PENGARUH SUHU, TEKANAN DAN WAKTU PENDINGINAN TERHADAP CACAT WARPAGE PRODUK BERBAHAN PLASTIK Arif Rahman Hakim Dosen Tetap Prodi Teknik Mesin Universitas Riau Kepulauan Batam
Abstrak Pada penelitian ini dikaji pengaruh suhu, tekanan dan waktu pendinginan terhadap munculnya cacat warpage pada produk berbahan plastik. Suhu cavity mold dan tekanan injeksi pada saat proses molding berpengaruh secara signifikan terhadap warpage yang terjadi. Eksperimen yang dilakukan berhasil mendapatkan parameter optimum sehingga cacat warpage dapat diminimalisir. Keyword : warpage. Suhu, tekanan, waktu pendingin, cacat 1.1.Pendahuluan Pembuatan produk berbahan plastik dilakukan dengan menggunakan metode Plastic Injection Moulding (PIM). Metode PIM ini merupakan proses berkecepatan tinggi, otomatis, fleksibel, mampu bentuk untuk komponen-komponen yang berukuran kecil dengan bentuk rumit seperti komponen elektronik dan alat kesehatan maupun komponen berukuran besar seperti komponen otomotif dan kontruksi bangunan. Proses produksi menggunakan mesin Injection Moulding ini tidak terlepas dari cacat produk seperti: sink mark, short shot, flash, voids, warpage, bubble, ataupun weld line yang terjadi pada bagian-bagian tertentu. Hal ini dapat mengakibatkan keterlambatan pengiriman pada konsumen dan dapat mengakibatkan kerugian besar pada pihak perusahaan karena material banyak yang terbuang dan kwalitas produk yang rendah oleh karena adanya cacat produk tersebut. Mesin produksi sangat berperan penting dalam menentukan kwalitas dan kwantitas hasil produksi. Salah satu cacat produk yang ditemukan adalah kerusakan bengkok (warping) yaitu bentuk yang tidak sesuai dengan ukuran yang dan melengkung yang tidak diinginkan. Keadaan ini sering ditemukan pada komponen dengan bentuk tipis dan panjang. Warping ini terjadi dikarenakan oleh kurangnya waktu pendinginan dan adanya tekanan atau perbedaan suhu diantara dua permukaan cetakan injeksi molding tersebut. Untuk memahami masalah ini, maka dilakukan penelitian tentang proses injeksi molding. Diharapkan dengan mengetahui penyebab masalah tersebut akan ditemukan solusi yang efektif. 1.2. Perumusan dan Batasan Masalah 1.2.1. Perumusan masalah Permasalahan yang akan diteliti adalah sebagai berikut: a) Bagaimana pengaruh suhu, tekanan pada proses molding dan waktu pendinginan (cooling time) terhadap cacat warping. b) Bagaimana parameter optimum proses injeksi molding? 1.2.2. Batasan masalah Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan material Tenac HC760 dengan menggunakan mesin injection molding Sumitomo tipe SGM 180 ton produksi Jepang. 1.3. Tujuan dan Manfaat 1
1.3.1. Tujuan penelitian Dengan penelitian ini diharapkan untuk : a) Mengetahui pengaruh suhu, tekanan dan waktu pendinginan (cooling time) terhadap warping. b) Menentukan parameter mesin injeksi yang optimum untuk mengurangi warping yang terjadi pada dari komponen video game Nitendo, sehingga didapatkan produk dengan kualitas yang lebih baik. 1.3.2. Manfaat penelitian Manfaat dari penelitian ini adalah: a) Memperoleh pengetahuan tentang pengaruh suhu, tekanan dan waktu pendinginan (cooling time) terhadap warping. b) Memperoleh parameter mesin injeksi yang optimum untuk mengurangi warping. 