5

Bab II Dasar Teori

II.1 Proses Metal Injection Molding

II.1.1 Deskripsi Proses

Secara garis besar proses produksi komponen melalui jalur teknologi

logam serbuk dengan proses injection molding dapat dijelaskan dengan diagram alir

seperti pada pada Gambar II.1. Proses ini terdiri dari proses penyiapan feedstock,

pencetakan, debinding, dan sintering. Feedstock dibuat dengan cara mencampur

serbuk logam dengan binder. Serbuk logam yang digunakan dalam proses metal

injection molding umumnya berukuran antara 5-100 μm. Campuran serbuk dengan

binder kemudian digranulasi menjadi pelet dengan ukuran sekitar 5-7 mm.

Campuran serbuk logam dengan binder yang berbentuk pelet inilah yang disebut

dengan feedstock yang digunakan sebagai input mesin injection molding.

Perbandingan jumlah serbuk dengan binder tergantung pada jenis binder, jenis logam,

bentuk dan ukuran serbuk. Keseragaman ukuran serbuk juga sangat menentukan

karena keberagaman ukuran serbuk menentukan kepadatan (packing density) yang

sangat berpengaruh pada sifat rheologi feedstock [6].

Gambar II.1 Flow Chart Proses Metal Injection Molding [6]

Binder biasanya terdiri dari beberapa jenis polimer yang paling tidak

mengandung unsur backbone material untuk penjaga bentuk (shape retention)

selama debinding, low viscosity material untuk menurunkan viskositas, dan sedikit

zat aditif untuk meningkatkan wetability campuran [2,6]. Binder sangat berpengaruh

POWDER

BINDER

MIX GRANULATE

MOLDING

DEBIND SINTER FINISH PRODUCT

6

pada kerapatan partikel, aglomerasi, rheologi, pencetakan, debinding, akurasi

dimensi, cacat, dan komposisi kimia produk akhir [6]. Oleh karena itu pemilihan

jenis-jenis polimer penyusun binder merupakan hal yang sangat penting dalam

proses ini.

Pada proses injeksi, feedstock dimasukkan ke dalam hopper secara

bertahap. Di dalam barrel, feedstock dipanasi dengan elemen pemanas sambil

didorong oleh feeding screw. Tepat di ujung nozel, feedstock harus sudah meleleh.

Lelehan feedstock tersebut kemudian didorong ke dalam rongga cetak melalui nozel

oleh feeding screw. Selama proses pembekuan dalam rongga cetak, tekanan masih

tetap ditahan untuk mempertahankan tekanan dalam produk. Setelah produk

membeku, cetakan dibuka dan produk mentah (green compact) dikeluarkan dari

rongga cetak dengan bantuan ejector pin. Seringkali bekas ejector pin ini masih

dapat dilihat pada produk akhir. Skema mesin injection molding tersebut adalah

seperti yang terdapat pada Gambar II.2 berikut ini.

Gambar II.2 Bagian-Bagian Mesin Injection Molding [4]

Proses debinding adalah proses penghilangan binder dari dalam produk

mentah. Debinding dapat dilakukan dengan berbagai cara, tapi yang paling umum

dan paling mudah adalah dengan thermal debinding. Prinsip thermal debinding

HOPPER

HYDRAULICMOTORS AND

GEARS

HYDRAULICPUMP

BARREL

HEATERS

NOZZLE MOLD TIE BAR CLAMPUNIT

EJECTOR

STATIONAYPLATEN

MOVEABLEPLATEN

REARPLATEN

INJECTION MOLD CLAMPING

7

adalah dengan menguapkan komponen binder dengan memanasi dan menahan dalam

jangka waktu tertentu pada temperatur sedikit di atas temperatur dekomposisi

komponen binder tersebut. Oleh karena itu, untuk setiap formulasi binder

memerlukan pola pemanasan yang berbeda-beda sesuai dengan komponen penyusun

binder tersebut. Lama penahanan pada setiap tingkat pemanasan tergantung pada

ukuran produk. Jika direncanakan semua binder sudah hilang dalam proses

debinding maka pada akhir proses debinding haruslah merupakan proses pra-sinter

sehingga sudah mulai terjadi ikatan antar partikel untuk mempertahankan bentuk

produk. Thermal debinding tidak dilakukan dengan pemanasan pada satu temperatur

tinggi karena hal itu akan menyebabkan binder terdekomposisi menjadi karbon dan

tidak bisa dikeluarkan dari badan produk.

