat penting untuk menghasilkan kualitas coran yang baik. Gating system yang didesain tidak baik akan menyebabkan cacat pada benda hasil coran. Komponen pada gating system terdiri dari pouring basin, sprue, sprue well, runner, dan ingate yang dapat dilihat pada gambar 2.1 dibawah ini :

Gambar 2.1 Elemen dasar dari Gating System (Shanti, 2015) Berikut ini adalah penjelasan dari beberapa elemen dasar pada gating system : Pouring Basin : Awalan dari gating system yang berbentuk corong, yang berfungsi untuk mengalirkan logam cair dari ladle menuju ke sprue. Pouring basin harus dibuat sedikit dalam untuk mengurangi terjadinya penumpukan logam cair dan terbentuknya pusaran. Sprue : bagian yang menghubungkan pouring basin ke runner/ingate. Sprue memiliki 3 bentuk penampang yaitu: persegi, persegi panjang, dan


15 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS lingkaran. Sprue biasanya dibentuk meruncing ke bawah untuk menghindari aspirasi udara. Sprue Well : ini merupakan bagian dasar dari sprue tempat menampungnya logam cair yang akan diteruskan ke runner sehingga harus memiliki sudut yang tepat. Runner : bagian ini menghubungkan sprue dengan ingate. Bentuk penampang dari bagian ini adalah persegi panjang untuk mengurangi terjadinya aliran turbulen. Runner harus terpenuhi lebih dahulu oleh logam cair sebelum logam cair masuk menuju ingate. Ingate : bagian ini merupakan yang bagian yang menghubungkan runner menuju rongga cetakan. Pada umumnya penampang pada bagian ini berbentuk persegi, persegi panjang dan trapesium. Riser : bagian terakhir dari tuangan yang membeku dan mengarahkan system pembekuan. Bagian ini juga menyalurkan gas atau udara dari rongga cetakan sehingga cacat coran dapat terhindari. Riser juga memiliki fungsi memberitahu bahwa penuangan dan pemasukan logam cair sesuai yang dikehendaki. Untuk menghasilkan pengecoran yang baik dan sesuai dengan yang diinginkan maka perlu untuk merancang posisi gating system. Berikut merupakan 3 tipe posisi gating system berdasarkan letak ingates : 1. Top Gating System Gating sytem tipe ini mengalirkan logam cair langsung dari pouring basin menuju bagian atas rongga cetakan. Keuntungan dari gating jenis ini terjadinya pembekuan dari bawah ke atas. Namun, kerugian dari gating tipe


16 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS ini adalah gerak jatuh bebas logam cair mengakibatkan erosi pada cetakan. Pengisian logam cair pada top gating lebih cepat bila dibandingkan dengan bottom dan parting line. 2. Bottom Gating System Untuk gating system tipe ini logam cair masuk dari bawah dan langsung menuju rongga cetakan. Gating tipe ini sangat cocok untuk benda cor berdimensi tinggi. Keuntungan dari gating tipe ini adalah meminimalisir terjadinya tumbukan pada saat logam cair masuk. Kekurangan dari gating ini adalah kecepatan pengisian logam cair akan terus berkurang seiring semakin penuhnya rongga coran. 3. Parting-line Gating System Untuk gating tipe ini posisi ingate berada di tengah. Gating jenis ini merupakan kombinasi antara top dan bottom gating system yang mana untuk mengurangi gerak jatuh bebas logam cair dan juga untuk meningkatkan kecepatan pengisian logam cair seperti yang terdapat pada bottom gating system. (Dolar, 2009) 2.3.4 Analisis Cacat Coran Analisis cacat coran merupakan suatu metode untuk mencari jenis cacat yang terjadi pada benda. Tujuan dari analasis cacat coran ini yaitu untuk memberikan solusi dari permasalahan cacat pada benda coran. Adapun langkah-langkah pendekatan dapat dilakukan yaitu: 1. Identifikasi cacat dengan cara klasifikasi cacat mulai dari bentuk cacat, lokasi cacat, ukuran cacat, cara identifikasi cacat. Lakukan penyelidikan untuk fakta yang hilang. 2. Verifikasi cacat dengan pencocokan dengan literatur. 3. Penentuan proses perbaikan.


17 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS 4. Lakukan uji coba perbaikan. 5. Lakukan tindak lanjut. Dengan melakukan tahapan-tahapan berikut maka dapat dilakukan perbaikan dan masalah cacat coran dapat teratasi (Rachman, 2015). Salah satu jenis cacat pada coran adalah shrinkage. Untuk kebanyakan logam, perubahan dari fasa liquid ke solid menghasilkan penyusutan volume. Shrinkage yang terjadi pada proses solidifikasi disebabkan adanya perbedaan volumetrik antara fasa solid dan liquid. Oleh karena itu, harus mengetahui perbedaaan antara volume liquid dan solid yang menjadi komponen utama dalam pengecoran serta kontraksi yang terjadi setelah solidifikasi. Shrinkage yang terjadi pada coran memiliki toleransi yang berbeda-beda tergantung pada jenis material atau paduan yang digunakan. Berikut ini tabel 2.5 merupakan toleransi penyusutan beberpa jenis logam. Tabel 2.5 Toleransi penyusutan logam menggunakan sand casting (Kalpakjian, 2009)

No.

Logam

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Besi tuang kelabu Besi tuang putih Besi tuang mampu tempa Paduan Aluminium Paduan Magnesium Paduan Tembaga

Toleransi Penyusutan (%) 0,83-1,3 2,1 0,78-1,0 1,3 1,3 1,3-1,6

2.4 Metode Elemen Hingga, Transfer Panas dan Solidifikasi Metode elemen hingga merupakan cara membagi suatu daerah atau luasan menjadi sebuah elemen. Elemen tersebut dihubungkan oleh nodes dan distribusi dari elemen tersebut dinamakan mesh.


18 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS Kemudian setelah area tersebut didiskretisasi langkah selanjutnya adalah menentukan persamaan untuk setiap elemen yang dibutuhkan. Misalnya sifat-sifat termal suatu material seperti konduktifitas termal yang mana persamaan dari elemen itu nantinya akan digabungkan untuk menentukan persamaan global untuk meshnya dimana menggambarkan perubahan dari seluruh bagian secara umum (Alawadhi, 2010). Di dalam pemodelan ini, digunakan persamaan konservasi panas untuk menyelesaikan permasalahan aliran panas di dalamnya. Seperti yang dilihat pada persamaan 2.1. 𝜕(𝜌𝐶𝑝 𝑇) 𝜕𝑡

+ ∇. (𝜌𝐶𝑝 u𝑇) = ∇. (𝑘∇𝑇)

(2.1)

dengan Cp adalah specific heat, T adalah temperatur, k adalah konduktifitas termal dan ρ adalah massa jenis (Yang, 2014). Logam cair akan kehilangan panas ketika dituangkan ke dalam rongga cetak. Sedangkan cetakan akan mengalami pertambahan panas dikarenakan transfer panas dari logam cair tadi. Selama proses ini, transfer panas dari atas dan dinding ditampilkan pada persamaan 2.2. Qt = QT.t1

(2.2)

dimana Qt adalah jumlah kehilangan panas total dari atas dan dinding, QT adalah laju transfer panas total baik dari konveksi dan radiasi dari atas dan konduksi yang melalui dinding. Sedangkan waktu yang diperlukan untuk transfer panas atau dengan kata lain waktu solidifikasi awal dilambangkan dengan t1. Pada penggunaannya, transfer panas yang bekerja pada proses pengecoran adalah konveksi, konduksi dan radiasi sehingga laju transfer panas totalnya ditampilkan pada persamaan 2.3. QT = QT1 . QT2 . QT3


(2.3)

19 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS Dapat dilihat bahwa transfer panas secara konveksi, dan radiasi dari permukaan atas, konduksi yang melalui dinding, konveksi dan radiasi dari permukaan cetakan yang dipanaskan diwakilkan dengan QT1 . QT2 . QT3. Untuk mencari QT1 yang merupakan laju transfer panas d\dengan konveksi dan radiasi dari bagian atas dapat digunakan persamaan 2.4. QT1 = (h + hr)T . AT . (T - T∞)

(2.4)

1

Sedangkan nilai dari T = 2 (Tp + Tm ). Koefisien transfer panas dilambangkan h dan hr. AT adalah luasan dari permukaan atas dari cetakan dan T∞ adalah temperatur cetakan. Kemudian laju transfer panas dengan konduksi dituliskan pada persamaan 2.5. 𝑄𝑇2 =

(𝑇𝑝 − 𝑇∞ ) 𝑅𝑡

(2.5)

Pada persamaan 2.26 ini, Tp dan T∞ adalah temperatur dalam dan luar dari cetakan dan Rt adalah ketahanan termal dari dinding cetakan. Namun, sering kali Rt ini diabaikan dikarenakan Kemudian laju transfer panas konveksi dan radiasi untuk dinding cetakan luar yang dipanaskan menggunakan persamaan 2.6. 𝑄𝑇3 = (ℎ + ℎ𝑟 ) 𝑇𝑠 . 𝐴 . (𝑇𝑠 − 𝑇∞ )

(2.6)

Ts adalah temperatur permukaan cetakan, T∞ adalah temperatur dari lingkungan sekitar cetakan. H dan hr adalah koefisien transfer panas. A adalah luasan dari permukaan cetakan yang dipanaskan terhadap lingkungan. Sehingga total dari laju panas sesuai persamaan 2.7 menjadi



QT = (h + hr)T . AT . (T - T∞) +

(𝑇𝑝 −𝑇∞ ) 𝑅𝑡

+ (ℎ +

(2.7)

ℎ𝑟 ) 𝑇𝑠 . 𝐴 . (𝑇𝑠 − 𝑇∞ ) Sebenarnya, Qt adalah proses hilangnya panas dari suatu logam yang biasanya dianggap sebagai panas sensible. Ditampilkan pada persamaan 2.8 dan 2.9. 𝑄𝑡 = 𝑚𝐶𝑝 ∆𝑇 𝑄𝑡 = 𝑚𝐶𝑝 (𝑇𝑝 − 𝑇𝑚 )

