5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Extrusion Molding

Extrusion molding ialah sebuah alat yang sistem kerjanya memproses dengan

cara menekan sebuah material yang nantinya melewati bagian dari barrel yang

telah dipanaskan oleh band heater untuk memproduksi terus menerus sesuai

dengan diameter nozzle yang sudah direncanakan. Extrusi adalah salah satu

proses-proses dasar dari pembentukan pengolahan plastik. Ada beberapa macam

bahan yang umumnya digunakan yaitu bahan logam, polimer, serta keramik.

Tahapan selanjutnya dari proses extrusion adalah potongan pelet thermoplasik

akan dimasukkan kedalam hopper yang selanjutnya, material dari plastik akan

jatuh kedalam screw dan masuk kedalam barrel, dimana pada bagian ini akan

mengalami perubahan bentuk akibat bend heater, lalu tahap selanjutnya

melewati nozzle akibat adanya tekanan pada screw yang berputar ke bagian

nozzle [5].

Extrusi ialah proses menekan sebuah material yang dimana mendesak suatu

bahan melewati lubang-lubang cetakan, agar nantinya mampu memproduksi

produk yang diinginkan dengan bentuk lubang yang dirancang. Hasil jadi yang

diinginkan dari mesin extruder adalah filamen 3D yang dijadikan bahan dasar

alat printer 3D[6]. Berikut ini ialah Gambar 2.1 mesin extruder:

Gambar 2. 1 Mesin Ekstruder

6

2.1.1 Komponen-Komponen Extrusion Molding

berikut ini penjelasan serta komponen-komponen pada extrusion

molding :

a. Hopper

Hopper adalah tempat penampung sementara material plastik yang

sudah di cacah sebelum material tersebut masuk ke barrel.

Umumnya plat baja ialah material yang sering digunakan karena

memiliki ketebalan yang mampu disesuiakan.

b. Screw

Screw adalah komponen utama atau jantung dari mesin plastic

extruder. Fungsi mencampurkan, mengalirkan, dan sebagai

pendorong materi cair menuju cetakan (die).

c. Barrel

Barrel adalah sebuah pipa selongsong atau selubung yang menjaga

plastik ketika dipanaskan oleh bend heater yang didalamnya terdapat

screw. Barrel berfungsi sebagai tempat berlangsungnya proses

pemanasan material plastik dan memanaskan material plastik.

d. Band Heater

Band heater adalah komponen pemanas yang digunakan untuk

memanaskan tabung atau pipa agar plastik yang ada didalam tabung

menjadi cair, band heater ini terdapat komponen-komponen

pendukung seperti baut pengunci pada bagian plat sabuknya.

e. Nozzle

Nozzle terletak di bagian ujung pada mesin extruder yang fungsinya

sebagai tempat keluarnya filamen plastik. Pada umumnya nozzle

digunakan pada sebuah rangkaian yang di dalam nya terdapat

tekanan angin, saluran gas, dan aliran cairan.

2.2 Plastik

United Nations Evironmental Programme (2009) menyatakan plastik

merupakan salah satu jenis polimer. Molekul yang sangat besar yang terdiri atas

unit-unit kecil yang disebut monomer yang bergabung bersama dalam suatu

7

rantai melewati proses yang disebut polimerisasi. Polimer biasanya memiliki

kandungan karbon serta hidrogen namun terkadang ada faktor lain semacam

oksigen, nitrogen, klorin ataupun fluor. Tidak hanya polimer, plastik pula

memerlukan bahan tambahan lain dalam proses produksinya[7].

Plastik sendiri dibedakan menjadi dua macam jenis yakni thermoplastics,

thermoset dan elastomer. Thermoplastics merupakan bahan plastik yang apabila

dipanaskan hingga temperatur tertentu, akan mencair dan dapat dibentuk

kembali menjadi bentuk yang diinginkan atau dapat didaur ulang. Thermoset

merupakan bahan plastik, jika sudah dalam bentuk padat maka sukar untuk

kembali semula walaupun sudah dipanaskan kembali. Elastomer ialah bahas

plastik yang bersifat elastis. Elastomer merupakan salah satu bagian polimer ikat

silang (cross link) dikarenakan bagian tiap individunya disambungkan dengan

ikatan penghubung [8].