2. Kajian teori 2.1 Pengertian Injection Molding Injection molding adalah teknik menyuntikkan plastik ke dalam cetakan (Mold). Material yang digunakan pada injection molding berupa biji biji plastik. Sebelum material diproses, material harus dipanaskan terlebih dahulu dalam wadah yang bernama hopper atau dehumidifier. Pemanasan material ini dilakukan untuk mengeringkan material dari uap air yang diserap. Injeksi molding mempunyai beberapa komponen dasar sebagai berikut: a) Hopper yang berfungsi untuk menempatkan material di mesin dan juga berfungsi sebagai dehumidifier. b) Barrel merupakan tempat untuk pemrosesan material sebelum di injeksi ke tooling. c) Nozzle adalah bagian dari mesin yang berfungsi untuk menginjeksikan plastik ke dalam mold atau cetakan. d) Tie Bar digunakan sebagai penyangga untuk mold, clamping, dan ejector e) Hydraulic Motor berfungsi untuk mendorong screw pada saat injeksi dan memutar screw pada saat pengisian material atau disebut plasticizing supaya bijih plastik mencair. f) Stationary platen adalah plate yang tidak bergerak (diam) sebagai tempat locating ring pada saat menaikkan tooling g) Moveable platen adalah plate yang bergerak dengan arah maju dan mundur pada saat beroperasi/produksi. h) Clamping unit adalah berfungsi untuk membuka dan menutup mold pada saat beroperasi atau produksi. i) Ejector adalah berfungsi sebagai pendorong produk yang sudah tercetak j) Rear platen berfungsi sebagai plate penyangga bagian belakang
2
Komponen-komponen injeksi molding dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 1. Gambar komponen-komponen dasar injection molding
Screw yang terletak didalam barel dapat dilihat pada gambar berikut ini
Gambar 2 Srew pada barrel
2.2 Proses Injection Molding Material dalam bentuk biji biji plastik ditampung dalam sebuah hopper kemudian turun ke dalam barrel (karena gaya gravitasi) dimana biji biji plastic tersebut akan mencair oleh pemanas yang terdapat di dinding barrel dan oleh gesekan akibat perputaran screw injeksi. Biji biji plastik yang sudah mencair diinjeksikan oleh plunger melalui nozzle ke dalam cetakan dan didinginkan dengan menggunakan air. Produk yang sudah dingin dan mengeras dikeluarkan dari cetakan oleh pendorong (ejector). Pada saat proses pendinginan produk, secara bersamaan di dalam barrel terjadi proses pelelehan plastik sehingga begitu produk dikeluarkan dari cetakan dan cetakan menutup, material yang meleleh langsung dapat diinjeksi. 2.3 Bahan Dasar Plastik Plastik terdiri dari dua jenis yaitu thermplastic dan thermosetting. Plastik dengan jenis thermoplastic Copolymer (POM) tenac HC760 memiliki temperatur leleh plastik berkisar 180 ~ 210˚c, temperatur mold >50 ˚c dan tekanan injeksi 5538,6 sampai dengan 9924,6 Mpa.
3
2.4 Tekanan Tekanan merupakan variabel penting pada proses injeksi molding agar biji plastik yang telah meleleh dapat mengisi mold. Besarnya tekanan yang dibutuhkan dipengaruhi oleh temperatur. Proses penekanan pada injection molding dilakukan dengan dua tahap. Tahap pertama dilakukan dengan tekanan tinggi untuk menginjeksikan plastik cair agar mengisi rongga cetakan. Tahap kedua pada tekanan yang lebih rendah atau disebut holding pressure, pemberian tekanan ini dimaksudkan untuk menahan produk selama proses pembekuan sehingga terbentuk sempurna. Tekanan injeksi ini merupakan tekanan yang digunakan untuk mencetak material kedalam rongga cetakan. Tekanan ini dipengaruhi oleh luas proyeksi benda dan gaya yang dibutuhkan. Proses injeksi dan proses penahanan (holding) diusahakan pada tekanan terendah yang masih dapat dilakukan tanpa mengakibatkan terjadinya short-shot. Tekanan dijaga lebih dari cukup agar dapat meminimalkan shrinkage dan sink mark. Batasan tekanan injeksi tergantung pada kemampuan mesin untuk menekan dan mengklem. Tekanan ini harus dapat menahan tegangan produk dari over packing. Sedangkan penurunan tekanan (pressure drop) yang masih diijinkan selama proses injection molding adalah 80% dari tekanan maksimum injeksi. Jika melebihi batas tersebut, salah satu upaya yang perlu dilakukan adalah dengan menaikkan tekanan maksimum injeksi. Selain itu dapat juga dilakukan penambahan pada temperatur lebur plastik.
