ANALISIS FEEDSTOCK Fe-2%Ni DAN STUDI PENGGUNAAN PERANGKAT LUNAK SIMULASI PLASTIC INJECTION MOLDING UNTUK SIMULASI METAL INJECTION MOLDING
TESIS
Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung
Oleh YUYUN ESTRIYANTO NIM : 23705006 Program Studi Ilmu dan Teknik Material
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
ABSTRAK
ANALISIS FEEDSTOCK Fe-2%Ni DAN STUDI PENGGUNAAN PERANGKAT LUNAK SIMULASI PLASTIC INJECTION MOLDING UNTUK SIMULASI METAL INJECTION MOLDING Oleh YUYUN ESTRIYANTO 23705006 Metal injection molding (MIM) merupakan salah satu teknik kompaksi dalam teknologi metalurgi serbuk dalam memproduksi green compact. Mengingat persamaan proses plastic injection molding dan MIM, penggunaan perangkat lunak simulasi plastic injection molding untuk mensimulasikan metal injection molding dinilai sangat memungkinkan. Perangkat lunak yang diteliti adalah Moldflow Plastic Insight 5.0 yang bekerja berdasarkan metode elemen hingga. Percobaan injection molding menggunakan tiga jenis feedstock Fe-2%Ni menunjukkan hasil yang berbeda-beda. Jenis maupun komposisi binder dalam ketiga feedstock tersebut sama sekali tidak diketahui. Dari studi literatur dan pengujian FTIR, TGA, serta DSC diketahui bahwa binder tersusun dari Paraffin Wax dan HDPE dengan fraksi volume 63,5%:36,5%. Masih ditengarai juga kemungkinan adanya zat aditif lain tetapi tidak bisa terdeteksi fraksi beratnya. Diketahui pula bahwa kegagalan pada percobaan injection molding pada salah satu feedstock disebabkan temperatur pemrosesan telah memasuki temperatur dekomposisi binder dan kurangnya zat deaglomerator dalam binder tersebut. Untuk melaksanakan simulasi injection molding, parameter yang paling penting adalah sifat-sifat lelehan feedstock karena dalam basis data Moldflow tidak terdapat data MIM feedstock. Sifat-sifat feedstock untuk simulasi didekati secara matematis dengan rules of mixture, logarithmic additivity rule, dan viskositas relatif suspensi. Data-data feedstock yang diperlukan adalah mechanical properties, thermal properties, Cross-WLF Viscosity Model Coefficients, 2 DomainTait PVT Model Coefficients, dan filler properties. Simulasi menunjukkan bahwa Moldflow Plastic Insight 5.0 dapat digunakan untuk mensimulasikan MIM. Output yang dihasilkan antara lain titik injeksi terbaik, simulasi aliran, distribusi tekanan, prediksi cacat, prediksi gaya cekam, rekomendasi kecepatan mandrel, prediksi shrinkage dan defleksi. Ditemukan juga bahwa tidak semua sifat feedstock bisa diinputkan ke dalam Moldflow karena Moldflow membatasi kisaran input konduktifitas termal di bawah 10 W/mC.
Kata kunci : metal injection molding, MIM, plastic injection molding, metalurgi serbuk, Moldflow, metode elemen hingga, simulasi, binder, feedstock, rheologi, Fe2%Ni
i
ABSTRACT
Fe-2%Ni FEEDSTOCK ANALYSIS AND POSSIBILITY STUDIES OF THE USE OF PLASTIC INJECTION MOLDING SIMULATION SOFTWARE FOR METAL INJECTION MODLING SIMULATION By YUYUN ESTRIYANTO 23705006 Metal injection molding (MIM) is a type of compaction process in powder metallurgy technology to produce green compact. Because of the similarities between plastic injection molding and metal injection molding, it thought to be possible to simulate metal injection molding using plastic injection molding software. The software studied in this research is Moldlow Plastic Insight 5.0 that works by a finite element method. An injection molding experiment using three kinds of Fe-2%Ni feedstocks shows different results. Binder constituents type and composition of the feedstocks are not recognized. From the literature study, FTIR, TGA, and DSC testing, it recognized that the binder system consists of Paraffin Wax and HDPE in a composition of 63.5%:36.5% by volume. It still also recognized that there are any other additive compounds, but their weight fraction couldn’t be recognized. It also recognized that the injection molding experiment failed because the operating temperature was higher then its binder decomposition temperature and it did not have deaglomerator compound in its binder system. To perform the simulation, the most important parameter is the feedstock properties because the feedstock properties are not available in Moldflow’s database. The mixed feedstock properties mathematically approached using rules of mixture, logarithmic additivity rule, and suspension relative viscosity rule. Moldflow requires feedstock datas such as mechanical properties, thermal properties, Cross-WLF Viscosity Model Coefficients, 2 Domain Tait PVT Model Coefficients, and filler properties. The simulation shows that Moldflow Plastic Insigt 5.0 could be used to simulate metal injection molding process. The resulted output are best injection location suggestion, filling simulation, pressure distribution, defect prediction, clamp force prediction, recommended ram speed, shrinkage, and deflection prediction. It also recognized that not all of the feedstock properties can be input into Moldflow’s database due to input range limitation of the material thermal conductivity value shall be under 10 W/mC.