(2.8) (2.9)

Dimana Cp adalah specific heat dari logam, Tp dan Tm adalah temperatur saat penuangan serta temperatur lelehan, sedangkan m adalah massa logam yang dituangkan. Kemudian, persamaan 2.8 digabungkan dengan persamaan 2.9 sehingga menghasilkan persamaan 2.10 𝑡1 𝑚𝐶𝑝 (𝑇𝑝 − 𝑇𝑚 )

=

(h + hr )T̅ . 𝐴 𝑇 . (𝑇̅ − 𝑇∞ ) +

(𝑇𝑝 − 𝑇∞ ) + (ℎ + ℎ𝑟 ) 𝑇̅ . 𝐴 𝑇 . (𝑇𝑠 − 𝑇∞ ) 𝑅𝑡

(2.10) Persamaan 2.10 merupakan persamaan untuk mencari solidifikasi selama penuangan. Kemudian, langkah selanjutnya adalah transfer panas pembentukan. Transformasi fasa akan terjadi ketika logam kehilangan panas sensible dan mencapai temperatur lelehnya. Pada dasarnya persamaannya sama dengan perpindahan panas saat logam dituangkan sehingga dapat dirumuskan seperti persamaan 2.11. Qt = QT.t2


(2.11)


dimana Qt adalah jumlah kehilangan panas total dari atas dan dinding, QT adalah laju transfer panas total baik dari konveksi dan radiasi dari atas dan konduksi yang melalui dinding. Sedangkan waktu yang diperlukan untuk transfer panas atau dengan kata lain waktu solidifikasi kedua dilambangkan dengan t2. Sama seperti tadi, transfer panas yang bekerja pada proses pengecoran adalah konveksi, konduksi dan radiasi sehingga laju transfer panas totalnya diyampilkan pada persamaan 2.12. QT = QT1 . QT2 . QT3

(2.12)

Transfer panas secara konveksi, dan radiasi dari permukaan atas, konduksi yang melalui dinding, konveksi dan radiasi dari permukaan cetakan yang dipanaskan diwakilkan dengan QT1 . QT2 . QT3. Pada tahap ini T diganti menjadi T m dikarenakan ini adalah temperatur saat koefisien transfer panas selama konduksi pada tahap kedua. Apabila digabungkan, maka didapat persamaan 2.13. QT = (h + hr)T . AT . (𝑇𝑚 - T∞) +

(𝑇𝑚 −𝑇∞ ) 𝑅𝑡

+ (ℎ +

(2.13)

ℎ𝑟 ) 𝑇𝑠 . 𝐴 . (𝑇𝑠 − 𝑇∞ ) Di tahap ini, total dari heat loss ditampilkan pada persamaan 2.14. Qt = mHf

(2.14)

Diketahui bahwa m adalah massa dari logam sedangkan Hf adalah panas pembentukannya. Ketika persamaan 2.13 dan 2.14 digabungkan akan menjadi persamaan 2.15


22 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS 𝑡2 =

m𝐻𝑓 (𝑇𝑚 − 𝑇∞ ) (h + hr ) 𝑇𝑚 . 𝐴 𝑇 . (𝑇𝑚 − 𝑇∞ ) + + (ℎ + ℎ𝑟 ) 𝑇𝑠 . 𝐴 𝑇 . (𝑇𝑠 − 𝑇∞ ) 𝑅𝑡

(2.15) Dimana t2 adalah waktu solidifikasi pada tahap kedua yaitu ketika logam berubah dari fasa liquid ke solid. Sehingga didapatkan waktu solidifikasi total yang ditampilkan pada persamaan 2.16. t = t 1 + t2

(2.16)

2.5. Proses Perpindahan Kalor Perpindahan kalor merupakan proses perpindahan energi dalam bentuk panas karena adanya perbedaan temperatur antara benda atau material. Perpindahan energi atau panas yang terjadi pada suatu material tentu memiliki kecepatan perpindahan energi yang lebih dikenal dengan laju perpindahan panas. Perpindahan kalor memiliki tiga bentuk mekanisme yaitu, konduksi, konveksi dan radiasi. Namun, dalam subbab ini hanya akan membahas mengenai mekanisme perpindahan kalor secara konveksi. 2.5.1. Perpindahan Kalor secara Konveksi Perpindahan panas secara konveksi merupakan jenis perpindahan panas yang disebabkan karena adanya aliran fluida dari daerah bertemperatur tinggi ke temperatur rendah. Contoh dari proses konveksi adalah pendinginan dari secangkir kopi. Aliran fluida pada konveksi dapat digerakkan secara bebas dan paksa. Oleh karena itu, konveksi diklasifikasikan menjadi dua berdasarkan cara menggerakkannya, yakni konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection). Konveksi bebas merupakan perpindahan panas yang terjadi karena adanya perbedaan massa jenis yang dipengaruhi oleh perbedaan


23 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS temperatur. Sedangkan konveksi paksa merupakan jenis konveksi yang disebabkan karena dipengaruhi oleh gaya luar atau pemaksa seperti pompa air. Dibawah ini merupakan gambar 2.2 yang menunjukkan arah aliran panas pada proses konveksi.

Gambar 2.2 Perpindahan panas konveksi (J.P. Holman, 1994)

2.6 Tegangan Termal Tegangan termal diperoleh dari hasil perubahan temperatur yang terjadi dalam suatu material pada selang waktu tertentu. Tegangan termal disebabkan oleh pendinginan cepat, karena temperatur di luar material lebih cepat mengalami perubahan daripada didalam material (Callister, 2009).





BAB III METODOLOGI 3.1 Metode Penelitian Mulai

Sifat-sifat paduan AA 6061 dan Geometri HCMR

Studi Proses Pengecoran

Pemodelan dengan ANSYS Mechanical ADPL 17.0

Analisa shrinkage dan crack pada hasil coran

Validasi Penelitian

Tidak

Ya

Analisa Data

Selesai

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian 25

26 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS 3.2 Spesifikasi Material 3.2.1 Material Al 6061 Paduan Al 6061 digunakan dalam penelitian ini sebagai material coran. Data-data diperoleh dari beberapa sumber yaitu American National Standards Institute. Sifat-sifat dan komposisi dari paduan Al 6061dijabarkan pada tabel 3.1, tabel 3.2 dan tabel 3.3 dibawah ini: Tabel 3.1 Komposisi paduan Alumunium 6061(Matweb.com)

Unsur Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn V Ti Lainnya

Persen (%) 0,4 – 0,8 0,7 0,15 – 0,4 0,15 0,8 – 1,2 0,04 – 0,35 0,35 0,25 0,1 0,15

Tabel 3.2 Konduktifitas termal, kapasitas panas spesifik serta massa jenis paduan Al 6061 (ASM, 2008) Temperatur (K)

Konduktifitas Termal (W/m.K)

303 373 473 573

180,8478 194,1307 209,7395 207,7282

BAB III Metodologi

Kapasitas Panas Spesifik (J/g.K) 0,8793191 0,9165871 0,9681271 1,0176671

Massa Jenis (Kg/m3) 2703,995 2689,925 2669,825 2649,725

27 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS 673 773 873 973 1015

212,3967 222,8456 245,9743 287,483 311,8405

1,0652071 1,1107471 1,1542871 1,1958271 1,2158471

2629,625 2609,525 2426,76 2398,76 2214,24

Tabel 3.3 Modulus elastisitas, poisson ratio (Comsol Material Library) serta koefisien ekspansi termal paduan Al 6061 (Comsol Material Library). Temperatur (K) 303 373 473 573 673 773 873 973 1015

Modulus Elastisitas (N/m2) 6,8799E+10 6,6390E+10 6,2695E+10 5,7715E+10 4,9578E+10 3,5574E+10 3,5574E+10 3,5574E+10 3,5574E+10

Poisson Ratio

CTE (1/K)

3,31E-01 3,32E-01 3,34E-01 3,40E-01 3,7E-01 3,94E-01 3,94E-01 3,94E-01 3,94E-01

2,24E+01 2,38E+01 2,56E+01 2,72E+01 2,87E+01 2,99E+01 2,99E+01 2,99E+01 2,99E+01

3.2.2. Material Cetakan Pasir Berikut ini adalah komposisi unsur penyususn dan beberapa sifat mekanik dari material pasir silika seperti pada tabel 3.4, tabel 3.5, tabel 3.6 : Tabel 3.4 Komposisi paduan pasir silika (Idrisa, 2013) Komposisi Nilai (%) SiO2 87,91 Al2O3 4,0 Fe2O3 0,4

BAB III Metodologi

28 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS CaO MgO Na2O K2O TiO2 Mn2O3 LOI

0,4 0,30 0,19 0,25 0,15 0,02 5,15

Tabel 3.5 Konduktifitas termal dan kapasitas panas spesifik (Touloukian, 1970) serta massa jenis cetakan pasir (COMSOL Material Library) Temperatur (K)

Konduktifitas Termal (W/m.K)

303 373 473 573 673 773 873 973 1015

0,02 0,783 1,873 2,963 4,053 5,143 6,233 7,323 8,413

Kapasitas Panas Spesifik (J/kg.K) 7315,576 8057,016 9116,216 10175,416 11234,616 12293,816 13353,016 14412,216 15471,416

Massa Jenis (Kg/m3) 1391,760205 1369,038746 1349,869384 1340,181578 1334,91849 1330,948109 1327,063261 1323,981602 1324,345621

Tabel 3.6 Modulus elastisitas dan poisson ratio (Comsol Materials Library) serta koefisien ekspansi termal cetakan pasir (Touloukian, 1970) Modulus CTE Temperatur Poisson Elastisitas (1/K) (K) Ratio (N/m2) 303 373

7,31E+10 7,39E+10

BAB III Metodologi

0,167113894 0,168085255

0,00000812 0.00001092

29 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS 473 573 673 773 873 973 1015

7,51E+10 7,61E+10 7,70E+10 7,76E+10 7,82E+10 7,86E+10 7,89E+10

0,170127237 0,173064368 0,176260754 0,178848158 0,180370354 0,181427470 0,184320347

