BPPT UPT PSTKP
Prinsip Kerja mesin Extrusi dan Permasalahan dalam Pengoperasiannya LAPORAN TEKNIS
Penyusun : M. Dachyar Effendi, ST Staf UPT-PSTKP Bali
Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi Unit Pelaksana Teknis Pengembangan Seni dan Teknologi Keramik dan Porselin Bali Deputi Bidang Teknologi Informasi, Energi, Material dan Lingkungan Oktober 2002
LEMBAR PENGESAHAN
Prinsip Kerja mesin Extrusi dan Permasalahan dalam Pengoperasiannya
Penyusun : M. Dachyar Effendi, ST Staf UPT-PSTKP Bali
Mengetahui, Kepala UPT-PSTKP Bali
Drs. I Gusti Ketut Astana NIP. 680001353
ii
DAFTAR ISI
HAL Halaman Judul …………………………………………………………………..
i
Lembar Pengesahan ……………………………………………………………
ii
Daftar Isi ………………………………………………………………………….
iii
Kata Pengantar ………………………………………………………………….
iv
Ringkasan …………………………………………………………………………
v
1.
PENDAHULUAN
1
2.
Permasalahan Umum Operasi Extruder
2
2.1.
Kondisi Massa Lempung yang Diekstrusi
2
2.2.
Keserasian Kerja Bagian-bagian Ekstruder.
2.3.
Ketepatan Operasi
3.
Pengamatan Ekstrusi Lempung pada Industri Kecil Genteng
5
4.
Penutup
6
DAFTAR PUSTAKA
7
iii
KATA PENGANTAR
Atas berkat rahmat Tuhan YME, akhirnya laporan Teknis Prinsip Kerja mesin Extrusi dan Permasalahan dalam Pengoperasiannya dapat diselesaikan dengan baik Tulisan ini dibuat dalam rangka mencari upaya penyelesaian masalah dalam pengoperasian mesin extruder yang dipakai di Unit Pelaksana Teknis Pengembangan Seni dan Teknologi Keramik. Diharapkan pula tulisan ini menjadi panduan upaya perekayasaan peralatan extrusi untuk kemudian dapat diterapkan
dalam
bagian
produksi
UPT-PSTKP
Bali
serta
dapat
dimasyarakatkan kepada perajin-perajin keramik setempat.
Semoga laporan ini dapat digunakan sebagaimana mestinya.
Denpasar,
Oktober 2002
Penulis
iv
RINGKASAN Mutu dan produktivitas hasil produksi industri bahan bangunan dari tanah liat ditentukan oleh cara pembentukkannya, Cara pembentukan masa aduk lempung ditentukan oleh kadar air lempung yang dibentuk, berdasar pada kelembaban
massa
aduk lempung, dikenal cara pembentukan dengan sistem cetak tangan, extrusi, pres setengah kering, dan pres kering. Dari keempat cara pembentukan tersebut, sistem extrusi paling banyak digunakan terutama di Amerika dan Eropa. Di Indonesia, semua industri menengah dan besar yang memproduksi bahan
bangunan dari tanah liat menggunakan extruder sebagai alat
pembentukannya. Perkembangan mesin extruder tidak terlepas dari perkembangan pengalaman produsen dan konsumennya, sehingga rancang bangun dan perekayasaannya juga selalu mengalami perkembangan. Pengalaman penggunaan extruder adalah hasil dari pemecahan permasalahan yang timbul selama proses produksi. Problem penggunaan extruder ini lebih banyak dijumpai pada industri kecil bata/genteng.Oleh karena itu, dalam tulisan ini ingin dikemukakan problem yang timbul dengan argumentasi pemecahannya.