Keywords : metal injection molding, MIM, plastic injection molding, powder metallurgy, Moldflow, finite element method, simulation, binder, feedstock, rheology, Fe-2%Ni
ii
HALAMAN PENGESAHAN
ANALISIS FEEDSTOCK Fe-2%Ni DAN STUDI PENGGUNAAN PERANGKAT LUNAK SIMULASI PLASTIC INJECTION MOLDING UNTUK SIMULASI METAL INJECTION MOLDING
Oleh
YUYUN ESTRIYANTO 23705006
Program Studi Ilmu dan Teknik Material Institut Teknologi Bandung
Menyetujui Tim Pembimbing Tanggal, 18 September 2007
( Dr. Ir. Slameto Wiryolukito )
iii
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS
Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.
Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana Institut Teknologi Bandung.
iv
HALAMAN PERSEMBAHAN
I dedicate this work to : My lovely children, Hammam and Yasmin My belove wife, Dany My parents Thanks for your supports !
v
KATA PENGANTAR
Alhamdulillaahi Robbil ’Aalamin, puji syukur penulis panjatkan kepada Alloh dzat yang menguasai segala rahasia yang tersembunyi di langit dan di bumi, memberikan sifat khas kepada setiap materi, dan membuka berbagai ilmu dan teknologi yang bermanfaat bagi kehidupan manusia. Tesis yang berjudul “Analisis Feedstock
Fe-2%Ni dan Studi Kemungkinan
Penggunaan Perangkat Lunak Simulasi Plastic Injection Molding untuk Simulasi Metal Injection Molding” ini diajukan untuk memenuhi salah satu syarat dalam menyelesaikan studi di Program Studi Ilmu dan Teknik Material, Program Pasca Sarjana, Institut Teknologi Bandung. Penulis sampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang membantu penulis dalam menempuh dan menyelesaikan studi di Institut Teknologi Bandung, yaitu : a. Dr. Ir. Slameto Wiryolukito selaku pembimbing dalam penulisan tesis ini, atas segala bimbingan dan pengarahannya. b. Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Departemen Pendidikan Nasional atas bantuan Beasiswa Pendidikan Pascasarjana (BPPs) yang penulis terima selama pendidikan program magister. c. Pihak-pihak yang telah membantu dalam pengujian material: Laboratorium Instrumentasi Jurusan Kimia Fakultas MIPA UPI – Bandung untuk pengujian FTIR dan Laboratorium Pengujian Fisika Polimer LIPI – Bandung untuk pengujian TGA, dan DSC. d. Rektor Universitas Sebelas Maret – Surakarta atas ijin belajar yang diberikan. e. Seluruh staff pengajar, administrasi, teknisi, dan rekan-rekan mahasiswa S1, S2, dan S3 Program Studi Ilmu dan Teknik Material – ITB atas segala bantuan dan kerjasamanya. Penulis berharap laporan tesis ini bisa membuka wacana pengembangan metal injection molding di Indonesia. Bandung, September 2007 Penulis vi
DAFTAR ISI
ABSTRAK ................................................................................................................. i ABSTRACT ................................................................................................................ ii PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS ........................................................................ iv KATA PENGANTAR ................................................................................................ vi DAFTAR ISI.............................................................................................................. vii DAFTAR LAMPIRAN................................................................................................ x DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI................................................................... xi DAFTAR TABEL..................................................................................................... xiii Bab I Pendahuluan ...................................................................................................... 1 I.1
Latar Belakang ..................................................................................... 1
I.2
Tujuan Penelitian ................................................................................. 3
I.3
Pembatasan Masalah ............................................................................ 3
I.4
Sistematika Penulisan........................................................................... 3