2.2.1 Sifat, Jenis, dan Kegunaan Plastik

Tiap-tiap plastik tentu memiliki jenis, sifat, dan kegunaan yang

macam-macam. Berikut ini merupakan macam-macam dari plastik

tersebut sendiri:

a. PET (PolyEthylene Terephthalate)

PET termasuk dalam jenis resin polyester yang bersifat kuat, jernih,

ringan, mudah untuk diubah ketika dalam kondisi temperatur yang

tinggi, dan baik dalam sifat elektrikal. Dalam sebuah produk jenis

plastik PET umumnya terdapat pada kemasan minuman berkarbonasi,

botol jus buah, fiber tekstil, dan lain-lain.

b. HDPE (High Density Polyethylene)

HDPE ialah material plastik yang terdiri dari polimer ethylene serta

bahan aditif lainnya HDPE dibuat dalam kondisi kuat, kaku, tekanan,

juga temperatur tinggi yang berasal dari minyak bumi, serta HDPE

merupakan salah satu material dari plastik yang cukup aman, hal

tersebut dikarenakan kemampunnya yang mampu mencegah reaksi

kimia dari plastik yang digunakan untuk minuman dan makanan.

c. PVC (Polyvinyl Chloride)

8

PVC merupakan jenis plastik yang sukar untuk di daur ulang kembali.

Contohnya adalah tanda lalu lintas, kabel listrik, pipa air, dan kemasan

makanan cepat saji. Reaksi antara PVC dan makanan akan berpotensi

berbahaya untuk anggota tubuh[9].

d. LDPE (Low Density Polyethylene)

LDPE adalah plastik yang mudah dibentuk saat panas, minyak bumi

adalah material pembentuk LDPE. LDPE merupakan jenis plastik

yang memiliki mutu tinggi karena kuat, keras, dan tidak bereaksi pada

bahan kimia. Contohnya adalah plastik kemasan, pakaian, tas plastik

dan perangkat komputer.

e. PP (Polypropylene)

Polypropylene adalah pilihan yang baik pada bahan plastik terutama

pada tempat makanan dan minuman, sedotan, tali, dan berbagai

macam tutup botol. Kelebihan Polypropylene ialah lebih kuat, ringan,

tahan panas, dan memiliki ketahanan yang baik terhadap lemak

f. PS (Polystyrene)

Pada umumnya Polystyrene digunakan sebagai bahan tempat

makanan Styrofoam, tempat minum sekali pakai, dan lain-lain. Bahan

ini harus dihindari, karena dampak yang ditumbulkan mampu

menyebabkan gangguan kesehatan. PS merupakan bahan yang sulit di

daur ulang, butuh proses yang panjang dan lama untuk proses

mendaur ulangnya.

g. Other

Untuk jenis plastik ini dibagi menjadi 4 macam, yaitu :

1) SAN (styrene-acrylonitrile)

2) ABS (Acrylonitrile-butadiene-styrene)

3) PC (Polycarbonate)

4) Nylon

Plastik jenis ini umumnya terdapat pada suku cabang mobil,

komputer, dan plastik kemasan. Pada jenis SAN dan ABS cenderung

memiliki resistansi tinggi terhadap suhu serta reaksi kimia, segi

kekuatan, dan kekakuan. Namun pada bahan PC tidak digunakan

9

untuk tempat minuman dan makanan karena dapat menggangu

kesehatan serta untuk bahan Nylon digunakan menjadi bahan dasar

produk pakaian[10]. Tabel 2.1 dibawah ini menunjukkan temperatur

leleh dari ketujuh macam jenis plastik

Tabel 2. 1 Temperatur Leleh Proses Thermoplastic

Processing Temperature Rate

Material °C °F

ABS 180-240 356-464

Acetal 185-225 365-437

Acrylic 180-250 356-482

Nylon 260-290 500-554

Poly Carbonat 280-310 536-590

LDPE 160-240 320-464

HDPE 200-280 392-536

PP 200-300 392-572

PS 180-260 356-500

PVC 160-180 320-365

2.2.2 Cara Pembentukan Plastik

Ada berbagai macam-cara yang mampu dipakai untuk mendapatkan

plastik, banyak jenis cara yang digunakan serta berbagai jenis alat yang

bermacam-macam. Berikut ini adalah bagaimana memperoleh plastik:

a. Proses Injection Molding

Proses pembentukan yang dimana hasil lelehan plastik yang sudah

dipanaskan akan ditekan menggunakan plunger, hal tersebut

bertujuan agar lelehan plastik masuk ke dalam cetakan (mold) yang

telah tertutup juga memenuhi cetakan sesuai dengan desain

produk[11]. Sistem yang juga sama pada plastic extrusion, pada

bagian barrel-nya juga dipanaskan dibagian luarnya agar

memudahkan lelehan plastik menjadi polimer[12].

