BAB IV SIMULASI DAN ANALISIS CETAKAN RING, CONE DAN BLADE Hasil perancangan cetakan sistem penambah dan sistem saluran pada bab III yang menghasilkan model cetakan dalam proses pengecoran belum dapat dipastikan menghasilkan produk coran yang bagus. Oleh karena itu, sebelum diproduksi atau di cor sebaiknya digunakan simulasi pengecoran dengan software
casting terlebih dahulu layaknya proses pengecoran sebenarnya. Hal ini dimaksudkan untuk memperkirakan produk coran yang berkualitas baik dan diharapkan kerugian biaya dapat dimimalisir. Dengan melakukan simulasi pengecoran dapat juga digunakan untuk melakukan optimasi produk coran seperti mengoptimasi berat material coran, lamanya waktu pengecoran, mengetahui aliran logam cair, optimasi temperatur tuang bahkan menghindari cacat pada produk coran seperti rongga penyusutan. Pada bab ini akan digambarkan langkah-langkah dalam simulasi pengecoran seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.1.
Gambar 4.1 Diagram Alir Simulasi Cetakan
4.1
Persiapan Awal (Pre Processor) Berdasarkan perancangan cetakan, sistem penambah pada ring sebanyak 4
top riser sedangkan pada cone sebanyak 5 side riser dan 1 top riser. Sistem saluran pada ring memiliki 1 saluran turun, 2 saluran pengalir dan 2 saluran masuk, sedangkan pada cone mempunyai 1 saluran turun, 2 saluran pengalir dan 2 saluran masuk. Langkah awal dalam melakukan simulasi pengecoran Adstefan yaitu dengan memasukkan data material seperti massa jenis, solidus, liquidus, themal
conductivity dan lain-lain yang ditunjukkan pada tabel 4.1. Langkah selanjutnya memasukkan model coran ke software adstefan dengan cara File *.prt dari
modeling Pro Engineering diubah dan disimpan dalam format *.stl. Setelah itu solid 3D model cetakan format *.stl diimport ke Adstefan. Setelah mengambil file *stl selanjutnya membuat kotak cetakan secara virtual dan mengasumsikan arah awal dari logam cair yang masuk ke dalam cetakan atau top gate. Selanjutnya proses meshing dilakukan dengan membagi cetakan menjadi komponen kecil. Proses meshing ini dilakukan didalam software Adstefan. Unmesh berfungsi untuk memperbaiki komponen-komponen kecil dari coran tersebut. Pada software
casting yang lain seperti ProCast dan SolidCast, proses meshing bisa dilakukan dengan bantuan software ProMechanica yang telah terintegrasi di dalam
Pro/Engineer yaitu dengan cara mengimport file meshing *.unv ke dalam software casting (SolidCast, ProCAst) tersebut. Akan tetapi file meshing dari software proMechanica tidak bisa diimport ke Adstefan sehingga proses meshing dilakukan di dalam satu kesatuan Adstefan. Pertimbangan yang lain yaitu bahwa hasil akan lebih jauh mendekati sebenarnya jika meshing dilakukan pada software
casting itu sendiri yaitu Adstefan.
Tabel 4.1 Sifat Baja Cor CA6NM. Pasir Kromit dan Keramik Baja Cor No
Sifat-Sifat
1.
Densitas (kg/m3)
2.
Konduktivitas termal
Pasir Kromit
Keramik
7,85 x 103
2,75 x 103
4 x 103
28.9 (537.770C)
0.58
0.80
0.5 (0-1000C)
0,80 (326,850C)
25.09 (1000C)
(W/m K)
3.
Ca6NM
Panas spesifik (kJ/kg K)
0,86(526,850C)
0.92
0,94 (926,850C) 0,99 (1326,850C) 4.
Poison Ratio
0.3
0.22
0.3
5.
Young Modulus (Gpa)
206
275
200
6.
Latent Heat (kJ/Kg)
259.58
7.
Dinamic Viscosity (cm2/s)
0.0078
8.
Liquidus (0C)
1490.55
9.