0,00001492 0,00001892 0,00002292 0,00002692 0,00003092 0,00003492 0,00003892

3.3. Proses Penelitian Untuk membuat geometri pada penelitian ini menggunakan ANSYS Mechanical APDL 17.0 yang digunakan untuk menganalisa variasi ukuran runner dan bentuk riser pada proses pengecoran. Dalam penelitian ini menggunakan cetakan pasir silika. Pada penelitian kali ini terdapat perbedaan pada desain gating system yang kemudian dibedakan menjadi 4 model seperti pada tabel 3.7 dibawah ini. Tabel 3.7 Variasi desain gating system Cetakan Variabel Dimensi (m) 0,1524 Runner Panjang Model 1 Riser Diameter 0.0739 0,1524 Runner Panjang Model 2 Riser Diameter 0.081 Runner Panjang 0,0762 Model 3 Riser Diameter 0.0739 Runner Panjang 0,0762 Model 4 0.081 Riser Diameter

BAB III Metodologi


Gambar 3.2 Diagram alir pemodelan

BAB III Metodologi

31 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS Geometri yang digunakan pada pemodelan kali ini dapat dilihat pada gambar 3.3 : a

b

Gambar 3.3 Geometri material coran (a) tampak atas (b) tampak samping Tipe elemen yang digunakan pada penelitian ini adalah SOLID278 (brick 8node 278) untuk analisa termal dikarenakan tipe elemen ini memiliki kapabilitas di dalam konduksi termal tiga dimensi. Elemen ini memiliki 8 nodal dengan 1 buah derajat kebebasan dan temperatur setiap nodal. Sedangkan untuk analisa struktural, digunakan

BAB III Metodologi


elemen SOLID227 karena elemen ini dapat digunakan dalam analisa couple-field dari termal ke struktural. Couple-field digunakan untuk menganalisa 2 bidang analisa yaitu analisa termal dan struktural. Oleh karena itu, hasil analisa termal digunakan untuk melakukan analisa struktural Elemen ini memiliki 8 nodal dengan 7 derajat kebebasan. Geometri coran dan mold kemudian di meshing sesuai dengan tipe elemen dengan menggunakan mesh tool. Penelitian ini membutuhkan meshing yang sangat kecil untuk meningkatkan keakuratan. Hasil meshing geometri coran dan cetakan dapat dilihat pada gambar 3.4 dibawah ini:

Gambar 3.4 (a) Meshing dari material coran Al 6061(b) Meshing dari material cetakan (c) Meshing gabungan antara cetakan dengan Al 6061

BAB III Metodologi

33 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS Input dari sifat-sifat material dibagi dua yaitu untuk analisa termal serta struktural yang dapat dilihat pada gambar 3.5.

Gambar 3.5 Input sifat-sifat material

Setelah melakukan langkah-langkah tersebut, maka dimasukkan boundary condition pada pemodelan yang disesuaikan dengan kondisi asli jika dilakukan pengecoran secara eksperimen. Perpindahan panas yang terjadi pada proses pengecoran adalah konveksi, yang diletakkan pada bagian luar cetakan dimana akan berpengaruh kepada distribusi temperatur. Kemudian dianggap tidak ada inklusi benda asing di dalam rongga cetak, material cetakan serta material coran dianggap homogen, bagian dasar cetakan dianggap menyentuh tanah sehingga tidak terjadi konveksi

BAB III Metodologi

34 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS serta pengamatan berfokus pada fenomena yang terjadi pada riser dan rongga cetak. Heat flux diaplikasikan di dalam geometri cetakan, konveksi diaplikasikan pada bagian luar cetakan serta temperatur awal diaplikasikan baik pada coran maupun cetakan. Selama proses pengecoran, akan terjadi perpindahan panas dari material coran ke dalam cetakan yang menyebabkan logam cair akan kehilangan panas ketika dituangkan ke dalam rongga cetak. Sedangkan cetakan akan mengalami pertambahan panas dikarenakan transfer panas dari logam cair tadi. Untuk validasi pada penelitian ini menggunakan data yang diperoleh dari peneliti yang sedang mengerjakan eksperimen dari proses simulasi pengecoran ini dimana data yang diperoleh akan dibandingkan untuk melihat efeknya terhadap terjadinya shrinkage ataupun crack.

BAB III Metodologi

BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Penelitian kali ini telah melakukan beberapa kali simulasi pengecoran house moving contact resistor dengan metode elemen hingga berbahan dasar alumunium seri 6061. Dalam pelaksanaannya pemodelan dilakukan dalam 2 tahap. Pemodelan pertama yaitu melakukan analisa transien temperatur yang bertujuan untuk melihat distribusi temperatur serta proses pendinginan pengecoran dari setiap model. Pemodelan tahap selanjutnya adalah untuk mengetahui tegangan termal serta shrinkage yang terdapat pada setiap model. 4.1 Validasi Penelitian Dalam proses simulasi pada penelitian ini dilakukan validasi dengan proses eksperimen. Proses validasi dilakukan agar penelitian yang dilakukan dengan metode simulasi dapat dibandingkan dengan penelitian yang menggunakan metode eksperimen. Untuk proses validasi ini menggunakan ukuran gating system yang sama sehingga proses simulasi dan eksperimen dapat dibandingkan. Berikut ini merupakan pola tegangan termal dan penyusutan yang terjadi selama proses simulasi dapat dilihat pada gambar 4.1 dibawah ini.

35


(a)

(b) Gambar 4.1 Hasil simulasi tegangan termal (a) dan deformasi (b) coran pada detik 5400

BAB IV Analisa Data dan Pembahasan


Dibawah ini merupakan nilai tegangan termal pada beberapa waktu hingga pada waktu maksimum yang diperoleh dari hasil simulasi dengan ukuran geometri gating system yang sama pada proses eksperimen dapat dilihat pada tabel 4.1. Tabel 4.1 Nilai tegangan termal maksimum pada benda cor Waktu

Tegangan Termal

30

2,74E+08

90

2,75E+08

300

2,77E+08

900

2,79E+08

1800

2,80E+08

2700

2,81E+08

Berdasarkan data pada tabel diatas, dapat dilihat bahwa tegangan termal pada proses simulasi mengalami peningkatan sesuai pertambahan waktu hingga diperoleh tegangan termal maksimum sebesar 2,81E+08. Kemudian dibawah ini merupakan perbandingan nilai penyusutan antara simulasi dan eksperimen dapat dilihat pada tabel 4.2 Tabel 4.2 Nilai shrinkage coran antara simulasi dengan eksperimen Pengujian Nilai Shrinkage (mm3) Shrinkage % Simulasi 7006,1428 1,17 Eksperimen 11365,428 1,96

Dari tabel diatas, dapat diketahui bahwa nilai shrinkage pada proses simulasi lebih baik daripada nilai shrinkage yang terdapat pada proses eksperimen. Hal ini disebakan oleh kondisi ideal yang terjadi pada proses simulasi dan juga disebabkan faktor dari


38 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS propertis material coran yang berbeda antara proses simulasi dan proses eksperimen. 4.2 Analisa Termal Dalam analisa termal ini akan didapatkan distribusi temperatur, proses pendinginan pada coran, proses pemanasan pada cetakan pasir serta kurva pendinginan selama proses pengecoran berlangsung. Sifat-sifat material dibutuhkan dalam melakukan analisa termal. Sifat material yang mempengaruhi yaitu massa jenis, kapasitas panas dan konduktifitas termal. Massa jenis merupakan massa dibagi dengan volume. Kemudian kapasitas panas merupakan energi yang diperlukan untuk menaikkan panas suatu benda tiap satuan temperatur serta konduktifitas termal merupakan kemampuan suatu material untuk memindahkan energi per satuan panjang dan temperatur. Sehingga meningkatnya nilai konduktivitas menyebabkan perpindahan panas akan semakain cepat pada suatu material. Selain membutuhkan sifat material, simulasi penelitian ini juga memerlukan koefisien konveksi sebesar 11,45 W/m2.K. dan temperatur cetakan pasir sebesar 303 K. Kemudian untuk memudahkan dalam melakukan analisa dan simulasi maka bentuk geometri dibuat menjadi setengah. Simulasi ini juga menggunakan total waktu sebesar 2700 detik dengan step 5 detik. Hal ini dilakukan karena proses pengecoran Alumunium 6061 ini termasuk pendinginan cepat dan setelah melakukan beberapa kali percobaan step 5 detik merupakan step yang paling baik untuk dapat melihat proses penurunan temperatur dan total simulasi proses pendinginan 2700 detik karena pada detik tersebut temperatur pada coran sudah mendekati temperatur atmosfer.


39 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS Dalam penelitian ini selain memiliki pembatas termal, diberikan juga parameter simulasi transien yang sama pada keempat kondisi seperti tabel 4.3 dibawah ini. Tabel 4.3 Pengaturan simulasi transien termal

Total waktu simulasi Time Step

45 menit atau 2700 detik 5 detik

4.2.1. Perbandingan Kurva Pendinginan Coran Pada gambar 4.2 dibawah ini menunjukkan kurva pendinginan coran dari keempat model. Setiap model ditentukan titik koordinat yang sama agar terlihat perbedaan perubahan temperatur selama proses pendinginan dari setiap model yang ada.