10

b. Proses Ekstrusi

Extrusion adalah proses manfaktur kontinu yang dapat

menghasilkan plastik dalam jumlah yang besar, mencetak produk

yang bentuknya panjang dengan penampang tetap[13]. Bahan baku

utamanya berupa pelet termoplastik, bubuk serta butiran yang akan

dimasukkan ke hopper dan diteruskan oleh screw yang terdapat di

dalam barrel. Barrel dilengkapi dengan sekrup tipe heliks yang

fungsinya mengirim plastik yang sudah dipanaskan dengan band

heater menuju cetakan (die). Umumnya plastik hasil proses ekstrusi

memiliki viskositas yang tinggi, hal tersebut menjadikan produk

mampu mempertahankan bentuk hasil pencetakan hingga produk

tersebut selesai[14]. Alumunium, tembaga, kuningan, baja dan

plastik adalah bahan bahan yang sering digunakan pada proses

ekstrusi. Terdapat dua jenis proses menurut pengerjaannya yakni

indirect extrusion serta direct extrusion. Berikut penjelasan

mengenai jenis proses ekstrusi:

1) Indirect Extrusion

Pada proses jenis indirect, cetakan diletakkan setelah

pendorong. Saat pendorong menekan plastik, maka plastik

tersebut akan bergerak menuju cetakanan dan mengisi penuh

bagian tersebut seperti Gambar 2.2 ini

Gambar 2. 2 Indirect Extrusion

2) Direct Extrusion

Dibagian ini plastik mengisi bagian hopper dan jatuh kedalam

screw. screw menekan plastik tersebut menuju nozzle yang

berbentuk sesuai dengan ukuran besar diameter dari nozzle

tesebut seperti Gambar 2.3 ini

11

Gambar 2. 3 Direct Extrusion

c. Proses Blow Molding

Blow molding adalah proses manufaktur untuk membuat benda

berongga dengan cara meniupkan tekanana gas ke dalam

bahan/produk. Pada dasarnya blow molding adalah pengembangan

dari proses ekstrusi pipa dengan penambahan mekanisme cetakan

serta peniupan

d. Proses Thermoforming

Thermoforming adalah proses manufaktur dengan pembentukan

lembaran plastik dengan cara melakukan pemanasan terlebih dahulu

terhadap lembaran-lembaran plastik yang nantinya dilakukan

dengan cara pengisapan atau penekanan ke rongga cetakan (mold)

plastik thermoset tidak bisa di proses secara thermoforming karena

pemanasan tidak bisa melunakkan thermoset akibat rantai tulang

belakang molekulnya salaing bersilangan. Contoh produk yang

diproses secara thermoforming adalah bakelit[15].

2.3 Screw Extruder

Screw extruder adalah jantungnya dari mesin plastic extruder. Screw

extruder berfungsi untuk mengalirkan, mendorong dan mencampur material

menuju ke cetakan setelah melalui proses penggabungan menjadi

homogenisasi pada perubahan material itu. Screw extruder mencakup 2 jenis

yakni ulir tunggal (single screw extruder/SSE) serta ulir ganda (double screw

extruder/DSE) ditunjukkan pada Gambar 2.4 serta Gambar 2.5 seperti berikut

ini:

12

Gambar 2. 4 Single Screw

Gambar 2. 5 Double Screw

Dibagian tipe single screw untuk menekan plastik yang sudah tercampur

dipengaruhi oleh dua gesekan, pertama ialah gesekan antara dinding barrel

dengan bahan, lalu gesekan ulir dengan bahan. Barrel extruder memiliki

peranan penting pada tipe ulir tunggal yaitu mampu mengerakan lelehan plastik

dengan mumpuni. Berikut ini merupakan perbedaan antara extruder ulir

tunggal dan ulir ganda pada tabel 2.2 berikut:

Tabel 2. 2 Perbandingan Ekstruder Single Screw dan Eksruder Double Screw

Perbandingan Ekstruder Single Screw Eksruder Double Screw

Harga Relatif lebih murah Mahal

Oprasional Lebih mudah dan

kontrol proses

sederhana

Relatif rumit dan

persyaratan control

proses tinggi

Konstruksi Relatif sederhana Rumit

Kapasitas pemrosesan

dan konsumsi energi

Memiliki output yang

besar, kecepatan extrusi

yang cepat dan

konsumsi energi rendah

per unit output

Memiliki output yang

relatif lebih kecil,

kecepatan extrusi yang

lambat dan konsumsi

energi relatif lebih

tinggi per unit

outputnya

13

Kemampuan

plasticzing

Degradasi polimer

kecil

Kemampuan

pencampuran dan

plastisisasi yang baik

Waktu tinggal di dalam

extruder lama

Waktu tinggal didalam

extruder singkat

Cocok untuk

plasticizing polimer

Cocok untuk

pemrosesan bubuk

Pada umumnya bagian single screw extruder terdapat tiga bagian. Berikut ini

adalah bagian-bagian dari screw beserta fungsinya[5] :

a. Feed Section, pada bagian ini yang terjadi adalah plastik yang belum

meleleh dari hopper serta dipanaskan materialnya terlebih dahulu (preheat).

b. Compression Section, dibagian ini material nantinya mengalami perubahan

struktur, material akan dimampatkan akibat screw, dan udara yang ada

didalam barrel menjadi menghilang.

c. Metering Section, tahapan akhir ini plastik cair akan menjadi homogen dan

tekanan dari screw dapat memompanya melewati bagian cetakan (die). Pada

bagian ini material plastik mengalami tekanan untuk mengurangi jumlah

ruang-ruang kosong pada barrel.

2.3.1 Perhitungan Screw

Berikut ini adalah desain screw extruder tunggal yang ditunjukkan pada

tabel 2.3 dan gambar berikut:

Tabel 2.3 Desain screw extruder

14

Dibawah ini merupakan tabel 2.3 yakni menerangkan mengenai dimensi

dari single screw ekstruder

Tabel 2. 3 Dimensi Single Screw Ekstruder

Dimensi Keterangan Satuan

𝐷𝑏 diameter barrel mm

S screw lead mm

V jumlah flight

𝑊𝑓𝑙𝑡 lebar flight mm

W lebar chanel mm

ℎ𝑓 kedalaman feed zone mm

ℎ𝑚 kedalaman metering zone mm

𝜃 sudut miring screw °

L panjang screw mm

Berikut ini adalah perhitungan yang digunakan pada screw extruder:

a. Rasio kompresi:

𝐶𝑅 = 𝐻𝑓

𝐻𝑚 (1)

Keterangan :

Hf = Kedalaman feed zone

Hm = Kedalaman matering zone

b. Sudut kemiringan screw:

15

𝜃 = tan−1 (𝑠

𝜋 × 𝐷𝑏) (2)

Keterangan:

s = Screw lead

Db = Diameter barrel

c. Daya yang dibutuhkan untuk memutar screw extruder:

𝑄 = 60𝜋 𝐷2

4𝑆 𝑛 𝜓 𝛾 𝐶 (3)

Keterangan :

𝑄 = Kapasitas screw

𝜓 = Efisiensi daerah vertical

𝑛 = putaran screw

𝛾 = Densitas bijih plastik HDPE (941 kg/m3)

𝐶 = faktor koreksi karena inklinasi (0,9)

2.4 Poros

Poros ialah elemen berarti yang berperan selaku penerus putaran dari

motor penggerak mengarah ke elemen penggerakkan, pada biasanya, poros

berupa silinder. Penerus putaran tersebut bisa memakai pulley, sprocket

ataupun roda gigi, serta kopling. Dengan demikian poros akan terjadi tegangan

geser akibat terdapatnya momen punter/torsi [16]

Ditinjau dari fungsi poros sebagai penerus putaran dan daya, poros dapat

diklasifikasikan sebagai berikut:

1. Poros transmisi

2. Spindel

3. Gandar

Jika P adalah daya nominal output dari motor penggerak, maka berbagai

macam keamanan biasanya dapat diambil dari perencanaan, sehingga koreksi

pertama diambil kecil. Dibawah ini ialah tabel 2.4 yaitu faktor koreksi yang

umumnya digunakan.