Proses sintering merupakan proses pemanasan yang bertujuan untuk

membentuk ikatan atomik antar partikel. Selama proses ini terjadi proses densifikasi

dan penghilangan rongga-rongga yang ditinggalkan binder. Proses ini akan

mengakibatkan penyusutan ukuran yang cukup besar, yaitu sekitar 12% hingga 18%.

Pada baja, proses ini dilakukan pada temperatur sekitar 1120o hingga 1350oC. Proses

ini dilakukan pada atmosfer tertentu dengan mempertimbangkan kemungkinan

terjadinya proses yang timbul seperti oksidasi dan reduksi. Ar, He, N2 merupakan gas

yang bersifat melindungi dari oksidasi akan tetapi tidak bisa melakukan reduksi. CO,

H2, disosiasi NH3, dan disosiasi gas alam merupakan gas reduktor yang mampu

mereduksi oksida di permukaan produk. Sedangkan atmosfer vakum memudahkan

penghilangan porous dari dalam produk [6]. Jika diinginkan sistem gabungan,

misalkan diinginkan terjadi proses reduksi tapi juga dengan atmosfer vakum, maka

umumnya pemberian gas reduktor dilakukan selama proses debinding, sedangkan

proses sintering dilakukan dalam atmosfer vakum.

Proses finishing merupakan proses akhir yang disesuaikan dengan

kebutuhan. Proses ini meliputi proses machining, heat treatment, plating, joining,

dan lain-lain. Proses machining (pemesinan sekunder) diperlukan untuk memperbaiki

toleransi geometris produk. Namun demikian, jika dibandingkan dengan teknik

produksi lain proses metal injection molding lebih sedikit memerlukan proses

pemesinan sekunder. Apabila tolerensi geometris yang diperlukan tidak terlalu ketat

maka dapat diusahakan dengan mengoptimalkan perhitungan shrinkage. Akan tetapi

8

untuk produk yang memerlukan akurasi geometri tinggi, akurasi geometri tersebut

diusahakan dengan pemesinan. Proses heat treatment umumnya dilakukan untuk

memperbaiki sifat mekanik komponen, misalkan proses carburizing atau

carbonitriding untuk meningkatkan kekerasan permukaan komponen. Proses plating

juga sering diperlukan untuk memperbaiki tampilan produk atau memperbaiki sifat

fisik permukaan komponen. Proses plating yang sering dilakukan antara lain proses

electroplating, thermal passivation, cementation, dan coating.

II.1.2 Kelebihan dan Kekurangan

Kelebihan utama proses metal injection molding dibandingkan dengan

teknik kompaksi lainnya terletak pada kemampuan membuat produk dengan

kompleksitas geometri yang tinggi, kapasitas produksi tinggi, serta efisiensi biaya

produksi tinggi. Kemampuan proses metal injection molding dalam mencapai akurasi

geometri yang tinggi dapat mengurangi pemesinan sekunder. Proses ini juga mampu

membuat ulir eksternal dan undercut secara langsung tanpa harus dilakukan

pemesinan tambahan. Kerapatan produk akhir proses metal injection molding bisa

mencapai 95%–99%. Proses comolding dua material yang berbeda juga

memungkinkan untuk dilakukan, yaitu pembuatan suatu komponen dari material

tertentu disusul dengan bagian lain yang dibuat dengan material lain. Salah satu

keuntungan lainnya adalah bahwa optimasi desain komponen dan cetakan dapat

dilakukan dengan perangkat lunak yang diadopsi dari perangkat lunak yang biasa

digunakan untuk plastic injection molding [6].