v
1. Pendahuluan Mutu dan produktivitas hasil produksi industri bahan bangunan dari tanah liat ditentukan oleh cara pembentukkannya, Cara pembentukan masa aduk lempung ditentukan oleh kadar air lempung yang dibentuk, berdasar pada kelembaban massa aduk lempung, dikenal cara pembentukan dengan sistem cetak tangan, extrusi, pres setengah kering, dan pres kering. Dari keempat cara pembentukan tersebut, sistem extrusi paling banyak digunakan terutama di Amerika dan Eropa. Di Indonesia, semua industri menengah dan besar yang memproduksi bahan bangunan dari tanah liat menggunakan extruder sebagai alat pembentukannya. Pada industri kecil pun, penggunaan extruder mulai banyak mengganti sistem cetak tangan. Penggunaan extruder pada kenyataannya lebih cocok sebagai alat pembentukan karena mengikuti konsep modern tentang kontinyuitas proses produksi. Sejak mesin extruder berkembang dalam berbagai tipe dan ukuran/kapasitasnya, di Indonesia juga berkembang industri penghasil mesin extruder,meskipun masih pada tipe yang seder-hana dan berkapasitas rendah. Perkembangan mesin extruder tidak terlepas dari perkembangan pengalaman produsen dan konsumennya, sehingga rancang bangun dan perekayasaannya juga selalu mengalami perkembangan. Pengalaman penggunaan extruder adalah hasil dari pemecahan permasalahan yang timbul selama proses produksi. Problem penggunaan extruder ini lebih banyak dijumpai pada industri kecil bata/genteng. Oleh karena itu, dalam tulisan ini ingin dikemukakan problem yang timbul dengan argumentasi pemecahannya. 2. Studi Literatur 2.1. Permasalahan Umum Operasi Extruder. Extruder terdiri dari daun spiral
yang mengelilingi poros dan berputar di dalam silinder dengan panjang tertentu(Barrel) Di depan barrel terdapat kepala extruder dan mulut extruder (die). Putaran spiral mengalirkan lempung ke sekeliling barrel dalam arah yang menyilang arah poros, melalui ruang kosong (clearence) antara daun spiral dan dinding barrel (yang beralur), ke arah kepala extruder. Di daerah kepala extruder lempung mengalami penekanarr terus menerus hingga padat oleh lempengan penekan yang dipasang pada ujung poros extruder melalui tekanan kepala extruder, lempung selanjutnya dapat dialirkan kearah mulut extruder (die), membentuk kolom lempung dengan bentuk dan ukuran yang ditentukan oleh bentuk die dan alat pemotong kolom lempung. Aliran lempung tersebut berlangsung terus menerus, sehingga extruder dapat berproduksi secara kontinyu. Berdasarkan mekanisme kerja extruder tersebut, maka faktor-faktor yang mempengaruhi kelancaran operasi extruder dapat dituturkan sebagai berikut. 1. Kondisi massa lempung yang dialirkan oleh extruder. 2. Keserasian kerja bagian-bagian extruder. 3. Ketepatan operasi. Ketidaksesuaian ketiga faktor tersebut dapat menimbulkan masalah-masalah yang menghambat pro-duksi kolom lempung dan mutu kolom lempung yang-keluar melalui die. Masalah ini dijumpai dalam bentuk: - Rusuk-rusuk lempung yang keluar melalui die bergerigi (sisi-sisi kolomnya kasar) atau terjadi laminasi (belah-belah) setelah lempung kering atau ditakar. - Lempung tidak dapat mengalir atau tidak ada hasil extrusi. Kecepatan kolom lempung keluar die lambat, tetapi mutu kolom lempungnya baik. 2.2. Kondisi Massa Lempung 1
yang Diekstrusi Tingkat keplastisan massa lempung merupakan salah satu faktor penentu berhasilnya proses pengalirannya dalam silinder/barrel extruder, fraksi kasar akan lebih banyak terkumpul ke arah dinding barrel dan dinding die sehingga menyebabkan tekanan gesekan yang besar melawan arah aliran lempung. Gesekan lempung dengan die menyebabkan kolom ler yang keluar dari die mei bergerigi atau kasar permul nya. Adanya gaya gesekan yang menye babkan terjadinya gerigi pada rusukrusuk kolom lempung dapat diamati dari adanya perbedaan kecepatan aliran kolom lempung antara bagian tengah dan bagian sudut die, sedang, kecepatan aliran kolom bagian tengah lebih besar. Gerigi pada rusuk-rusuk kolom lempung sering dapat diatasi dengan memberi pelumasan yang cukup pada dinding die. Pelumasan dapat dilakukan dengan menggunakan bahan pelumas minyak tanah, campuran minyak solar