903 703 503 303

5 150 295 440 585 730 875 1020 1165 1310 1455 1600 1745 1890 2035 2180 2325 2470 2615

Temperatur(oK)

Kurva Pendinginan Coran

Waktu(Detik) Model 1

Model 2

Model 3

Model 4

Gambar 4.2 Kurva perbandingan perubahan temperatur proses pendinginan pada keempat model coran

Berdasarkan data pada kurva diatas, terdapat empat grafik yang mana mewakili keempat model coran. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa coran mengalami penurunan temperatur sesuai dengan prinsip pendinginan. Penurunan temperatur ini terjadi


40 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS karena temperatur pada coran lebih tinggi dibandingkan dengan temperatur pada cetakan sehingga panas yang diterima oleh coran akan dialirkan menuju cetakan. Setiap model coran memiliki grafik pendinginannya masingmasing. Dari grafik dapat dilihat bahwa variasi model coran menentukan grafik pendinginan. Pada model 1 dan model 3 grafik pendinginan terlihat lebih rendah dikarenakan ukuran runner yang lebih panjang pada model 1 dan ukuran riser yang terlalu tinggi sehingga fluida coran membutuhkan waktu yang lebih lama menuju bagian inti coran yang menyebabkan temperatur inti coran lebih rendah dibandingkan dengan model 2 dan model 4. Untuk model 3 bentuk riser yang terlalu tinggi menyebabkan temperatur fluida pada inti coran lebih rendah dibandingkan dengan model 2 dan model 4. Pada model 2 dan model 4 grafik pendinginan memiliki nilai yang lebih tinggi. Hal ini terjadi karena pada model 2 ukuran riser tidak terlalu tinggi dan bentuknya yang mengikuti diameter benda coran sehingga tidak membutuhkan waktu yang terlalu lama untuk fluida coran menuju bagian inti coran. Untuk model 4 variasi yang terjadi adalah ukuran runner yang lebih pendek dan ukuran riser yang yang tidak terlalu tinggi dan memiliki diameter yang sama dengan benda coran sehingga fluida coran tidak membutuhkan waktu yang lama menuju bagian inti coran mengakibatkan temperatur coran masih berada pada temperatur yang lebih tinggi dibandingkan dengan temperatur coran pada model 1 dan model 3. Berikuti ini tabel 4.4 data perubahan temperatur pada gambar 4.2.


41 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS Tabel 4.4 Perbandingan temperatur proses pendinginan cor pada keempat model dalam beberapa detik Waktu Desain Saluran (Detik) Model 1 Model 2 Model 3 Model 4 (oK) (oK) (oK) (oK) 0 1015 1015 1015 1015 60 654,9 803,73 654,25 803,44 120 615,11 774,91 614,62 774,59 180 587,56 752,85 587,2 752,52 240 566,09 734,4 565,85 734,13 300 548,53 718,44 548,41 718,24 360 533,72 704,32 533,71 704,2 420 520,96 691,61 521,05 691,58 480 509,79 680,05 509,97 680,1 1800 402,61 540,8805 403,62 542,29 2100 391,08 522,56 392,18 524,17 2700 372,43 492,26 373,67 494,25

4.2.2. Perbandingan Kurva Perpindahan Panas pada Cetakan Dari gambar 4.3 dibawah ini dapat dilihat kurva pemanasan pada cetakan dengan variasi keempat model. Metode yang digunakan untuk menentukan titik koordinat pada model ini sama dengan menentukan kurva pendinginan yaitu dengan menentukan satu node pada bagian yang ingin dianalisa dalam hal ini adalah daerah cetakan. Kurva pemanasan cetakan dapat dilihat pada gambar 4.3 dibawah ini.



553 503 453 403 353 303 5 135 265 395 525 655 785 915 1045 1175 1305 1435 1565 1695 1825 1955 2085 2215 2345 2475 2605

Temperatur(oK)

Kurva Perpindahan Panas pada Cetakan

Waktu(Detik) Model 1

Model 2

Model 3

Model 4

Gambar 4.3 Kurva perubahan temperatur pada proses perpindahan panas pada cetakan dengan variasi keempat model coran

Proses pemanasan cetakan terjadi ketika panas yang berada pada coran diserap oleh cetakan pasir kemudian coran akan mengalami penurunan temperatur dan cetakan mengalami kenaikan temperatur. Kemudian cetakan akan kembali mengalami penurunan temperatur pada saat temperatur cetakan dan coran memiliki nilai yang hampir sama sehingga cetakan tidak mampu untuk menerima panas lagi yang mengakibatkan temperatur cetakan akan mengalami penurunan temperatur karena mengalami kontak dengan udara luar. Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa cetakan model 2 dan model 4 memiliki nilai temperatur pemanasan yang lebih tinggi. Hal ini berkaitan dengan desain coran yang mempengaruhi bentuk cetakan. Pada model 2 dan model 4 coran memiliki kurva pendinginan yang lebih tinggi yang mana apabila nilai kurva pendinginan lebih tinggi maka fluida coran memiliki temperatur lebih panas sehingga jumlah energi panas yang ditransfer menuju


43 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS cetakan lebih tinggi yang mengakibatkan cetakan memiliki temperatur yang lebih panas. Sebaliknya, model 1 dan model 3 memiliki temperatur fluida coran yang lebih rendah sehingga energi panas yang ditransfer menuju cetakan lebih kecil yang mengakibatkan pemanasan pada temperatur cetakan lebih rendah dibandigkan model 2 dan model 4. Dibawah ini merupakan tabel 4.5 data perubahan temperatur pada proses perpindahan panas dari coran ke cetakan. Tabel 4.5 Perbandingan temperatur proses perpindahan panas pada dari coran ke cetakan pada keempat model dalam beberapa detik Waktu Desain Saluran (Detik) Model 1 Model 2 Model 3 Model 4 (oK) (oK) (oK) (oK) 0 1015 1015 1015 1015 60 493,81 377,29 496,3 374,74 120 531,14 444,05 532,92 440,41 180 537,18 486,73 538,08 483 240 533,84 513,76 534,18 510,5 300 527,2 531,06 527,27 528,44 360 519,42 542,17 519,39 540,19 420 511,4 549,18 511,35 547,81 480 503,53 553,39 503,52 552,57 1800 405,44 509,05 406,39 513,34 2100 393,86 496,23 394,93 500,83 2700 375,12 473,35 376,37 478,27

4.2.3 Distribusi Temperatur Waktu yang diperlukan pada simulasi ini adalah 45 menit atau 2700 detik, kemudian dilakukan pengamatan distribusi temperatur seperti pada gambar 4.4 dibawah ini.



Gambar 4.4 Gambar distribusi temperatur proses solidifikasi tanpa variasi (a) 5 detik (b) 900 detik (c) 1800 detik (d) 2700 detik.

Pada gambar diatas dapat dilihat distribusi temperatur saat proses pendinginan cor dengan ukuran awal posisi runner dan riser. Bagian coran yang paling banyak bersentuhan dengan cetakan merupakan bagian awal terjadinya pembekuan. Pembekuan yang terjadi pada model pertama ini ditinjau dari 4 selang waktu yaitu (a) detik ke 5 dapat dilihat bahwa sprue mengalami pembekuan terlebih dahulu dikarenakan bentuk geometri yang sangat kecil menyebabkan panas akan diterima oleh pasir. Kemudian pembekuan selanjutnya terjadi di pouring basin karena mengalami kontak langsung dengan udara luar. Setelah itu, pembekuan berlanjut pada bagian runner dan sampai pada benda cor. Untuk benda cor proses pembekuan dimulai dari bagian bawah coran karena bagian tersebut yang pertama kali terisi dengan fluida coran. Lalu, berlanjut menuju bagian inti coran dan sampai pada bagian atas coran yang merupakan riser dari coran


45 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS tersebut. Pembekuan terakhir pada riser merupakan hal yang baik karena akan mencegah cacat pengecoran seperti shrinkage. Selanjutnya (b) detik ke 900 gambar 4.1 sprue dan pouring basin sudah mendekati temperatur 373-473K. Namun, runner dan coran masih berada pada temperatur 473-573K . Pada (c) detik ke 1800 gambar 4.1 coran dan setengah bagian runner masih berada pada temperatur 373-473K. Dan pada (d) detik 5400 gambar 4.5 kondisi coran sudah hampir mendekati temperatur kamar hanya pada bagian riser masih berada pada temperatur 473K.

Gambar 4.5 Gambar distribusi temperatur proses solidifikasi dengan variasi bentuk riser (a) 5 detik (b) 900 detik (c) 1800 detik (d) 2700 detik.

Pada model yang ke dua ini, distribusi temperatur dapat dilihat pada gambar 4.5 dalam 4 selang waktu. Pada (a) detik ke 5 dapat dilihat bagian inti coran masih berada pada rentang temperatur 973-1015 dimana bagian tersebut masih belum mengalami proses pendinginan yang cukup signifikan. Hal ini disebabkan tinggi riser yang tidak terlalu tinggi sehingga riser tidak langusng mengalami kontak dengan udara luar. Apabila


46 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS dibandingkan dengan sprue sudah mengalami pendinginan yang cukup cepat yang mana sudah berada pada temperatur 473-573. Sedangkan pouring basin berada pada temperatur 673-773. Pada (b) detik ke 900 bagian coran sudah mengalami proses pendinginan yaitu pada temperatur 673K. Sedangkan pada bagian pouring basin,sprue dan runner pada temperatur 473-573K. Untuk (c) detik ke 1800 pouring basin dan hampir sepenuhnya bagian sprue sudah berada pada temperatur 373K. Bagian coran dan runner berada pada temperaur 473-573K. Hal ini tidak jauh berbeda pada (d) detik ke 2700 yang mana coran masih berada pada temperatur 473-573K namun sudah hampir sepenuhnya berada pada 473K.

Gambar 4.6 Gambar distribusi temperatur proses solidifikasi dengan variasi posisi runner (a) 5 detik (b) 900 detik (c) 1800 detik (d) 2700 detik


47 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS Pada model yang ketiga ini dapat dilihat pada gambar 4.6 diatas, (a) 5 detik sprue kembali mengalami pendinginan lebih awal yaitu temperatur 573-473K yang mana saat yang sama coran berada pada temperatur 873-773K. Sedangkan pouring basin masih berada pada temperatur 673-773K. Namun, pada (b) 900 detik pouring basin telah mencapai temperatur 373K dan coran serta semua bagian gating system kecuali pouring basin berada pada temperatur 473-573K. Dalam (c) detik ke 1800 bagian pouring basin dan sprue sudah berada pada temperatur 373K. Namun, runner dan coran masih tetap berada pada rentan 473K. Untuk (d) detik ke 2700 bagian riser memiliki temperatur tertinggi sekitar 473K sedangkan untuk bagian gating system sudah mendekati temperatur kamar.