16

Tabel 2. 4 Faktor-faktor koreksi daya yang akan di transmisikan, fc

Daya yang akan ditransmisikan f𝑐

Untuk daya rata-rata yang diperlukan 1,2 – 2,0

Daya maksimum yang diperlukan 0,8 – 1,2

Daya normal 1,0 – 1,5

a. Momen puntir berdasarkan tenaga motor:

𝑇 =𝑃 × 60

2𝜋𝑁

(6)

T = Momen rencana (Kg.mm)

P = Daya (watt)

N = Kecepatan putar motor (rpm)

b. Torsi maksimum yang bisa dibeban kan untuk porosnya

𝜏𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 = 𝜏𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 × 𝑟𝑎𝑠𝑖𝑜 𝑝𝑢𝑙𝑙𝑒𝑦 (7)

Rasio pulley = 1 : 4

c. Safety factor

𝑆𝒇 =𝑇

𝜏 (8)

𝑆𝒇 = safety factor

2.5 Bantalan

Bantalan digunakan agar mampu menumpu poros yang mempunyai

beban. Pemakaian bantalan disesuaikan dengan beban yang bekerja pada poros

tersebut, sehingga poros mampu bekerja dengan baik dan pemakaian bantalan

tahan lama, berikut adalah klasifikasi bantalan yang akan digunakan:

a. Berdasarkan gerak bantalan terhadap poros

1. Bantalan gelinding

2. Bantalan luncur

b. Berdasarkan arah beban terhadap poros

1. Bantalan radial

2. Bantalan aksial

3. Bantalan gelinding khusus

17

Jenis bantalan dan ukuran bantalan dapat diketahui dengan persamaan berikut:

a. Beban yang diterima

𝜏 = 𝐹 × 𝑟 (11)

Dimana:

𝜏 = torsi yang digerakkan (N.m)

𝐹 = beban yang diterima (N)

𝑟 = jari jari pulley yang digerakkan (mm)

b. Faktor kecepatan putaran bantalan:

fn = [33.3

𝑛]

1

3 (12)

𝑓𝑛 = faktor kecepatan (rpm)

n = Kecepatan putar motor (rpm)

c. Faktor keandalan umur bantalan:

𝐶𝑜 = 𝐹𝐷 (𝐿𝐷 𝑥 𝑛𝐷 𝑥 60

𝐿𝑅 𝑥 𝑛𝑅𝑥60)

1𝑎 (13)

Keterangan:

𝐶𝑜= basic load rating (𝑘𝑁)

𝐿𝑅 𝑥 𝑛𝑅𝑥60 = 106

𝐿𝐷= Faktor keandalan (jam)

2.6 Band heater

Daya pada Heater tergantung pada lama pemanasan, jenis material yang

dipanaskan, massa benda yang akan dipanaskan, dan waktu yang akan

ditempuh untuk mencapai suhu yang telah ditentukan. Dengan menggunakan

rumus di bawah sebagai berikut[17]:

Q = 𝑀 𝑥 𝐶 𝑥 Δ𝑇

860 𝑥 𝑡 𝑥 η (14)

Dimana:

Q = Daya Heater (kWatt)

M = Massa barrel (Kg)

18

C = Kalor jenis material yang dipanaskan (kkal/KgoC)

ΔT = Perubahan suhu

t = Waktu pemanasan

η = Effesiensi (0,3)

a. Jumlah Kalor pada Barrel

Dari apa yang sudah didapat, kita mendapatkan nilai kalor pada

bagian barrel:

𝑄 = 𝑚 𝑥 𝑐 𝑥 ∆𝑇 (15)

Dimana:

Q = Kalor barrel (J)

T = Waktu kenaikkan suhu (s)

C = Kalor jenis material yang dipanaskan (kkal/KgoC)

2.7 Sistem penggerak ekstruder

Sistem penggerak ekstruder sangat diperlukan untuk menggerakkan

screw pada mesin ekstruder dengan kecepatan yang dapat diatur. Sistem

penggerak tersebut harus mampu menjaga kecepatan bergerak konstan karena

akan terjadi fluktuasi kecepatan screw ekstruder mampu menghasilkan bentuk

yang nantinya tidak homogen pada hasil akhir nanti. Hal itu menyebabkan

kecepatan yang konstan menjadi dasar utama dalam pemilihan sistem

penggerak. Sistem penggerak juga harus mampu memberikan torsi yang ideal.