dengan minyak nabati, uap air atau air. Dalam hal menggunakan air sebagai bahan pelumas, sering menimbulkan masalah baru, setelah masalah gerigi pada rusuk kolom lempung dapat diatasi, yaitu kolom lempung menjadi kurang padat (lembek), akibatnya sulit dipotong atau dipindahkan setelah dipotong-potong. Pemecahan yang lain sering juga berhasil, yaitu dengar membuat sudut luar die nya agak lengkung, untuk memperkecil gesekan. Lempung yang terlalu plastis (kadar fraksi halusnya tinggi), selama proses exttrusi akan memadat di bagian daun spiralnya sementara .yang mengalir kearah dinding barrel lebih lunak, sehingga perputaran daun spiral dalam barrel terjadi slip karena lempung yang padat pada bagian daun spiral tergelincir dalam lapisan lempung yang licin dibagian dinding barrel. Akibat dari peristiwa slip ini lempung tidak dapat
mengalir kearah die, maka tidak terjadi extrusi. Untuk mengatur keplastisan lempung yang akan diextrusi, perlu dilakukan persiapan sebelumnya, seperti pemeraman lempung yang cukup waktunya, penghalusan lempung dengan mesin roll, kerataan adukan. lempung dan air dalam mesin pengaduk dan sebagainya. Penyiapan kondisi massa aduk ini sangat penting, oleh karena itu, dalam perkembangannya mesin extruder dirakit terpadu dengan peralatan penyiapan massa sehingga timbul hasil rancangan mesin extruder yang berbentuk kombinasi “Crusher-mixerextruder", "Double Shaft Mixer Extruder", “Mixer-Extruder hampa (vakum)”, dan lain-lain. Keplastisan lempung dalam extruder lebih ditentukan oleh kadar airnya, sehingga pada kondisi kadar air optimum untuk berbagai jenis lempung dapat dilakukan proses extrusi dengan baik. Kadar air lempung dalam extruder yang baik adalah antara 25-35% untuk extrusi lunak dan 15-25% untuk extrusi keras (menggunakan pompa vacum). 2.2. Keserasian Kerja Bagian-bagian Ekstruder. Bagian-bagian extruder, seperti spiral extruder, kepala extruder, dan mulut extruder harus mempunyai keserasian kerja untuk memudahkan lempung dialirkan, dipadatkan, dan dibentuk. Keserasian bagian-bagian tersebut ditentukan dari rancang bangun dan perekayasaannya, seperti misalnya perbandingan antara diameter barrel dengan jarak daun spiral (pitch), panjang/pendeknya die, sudut kemiringan die (die taper) dan lain-lain. Dari parameter rancang bangun tersebut, bagian yang kritis adalah pada rancangan dienya, karena dibagian ini merupakan bagian yang memberikan tahanan balik terbesar pada aliran massa lempung. Berdasarkan panjang pendeknya kepala extruder dan mulut extruder, didapat patokan umum dalam 2
penggunaan jenis tanah liat tertentu. Untuk tanah liat yang lebih plastis diperlukan kepala extruder yang panjang dan die yang pendek, sebaliknya untuk tanah yang kurang plastis diperlukan kepala extruder yang pendek dan die yang panjang. Ketentuan tersebut berlaku terutama untuk pembentukan kolom lempung yang pejal, sedang untuk kolom lempung yang berlobang atau berdinding tipis ditekankan penggunaan die yang pendek. Dalam rancangan die, faktor kemiringan die memberi pengaruh terhadap kecepatan extrusi dan mutu produknya. Makin besarnya sudut kemiringan die dapat mengurangi terjadinya gerigi pada kolom lempung yang dihasilkan, tetapi memperbesar kemungkinan laminasi pada kolom hasil extrusi, karena terjadi aliran yang lebih cepat dibagian tengah di-banding dengan aliran dibagian samping, lebihlebih apabila dienya panjang. Berbagai rancang bangun die me-rekomendasikan sudut kemiringan die antara 4-100, bahkan lebih kecil dari 4° atau datar. 2.3. Ketepatan Operasi Mesin extruder yang telah dirancang dengan baik belum tentu dapat berfungsi dengan baik apabila tidak diikuti dengan cara kerja yang baik dalam mengopera-sikannya. Dalam sistim operasi extruder, faktor kecepatan putaran spiral dalam barrel mempengaruhi kecepatan kolom lempung hasil extrusi. Selain itu cara pengumpanan lempungpun dapat memberi pengaruh yang sama. Percobaan operasi extruder untuk mencari kondisi operasi optimal putaran spiral extruder,. perlu dilakukan untuk setiap jenis lempung yang akan digunakan, agar dicapai kapasitas produksi maksimal. Menurut eksperimen secara laboratorium (Good soon FJ, Clay Preparation and Shaping, B.D.A (1962, halaman 72), kecepatan extrusi dapat dinyatakan menurut persamaan Qmax = AN – BN2 ; A dan B adalah bilangan tetapan (konstanta) dan N adalah putar-