0
Solidus ( C)
1465.55
Proses selanjutnya adalah mendefinisikan model cetakan agar bisa diselesaikan oleh Adstefan sebagai solver. Langkah pertama yaitu mendefinisikan jenis cetakan, jenis material coran, chill dan kondisi lingkungan. Pada ring dan
cone dipilih jenis cetakan chromite sand sedangkan pada blade dipilih jenis cetakan keramik. Parameter selanjutnya adalah parameter pengisian cetakan (Mold Filling) yang meliputi arah aliran logam cair, kecepatan logam cair dalam cetakan, jumlah frame yang disajikan dalam pengisian, hambatan, output interval,
interface material yang mewakili sambungan antar permukaan, kondisi batas (boundary
condition)
dan
lain-lain.
Berikutnya
parameter
pemadatan
(Solidification) yang meliputi nilai penyusutan (shrinkage) material logam, hambatan, output interval, calculation control dan lain-lain. Setelah
proses
tersebut selesai maka cetakan dapat mulai disimulasikan. Lama simulasi tergantung banyaknya meshing produk coran dan geometri produk tersebut. Pada penelitian ini proses running mold filling dan solidification berlangsung sekitar 4 hingga 5 jam bahkan lebih.
4.2
Penyelesaian (Solver) Tahap ini adalah tahap running sebuah model cetakan atau proses analisis.
Tahap ini merupakan tahapan membaca semua parameter yang telah didefinisikan pada tahap awal sehingga simulasi menghasilkan perkiraan pengisian cetakan (mold filling), pembekuan (sodification) bahkan analisis tegangan thermal bisa didapatkan.
4.3
Persiapan Akhir (Post Processor) Semua data dan hasil simulasi didefinisikan di dalam Post Processor dan
disimpan dengan ekstensi data filling (.mat3d, .matt3d, .ftim3d), data pemadatan (solid3d), cacat shrinkage porosity (vfs3d) data distribusi temperatur coran (temp3d), kecepatan (vel3d, flw3d), data gradien (grad3d), dan waktu pemadatan akhir pada fraksi solid (solend3d).
4.4 4.4.1
Hasil Simulasi Pola Pengisian Cetakan (Mold Filling) Pola pengisian (filling) adalah suatu simulasi aliran logam cair sampai
100% mengisi rongga cetakan. Aliran logam cair dimulai dari pouring, menuju saluran turun (sprue), lalu menuju pengalir (runner) sehingga dialirkan menuju saluran masuk (gate). Dari saluran masuk terlihat aliran logam cair mengisi rongga cetakan secara baik. Yang perlu dihindari adalah aliran logam cair turbulen. Aliran turbulen dapat dilihat secara visual apabila ada logam cair yang bertabrakan dan akan menimbulkan terkikisnya cetakan pasir yang dapat menimbulkan cacat pada produk. Aliran logam cair tersebut juga harus terlihat halus (smooth) dari bawah mengisi ke atas rongga cetakan. Pada produk ring,
cone dan blade terlihat secara visual bahwa pola pengisian sudah sesuai yang diharapkan. Aliran logam cair pada ring terlihat cukup seragam karena aliran berasal dari tengah menuju ke benda. Aliran pertama dari pouring menuju bawah coran lalu keatas produk dan terakhir menuju saluran penambah. Aliran pada logam menuju coran tidak mengalami gangguan seperti kebocoran aliran karena logam cair masih berada didalam coran. Aliran tidak akan sempurna jika logam cair tidak
sempurna mengalir karena salah memasukkan parameter top gate sehingga kadangkala jika salah memasukkan parameter maka aliran tidak dari pouring tetapi berawal dari produk seperti pada gambar 4.2.
Gambar 4.2 Mold Filling Ring
Aliran logam pada cone terlihat pada bagian yang menghadap saluran cetakan mengalami pengisian yang pertama tetapi cenderung pengisian tersebut seragam dimana semua lini bagian terisi oleh logam cair dan tidak mengalami kebocoran produk dan alirannya logam secara visual benar dari pouring menuju coran dan penambah seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.3. Sedangkan pada
blade mempunyai aliran yang cukup berbeda karena mengambil acuan saluran masuk tidak tegak lurus dengan permukaan blade karena pertimbangan blade yang memiliki profil yang rumit. Akan tetapi aliran logam yang menuju coran mengalir sesuai yang diharapkan seperti pada gambar 4.4.