Bab II Dasar Teori ...................................................................................................... 5 II.1 Proses Metal Injection Molding ........................................................... 5 II.1.1 Deskripsi Proses ....................................................................... 5 II.1.2 Kelebihan dan Kekurangan ...................................................... 8 II.1.3 Perbandingan Teknik Metal Injection Molding dengan Teknik Produksi Lain ........................................................................... 9 II.2 Simulasi Proses Injection Molding..................................................... 10 II.2.1 Pendahuluan ........................................................................... 10 II.2.2 Siklus Operasi......................................................................... 10 II.2.3 Jenis-Jenis Elemen dalam Analisis Injection Molding........... 11 II.2.4 Jenis-Jenis Analisis dalam Moldflow dan Data yang Diperlukan .............................................................................. 13 II.3 Sifat Rheologis Lelehan Feedstock .................................................... 14 II.3.1 Viskositas Material Lelehan Feedstock.................................. 14 II.3.2 Model Matematis Sifat Rheologis Lelehan Feedstock........... 15 II.4 PVT Properties Lelehan Feedstock.................................................... 16 vii
Bab III Metode Penelitian......................................................................................... 18 III.1 Flowchart Penelitian .......................................................................... 18 III.2 Karakterisasi Material ........................................................................ 19 III.2.1 Analisis Termal ...................................................................... 19 III.2.2 FTIR ....................................................................................... 20 III.2.3 Penentuan Jenis dan Komposisi Binder ................................. 20 III.2.4 Metoda Pendekatan Sifat Campuran Binder - Serbuk Logam 21 III.3 Simulasi.............................................................................................. 22 III.4.1 Pemodelan Geometri Komponen ........................................... 22 III.4.2 Import Model dan Meshing .................................................... 24 III.4.3 Pemodelan Gating System dan Cooling Circuit ..................... 25 III.4.4 Input Simulasi......................................................................... 25 III.4.5 Simulasi .................................................................................. 26 Bab IV Data, Simulasi, Dan Analisis ....................................................................... 27 IV.1 Data Feedstock ................................................................................... 27 IV.2 Data Pengujian Feedstock .................................................................. 27 IV.2.1 SEM........................................................................................ 27 IV.2.2 TGA (Thermogravimetry Analysis)........................................ 28 IV.2.3 FTIR ....................................................................................... 31 IV.2.4 DSC (Differential Scanning Callorimetry) ............................ 32 IV.2.5 Analisis Jenis Polimer Penyusun Binder................................ 35 IV.2.6 Analisis Perbandingan Feedstock........................................... 38 IV.3 Fraksinasi Penyusun Binder ............................................................... 39 IV.4 Inventarisasi Data Simulasi................................................................ 40 IV.4.1 Basis Data Material ................................................................ 40 IV.4.2 Basis Data Spesifikasi Mesin Injection Molding ................... 43 IV.4.3 Basis Data Controller............................................................. 43 IV.5 Simulasi dan Analisis......................................................................... 44 IV.5.1 Deskripsi Model ..................................................................... 44 IV.5.2 Hasil Simulasi......................................................................... 46 IV.6 Diskusi................................................................................................ 59 viii
Bab V Kesimpulan dan Saran ................................................................................... 64 V.1 Kesimpulan ........................................................................................ 64 V.2 Saran................................................................................................... 65 Daftar Pustaka............................................................................................................ 66
ix
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A Tabel Formulasi Binder Komersil ........................................................ 68 Lampiran B Penentuan Property Feedstock ............................................................. 70 B.1 Pendeteksian Kehilangan Berat Pada Kurva TGA............................. 70 B.2 Perhitungan Rules of Mixture............................................................. 71 B.3 Data Viskositas HDPE dan Wax (dari Moldflow) ............................. 73 B.4 Iterasi Algoritma Genetis Untuk Penentuan Koefisien Cross-WLF Viscosity Model Campuran Feedstock ............................................... 74 B.5 Koefisien 2-Domain Tait PVT Model ................................................ 77 B.6 Penghitungan Fraksi Berat Serbuk Logam Untuk Input Data Filler . 77 B.7 Data Operasional Mesin Injection Molding pada Percobaan Injection Molding Fe-2%Ni............................................................................... 78 Lampiran C Analysis Report Summary..................................................................... 80 Lampiran D Gambar Teknik ..................................................................................... 87