an spiral. Dari persamaan tersebut dapat diartikan bahwa kecepatan ekstrusi maksimal dicapai pada kenaikan kecepatan putaran dari N = 0 hingga N = A/(2B) dan kecepatan ekstrusi turun kembali hingga sama dengan nol apabila N =A/B. Harga N = A(2B) diperoleh dari penjabaran Qmax – dQ/dN = A - 2BN = 0, harga N = A/B diperoleh dari penjabaran Q = AN -BN2 = 0. Dari persamaan tersebut dapat disimpulkan bahwa kecepatan ekstrusi akan sebanding dengan kenaikan kecepatan putaran spiral hingga mencapai maksimal dan apabila kecepatan putaran spiral (pada kecepatan ekstrusi maksimal) dinaikkan hingga dua kalinya, maka kecepatan ekstrusi akan sama dengan nol. Jadi dengan coba-coba dapat ditentukan kecepatan putaran spiral yang tepat untuk mengoperasikan ekstruder agar dihasilkan kecepatan ekstrusi maksimal, Pengoperasian ekstruder pada kecepatan putaran spiral diluar harga optimalnya akan menyebabkan turunnya kecepatan extrusi extruder, Pengaturan keplastisan lempung berdasarkan kepada sifat-sifat lempung yang akan diolah meliputi : - Kehalusan butiran massa tanah liat, - Mineral lempung penyusunnya, Angka keplastisan lempung (Plasticity Index Atterberg) - Air pembentukan optimal. Pada berbagai extruder, kecepatan putaran, spiral terletak antara 20 – 40 rpm (putaran per menit), Salah satu faktor yang mempengaruhi kecepatan ekstrusi adalah cara pengumpanan lempung ke dalam extruder. Pengumpanan yang terlalu cepat ke dalam barrel dapat menyebabkan lempung berkumpul atau meluap dibagian belakang daun spiral (Tempat pemasukan). Pada prinsipnya, proses ekstrusi harus dapat rnemadatkan lempung ke arah dinding barrel, apabila pemadatan terjadi pada daun spiral 3
maka akan terjadt perputaran yang licin (slip) dalam barrel yang licin. Pengumpanan lempung yang tidak proporsional hingga lempung tak tertampung dengan baik dalam barrel akan menyebabkan transportasi lempung oleh daun spiral menjadi lambat dan lempung memadat di bagian daun spiralnya. Kapasitas pengumpanan lempung harus dikendalikan sedemikian rupa sehingga volume barrel hanya terisi oleh massa lempung sebanyak Nama Perusahaan
Kecepatan Diesel Penggerak (rpm)
50% atau lebih sedikit (pabrik-pabrik extruder merekomendasikan pengisian lempung dalam barrel antara 40 - 60% volume barrel). 3. Pengamatan Ekstrusi Lempung pada Industri Kecil Genteng Sebagai perbandingan, hasil pengamatan operasi. Extruder. (buatan Bandung) untuk pembuatan genteng di daerah kebumen adalah sebagai berikut :
Kecepatan Spiral (rpm)
Kecepatan Kepadatan Extrusi (Slab/jam) Lempung (hardness tester)
HMF
1.400
35
1.240
6
MB0
1.400
39
1.213
7
F HM
1.170
31
1.000
6
Keterangan :
1. Tempat pengunpanan lempung 2. Poros ekstruder (penggerak) 3. Spiral ekstruder (auger) 4. Pitch (jarak spiral)
5. Lempeng penekan 6. Spacer (kepala ekstruder) 7. Die (mulut ekstruder) 8. Clearance (ruang rugi) 9. Barrel ekstruder
Lempung yang diekstrusi adalah lempung alluvial dengan kadar mineral lempung 30-35% dan kadar air 35 – 45%Disain die : Penampang depan = 18x18 cm2 Penampang belakang = 22x22 cm2 Sudut kemiringan = 5,2° Panjang die = 22 4. Penutup 4
Pembahasan diatas diharapkan dapat membantu memecahkan masalah yang terjadi dalam proses extrusi lempung, khususnya bagi industri kecil bata/genteng yang sedang memodernisasikan proses produksinya
Daftar Pustaka
1. F.J. Goodson, Clay Preparation and Shaping, Building Developments Association, Nottingham (1962) 2. Interceram Mr.3 (1982), Factors Affecting Performance of Auger for Clay Ex+ru-tion and their remedial measures, ha 1. 198 - 203 3. Brick & Clay Record January (1981), Lamination in Clay Ex+russion Causes and Correction, ha I. 32-35 4. Koopman A., The Influence of Ex+ru+ion Die on the flow of Clay in the Die Internal Paper no. 4, Bandung (1982) 5. Ceramic Bulletin vol. 33 no. 11, Handling the difficult Ex+ru+ion Problem ha 1. 326 327 6. Laporan Intern Balai Penelitian Keramik (1980).
5