Gambar 4.3 Mold Filling Cone
Time = 1.8820E+000 (s)
Gambar 4.4 Mold Filling Blade
4.4.2
Pola Pembekuan (Solidification) Proses pemadatan atau pembekuan (solidification) menunjukkan proses
awal yang dibutuhkan baja cair untuk berubah dari fasa cair setelah selesai dituang sampai ke fasa padat (solid). Waktu pemadatan menunjukkan selang waktu yang dibutuhkan baja cor cair untuk berubah fasa cair menjadi padat. Proses pemadatan dipengaruhi oleh laju pendinginan selisih antara temperatur
tuang dengan temperatur padat (selang pembekuan) dan gradien temperatur antara baja cor dengan cetakan. Pada bagian ring terdapat proses pemadatan paling awal yaitu pada bagian tengah coran. Hal ini dikarenakan penampang bagian tengah ring tersebut mempunyai penampang yang tipis sehingga terlihat ada pemisahan didaerah atas dan bawah yang mengalami proses pemadatan paling lambat. Proses paling lambat merupakan faktor terjadi shrinkage porosity tetapi lebih baik jika dilihat pada simulasi shrinkage prediction. Penambah bagian atas ditempuh oleh penambah (riser) untuk menyuplai ke bagian yang mengalami proses keterlambatan akhir seperti pada gambar 4.5.
Gambar 4.5 Pola Pembekuan Ring
Pada bagian cone terdapat proses pemadatan paling akhir yaitu pada bagian tengah cone yang disebut crown dan pada bagian sisi cone. Bagian tengah
crown menyebabkan kemungkinan besar dapat mengalami cacat rongga penyusutan. Untuk menghindari terjadinya cacat shrinkage porosity, di bagian
crown diletakkan 2 penambah top. Dan pada bagian sisi cone diletakkan sebanyak 5 penambah samping. Pada simulasi solidification memang terlihat bahwa bagian
crown mengalami proses pemadatan paling lambat seperti pada gambar 4.6.
Crown
Gambar 4.6 Pola Pembekuan Cone
Pada bagian blade yang mempunyai 1 saluran masuk mengalami proses pemadatan yang seragam tetapi ada keterlambatan dibagian tengah dekat saluran masuk. Berdasarkan bagian yang mengalami proses pemadatan paling akhir ada kemungkinan terdapat penyusutan di lokasi tersebut tetapi akan lebih terpercaya jika dilihat pada shrinkage prediction. Proses pemadatan ditunjukkan pada gambar 4.7.
Time = 1.3562E+001 (s) Solidified = 5.5237E+001 (%)
Gambar 4.7 Pola Pembekuan Blade
4.4.3
Distribusi Temperatur Pada akhir pengecoran distribusi temperatur coran sama dengan
temperatur cetakan. Pengaruh panas terjadi pada cetakan yang berasal dari panas
logam cair secara perpindahan menuju ke logam cetakan. Banyaknya panas yang dipindahkan dari logam ke cetakan tergantung dari temperatur logam cair pada saat akan dicor. Tergantung dari besarnya benda coran atau massanya benda cor, mengandung panas tertentu dan sifat bahan cetakan. Bagian yang tebal pada ring mengalami temperatur yang paling besar yaitu pada bagian atas dan bagian ring serta penambah yaitu pada dalam waktu 56.97 detik sekitar 1450º C yang ditunjukkan pada gambar 4.8. Sedangkan pada
cone, temperatur paling besar pada saat 617.36 detik setelah penuangan terjadi di bagian crown sekitar 1300º C yang ditunjukkan pada gambar 4.9. Bagian tengah
blade mengalami temperatur yang cukup signifikan dibandingkan dengan bagian yang lain sehingga mungkin terjadi tegangan akibat temperatur atau yang disebut
thermal stress yang ditunjukkan pada gambar 4.10.