Berikut ini sistem penggerak yang ideal untuk mesin extruder screw:

a. Sistem penggerak hidrolik

b. Sistem penggerak motor listrik AC

c. Sistem penggerak motor listrik DC

2.7.1 Sistem penggerak motor DC

Saat ini, motor DC umumnya dioperasikan dari solid-state power

supply karena lebih efektif dalam hal biaya dibandingkan mengunakan

generator set. Pada bagian sistem penggerak motor DC umumnya lebih

sederhana serta lebih murah dari segi harga. Motor DC juga terdapat

kekurangan seperti pergantian pada bagian brushed dalam jangka

19

waktu pemakian tertentu. Berikut dibawah ini ialah Gambar 2.6

skematik sistem penggerak pada motor DC:

Gambar 2. 6 Skematik penggerak motor DC

2.8 Penelitian terdahulu

Penelitian terdahulu merupakan penunjang penulis dalam rancang

bangun sehingga mampu membantu penulis dalam meneliti suatu penelitian

yang dilakukan. Pengkajian sebelumnya berupa jurnal atau paper yang terkait

dengan penelitian yang dilakukan penulis dilampirkan pada tabel 2.5 seperti

berikut:

Tabel 2. 5 Jurnal Terdahulu

Penulis Tahun Keterangan

Tya, dkk 2021 Rancang bangun mesin filament extruder

yang berbasis arduino mega2560 dengan

hasil acrylonitrile butadiene styrene (ABS)

berfokus pada mendur ulang hasil sisa

proses 3D printing yang terdiri dari arduino

mega 2560 sebagai komponen utama, serta

ABS sebagai bahannya dengan temperatur

lelehnya 200-210℃. Penelitian ini

mendapatkan hasil terbaik pada suhu yang

dilakukakn diameter filamen yang

dihasilkan yaitu, 1,74 mm pada temperatur

205℃ dengan kecepatan produksi 806

mm/menit atau 0,109 kg/jam

Sibarani, dkk 2018 Rancang unit extruder pada lamination

flexible packaging dan hasil yang

didapatkan adalah dimensi screw conveyor

20

dengan diameter 4 inci, panjang screw 25,1

inci, jarak pitch 4 inci, dan jenis ulir ialah

conveyor helical dan didapatkan conveyor

screw yaitu, kapasitas screw 200 kg/jam,

torsi yang ditranmisikan penggeraak

terhadap screw sebesar 13,973 kg, serta

gaya axial yang terdapat dibagian screw

ialah 1,3 kg. jenis heater yang digunakan

ialah band heater dengan daya keluaran

sebesar 800 watt.

Irwan dan

Mekar

2018 Rancang bangun prototype mesin ekstrusi

polimer single screw dan simpulan yang

didapatkan adalah mesin mampu

menghasilkan produk dengan baik dengan

motor penggerak 1,4 HP, pemanas

menggunakan 4 heater 50X100, CPM 475

W, 220V, namun mesin ini masih terdapat

kekurangan pada sistem pendinginnya dan

bentuk cetakannya. Ini terlihat dari hasil

extruded, yang banyak berpengaruh pada

temperatur proses ekstrusi yang sesuai

untuk memproduksi filamen dengan single

screw. Dimensi produk filamen yang

dihasilkan dengan proses ekstrusi single

screw mempunyai penyimpangan hingga

100% dari ukuran cetakan.

Mahmudi, Ali 2017 Mesin prototype pengolah limbah

Styrofoam dengan variable temperatur

pemanasan dan kecepatan aliran Styrofoam

mendapatkan hasil produk yang mumpuni

dengan bentuk padat dan warnanya putih

dengan keadaan baik kisaran temperatur

21

110-120℃ dengan aliran kecepatan

Styrofoam berkisar antara 2,7 m/menit – 3,6

m/menit.