2.5 Cacat Produk pada Injection Molding Beberapa permasalahan yang sering ditemukan pada produk hasil injeksi molding antara lain: a) Short-shot
4
Short-shot adalah cacat produk akibat pengisian yang tidak sempurna. Hal ini dapat disebabkan oleh beberapa hal antara lain: - Pelelehan biji plastik yang tidak sempurna - Injeksi yang lambat - Tekanan injeksi yang lemah - Temperatur peleburan yang rendah - Temperatur mold yang rendah - Udara tidak keluar dari mold cavity b) Sink or air bubble Sink adalah keadaan cacat produk berupa bentuk cembung pada permukaan produk sedangkan air bubble ditemukanya gelembung udara didalam produk. Hal ini bisa disebabkan oleh: - Perbedaan temperature pada dinding mold yang signifikan - Tekanan injeksi yang rendah - Temperatur material yang tinggi - Tidak cukup pendinginan pada cetakan - Lubang keluar angin (air vent) terlalu kecil c) Warpage Warpage adalah kondisi cacat produk yang terlihat sebapai permukaan produk yang melengkung atau terbelit. Hal ini bisa diakibatkan: - Pendinginan cetakan yang tidak seragam - Perbedaan temperatur yang tinggi disebahagian cetakan - Tekanan tunggu (holding pressure) yang rendah d) Weld mark or flow mark Weld mark merupakan cacat produk berupa garis di permukaan produk, yang disebabkankan oleh : - Injeksi yang lambat - Suhu peleburan yang rendah - Suhu catakan yang rendah - Permukaan cetakan terkontaminasi minyak - Udara tidak keluar dengan lancar dari cetakan
e) Discolored molding Discolored merupakan cacat berupa pelunturan warna pada produk. Hal ini bisa disebabkan: - Temperatur peleburan yang tinggi - Proses peleburan material yang terlalu lama - Pencampuran warna yang tidak stabil f) Black spot Keadaan cacat produk dimana ditemukan seperti bintik hitam pada produk, hal ini dipengaruhi oleh: - Kurang bersih saat penggantian material - Material mengalami pemanasan/pengeringan yang berlebihan - Proses pewarnaan yang tidak stabil 2.6 Parameter Proses Injection Molding Parameter yang signifikan pada proses injection molding adalah: a) Holding Pressure Time Holding pressure time adalah lamanya penekanan material setelah diinjeksikan ke cetakan. Waktu yang dipakai tergantung dari jenis produk yang dijalankan. 5
b) Holding Press Holding pressure adalah tekanan yang diberikan pada material setelah material diinjeksikan ke dalam cetakan. Tekanan yang digunakan juga tergantung dari jenis produk yang dijalankan. c) Cooling Time Cooling time adalah waktu pendinginan setelah material di injeksikan ke dalam cetakan. d) Water controller Water controller adalah suatu alat yang digunakan sebagai pengontrol temperatur cetakan pada saat produksi. Penentuan temperatur itu tergantung dari jenis material yang digunakan. e) Low Press Clamp Force Low press clamp force adalah gaya yang digunakan pada saat menutup cetakan. Low press clamp force yang terlalu tinggi dapat menyebabkan double clamp apabila produk tertinggal dalam cetakan.
3.1 Metodologi Konsep penelitian ini dikembangkan dengan meninjau proses injeksi molding sebagai fungsi dari parameter proses
Gambar 3. Konsep penelitian
3.2 Tempat Penelitian Penelitian ini dilakukan dengan bantuan salah satu perusahaan manufaktur di Batam yang memiliki proses injeksi molding. 3.3 Waktu Penelitian Penelitian dilakukan pada bulan September 2015 – Desember 2015 3.4 Obyek Penelitian
6
Obyek penelitian adalah Upper Guide B yangmerupakan salah satu mekanikal komponen untuk disc drive pada Nintendo games. Upper guide B dibuat dengan spesifikasi yang ketat dan memiliki warpage direction + +. Apabila warpage direction - - , atau terbalik arah, maka akan terjadi Function error di dalam komplit set Nintendo Games. Jadi warpage direction memegang peranan penting untuk upper guide B. 3.4 Pengumpulan Data Pengumpulan data dilakukan dengan menggunakan formulir yang biasa dipakai pada proses produksi yaitu: Testing form First running form Technical information form Mould condition sheet form Patrol form Tooling repair form Maintenance repair form 4.1.1. Dokumen mesin running a) Testing form Testing form adalah salah satu dokumen yang dipakai untuk mencatat parameter mesin pada saat testing tooling yang baru atau tooling yang pindah mesin dari mesin yang satu ke mesin yang lain. b) First running form First running form merupakan formulir prosedur dari departemen produksi untuk diserahkan ke departemen QC dalam pengecekan dimensi produk, apabila suatu produk baru jalan produksi. c) Technical information form