Gambar 4.8 Distribusi Temperatur Ring
Gambar 4.9 Distribusi Temperatur Cone
Time = 1.8626+001 (s)
Gambar 4.10 Distribusi Temperatur Blade
4.4.4
Distribusi Kecepatan Kecepatan dalam rongga cetakan beragam. Setiap bagian mempunyai
kecepatan yang berbeda-beda. Kecepatan yang dihindari adalah jika logam cair tersebut bertabrakan menyebabkan kecepatan membelah sehingga timbul aliran turbulen dan berdampak terkikisnya pasir dari cetakan dan dapat menyebabkan gas terperangkap sehingga menimbulkan cacat rongga. Pola kecepatan ring ditunjukkan pada gambar 4.11 sedangkan pola kecepatan cone ditunjukkan pada gambar 4.12. dan pola kecepatan blade ditunjukkan pada gambar 4.13.
Gambar 4.11 Pola Kecepatan Ring
Gambar 4.12 Pola Kecepatan Cone
Time = 2.7501E+000 (s)
Gambar 4.13 Pola Kecepatan Blade
4.4.5
Prediksi Cacat Penyusutan (Shrinkage Porosity) Proses prediksi merupakan sangat penting dalam simulasi ini. Sebuah
produk coran akan dilanjutkan ke proses produksi apabila bebas dari cacat rongga penyusutan. Cacat rongga shrinkage adalah suatu cacat yang terjadi akibat penyusutan logam tersebut. Besar nilai shrinkage beragam sedangkan pada baja cor CA6NM ini mempunyai shrinkage sekitar 1.8%. Cacat rongga akibat penyusutan terlihat menyerupai rongga-rongga akibat pola pembekuan yang mengalami keterlambatan. Prediksi cacat rongga telihat secara visual pada
software ini yaitu warna biru menunjukkan bahwa coran tersebut bernilai baik atau rongga cetakan terisi sempurna oleh logam cair sedangkan gradasi warna lain menunjukkan prosentasi terisinya logam cair ke cetakan. Pada ring terlihat bahwa terdapat gradien warna biru muda sampai merah pada bagian atas ring dan bagian bawah ring yang mempunyai ketebalan yang lebih besar dibandingkan bagian tengah. Cacat rongga penyusutan sudah dipastikan karena pola pembekuan pada lokasi bagian atas dan bawah mengalami pembekuan terakhir. Cacat rongga itu juga akibat fungsi penambah (riser) tidak sempurna menyuplai logam cair. Oleh karena itu perlu redesign dan analisis cetakan lagi sebelum diproduksi. Lokasi pertama timbul cacat rongga di sekeliling
ring yaitu diantara penambah yang ditandai oleh warna biru muda dan merah. Pada lokasi kedua terjadi di bagian bawah ring mengalami cacat karena suplai
logam cair tidak terdistribusi sampai ke bawah sehingga terdapat cacat rongga yang ditunjukkan pada gambar 4.13 (b).
Cacat Shrinkage
(a)
(b) Gambar 4.14 Shrikage prediction Ring (a) Lokasi 1 (b) Lokasi 2
Pada bagian cone tedapat cacat rongga pada bagian crown. Bagian tersebut agak sulit ditempuh oleh riser karena berada ditengah-tengah produk sehingga fungsi riser tidak optimal. Pada bagian ini harus dipertimbangkan karena posisi sangatlah berperan aktif dalam fungsi runner secara keseluruhan. Cacat rongga akan dapat menurunkan kekuatan dari runner itu sendiri. Cacat rongga penyusutan
pada cone ditunjukkan pada gambar 4.14 (b). Warna biru menunjukkan bahwa tidak ada shrinkage sedangkan gradasi warna lain menunjukkan adanya cacat rongga penyusutan.