Gambar 4.7 Gambar distribusi temperatur proses solidifikasi dengan variasi posisi runner dan ukuran riser (a) 5 detik (b) 900 detik (c) 1800 detik (d) 2700 detik


48 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS Pada gambar 4.7 merupakan distribusi temperatur proses solidifikasi dengan variasi model keempat. Dapat dillihat pada (a) detik ke-5 coran masih memiliki temperatur yang sangat tinggi sebesar 973-1015K. Hal seperti ini dapat juga dilihat pada model yang kedua. Ini disebebabkan karena variasi dari riser yang memiliki ukuran yang tidak terlalu tinggi dan pada model keempat ini digunakan variasi posisi runner dan ukuran riser yang menyebabkan fluida coran lebih cepat berada pada bagian inti coran. Dalam (b) detik ke 900 bagian coran sudah mengalami proses pendinginan dan berada pada temperatur 673-773K serta gating system berada pada temperatur 573-673K. Pada (c) detik ke 1800 coran dan gating system masih berada pada temperatur 473-573K. Untuk (d) detik ke 2700 hanya pouring basin yang sudah mencapai temperatur 373K sedangkan untuk sprue,runner dan coran masih berada pada temperatur 373-473K. Model keempat ini mengalami pendinginan yang lebih lama dibandingkan dengan model lain karena variasi posisi runner dan ukuran riser. Pada gambar 4.8 dibawah ini merupakan distribusi temperatur proses perpindahan temperatur pada cetakan dengan variasi model pertama yang berada pada bagian cetakan. Dari gambar 4.5 (a) detik ke 5 dapat kita lihat bahwa fluida coran mengalir begitu cepat sehingga bagian inti coran mengalami pemanasan yang cukup tinggi. Pada (b) detik ke 900 pemanasan mulai menyebar secara merata menuju bagian cetakan yang lainnya. Kemudian pada (c) detik 1800 dan (d) detik ke 2700 pemanasan masih terus berlanjut hingga menuju runner dan sprue bagian bawah.



Gambar 4.8 Distribusi temperatur perpindahan panas dari coran ke cetakan dengan variasi model 1 (a) 5 detik (b) 900 detik (c) 1800 detik (d) 2700 detik

Berikutnya pada gambar 4.9 terjadi distribusi temperatur proses pemanasan dengan variasi model 2 pada bagian cetakan. Dari gambar 4.6 diketahui bahwa pada (a) detik ke 5 pemanasan sangat jelas terlihat pada bagian inti coran dan juga riser sedangkan pada bagian pouring basin, sprue sudah terlebih dahulu mengalami pendinginan. Pada (b) detik ke 900 pemanasan terus berlanjut pada bagian coran yang kemudian panas terus merambat menuju gating system. Dan untuk (c) detik ke 1800 serta (d) detik ke 2700 terjadi kondisi cetakan pada bagian coran masih berada pada temperatur yang cukup panas namun untuk (c) detik ke 1800 daerah pouring basin dan sprue menunjukkan penurunan temperatur.



Gambar 4.9 Distribusi temperatur perpindahan panas dari coran ke cetakan dengan variasi model 2 (a) 5 detik (b) 900 detik (c) 1800 detik (d) 2700 detik

Pada gambar 4.10 dibawah ini terjadi distribusi temperatur proses pemanasan dengan variasi model 3 pada bagian cetakan. Fenomena pemanasan yang terjadi pada bagian cetakan ini sedikit berbeda dibandingkan dengan variasi model lainnya. Bagian cetakan yang mengalami pemanasan awal yang begitu cepat yaitu daerah riser (a) detik ke 5. Kemudian untuk (b) detik ke 900 pemanasan berlanjut pada daerah coran dan runner sama seperti yang terjadi pada (c) detik ke 1800 namun pada detik ini daerah cetakan disekitar coran mengalami kenaikan temperatur dibandingkan detik ke 900. Untuk (d) detik ke 2700 seluruh bagian coran dan gating system mengalami pemanasan yang maksimum. Dan panas akan terus merambat menuju bagian luar cetakan.



Gambar 4.10 Distribusi temperatur perpindahan panas dari coran ke cetakan dengan variasi model 3 pada bagian cetakan (a) 5 detik (b) 900 detik (c) 1800 detik (d) 2700 detik

Pada gambar 4.11 ini juga menunjukkan distribusi temperatur proses pemanasan pada bagian cetakan dengan variasi model 4. Dalam (a) detik ke 5 dapat dilihat bahwa daerah bagian tengah coran memiliki temperatur pemanasan tertinggi. Kemudian (b) detik ke 900 (c) 1800 dan (d) 2700 memiliki fenomena pemanasan yang sama yang mana pemanasan tertinggi terjadi pada daerah coran dan runner. Perbedaan dari ketiga selang waktu ini hanya terletak pada bagian pemanasan di daerah luar pinggiran coran. Detik ke 900 daerah sekitar coran belum mengalami pemanasan yang cukup maksimum. Pada detik ke 1800 dan 2700 pemanasan di daerah sekitar coran baru mencapai kondisi yang maksimum.



Gambar 4.11 Distribusi temperatur perpindahan panas dari coran ke cetakan dengan variasi model 4 pada bagian cetakan (a) 5 detik (b) 900 detik (c) 1800 detik (d) 2700 detik

Proses perpindahan temperatur pada dari coran menuju cetakan merupakan proses konveksi. Proses konveksi dipengaruhi oleh koefisien konveksi, luas permukaan dan juga perbedaan temperatur. Perpindahan panas secara konveksi merupakan jenis perpindahan panas yang disebabkan karena adanya aliran fluida dari daerah bertemperatur tinggi ke temperatur rendah. Aliran fluida pada konveksi dapat digerakkan secara bebas dan paksa. Pada proses pengecoran, aliran konveksi yang terjadi adalah aliran konveksi secara bebas karena terdapat perbedaan massa jenis yang dipengaruhi oleh perbedaan temperatur. Pada proses pengecoran terdapat distribusi dari temperatur tinggi menuju temperatur rendah yaitu pada proses perpindahan temperatur dari coran menuju cetakan. Perbedaan temperatur yang tinggi antara coran dan cetakan menyebabkan proses konveksi berlangsung cukup cepat. Perpindahan temperatur dari coran menuju cetakan memiliki batas


53 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS maksimum yaitu pada saat temperatur cetakan memiliki temperatur yang lebih tinggi dibandingkan temperatur coran. Kondisi seperti ini mengakibatkan proses konveksi terjadi dari cetakan menuju coran. 4.2.4. Gradien Temperatur Perubahan temperatur dalam rentang waktu tertentu yang terjadi pada suatu sistem disebut gradien temperatur. Gradien temperatur yang terjadi pada simulasi ini menggambarkan arah terjadinya pendigingan pada coran. Berikut ini gambar 4.12 merupakan gradien temperatur dari seluruh model saat detik 60 dan 5400. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa gradien temperatur dari seluruh variasi model memiliki tren arah yang sama menuju ke atas ke bagian material coran.









Gambar 4.12 Gradien temperatur pada model 1 pada detik ke (a) 60 dan detik ke (b) 5400; model 2 detik ke(c) 60 dan detik ke(d) 5400; model 3 detik ke(e) 60 dan detik ke(f) 5400; model 4 detik ke(g) 60 dan detik ke(h) 5400

4.3. Analisis Struktural Pada bagian ini akan membahas mengenai analisis struktural yang merupakan lanjutan dari subbab sebelumnya. Tujuan melakukan analisis struktural adalah untuk melakukan analisa tegangan termal yang kemudian akan dilihat bagaimana hubungannya terhadap shrinkage yang terjadi selama proses pengecoran. Tegangan termal pada coran dapat terjadi disebabkan terjadinya perubahan temperatur yang tidak merata. Tegangan termal juga mempertimbangkan hasil analisa perpindahan panas seperti distribusi temperatur nodal, perubahan sifat material yang disebabkan oleh jangka waktu dan temperatur, penuaian dan penyusutan, kekakuan suatu benda, dan sebagainya. Hal yang


58 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS disebutkan diatas dapat menyebabkan terjadinya deformasi pada coran. Analisis struktural juga membutuhkan sifat material sama halnya dengan analisis termal namun dalam analisa ini hanya menambahkan beberapa sifat material seperti poisson ratio, modulus elastisitas, dan koefisien ekpansi termal. Poisson ratio adalah perbandingan dari perubahan arah aksial dengan perubahan arah transversal. Poisson ratio merupakan konstanta elastisitas yang dimiliki oleh setiap material. Sebuah material yang diberikan gaya satu arah, ditarik maupun ditekan, akan mengalami perubahan bentuk. Modulus elastisitas adalah sebuah ukuran yang digunakan untuk merepresentasikan kekakuan suatu bahan. Semakin besar nilai modulus elastisitas, maka semakin kecil regangan elastisitas yang dapat dihasilkan dari pemberian tegangan. Dan koefisien ekspansi termal adalah perubahan panjang maupun volume dari suatu material pada satu unit temperatur. Simulasi ini dilakukan dengan bentuk geometri yang dibuat setengah dari bentuk aslinya yang bertujuan untuk mempermudah simulasi dari proses pengecoran. Dalam analisa struktural ini digunakan metode couple-field. Metode ini digunakan karena analisa struktural merupakan penggabungan antara dua bidang yang berbeda yaitu termal dan struktural. Kemudian dikarenakan pada bagian bawah cetakan menyentuh tanah, nilai displacement diberikan 0 karena dianggap tidak terjadi displacement. Setelah itu, diberikan symetri boundary condition pada bagian depan cetakan. Lalu, memasukkan hasil analisa termal kedalam analisa struktural. Simulasi ini juga menggunakan total waktu sebesar 5400 dengan step 90 detik. Hal ini dilakukan untuk dapat melihat tegangan termal maksimum yang terjadi pada coran. Dan juga pada detik 5400 merupakan waktu dimana coran mengalami pendinginan


59 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS maksimum sedangkan step 90 detik untuk mempermudah dalam proses pengambilan data. Pada tahap akhir diberikan parameter simulasi transien dengan nilai yang sama pada keempat kondisi seperti pada tabel 4.6 dibawah ini Tabel 4.6 Pengaturan simulasi transien struktural

Total waktu simulasi Number od sub-step

1.5 jam atau 5400 detik 90

4.3.1 Tegangan Termal Setelah dilakukan penentuan titik koordinat pada salah satu bagian coran maka dilakukan analisa dengan menggunakan analisa tegangan Von Mises. Berikut ini merupakan nilai tegangan termal dari keempat model coran yang dapat dilihat pada gambar 4.13 dan tabel 4.7 untuk melihat nilai tegangan termal dalam beberapa selang waktu.