Technical Information form adalah formulir informasi yang menyangkut masalah teknis seperti mold condition sheet. d) Mold condition sheet form Mold condition sheet form adalah formulir yang berisi parameter mesin yang optimum untuk suatu jenis produk, dibuat setelah ada persetujuan dari pihak customer menyatakan layak jalan (Approved). Parameter ini dibuat berdasarkan testing kondisi yang telah disetujui oleh customer. Mold condition sheet yang asli disimpan di QC. e) Patrol form Patrol form yaitu formulir data mesin yang dicek setiap shift untuk memastikan aktual kondisi yang ada pada mesin. Parameternya harus sama dengan mould condition sheet. Data yang dicek berupa Part Name, Part Number, Number Mesin, nama material, jenis material, material dicampur atau tidak, warna material, suhu air atau oli, skala waktu dan lain sebagainya. Patrol akan dicek setiap shift (3 shift) oleh set-up-man, jika patrol sudah terisi penuh dalam 3 shift maka patrol tersebut harus di tanda tangan oleh supervisor produksi dan disimpan didokumen departemen produksi berdasarkan tanggal dan bulan sesuai nomor mesinnya. f) Tooling repair form Tooling repair form adalah formulir permintaan untuk memperbaiki tooling di departement tooling, dengan adanya formulir tersebut sebagai bukti bagian tooling sudah melaksanakan tugasnya. Tooling yang bermasalah, kemudian dibuatlah formulir tooling repair oleh supervisor produksi yang akan diserahkan ke departemen tooling 7
g)
untuk diperbaiki, setelah diperbaiki, formulir tersebut dikembalikan ke departemen produksi untuk testing ulang. Maintanance repair form Maintenance repair form yaitu formulir untuk mesin yang bermasalah yang dibuat oleh departemen produksi untuk diserahkan ke bagian maintenance untuk di tindak lanjuti dalam hal perbaikan mesinnya. Apabila mesinnya diperbaiki dan tidak bermasalah lagi maka mesinnya dapat dijalankan. Pada formulir ini ada persetujuan dan komentar dari supervisor masing-masing departmen.
4.1. Analisis Permasalahan Upper Guide B adalah salah satu mekanikal komponen untuk disc drive Nintendo games. Di dalam disc drive, upper guide B dibuat dengan spesifikasi yang ketat dan memiliki warpage direction + +. Apabila warpage direction - - , atau terbalik arah, maka akan terjadi Function error di dalam komplit set Nintendo Games. Jadi warpage direction memegang peranan penting untuk upper guide B. Kontrol terhadap warpage direction upper guide B di lakukan dengan pemeriksaan dimensi pada setiap shift oleh inpector. Pencatatan mesin parameter di dalam Patrol Sheet form yang dilakukan oleh orang produksi. Selain pencatatn mesin parameter, engineering staff juga melakukan pengukuran terhadap temperature mold. Cara melakukan pengukuran juga harus benar karena akan berpengaruh terhadap data yang dicatat dan berpengaruh terhadap tindakan yang akan diambil sebagai langkah preventive untuk mencegah produk menjadi rusak atau out of specification.
Gambar 4. Cara pengukuran temperature tooling (mold) di bagian core
Gambar 5. Pengukuran temperature tooling (mould) di bagian cavity 8
4.2
Produksi upper guide B Untuk memproduksi upper guide B, diperlukan beberapa komponen pendukung : 1) Mesin moulding : Sumitomo SG 180 Ton 2) Material plastic : Tenac 3) Water controller : 2 unit dengan jangkauan temperatur 110oC 4) Dehumidifier : 1 unit sebagai pengering material 5) Fan : sebagai alat untuk mempercepat proses pendinginan produk. Alasan pemilihan komponen pendukung : 1. Mesin Sumitomo SG 180 Ton Pemilihan mesin ini di dasarkan pada projection area produk di tooling. Dari perhitungan yang dilakukan mesin yang digunakan minimal harus yang mempunyai tekanan 150 ton. 2. Material Plastic Pemilihan material plastic di dasarkan oleh pilihan yang dilakukan customer berdasarkan spesifikasi produk. 3. Water Controller Water controller yang dipilih harus bisa mencapai temperatur 120oC 4. Dehumidifier Pengering material ini dipilih untuk memberikan kualitas terbaik terhadap pengeringan material, dikarenakan sirkulasi udara pengering tertutup yang terjadi di dalam de-humidifier. 5. Fan Fan diperlukan untuk mempercepat proses pendinginan setelah moulding proses. Produk yang diambil robot akan diletakkan di atas konveyor dan akan mengalami proses pendinginan secara alami. Proses pendinginan alami ini tidak dapat berlangsung secara cepat karena pendeknya jarak konveyor ke operator produksi. Untuk itu di pilihlah fan untuk mempercepat proses pendinginan di proses produksi.