x
DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI
Gambar II.1
Flow Chart Proses Metal Injection Molding .................................... 5
Gambar II.2
Bagian-Bagian Mesin Injection Molding .......................................... 6
Gambar II.3
Perbandingan Teknik Metal Injection Molding dengan Teknik Produksi Lain .................................................................................... 9
Gambar II.4
Siklus Waktu Injection Molding ..................................................... 10
Gambar II.5
Plot Viskositas Material Terhadap Laju Regangan Geser .............. 15
Gambar III.1
Flowchart Penelitian........................................................................ 18
Gambar III.2
Flowchart Proses Simulasi .............................................................. 23
Gambar III.3
Fusion Element Aspect Ratio .......................................................... 24
Gambar IV.1
Hasil SEM Feedstock Fe-2%Ni Fraksi Volume 50%:50% ............. 28
Gambar IV.2
Hasil Pengujian TGA....................................................................... 30
Gambar IV.3
Spektrum FTIR Feedstock ............................................................... 31
Gambar IV.4
Hasil Pengujian DSC ....................................................................... 34
Gambar IV.5
Gambar Analisis Spektrum FTIR Feedstock ................................... 37
Gambar IV.6
Plot Cross-WLF Viscosity Model..................................................... 41
Gambar IV.7
Plot 2-Domain Tait PVT Model ....................................................... 42
Gambar IV.8
Gating System .................................................................................. 45
Gambar IV.9
Model Elemen Hingga ..................................................................... 45
Gambar IV.10 Simulasi Filling Time....................................................................... 46 Gambar IV.11 Plot Distribusi Tekanan pada Saat Terjadi V/P Switchover............. 47 Gambar IV.12 Plot Distribusi Tekanan Terhadap Waktu pada Titik Injeksi .......... 48 Gambar IV.13 Plot Distribusi Tekanan pada Akhir Injeksi..................................... 49 Gambar IV.14 Plot Volumeric Shrinkage pada Setiap Titik.................................... 50 Gambar IV.15 Plot Lokasi Kemungkinan Terjadi Shrinkage................................... 50 Gambar IV.16 Plot Clamp Force Terhadap Waktu .................................................. 51 Gambar IV.17 Plot Rekomendasi Kecepatan Mandrel ............................................ 52 Gambar IV.18 Plot Distribusi Sink Index ................................................................. 53 Gambar IV.19 Plot Lokasi Kemungkinan Terjadi Weld lines .................................. 54 Gambar IV.20 Plot % Shot Weight Terhadap Waktu ............................................... 54 Gambar IV.21 Plot Bulk Temperature...................................................................... 55 xi
Gambar IV.22 Plot Distribusi Temperatur Muka Alir.............................................. 56 Gambar IV.23 Plot Distribusi Temperatur Cairan Pendingin................................... 57 Gambar IV.24 Plot Distribusi Temperatur Permukaan Sirkuit Pendingin ............... 58 Gambar IV.25 Plot Total Defleksi pada Setiap Posisi.............................................. 58 Gambar IV.26 Plot Defleksi Pada Arah Sumbu Y ................................................... 59 Gambar IV.27 Hasil Analisis Best Gate Location.................................................... 63
xii
DAFTAR TABEL
Tabel
II.1
Jenis-Jenis Elemen Dalam Simulasi Moldflow.................................. 11
Tabel
II.2
Hasil Analisis yang Dihasilkan oleh Setiap Jenis Element Mesh ...... 12
Tabel
II.3
Jenis-Jenis Analisis dan Property yang Diperlukan........................... 13
Tabel III.1
Jenis File yang Dapat Di-import ke Moldflow .................................. 24
Tabel IV.1
Gugus Kimia yang Ada dalam Spektrum FTIR Feedstock................ 32
Tabel IV.2
Analisis Kemungkinan Zat Penyusun Binder .................................... 35
Tabel IV.3
Packing/Holding Pressure Profile ..................................................... 44
xiii