Cacat Shrinkage
(a)
(b) Gambar 4.15 Shrikage prediction Cone (a) Lokasi 1 (b) Lokasi 2
Pada bagian blade atau sudu menunjukkan adanya cacat shrinkage meskipun kecil. Gradasi warna biru terlihat merata pada semua layer blade pada lokasi 1 tetapi ada sedikit warna biru muda pada penampang blade yang terpotong seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.15 yaitu terjadi cacat penyusutan. Pada lokasi 2 yang berwarna merah menunjukkan bahwa rongga penyusutan terjadi pada pouring bukan pada blade. Jenis pengecoran blade berbeda dengan ring dan
cone. Pada blade digunakan cetakan keramik yang tergolong cetakan kuat
sehingga hal ini menjadi salah satu alasan mengapa blade tidak mengalami cacat
shrinkage yang cukup besar.
Cacat Shrinkage
(a)
(b) Gambar 4.16 Shrikage prediction Blade (a) Lokasi 1 (b) Lokasi 2
4.5
Analisis Runner yang dibagi oleh 3 komponen yaitu ring, cone dan blade tidaklah
sesuai yang diharapkan karena pada bagian ring, cone dan blade mengalami cacat
shrinkage porosity karena penambah (riser) tidaklah berfungsi dengan optimal yang terlihat pada pola pembekuan dan dinyatakan dengan cacat rongga yang terlihat pada shrinkade prediction. Oleh karena itu perlu dilakukan perancangan ulang cetakan.
Perancangan ulang tersebut dilakukan dengan mengubah rancangan penambah pada ring dengan menambah diameter penambah yang otomatis mengubah volume penambah. Sedangkan pada cone, penambah yang diletakkan di atas crown belum mampu mengompensasi rongga penyusutan yang terjadi ketika proses pemadatan dan pendinginan berlangsung sehingga perlu adanya perubahan desain model coran dengan mengisi rongga menjadi bentuk solid. Pada
blade juga perlu adanya perancangan ulang mengenai luas saluran turun dan volume penambah yang menyatu dengan runner dan pouring.
4.5.1
Ring Pada ring diameter penambah tersebut diperbesar menjadi 110 mm, dan
tinggi penambah diubah menjadi 160 mm. Dengan perubahan rancangan penambah ini berarti massa ring menjadi lebih besar sehingga sistem saluran yang digunakan untuk mengantarkan baja cor cair ke rongga cetakan juga harus disesuaikan. Hasil perubahan rancangan ini kemudian dimodelkan dengan
Pro/Engineer dan dianalisis. Hasil analisis dengan Pro/Engineer menunjukkan bahwa model cetakan memiliki rongga dengan volume 2.01e7 mm3 dan massa 158.5 kg. Akan tetapi, hasilnya kurang memuaskan karena masih terdapat
shrinkage porosity di setiap sisi atas dan bawah sehingga perlu model baru lagi. Untuk menangani permasalahan shrinkage maka pada sisi atas ring masih dipakai penambah yang sama besarnya tetapi ditambah dengan pemberian chill untuk mempercepat pembekuan pada daerah yang lambat pola pembekuannya. Tidak hanya itu temperatur tuang untuk ring harus diatur sedemikian rupa agar sesuai. Temperatur tuang yang terlalu tinggi mengakibatkan laju pembekuan yang lambat sehingga mengakibatkan terjadinya porosity shrinkage. Pada penelitian ini hal tersebut telah diatur dengan cara mengurangi asumsi temperatur puoring dari 1540º C menjadi 1510º C. Untuk mengatasi cacat shrinkage pada bagian bawah dilakukan penambahan daging pada ring agar riser top berfungsi dengan baik dan terdistribusi sampai kebawah coran meskipun setelah dicor akan dilakukan proses pemesinan. Pola pengisian agak berbeda karena sistem saluran dirubah rancangannya tetapi secara prinsip sama. Aliran logam tidak mengalami gangguan dari pouring
menuju produk coran yang ditunjukkan pada gambar 4.16. Pola pembekuan rancangan pertama berbeda dengan rancangan yang kedua. Pada rancangan terakhir diketahui bahwa pada bagian atas ring diantara riser mengalami pembekuan yang cepat karena di lokasi tersebut dipasang sebuah cill untuk mempercepat pembekuan yang ditunjukkan pada gambar 4.17.