4.3
Analisis Warpage Untuk menentukan parameter mesin yang optimal, diperlukan proses uji coba (testing) yang akan diukur dimensinya. Dimulai dengan menetapkan kondisi awal (T-1). Apabila diperlukan perbaikan, maka kondisi mesin akan dirubah (adjust) menjadi T-2,T-3, dst. Kondisi awal ini adalah kondisi dimana produk sudah penuh (full part) tanpa ada short molding ataupun reject yang lain. Ada 4 hal yang dapat menyebabkan perubahan warping dalam suatu produk, yaitu : 9
1. 2. 3. 4.
Tekanan ( Pressure) Tarikan (Pulling) Temperatur mold/barrel Tingkat kekeringan material (berhubungan dengan tingkat penyusutan produk) Pengukuran warpage dilakukan dengan menggunakan Jig untuk upper guide B. Specimen diletakkan di atas jig tanpa ada tekanan . Hal ini dilakukan agar warage yang diukur sesuai dengan kondisi yang aktual. Berikut ini adalah alat ( jig ) yang dipakai untuk mengecek warpage untuk upper guide B:
Gambar 6. Jig pengecekan warpage Berikut adalah data testing yang dilakukan untuk Upper Guide B:
Hasil pengukuran terhadap kondisi mesin T-1 sampai dengan T-4 adalah sebagai berikut :
10
Dari hasil testing dan pengecekan dimensi produk yang dilakukan, maka diketahui bahwa kondisi testing T-4 merupakan kondisi yang optimum untuk warpage upper guide B. Pada penentuan parameter mesin T-1 sampai dengan T-4, holding time, holding pressure dan temperature mold (cavity) adalah parameter yang dibuat tetap (tidak berubah). Sementara temperature mold (Core) adalah parameter yang diubah (variable) yaitu 90oC, 95oC, 100oC, dan 105oC. Dari pengujian ini diketahui bahwa perbedaan temperature mould di daerah cavity dan core mempengaruhi besarnya warpage upper guide B secara signifikan. 5.1. Kesimpulan Dari hasil penelitian yang telah dilakukan disimpulkan bahwa: 1. Temperature tooling, holding press, cooling time mempengaruhi terjadinya warrpage pada produk berbahan plastic. 2. Warpage Upper Guide B optimum terjadi pada temperature cavity 70˚c dan temperatur core 105˚c. 3. Paramater optimum untuk proses injeksi molding yang didapat dari penelitian ini adalah
5.2. Saran 1. Penelitian lanjutan dapat dilakukan dengan membuat parameter tekanan sebagai parameter variable. 2. Disarankan kepada pihak universitas untuk lebih memberikan pendalaman ilmu di bidang injection molding Daftar Pustaka Robert W. Fox, Introduction to fluid mechanics, third edition, John Wiley & Son, 1985 Instruction Manual SGM-H Injection Molding Machine Sumitomo Heavy Industries,Ltd Instruction Manual SE Injection Molding Machine Sumitomo Heavy Industries,Ltd Instruction Manual SG Injection Molding Machine Sumitomo Heavy Industries,Ltd http://isearch.babylon.com/?AF=100888&babsrc=adbartrp&mntrId=eaafc0a2000000000000e c55f9896f19&q=mesin+injection+moulding http://id.wikipedia.org/wiki/Injection_molding http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-8581-2105100062-Chapter2.pdf http://injeksiplastik.blogspot.com/ http://translate.google.co.id/translate?hl=id&langpair=en|id&u=http://www.custompartnet.co m/wu/InjectionMolding http://id.wikipedia.org/wiki/Injection_molding#Proses Wid.m.wikipedia.org/wiki/Injection_molding 11
LAMPIRAN PERHITUNGAN Mould Clamping Calculation Part name : Upper Guide B Part No : RMQ 1844-1L FCR = ( Pm x Ac) + (2Pm x AR) 1000 AC = Total Area of Projection of cavity ( cm2 ) = 11 cm x 1.0 cm x 8 pcs = 88 cm2 AR = Total Area of Projection of runner ( cm2 ) = 15 cm x 2 cm + 2 cm x 11 cm + 2 cm x 4 cm = 60 cm2 FCR=Clamping Force necessary for 2 plate mould Pm = Mean Pressure of Resin in cavity ( kgf/cm2 ) For POM material = 700 kgf / cm2 Jadi dari perhitungan di atas, diperoleh 145.600 kgf/cm2. Untuk pemilihan mesin produksi harus di pilih tonase mesin yang lebih besar dari perhitungan teoritical. Jadi dipilih lah mesin dengan tonase 160 ton.
12