Di samping berbagai kelebihan, proses metal injection molding juga

mempunyai beberapa kekurangan. Tidak semua jenis serbuk logam tersedia di

pasaran. Proses ini hanya cocok untuk produk dengan ukuran kecil berdasarkan

pertimbangan harga cetakan, kemungkinan cacat produk, kapasitas mesin injeksi,

dan waktu pemrosesan. Panjang maksimum komponen yang diijinkan umumnya

adalah 100 mm dengan volume kurang dari 100 cm3[6]. Produk yang besar selain

sulit untuk diinjeksi juga sulit dikontrol pada waktu debinding dan sintering

sehingga rawan terhadap defleksi yang diakibatkan ketidakseragaman shrinkage.

Kekurangan yang lain antara lain kemungkinan terjadinya gradien

kepadatan yang disebabkan ketidaksempurnaan aliran pada waktu injeksi. Hal ini

9

mengakibatkan kerutan (warpage), crack pada waktu sintering, atau defleksi pada

produk akhir. Ketebalan produk yang bisa dibuat dengan metal injection molding

juga dibatasi oleh kemampuan material untuk mengalir melalui rongga cetak.

Kisaran ketebalan yang umum adalah sekitar 10-100 mm, namun demikian produksi

hingga ketebalan kurang dari 0,5 mm juga telah berhasil dilakukan. Untuk

pembuatan produk dengan bentuk yang sederhana, misalnya silindris, proses ini lebih

mahal jika dibandingkan dengan proses kompaksi dengan mesin press [6].

II.1.3 Perbandingan Teknik Metal Injection Molding dengan Teknik Produksi

Lain

Gambar II.3 Perbandingan Teknik Metal Injection Molding dengan Teknik Produksi

Lain [16]

Gambar II.3 menjelaskan peta penerapan teknik metal injection molding,

precission casting, forging, die casting, P/M die pressing, dan machining. Gambar

II.3 menjelaskan pertimbangan teknis dan ekonomis berbagai teknik produksi yang

banyak diterapkan di dunia industri. Untuk memproduksi komponen dengan jumlah

sedikit dan akurasi rendah maka proses machining adalah pilihan terbaik. Jika

diinginkan produk dalam jumlah kecil hingga menengah dengan kompleksitas

menengah hingga tinggi maka teknik precission casting adalah yang terbaik. Proses

forging, die casting, dan powder metallurgy dengan die pressing sesuai diterapkan

untuk produksi dalam jumlah menengah hingga tinggi dengan kompleksitas rendah

hingga menengah. Proses metal injection molding paling sesuai diterapkan pada

proses produksi dengan kapasitas besar dengan kompleksitas geometri produk tinggi.

10

II.2 Simulasi Proses Injection Molding

II.2.1 Pendahuluan

Simulasi proses injection molding sangat bermanfaat dalam perencanaan

proses injection molding sehingga dapat mempercepat waktu perencanaan dan

memangkas ongkos produksi. Simulasi ini bekerja berdasarkan metode elemen

hingga (finite element method), yaitu suatu metode perhitungan numerik untuk

menganalisis suatu persoalan teknik dengan cara mendekati persoalan tersebut

sebagai suatu sistem diskrit. Algoritma yang mendasari simulasi proses injection

molding sangat komplek karena memperhitungkan aspek aliran masa, perpindahan

panas, penyusutan ukuran, dan aspek mekanis. Waktu yang diperlukan untuk

melakukan analisis tergantung pada jenis dan jumlah elemen, kompleksitas model

matematik persoalan yang ditinjau, serta daya dukung perangkat keras yang

digunakan.