Time = 9.3004E+000 (s)
Gambar 4.17 Pola Pengisian Ring Design ke-2
Time = 1.1755E+002 (s) Solidified = 4.4004E+001 (%)
Gambar 4.18 Pola Pembekuan Ring Design ke-2
Pada penelitian ini dapat diamati bahwa ancangan yang kedua mempunyai pola kecepatan sama dengan rancangan pertama yang ditunjukkan pada gambar 4.18. Akan tetapi distribusi temperatur berbeda dengan desiain yang pertama. Keberadaan chill mempengaruhi perbedaan temperatur. Temperatur pada chill pada gambar 4.19 sekitar 1200º C sedangkan pada coran sekitar 1350º C. Hal ini dapat pula menyebabkan kekuatan disekitar chill akan berbeda dengan disekitarnya. Kekerasan coran sekitar chill mengalami pendinginan cepat yang mengakibatkan coran sekitar chill mempunyai kekerasan yang lebih besar. Oleh karena itu perlu perlakuan panas (heat treatment) setelah pengecoran selesai.
Time = 1.3592E+001 (s)
Gambar 4.19 Pola Kecepatan Ring Design ke-2
Time = 1.7643E+002 (s)
Gambar 4.20 Distribusi Temperatur Ring Design ke-2
Cacat rongga penyusutan yang terjadi pada ring bisa dikatakan bebas cacat karena tidak terlihat gradasi warna pada selain warna biru. Pada bagian atas ring yaitu lokasi 1 tidak terdapat cacat karena pengaruh akibat pembesaran penambah dan pemasangan chill. Sedangkan pada bagian bawah atau lokasi 2 tidak terdapat cacat karena penambahan daging pada sehingga bagian tengah tidak mengalami proses pembekuan awal sehingga suplai logam cair dari penambah dapat optimal terdistribusikan.
(a)
(b) Gambar 4.21 Shrinkage Prediction Design ke-2 (a) Lokasi 1 dan (b) Lokasi 2
4.5.2
Cone Pada cone, rongga pada cetakan dibuat solid untuk mengantisipasi cacat
pada bagian crown. Perubahan rongga pada cetakan membuat volume dan massa menjadi lebih besar yang akan menyebabkan biaya lebih mahal karena lebih banyak garam pada proses pemesinan yang harus dibuang. Oleh karena itu dirancang semi-solid yaitu hanya sebagian rongga saja yang dibuat solid. Diameter penambah pun disesuaikan melebihi perhitungan sekitar 1.5 kali dan hanya 1 top riser. diameter top riser menjadi 220 mm dan tinggi penambah diubah menjadi 200 mm sedangkan 5 penambah samping diameter 70 mm dan 110 mm tinggi penambah. Perubahan rancangan penambah ini sudah barang tentu membuat
massa cone menjadi lebih besar sehingga sistem saluran yang
digunakan untuk mengantarkan baja cor cair ke rongga cetakan juga harus disesuaikan.. Hasil analisis dengan Pro/Engineer menunjukkan bahwa, model cetakan memiliki rongga dengan volume 2.52e7 mm3 dan massa sebesar 197.7 kg. Langkah berikutnya model cetakan baru ini dilakukan simulasi pengecoran dengan Adstefan yang ditunjukkan pada gambar 4.20.. Pola pengisian pada cone sama saja dengan desiai awal bahwa tidak terjadi sesuatu yang diluar harapan yang ditunjukkan pada gambar 4.22. Sebaliknya pola pembekuan mengalami perubahan baik. Penambah top yang berjumlah 1 terbukti
bisa menyuplai logam cair kedalam produk coran. Lima penambah samping bisa menyuplai logam cair kedalam sisi pada cone dapat mengurangi penyusutan seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.23.