4,50E+08 4,00E+08 3,50E+08 3,00E+08 2,50E+08 2,00E+08 1,50E+08

60 360 660 960 1260 1560 1860 2160 2460 2760 3060 3360 3660 3960 4260 4560 4860 5160

Tegangan Termal (Pa)

Kurva Tegangan Termal

Waktu (Detik) Model 1

Model 2

Model 3

Model 4

Gambar 4.13 Kurva perbandingan nilai tegangan termal pada keempat model



Tabel 4.7 Perbandingan tegangan termal pada keempat model selama proses pendinginan Waktu Desain Saluran (Detik) Model 1 Model 2 Model 3 Model 4 (Pa) (Pa) (Pa) (Pa) 60 2,88E+08 4,14E+08 1,82E+08 4,30E+08 300 2,91E+08 4,17E+08 1,84E+08 4,35E+08 600 2,93E+08 4,19E+08 1,85E+08 4,36E+08 900 2,93E+08 4,20E+08 1,86E+08 4,37E+08 1800 2,94E+08 4,22E+08 1,86E+08 4,39E+08 2700 2,95E+08 4,22E+08 1,87E+08 4,40E+08 3600 2,95E+08 4,23E+08 1,87E+08 4,40E+08 4500 2,95E+08 4,23E+08 1,87E+08 4,41E+08 5400 2,95E+08 4,24E+08 1,87E+08 4,41E+08

Dari gambar 4.12 dan tabel 4.7 diatas dapat dilihat bahwa nilai tegangan termal sebanding dengan berjalannya waktu. Hal ini dapat terjadi karena selama proses solidifikasi tegangan yang berada pada coran tidak mampu untuk keluar dari coran karena energi panas yang dibutuhkan untuk melepaskan tegangan tersebut akan menurun yang disebabkan terjadinya distribusi temperatur dari coran menuju cetakan. Dari keempat model coran, pada detik 5400 model keempat memiliki tegangan termal terbesar dengan nilai 4,41E+08 Pa. Hal ini disebabkan bentuk geometri coran yang menyebabkan begitu banyaknya tegangan termal yang terperangkap pada beberapa bagian coran. Tegangan termal terbesar selanjutnya dimiliki oleh model 2. Sama seperti pada model 4,ini disebabkan oleh bentuk sistem saluran dari coran tersebut. Model 2 dan 4 memiliki diameter riser yang cukup besar namun ketinggian dari riser tersebut terlalu rendah. Hal ini lah yang menyebabkan kedua model ini memiliki tegangan termal yang cukup tinggi. Kemudian model


61 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS 1 dan 3 masing-masing memiliki nilai tegangan termal sebesar 2,95E+08 dan 1,87E+08. Pada model 1 dan 3 terdapat riser yang cukup tinggi namun tidak memiliki diameter yang cukup besar. Hal ini lah yang menyebabkan terdapat tegangan termal pada kedua model ini. Berikut ini gambar 4.14 merupakan distribusi tegangan termal yang terdapat pada keempat model.



Gambar 4.14 Distribusi tegangan termal pada (a) model 1, (b) model 2, (c) model 3, (d) model 4 pada detik ke 5400.


63 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS 4.3.2. Shrinkage

Shrinkage merupakan penyusutan pada daerah tertentu yang dapat menimbulkan cacat coran berupa rongga-rongga atau retak. Penyusutan dimulai pada saat coran mulai mengalami proses pendinginan yang mengakibatkan volume akhir coran menjadi berkurang. Selain coran, cetakan pun mengalami penyusutan selama proses pendinginan tersebut. Proses simulasi dilakukan bertujuan untuk mengetahui terjadinya proses penyusutan pada coran. Penyusutan atau shrinkage terjadi karena terdapat kontraksi saat solidifikasi dan saat fasa solid. Bagian coran yang mengalami kontraksi paling akhir yang akan membentuk rongga dikarenakan sudah kehabisan logam cair. Dibawah ini merupakan gambar 4.15 menunjukkan deformasi yang terjadi pada coran.





Gambar 4.15 Deformasi yang terjadi pada daerah coran (a) model 1 (b) model 2 (c) model 3 (d) model 4

Berdasarkan gambar 4.15 diatas dapat diketahui bahwa pada model 4 terjadi deformasi terbesar. Hal ini sebanding dengan nilai tegangan termal yang juga memiliki nilai yang paling besar dari semua model. Dan model 3 merupakan model yang mengalami deformasi paling kecil. Hal ini juga sebanding dengan nilai tegangan termal model tersebut yang juga memiliki nilai paling kecil dari semua model. Hal ini disebabkan oleh riser yang dimiliki model ini cukup tinggi sehingga ketika terjadi proses pendinginan atau proses solidifikasi masih banyak terdapat logam cair yang mampu untuk mengisi bagian coran yang paling akhir membeku. Karena volume riser yang dimiliki oleh model 1 dan 3 lebih besar dibandingkan dengan volume riser yang dimiliki oleh model 2 dan 4. Oleh karena itu, model 3 merupakan model yang penyusutannya paling kecil.


66 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS Setelah diperoleh nilai deformasi dari setiap titik koordinat, maka dilakukan penghitungan volume akhir. Kemudian untuk memperoleh nilai shrinkage, volume awal coran dikurangi dengan volume akhir coran yang telah dihitung tadi. Pada tabel 4.8 dibawah ini merupakan nilai shrinkage dari setiap model coran yang telah dihitung. Tabel 4.8 Shrinkage maksimum yang terjadi selama proses pengecoran Desain Sistem Saluran Shrinkage yang terjadi (mm3) Model 1 6564,146 Model 2 7609,074 Model 3 6540,976 Model 4 7825,691

4.3.3 Perbandingan Massa Jenis di Dalam Coran pada Beberapa Waktu Pada subbab ini akan membahas pengaruh penyusutan terhadap nilai massa jenis. Pada prinsipnya, massa jenis merupakan jumlah massa dibagi per satuan volume. Jadi nilai massa jenis akan berubah jika dipengaruhi oleh massa dan volume. Massa jenis dan volume memliki perbandingan terbalik sehingga ketika volume semakin kecil maka nilai massa jenis suatu spesimen akan bertambah besar dan begitu pula sebaliknya dengan kondisi massa yang tetap. Dalam proses simulasi pengecoran ini massa dari material dianggap tetap yang berubah adalah volume dari coran. Volume coran berubah karena terjadi proses pendinginan yang menyebabkan volume coran mengalami penyusutan. Di bawah ini merupakan tabel 4.9 yang berisi beberapa data dari volume coran dalam beberapa rentang waktu.



Tabel 4.9 Volume Material Coran pada Berbagai Waktu Waktu (detik) 0

Volume Akhir Cor (m3) Model 1

Model 2

Model 3

Model 4

0,008835696

0,008835696

0,008835696

0,008835696

1800

0,000525728

0,000524813

0,000525745

0,000524625

3600

0,0005257067

0.000524783

0,0005257265

0,000524601

5400

0,000525692

0,000525692

0,000525692

0,000525692

Setelah memperoleh volume coran dalam beberapa rentang waktu maka diperoleh nilai massa jenis dari tiap model cora seperti yang dapat dilihat pada gambar 4.16 dibawah ini.

Gambar 4.16 Kurva Kenaikan Massa Jenis pada Coran

Berdasarkan tabel 4.9 dan gambar 4.16, dapat diketahui bahwa semakin lama waktu pendinginan maka penyusutan akan semakin besar. Dan ketika volume mengalami penyusutan akan diikuti dengan kenaikan massa jenis. Dari keempat model tersebut, model ketiga memiliki nilai volume akhir terbesar. Hal ini


68 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS menyebabkan model ini memiliki nilai shrinkage terkecil dan begitu pula sebaliknya. Model keempat memiliki nilai volume akhir terkecil sehingga model ini merupakan model dengan penyusutan terbesar. 4.4 Kualitas Cetakan Kualitas coran dipengaruhi oleh desain dari gating system. Untuk melihat efisiensi serta kualitas dari suatu cetakan dapat menggunakan yield. Yield merupakan persentase dari massa atau volume coran yang baik dari keseleruhan logam yang dilebur. Nilai yield berpengaruh terhadap biaya yang diperlukan untuk melakukan proses pengecoran. Nilai yield yang tinggi berdampak pada biaya yang dibutuhkan untuk proses pengecoran lebih sedikit karena logam yang harus dilebur kembali menjadi lebih sedikit. Dibawah ini tabel 4.10 merupakan formula untuk mencari nilai dari kualitas cetakan. Tabel 4.10 Formula Kualitas Cetakan Pengecoran Jenis Formula Quality Feeding Efficiency

volume coran yang bebas dari shrinkage volume cetakan volume shrinkage volume riser

Setelah mencari nilai kualitas coran dan feeding efficiency dengan formula pada tabel 4.10 maka diperoleh nilai seperti pada tabel 4.11.