II.2.2 Siklus Operasi

Siklus waktu pelaksanaan injection molding dapat dijelaskan sebagai

berikut :

Gambar II.4 Siklus Waktu Injection Molding [10]

dimana :

ti : injection time, adalah waktu yang diperlukan untuk pengisian rongga cetak

dengan lelehan feedstock

tp : packing time, adalah durasi fasa packing/penahanan

tc : cooling time, adalah tambahan waktu yang diperlukan setelah packing

untuk mendapatkan 90% tebal komponen membeku

tp

th

tc toti

11

th : holding time, adalah jumlah tp dan tc, yaitu keseluruhan waktu yang

diperlukan untuk menahan komponen tetap dalam cetakan sejak pengisian

rongga cetak selesai

to : mold open time, adalah durasi waktu pembukaan cetakan pada saat produk

dikeluarkan dari cetakan.

II.2.3 Jenis-Jenis Elemen dalam Analisis Injection Molding

Sebelum simulasi elemen hingga bisa dilaksanakan, model harus di-

meshing terlebih dahulu. Meshing adalah pendefinisian model sebagai rangkaian

elemen-elemen individual yang saling berhubungan satu sama lain sehingga secara

keseluruhan dapat merepresentasikan model secara utuh. Setiap elemen mempunyai

sejumlah nodal pada ujung-ujungnya. Jumlah nodal untuk setiap elemen tergantung

jenis elemen yang bersangkutan. Perhitungan pada setiap nodal menjadi basis

simulasi yang dilaksanakan. Semakin banyak jumlah elemen, semakin akurat hasil

simulasi yang diperoleh, tapi semakin lama waktu yang diperlukan untuk

menjalankan simulasi. Oleh karena itu, diperlukan optimasi antara akurasi dengan

daya dukung perangkat keras dan waktu yang tersedia.

Dalam simulasi Moldflow, ada tiga jenis elemen yang bisa digunakan.

Hal tersebut dijelaskan dalam Tabel II.1, sedangkan output yang bisa dihasilkan dari

berbagai jenis meshing tersebut diberikan dalam Tabel II.2.

Tabel II.1 Jenis-Jenis Elemen Dalam Simulasi Moldflow [10]

a. Midplane mesh: elemen berbentuk segitiga

dengan 3 nodal, merepresentasikan model dalam

2 dimensi, yaitu bidang pada bagian tengah

ketebalan model.

12

b. Surface mesh: elemen berbentuk segitiga dengan

3 nodal, merepresentasikan model dengan

kulitnya. Setiap elemen mempunyai ketebalan

tertentu. Surface mesh disebut juga dengan

fusion mesh.

c. Volume mesh (3D Mesh): elemen berbentuk

sebagai padatan tetrahedral dengan 4 nodal.

Meshing jenis ini akan menghasilkan jumlah

elemen paling banyak karena model diwakili

dari permukaan hingga kedalaman. Akibatnya

analisis juga semakin berat. Di antara ketiga

jenis elemen di atas, jika terjadi kerusakan

elemen maka 3D mesh paling susah

perbaikannya.

Tabel II.2 Hasil Analisis yang Dihasilkan oleh Setiap Jenis Element Mesh [10]

Results Midplane Fusion 3D% Shot weight:XY Plot � � �Air traps � � �Average velocity � � �Bulk temperature � � �Bulk temperature (elemental) � � �Bulk temperature (nodal) � � �Bulk temperature at end of fill � � �Clamp force:XY Plot � � �Clamp force centroid � � �Density � � �Displacements, core (1) � � �Extension rate (3D) � � �Fill time � � �Flow rate, beams (2) � � �Freeze time � � �Frozen layer fraction � � �Frozen layer fraction at end of filling � � �Grow from � � �In-cavity residual stress in first principal direction � � �In-cavity residual stress in second principal direction � � �Orientation at core � � �Orientation at skin � � �Orientation at bottom skin � � �Orientation at top skin � � �Pressure � � �

13

Pressure at end of filling � � �Pressure at V/P switch-over � � �Pressure at injection location:XY Plot � � �Real thickness, cavity (1) � � �Recommended ram speed:XY Plot � � �Shear rate � � �Shear rate (3D) � � �Shear rate, bulk � � �Shear rate, maximum � � �Shear stress at wall � � �Sink index � � �Sink mark depth � � �Temperature � � �Temperature (3D) � � �Temperature at flow front � � �Throughput � � �Time to freeze � � �Velocity � � �Velocity (3D) � � �Viscosity � � �Volumetric shrinkage � � �Volumetric shrinkage (3D) � � �Volumetric shrinkage (at ejection) � � �Weld lines � � �Weld and meld lines � � �

II.2.4 Jenis-Jenis Analisis dalam Moldflow dan Data yang Diperlukan

Simulasi yang ditampilkan Moldflow dihasilkan dari perhitungan beban,

kondisi, dan sifat-sifat feedstock. Untuk setiap jenis analisis memerlukan input-input

sifat material tertentu. Tabel II.3 menjelaskan jenis analis dengan sifat material yang

diperlukan. Dari berbagai sifat material tersebut ada yang mutlak diperlukan dan ada

juga yang opsional tergantung jenis simulasi yang dilakukan.

Tabel II.3 Jenis-Jenis Analisis dan Property yang Diperlukan [10]

Analysis Type/Property OptionalFlow analysis

Viscosity More? NoTransition temperature NoThermal conductivity NoSpecific heat NoPVT More? NoMechanical constants NoMold coefficient of thermal expansion NoEjection temperature if automatic cooling time is required NoJuncture loss Yes

14

Shrinkage data (CRIMS/Strain) YesMatrix properties YesFiller properties YesRecommended melt/mold temperatures and ranges Yes

Fiber-flow analysis (all the Optional=No above plus the following)The following filler properties: weight percentage, aspect ratio,mechanical properties data, and coefficient of thermal expansion (CTE)data More?

No

Cooling analysisMelt density of polymer NoSpecific heat of polymer NoThermal conductivity of polymer NoThermal conductivity of mold material No

Warpage analysisMechanical properties NoIf model includes part insert, insert (metal or polymer) mechanicalproperties

No

Stress analysisMechanical properties NoIf thermal analysis, coefficient of thermal expansion (CTE) data NoIf model includes part insert, insert (metal or polymer) mechanicalproperties and coefficient of thermal expansion (CTE) data

No

If thermal analysis, coefficient of thermal expansion (CTE) data NoIf frequency analysis, solid density of polymer and / or metal NoIf creep analysis, isochronous stress-strain curve data No

II.3 Sifat Rheologis Lelehan Feedstock

II.3.1 Viskositas Material Lelehan Feedstock

Pengisian rongga cetak ditentukan oleh kemampuan lelehan feedstock

untuk mengalir ke seluruh bagian rongga cetak dengan distribusi serbuk logam yang

merata. Sifat yang paling menentukan adalah viskositas, yaitu suatu sifat yang

menggambarkan hubungan antara tegangan geser (shear stress) dan laju regangan

geser (shear strain rate). Fluida dengan berat molekul yang rendah seperti air dan oli

mempunyai viskositas yang tergantung pada temperatur dan tekanan, tapi tidak

dipengaruhi oleh shear rate. Cairan dengan sifat semacam ini disebut dengan cairan

newtonian [6].

Pada umumnya, konsep fluida newtonian tidak dapat diterapkan untuk

feedstock pada metal injection molding [6]. Lelehan feedstock akan memperlihatkan

perilaku viskositas yang lebih komplek yang dipengaruhi oleh karakter binder dan

serbuk. Selain dipengaruhi oleh tekanan dan temperatur, viskositas lelehan feedstock

15

juga dipengaruhi oleh laju regangan geser. Viskositas feedstock tinggi pada laju

regangan rendah dan semakin menurun pada laju regangan tinggi. Fenomena ini

disebut dengan shear thinning. Perilaku fluida yang seperti ini disebut dengan

perilaku pseudoplastic.