Time = 9.7110E+000 (s)
Gambar 4.22 Pola Pengisian Cone Design ke-2
Gambar 4.23 Pola Pembekuan Cone design ke-2
Distribusi temperatur terpusat pada bagian tengah karena mempunyai ketebalan yang besar dan di lokasi tersebut terdapat penambah yang besar juga. Pada gambar 4.24, pada saat waktu menunjukkan 1162 detik temperatur ditengah
cone atau disekitar bagian crown senilai 1400º C.
Lokasi yang lama laju
pembekuannya atau temperaturnya tinggi diprediksi akan timbul penyusutan didaerah tersebut. Pola kecepatan pada cone dinilai baik karena terlihat secara
visual tidak ada pola yang bertabrakan sehingga pasir yang terkikis atau gas yang terperangkap pada kasus desain kedua ini tidak ada. Pola kecepatan desain kedua ditunjukka pada gambar 4.25.
Gambar 4.24 Distribusi Temperatur Cone Design ke-2 Time = 1.5449E+001 (s)
Gambar 4.25 Pola Kecepatan Cone Design ke-2
Setelah perubahan semua aspek parameter maka dilihat tidak adanya
shrinkage pada cone. Shrinkage hanya terdapat penambah yang berwarna merah. Penambah yang mengalami penyusutan akan dibuang fetling (pembersihan produk coran dari penambah dan sistem saluran) atau dipergunakan lagi dengan cara dilebur menjadi logam cair. Pada lokasi 1 terlihat bahwa bagian crown yang rentan terhadap penyusutan berwarna biru yang berarti tidak terdapat caat penyusutan dan daerah samping tidak terdapat cacat shrinkage hanya terdapat pada penambah samping saja yang ditunjukkan pada gambar 4.26.
(a)
(b)
(c) Gambar 4.26 Shrinkage Prediction Cone Design ke-2 (a) Lokasi 1 (b) Lokasi 2 dan (c) Lokasi 3
4.5.3
Blade Pada blade ditemukan shrinkage porosity walau kecil tetapi karena pada
pola pembekuan ada bagian blade yang mengalami laju pembekuan yang lambat sehingga terjadi penyusutan. Penyusutan yang besar terjadi pada saluran turun sehingga logam cair pada penambah (pengalir-runner dan pouring) tidak bekerja secara optimal karena sudah mengalami pembekuan lebih awal. Oleh karena itu perlu redesign awal yaitu dengan mengubah diameter dan memperbesar diameter saluran turun dan masuk agar fungsi penambah dapat mengisi besar penyusutan. Hasil perubahan rancangan ini kemudian dimodelkan dengan Pro/Engineer dan dianalisis. Hasil analisis dengan Pro/Engineer menunjukkan bahwa model cetakan memiliki rongga dengan volume 1.66 e6 mm3 dan massa 13.1 kg Pola pengisian pada blade yang ditunjukkan pada gambar 4.27 tidak mengalami masalah karena pola pengisian cenderung seperti desain awal yaitu aliran logam berasal dari pouring sampai dengan produk coran blade. Pola pembekuan pada desain kedua ini terlihat bahwa suplai logam cair bisa terdistribusi dengan baik sehingga penyusutan dapat diperkirakan hanya terjadi pada penambah saja. Lihat gambar 4.28.
Time = 3.2455E+000 (s)
Gambar 4.27 Pola Pengisian Design ke-2
Time = 1.8646E+001 (s) Solidified = 3.2062E+001 (%)
Gambar 4.28 Pola Pembekuan Design ke-2
Distribusi temperatur terpusat pada blade pada bagian tengah karena mempunyai ketebalan yang besar dan di lokasi tersebut terdapat penambah yang besar juga yang ditunjukkan pada gambar 4.29. Pola kecepatan pada blade dinilai baik karena terlihat secara visual tidak ada pola yang bertabrakan. Walaupun ada yang yang bertabrakan cetakn keramik tergolong cetakan kuat sehingga jarang terjadi terkikisnya dinding cetakan karena aliran logam cair. Pola kecepatan desain kedua ditunjukkan pada gambar 4.30.