69 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS Tabel 4.11 Nilai Kualitas Cetakan Pengecoran Desain Saluran Variabel Model 1 Model 2 Model 3 Quality 98,89% 98,72% 98,90% Feeding 0,32% 0,73% 0,317% Efficiency

Model 4 98,68% 0,76%

Dari tabel 4.11 dapat dilihat kualitas hasil coran dari keempat model secara berurutan sebesar 98,89%; 98,72%; 98,9%; 98,68%. Berdasarkan hasil tersebut, bahwa coran memiliki kualitas yang bagus, namun bukan berarti efisiensi yang dimiliki oleh cetakan memiliki nilai yang tinggi Kemudian untuk nilai feeding efisiensi dari keempat model secara berurutan sebesar 0,32%; 0,73%; 0,317%; 0,76%. Hal ini berarti riser yang dimiliki masing-masing model hanya dapat mengisi sebesar 0,32%; 0,73%; 0,317%; 0,76% kekosongan yang disebabkan oleh shrinkage pada cetakan pasir. Kondisi dapat terjadi karena riser yang dimiliki oleh masing-masing model tidak memiliki volume yang cukup besar sehingga riser tidak mampu untuk mengisi kekosongan yang disebabkan shrinkage. 4.5 Analisa Kegagalan dari Berbagai Model Sistem Saluran Dalam subbab ini akan membahas beberapa data yang diperoleh setelah melakukan analisa untuk memilih sistem saluran yang terbaik ketika melakukan proses pengecoran. Data yang diperoleh dapat dilihat pada tabel 4.12.


70 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS Tabel 4.12 Perbandingan Keseluruhan Hasil Coran dari Berbagai Model Sistem Salauran setelah 5400 detik Jenis Sistem Shrinkage Tegangan Termal Saluran (mm3) (Pa) Model 1 6564,146 2,95E+08 Model 2 7609,074 4,24E+07 Model 3 6540,976 1,87E+07 Model 4 7825,691 4,41E+07

Berdasarkan data dari tabel 4.12 tersebut, bahwa model 3 memiliki nilai shrinkage terkecil sebesar 6540,976 mm3 dan hal ini sebanding dengan nilai tegangan termal yang terendan yang dimilikinya sebesar 1,87E+07 Pa. Sedangkan untuk nilai shrinkage terbesar dimiliki oleh model 4 sebesar 7825,691mm3 dengan nilai tegangan termal tertinggi sebesar 4,41E+08 Pa. Berdasarkan nilai tegangan termal yang diperoleh, dapat diketahui cacat patahan yang terjadi selama proses pendinginan. Menurut kriteria Von Mises, patahan dapat terjadi jika nilai tegangan lebih besar dibandingkan dengan nilai ultimate strength material tersebut. Pada simulasi proses pengecoran ini, Alumunium 6061 memiliki yield strength sebesar 4,60+08. Nilai tersebut lebih besar dibandingkan dengan nilai tegangan termal material coran pada simulasi ini sehingga coran tidak akan mengalami patahan selama proses pendinginan.


BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil dan analisa data dari penelitian ini, dapat ditarik kesimpulan : 1. Tegangan termal maksimum terdapat pada model 4 dengan nilai 4.41E+08 Pa. Dan nilai tegangan termal minimum terdapat pada model 3 dengan nilai 1.87E+08. Benda cor memiliki nilai tegangan termal yang lebih kecil dibandingkan dengan nilai ultimate strength dari material sehingga tidak terjadi crack pada keempat model gating system. 2. Tegangan termal sangat berpengaruh terhadapa shrinkage. Jika nilai tegangan termal tinggi maka nilai shrinkage juga akan tinggi. Nilai shrinkage dari model 1 sampai model 4 berurutan yaitu : 6564,146 mm3; 7609,074 mm3; 6540,976 mm3; 7825,691 mm3. Model 3 merupakan sistem saluran yang paling baik karena memiliki nilai shrinkage yang paling kecil dibandingkan model lainnya sebesar 6540,976 mm3. Seluruh model gating system memiliki nilai shrinkage dibawah toleransi kecuali model keempat yang memiliki nilai shrinkage diatas toleransi penyusutan. 5.2 Saran Berikut ini merupakan saran dari penulis mengenai penelitian ini: 1. Perlu diadakan penelitian lebih lanjut seperti analisa fluida mengenai simulasi pengecoran. Sehingga bisa melihat bentuk aliran cor masuk ke dalam cetakan dan mengetahui cacat cor seperti porositas. 2. Perlu dilakukan pembuatan desain baru yang lebih efisien agar hasil coran mendekati 100%. 71

72 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS 3. Perlu dilakukan simulasi dengan menggunakan cetakan die casting untuk membandingkan dengan sand casting. 4. Perlu dilakukan simulasi elektrik agar diperoleh nilai konduktifitas listrik dari coran.

BAB V Kesimpulan dan Saran

Daftar Pustaka Alawadhi, E. (2010). Finite Element Simulations Using ANSYS. New York: CRC Press. Bahtiyar. (2016). Analisa Proses Perpindahan Panas pada Pengecoran Paduan Al-12%si dengan Metode Elemen Hingga. Digilib ITS, 6-65. Callister, W. (2009). Materials Science and Engineering an Introduction Eight Edition. US: John Wiley & Sons, Inc. Campbell, J. (2003). The New Metallurgy of Cast Metals Castings Second Edition. UK: University of Birmingham. Choudari. (2013). Methoding and Simulation of LM 6 Sand Casting for Defect Minimization with its Experimental Validation. Procedia Engineering, 3-8. Comsol Materials Library Dezecot. (2016). 3D characterization and modeling of low cycle fatigue damage mechanisms at high temperature in a cast aluminum alloy. Acta Materialia, 1-4. Holman, J. (2009). Heat Transfer Tenth Edition. New York: McGraw-Hill Education. Matweb. (2017, June 24). Diambil kembali dari Matweb.com: http://www.matweb.com/ Saito. (2005). Pengetahuan Bahan Teknik. Jakarta: Pradnya Paramita. Septian, R. (2011). Gating System Design Optimization for Sand Casting . Journal UI.

73

74 Laporan Tugas Akhir Departemen Teknik Material FTI-ITS Setyaji. (2012). Pengaruh Temperatur Tuang Stir Casting terhadap Densitas, Porositas, Konduktivitas Termal dan StrukturMikro pada Komposit Alumunium yang Diperkuat Serbuk Besi . Ejournal.Undip. Surdia. (2000). Teknik Pengecoran Logam. Jakarta: Pradnya Paramita. Taufik, R. (2013). Thermal Expansion Model for Cast Aluminium Silicon Carbide . Elsevier. Touloukian, Y. (1970). Thermophysical Properties of Matter Volume 2 : Thermal Conductivity Non Metallic Solid. New York: Plenum Publishing Corporation. Touloukian, Y. (1970). Thermophysical Properties of Matter Volume 5 : Spesific Heat Non Metallic Solid. New Yorik: Plenum Publishing Corporation. Valencia. (2008). ASM Handbook. Concurrent Technologies Corporation: ASM International. Vijayaram. (2005). Computer Simulation Of Solidification Of Casting Processed in Metallurgical Engineering Foundrie. Indian Foundry, vol 51. Voghasia, D. (2009). Gating System Design Optimization for Sand Casting . M. Tech. Yang, G. (2014). Simulation of temperature and stress in 6061 aluminum alloy during online quenching process. Science Direct, 2-4.

LAMPIRAN 1. Perhitungan Desain Sistem Saluran Model 1 Element Cast

Satuan Height (m) Diameter (in) (m) Diameter (out) (m) Sprue Bottom Area (m2) Top Area (m2) Length (m) Pouring Basin Depth (m) Area (m2) Sprue Basin/well Depth (m) Area (m2) Runner/gate (round) Length (m) Area (m2) Riser (round) diameter (m) Volume(m3)

0,10135 0,1478 0,162 7,54296E-05 0,000263772 0,12 0,04 0,038326 0,0392 0,000377148 0,1524 0,000301719 0,081000000 0,001030077

Model 2 Element Cast

Satuan Height (m) Diameter (in) (m) Diameter (out) (m) Sprue Bottom Area (m2) Top Area (m2) Length (m) Pouring Basin Depth (m) Area (m2) Sprue Basin/well Depth (m) Area (m2) Runner/gate (square) Length (m) Area (m2) Riser (square) Dimaeter (m) Volume (m3)

0,10135 0,1478 0,162 0,0001523 0,0002638 0,12 0,04 0,038326 0,0392 0,0007614 0,1524 0,0006092 0,0739 0,0020578

2. Perhitungan Shrinkage dan Volume Akhir Cor setelah Simulasi V.awal = Vdiameter besar – Vdiameter kecil Vdiameter total = π x r2 x t Vawal=(3.14*0.081^2*0.0259)+(3.14*0.014^2*0.10035) shrinkage = V.awal – V.akhir • Model 1 r1= (-8.10E-02- -1.24E-02)/2= -8.07523575E-02 t1=( -1.24E-02+-1.25E-02)/2=-1.24E-02 r2=( -1.40E-02- 1.39E-02)/2= -0.01395529405 t2=( 1.131148E-01+ 1.13E-01)/2= 0.1131165 r3= -0.08074371515 t3= 0.009884342

Vakhir=(3.14*0.0807523575^2*0.012413433)+(3.14*0.013 95529405^2*0.1131148)+(3.14*0.08074371515^2*0.00988 4342) = 0.000588775143796339 mm3 Shrinkage = 0.0005953394 mm3 - 0.000588775143796339 mm3 = 0.000006564146203661 mm3 •

Model 2 r1= -0.080629953 t1=-1.24E-02 r2= -0.0139731242 t2=0.11311 r3= -0.080672031 t3= 0.009909086 Vakhir=(3.14*0.080629953^2*0.012389484)+(3.14*0.013973124 2^2*0.113118884)+(3.14*0.080672031^2*0.009909086) =0.00058773021569 mm3 Shrinkage = 0.0005953394 mm3 - 0.00058773021569 mm3 = 0.00000760907431mm3 • Model 3 r1= -0.0807428215 t1= -0.0124174595

r2=-0.01395385105 t2=0.1131162125

r3=-0.0807337975 t3=0.0098873535 Vakhir=(3.14*0.0807428215^2*0.0124174595)+(3.14*0.0139538 3105^2*0.1131162125)+(3.14*0.0807337975^2*0.0098873535) = 0.000588798314m3 Shrinkage = 0.0005953394 m3 - 0.000588798314m3 = 0.00000654097m3 • Model 4 r1= - -8.0621069E-02 t1=-0.012393606 r2=-0.013951814 t2=0.113119656 r3=-0.0806617865 t3=0.0099119495 Vakhir=(3.14*0.080621069^2*0.012393606)+(3.14*0.01395^2*0 .113119656)+(3.14*0.080661786^2*0.0099119495) = 0.000587513599m3 Shrinkage = 0.0005953394 m3 – 0.000587513599m3 = 0.00000782569m3 3. Kualitas Cetakan Model 1 Feeding yield : Quality :