Bentuk penyimpangan lain dari perilaku newtonian adalah perilaku fluida

dilatant. Fluida jenis ini memperlihatkan viskositas yang semakin besar jika laju

regangan geser yang bekerja semakin besar. Dengan grafik skala log, perbedaan

karakter viskositas fluida newtonian, dilatant, dan pseudoplastic ditunjukkan oleh

Gambar II.5 [6]:

Gambar II.5 Plot Viskositas Material Terhadap Laju Regangan Geser [6]

II.3.2 Model Matematis Sifat Rheologis Lelehan Feedstock

Dalam perhitungannya, perangkat lunak simulasi injection molding

mengacu pada dua macam teori viskositas. Dua-duanya dapat digunakan, namun

akurasi model tersebut untuk setiap jenis material berbeda-beda. Kedua teori tersebut

adalah Cross WLF-Viscosity Model dan Second Order Viscosity Model.

a. Cross WLF-Viscosity Model [1]

Cross-WLF Viscosity Model paling sesuai diterapkan untuk material yang

viskositas cenderung seragam untuk regangan geser rendah kemudian menurun

dengan semakin meningkatnya regangan geser. Persamaan Cross-WLF Viscosity

Model adalah :

Log

(Vis

kosi

tas)

Log (Shear rate)

Dilatant

Newtonian

Pseudoplastic

16

( )n

tau

−

���

���+

= 1

0

0

*'

1γη

ηη

��

���

�−+−−=

*)(

*)(exp

2

110 TTA

TTADη

dimana :

- η : viskositas (Pa.s)

- γ’ : regangan geser (1/sec)

- T : temperatur (K)

- T* = D2 + D3*P, dimana P adalah

tekanan

- A2 = A2~ + D3*P (K)

- n, tau* D2, D2, D3, A1, dan A2~

adalah koefisien data fitting.

b. Second Order Viscosity Model [10]

Second Order Viscosity Model paling sesuai diterapkan untuk material yang

menunjukkan viskositas yang selalu menurun seiring dengan meningkatnya

regangan geser. Persamaan Second Order Viscosity Model adalah sebagai

berikut :

22 'ln]'[ln'lnln FTETDCTBA +++++= γγγη

dimana :

η : viskositas (Pa.s)

γ’ : regangan geser (1/s)

T : temperatur (oC)

A, B, C, D, E, dan F adalah koefisien data fitting.

II.4 PVT Properties Lelehan Feedstock

Moldflow menggunakan 2-Domain Tait PVT Model dalam perhitungan

kompresibilitas material selama simulasi pengisian cetakan. Kompresibilitas material

mempengaruhi volume lelehan feedstock yang diperlukan. Sifat ini juga digunakan

untuk memperhitungkan shrinkage yang terjadi pada produk hasil injection molding.

Persamaan 2-Domain Tait PVT Model adalah sebagai berikut :

),()(

)(),( 1ln1 PTT

TPT VtB

PCVoV +

���

�

���

���

���

+−=

17

dimana :

V(T,P) : volume spesifik pada temperatur T dan tekanan P

Vo : volume spesifik pada zero gauge pressure

T : temperatur (K)

P : tekanan (Pa)

C : konstanta tetap 0,0894

B : sensitifitas material terhadap tekanan.

Sensitivitas material (B) didefinisikan sebagai berikut :

• Untuk T > Tt

Vo = b1m + b2m (T-b5)

B(T) = b3m exp[-b4m (T-b5)

Vt(T,P) = 0

dimana b1m, b2m, b3m, b4m, dan b5 adalah koefisien data fitting.

• Untuk T < Tt

Vo = b1s + b2s (T-b5)

B(T) = b3s exp[-b4s (T-b5)

Vt(T,P) = b7 exp[(b8(T-b5))-(b9P)]

dimana b1s, b2s, b3s, b4s, b5, b7, dan b9 adalah koefisien data fitting.

Selain itu, juga didefinisikan pengaruh tekanan pada temperatur transisi (Tt) :

• Tt(P) = b5 + b6P, dimana b5 dan b6 adalah koefisien data fitting.