Time = 2.5046E+001 (s)
Gambar 4.29 Distribusi Temperatur Design ke-2
Time = 3.2455E+000 (s)
Gambar 4.30 Distribusi Kecepatan Design ke-2
Cacat shrinkage akibat tidak berfungsinya penambah pada design ke-2 ini tidak terlihat sehingga hasilnya dipastikan bahwa tidak ada cacat shrinkage. Pada gambar 4.31 menunjukkan gradasi warna biru yang menunjukkan blade ini bebas dari cacat. Untuk mengantisipasi cacat penyusutan adalah dengan cara memeperbesar saluran turun sehingga logam cair dari penambah akan optimal mengisi rongga yang memerlukan logam yang menyusut.
(a)
(b) Gambar 4.31 Prediksi Cacat Penyusutan (a) Lokasi 1 (b) Lokasi 2
4.6
Solusi Cacat rongga penyusutan terjadi di bagian penambah yang diletakkan pada
ring dan cone (bagian crown). Cacat rongga penyusutan yang terjadi pada penambah tidak menjadi masalah, karena bagian ini akan dibuang saat proses
fettling yaitu proses pembersihan produk coran. Cacat yang terjadi pada crown, ring bagian atas dan bawah harus dihindari, karena dapat menurunkan kualitas runner turbin francis, terutama dari segi kekuatan. Cacat pada ring dan blade juga harus dihindari karena fungsi blade yang berhadapan langsung dengan momentum air. Berdasarkan simulasi dan rancang ulang pada ring, cone dan blade maka cacat
porosity shrinkage dapat ditempuh dengan cara yaitu:
Mengatur temperatur pouring seoptimal mungkin Pada penelitian ini pouring temperatur diturunkan dari 1540º C menjadi 1510º C sehingga shrinkage dapat dihindari. Temperatur penuangan yang tinggi menyebabkan penyusutan dan kelengkungan bentuk cetakan yang dapat mengarah pada ketidak-akuratan dimensi. Hal ini juga dapat menyebabkan adanya variasi komposisi logam coran jika logam menguap pada temperatur penuangan yang tinggi. Temperatur penuangan yang tinggi juga mengurangi waktu pembekuan (yang selanjutnya akan menurunkan laju produksi). Temperatur yang rendah tidak baik karena temperatur penuangan lebih rendah daripada temperatur
optimumnya, lubang cetakan tidak akan terisi, saluran masuk (jika digunakan) tidak akan terikat, bagian coran yang tipis akan lebih cepat membeku dan akan menghambat arah pembekuan. Temperatur penuangan yang rendah juga akan membawa akibat porositas, serta pengecoran yang tidak sempurna. Besarnya temperatur penuangan disesuaikan dengan temperatur lebur logam coran. Temperatur penuangan harus lebih tinggi dibandingkan temperatur lebur. Hal ini dikarenakan adanya temperatur
drop pada saat penuangan sehingga logam cair membeku lebih cepat.
Merancang diameter volume sistem penambah dan sistem saluran yang lebih besar dari perhitungan Dalam simulasi dapat terlihat bahwa hasil perhitungan cetakan rancangan belum tentu sesuai yang diharapkan karena pola pembekuan yang berbeda pada setiap sisi produk sehingga perlu tambahan volume
riser. Hal ini biasa terjadi dalam industri pengecoran tetapi apabila hasil perhitungan rancangan berbeda jauh maka perlu peninjauan ulang dengan cara pengubahan penambah.
.
Menambah cil (chill) pada bagian yang tebal. Cil adalah benda (logam) yang diletakkan di bagian cetakan untuk mendinginkan coran secara cepat. Cil luar yang diletakkan pada permukaan bagian atas ring membawa dampak yang besar untuk turut serta mendinginkan secara cepat. Cil pada ring tersebut diletakkan diantara
riser. Posisinya harus jauh dari riser karena fungsi riser dan cil kurang lebih sama sehingga apabila cil terlalu dekat riser maka fungsi riser dapat tidak optimal yaitu tidak dapat menyuplai logam cair ke bagian penyusutan.