Model 2

0.0005953394𝑚3 x100% 0.002057784 𝑚3

= 0.318991033 %

0.000588775143796339 m3 𝑥100% 0.0005953394 𝑚3

= 98.89 %

Feeding yield : Quality :

0.00000760907431 𝑚3

x100% = 0,73 %

0.001030077𝑚3

0.000588798314 m3 𝑥100% 0.0005953394 6 𝑚3

= 98,72 %

Model 3 Feeding yield : Quality :

0.00000654097𝑚3 x100% 0.002057784𝑚3

0.000588798314m3 𝑥100% 0.0005953394 𝑚3

= 0,31 %

= 98,9%

Model 4 Feeding yield : Quality :

0.00000782569 𝑚3 x100% 0.001030077 𝑚3

0.000587513599m3 𝑥100% 0.0005953394𝑚3

= 0,759 %

= 98.68%

4. Data Penelitian 1. Volume Akhir coran Waktu (detik) 0

Model 1 0,008835696

Volume Akhir Cor (m 3) Model 2 Model 3 0,008835696

Model 4

0,008835696

0,008835696

1800

0,000525728

0,000524813

0,000525745

0,000524625

3600

0,0005257067

0.000524783

0,0005257265

0,000524601

5400

0,000525692

0,000525692

0,000525692

0,000525692

2. Kenaikan Massa Jenis pada Coran

Time

Model 1 0 1800 3600 5400

Massa Jenis Model 3 Model 4 2700 2700 2700 3062.83414 3057.404716 3063.931243 3063.012825 3057.513828 3064.073456 3063.1503 3.0575937E+03 3.0642797E+03

Model 2

2700 3057.505043 3057.628954 3057.714

3. Shrinkage spesimen uji tarik VOLUME Part Balok Pinggir Limas Terpancung Balok Tengah

Titik A1 A1x A2 A2x B1 B1x B2 B2x C1 C1x C2 C2x D1 D1x D2 D2x E1 E1x E2 E2x F1 F1x F2 F2x

X 0.000 0 0 -0.011 3.77E-05 -0.0109623 0 0 0 -0.0110 5.32E-05 -0.0109 0 0 0 -0.0075 4.73E-05 -0.0075 0 0 0 -0.0075 4.72E-05 -0.0075 0 0 0 -0.011 5.35E-05 -0.0109465 0 0 0 -0.011 3.76E-05 -0.0109624

VOLUME AKHIR Formula P*L*T (((S1+S2)*t)/2)*T P*L*T

Y 0.011 -2.36E-04 0.0107642 -0.011 -1.45E-04 -0.011145 0.011 -3.04E-04 0.0106965 -0.011 -1.63E-04 -0.011163 0.011 -3.08E-04 0.0106922 -0.011 -1.66E-04 -0.011166 0.011 -3.08E-04 0.0106922 -0.011 -1.66E-04 -0.011166 0.011 -3.03E-04 0.0106965 -0.011 -1.64E-04 -0.011164 0.011 -2.36E-04 0.0107641 -0.011 -1.45E-04 -0.011145

Volume 25168 8343.5 19800 Total Volume

Total 50336 16687 19800 86823

Unit mm³ mm³ mm³ mm³

Z 0 A1=node(0,0.011,0) 2.13E-04 Masukkan ke samping kiri 0.000213 0 A2=node(-0.011,-0.011,0) 1.58E-04 Masukkan ke samping kiri 0.000158 0.052 B1=node(0,0.011,0.052) 8.24E-05 Masukkan ke samping kiri 0.052082 0.052 B2=node(-0.011,-0.011,0.052) 5.65E-05 Masukkan ke samping kiri 0.052056 0.0725 C1=node(0,0.011,0.0725) 4.74E-05 Masukkan ke samping kiri 0.072547 0.0725 C2=node(-0.075,-0.011,0.0725) 4.18E-05 Masukkan ke samping kiri 0.072542 0.1325 D1=node(0,0.011,0.1325) -4.74E-05 Masukkan ke samping kiri 0.132453 0.1325 D2=node(-0.0725,-0.011,0.1325) -4.18E-05 Masukkan ke samping kiri 0.132458 0.153 E1=node(0,0.011,0.153) -8.24E-05 Masukkan ke samping kiri 0.152918 0.153 E2=node(-0.011,-0.011,0.153) -5.65E-05 Masukkan ke samping kiri 0.152943 0.205 F1=node(0,0.011,0.205) -2.13E-04 Masukkan ke samping kiri 0.204787 0.205 F2=node(-0.011,-0.011,0.205) -1.58E-04 Masukkan ke samping kiri 0.204842

Density 0.0027

g/mm³

Weight 234.4221

gr

Part Balok Pinggir Limas Terpancung Balok Tengah Limas Terpancung Balok Pinggir

Formula P*L*T (((S1+S2)*t)/2)*T P*L*T (((S1+S2)*t)/2)*T P*L*T

Volume 24876.94 8245.8331 19555.616 8245.8338 24876.951 Total Volume

Balok Pinggir 1 Panjang Lebar Tebal 0.051884 0.0219 0.0219

Total 24876.94027 8245.833105 19555.61645 8245.833811 24876.95133 85801.17497

Shrinkage q

Prisma 1 Sisi 1 Sisi 2 Tinggi Tebal 0.021894 0.014905 0.020465 0.021899

Prisma 2 Sisi 1 Sisi 2 Tinggi Tebal 0.014906 0.021893 0.020465 0.021899 Balok Pinggir 1 Panjang Lebar Tebal 0.051884 0.0219 0.0219

2.758927592 98.82309407 1021.825034

Eksperimen Balok Tengah Panjang Lebar Tebal 0.059911 0.014906 0.021899

Unit mm³ mm³ mm³ mm³ mm³ mm³

0.00081324 81566.36947 5256.630529

9.39E-01

Density 0.0027

Weight 231.6631724

4. Tegangan Termal Keempat Model TIME 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960 1020 1080 1140 1200 1260 1320 1380 1440 1500 1560 1620 1680 1740 1800 1860 1920 1980 2040 2100 2160 2220 2280 2340 2400 2460 2520 2580 2640 2700 2760 2820 2880 2940 3000 3060 3120 3180 3240 3300 3360 3420 3480 3540 3600 3660 3720 3780 3840 3900 3960 4020 4080 4140 4200 4260 4320 4380 4440 4500 4560 4620 4680 4740 4800 4860 4920 4980 5040 5100 5160 5220 5280 5340 5400

Thermal Stress 1 2.88E+08 2.89E+08 2.90E+08 2.91E+08 2.91E+08 2.92E+08 2.92E+08 2.92E+08 2.92E+08 2.93E+08 2.93E+08 2.93E+08 2.93E+08 2.93E+08 2.93E+08 2.93E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.94E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08 2.95E+08

TIME 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960 1020 1080 1140 1200 1260 1320 1380 1440 1500 1560 1620 1680 1740 1800 1860 1920 1980 2040 2100 2160 2220 2280 2340 2400 2460 2520 2580 2640 2700 2760 2820 2880 2940 3000 3060 3120 3180 3240 3300 3360 3420 3480 3540 3600 3660 3720 3780 3840 3900 3960 4020 4080 4140 4200 4260 4320 4380 4440 4500 4560 4620 4680 4740 4800 4860 4920 4980 5040 5100 5160 5220 5280 5340 5400


TIME 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960 1020 1080 1140 1200 1260 1320 1380 1440 1500 1560 1620 1680 1740 1800 1860 1920 1980 2040 2100 2160 2220 2280 2340 2400 2460 2520 2580 2640 2700 2760 2820 2880 2940 3000 3060 3120 3180 3240 3300 3360 3420 3480 3540 3600 3660 3720 3780 3840 3900 3960 4020 4080 4140 4200 4260 4320 4380 4440 4500 4560 4620 4680 4740 4800 4860 4920 4980 5040 5100 5160 5220 5280 5340 5400


TIME 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960 1020 1080 1140 1200 1260 1320 1380 1440 1500 1560 1620 1680 1740 1800 1860 1920 1980 2040 2100 2160 2220 2280 2340 2400 2460 2520 2580 2640 2700 2760 2820 2880 2940 3000 3060 3120 3180 3240 3300 3360 3420 3480 3540 3600 3660 3720 3780 3840 3900 3960 4020 4080 4140 4200 4260 4320 4380 4440 4500 4560 4620 4680 4740 4800 4860 4920 4980 5040 5100 5160 5220 5280 5340 5400



Penulis yang bernama lengkap Rommel T dilahirkan di Perawang pada 06 Februari 1995. Penulis telah menempuh pendidikan formal yaitu TK YPPI Perawang, SMP YPPI Perawang dan SMA St.Thomas 1 Medan, penulis melanjuti studinya melalui jalur SNMPTN dan menjadi mahasiswa Institut Teknologi Sepuluh Nopember 2013 pada Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI ITS dengan nomor registrasi pokok 2713100017. Semasa kuliah, penulis terdaftar sebagai anggota aktif di Departemen Keilmiahan HMMT FTI-ITS pada periode 2014-2015, 2015-2016 dan di Laboratorium Pemodelan Material dan Komputasi. Selesainya tugas akhir ini mengantarkan penulis memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST) pada Jurusan Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Email : [email protected] No.Hp : +62 81261507707

(Halaman Ini Sengaja Dikosongkan)

ANALISA DAN SIMULASI NUMERIK PROSES SAND CASTING DALAM PEMBUATAN HOUSE MOVING CONTACT RESISTOR BERBAHAN DASAR ALUMINIUM 6061

Recommend Documents