BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Turbin Air
Turbin air memanfaatkan energi potensial air untuk menggerakkan generator
yang selanjutnya diubah menjadi energi listrik. Pemakaian turbin air di pusat
pembangkit listrik harus disesuaikan dengan besarnya laju aliran (debit) dan
ketinggian (head) sumber air yang tersedia di tempat tersebut.
2.1.1 Prinsip Turbin Air
Air merupakan salah satu sumber energi yang murah dan relatif mudah
diperoleh karena air tersimpan sebagai energi potensial saat air jatuh dan energi
kinetik saat air mengalir. Tenaga air adalah energi yang diperoleh dari air yang
mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam
wujud energi mekanik maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak
dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan
suatu air terjun atau aliran air di sungai. Sejak awal abad 18 kincir air banyak
dimanfaatkan sebagai penggerak penggilingan gandum, penggergajian kayu dan
mesin tekstil. Memasuki abad 19 turbin air mulai dikembangkan.
Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada
besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head
adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar
dari kincir air atau turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air
merupakan energi potensial air yaitu :
mghE = ............................................................................................... (2.1)
dengan
m adalah massa air (kg)
h adalah head (m)
g adalah percepatan gravitasi (m/s2)
Daya merupakan energi tiap satuan waktu t
E, sehingga persamaan (2.1) dapat
dinyatakan sebagai :
ght
m
t
E = ............................................................................................. (2.2)
Dengan mensubsitusikan P terhadap t
E dan mensubsitusikan Qρ terhadap
t
m
maka :
QghP ρ= ............................................................................................. (2.3)
dengan
P adalah daya (watt)
Q adalah kapasitas aliran (m3/s)
ρ adalah densitas air (kg/m3)
Selain memanfaatkan air jatuh tenaga air dapat diperoleh dari aliran air datar.
Dalam hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik
2
2
1mvE = ............................................................................................. (2.4)
dengan
v adalah kecepatan aliran air (m/s)
m adalah massa air (kg)
Daya air yang tersedia dari persamaan kontinuitas AvQ = dinyatakan sebagai
berikut :
2
2
1QvP ρ= atau 3
2
1AvP ρ= .............................................................. (2.5)
dengan
A adalah luas penampang aliran air (2m )
2.1.2 Jenis-Jenis Turbin
Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk
pembangkit tenaga listrik. Turbin air mengubah energi potensial air menjadi
energi mekanik. Energi mekanik diubah dengan generator listrik menjadi tenaga
listrik. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air
menjadi energi mekanik, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin
impuls dan turbin reaksi.
Tabel 2.1 Jenis Turbin
Jenis Turbin Head Tinggi Head Sedang Head Rendah
Turbin Impuls Pelton, Turgo Cros-Flow, Multi-
Jet Pelton, Turgo
Cross-flow
Turbin Reaksi Francis Propeller, Kaplan
2.1.2.1 Turbin Impuls
Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air yang
keluar dari nozle mempunyai kecepatan tinggi kemudian membentur sudu turbin.
Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi
perubahan momentum (impuls). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin
impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nozle
tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Ketika masuk ke
sudu jalan maka energi akan diubah menjadi energi kecepatan. Jenis turbin impuls
antara lain yaitu :
a. Turbin Pelton
Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set
sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih
alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang
paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head
tinggi. Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head kurang
lebih 150 meter tetapi untuk skala mikro ukuran head 20 meter sudah mencukupi
Gambar 2.1 Nosel Turbin Pelton[28]
b. Turbin Turgo
Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 hingga 300 meter. Seperti
turbin pelton, turbin turgo merupakan turbin impuls, tetapi sudunya berbeda.
Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20 o. Kecepatan putar turbin
turgo lebih besar dari turbin Pelton. Dengan demikian memungkinkan transmisi
langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus
menurunkan biaya perawatan.
Gambar 2.2. Sudu turbin Turgo dan nozel[28]
c. Turbin Crossflow
Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin
Michell-Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin
Osberger yang merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow.
Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liter/detik hingga 10 m3/detik
dan head antara 1 hingga 200 meter.
Gambar 2.3 Turbin Crossflow[27]
2.1.2.2 Turbin Reaksi
Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan
terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini
memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat
berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai
turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada
dalam rumah turbin. Yang termasuk ke dalam jenis turbin ini antara lain yaitu :
a. Turbin Francis
Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang
diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di
bagian keluar. Turbin francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah
mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin francis
dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang
dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air
penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat.
Gambar 2.4 Flow Turbin Francis[25]
b. Turbin Kaplan & Propeller
Turbin Kaplan dan Propeller merupakan turbin reaksi aliran aksial. Turbin
ini tersusun dari propeller seperti pada perahu.. Propeller tersebut biasanya
mempunyai tiga hingga enam sudu.
Gambar 2.5. Turbin Kaplan[24]
2.1.3 Turbin Francis
Turbin Francis dapat digolongkan menjadi 2 kelompok yaitu jenis turbin
horizontal dan jenis vertikal. Pemilihan horizontal diperuntukkan dimensi yang
kecil sedangkan vertikal diperuntukkan dimensi yang besar. Turbin Francis ini
terdiri atas beberapa komponen yang masing-masing memiliki fungsi berbeda-
beda yang digunakan untuk menggerakkan generator. Komponen-komponen
penyusun turbin Francis terdiri dari: selubung melingkar (scroll casing), sudu-
sudu pengarah (guide vanes), sudu berputar (runner), poros (shaft), draft tube
cone, stay vanes yang dapat dilihat pada Gambar 2.6. Aliran air dari bendungan
atau waduk yang mengalir melalui penstock masuk ke dalam turbin Francis
melewati scroll casing. Scroll casing memiliki penampang yang menyempit ke
arah sudu-sudu pengarah sehingga energi kinetik aliran air akan meningkat setelah
melewati scroll casing. Aliran air yang memiliki energi kinetik besar selanjutnya
diarahkan oleh sudu-sudu pengarah untuk menabrak sudu-sudu yang dimiliki
runner, sehingga menyebabkan runner berputar. Putaran runner diteruskan ke
poros turbin untuk selanjutnya digunakan sebagai penggerak generator. Oleh
generator energi putar yang dihasilkan turbin Francis diubah menjadi energi
listrik.
Gambar 2.6 Komponen Turbin Francis vertikal [26]
2.2 Proses Pengecoran
Pengecoran merupakan salah satu proses produksi yang melibatkan
peleburan logam padat (solid metal) menjadi logam cair (liquid metal). Logam
cair tersebut kemudian dituang ke dalam cetakan agar memiliki bentuk sesuai
produk yang diinginkan. Setelah seluruh cetakan terisi, logam cair dibiarkan
mengalami proses pemadatan (solidification) dan pendinginan. Setelah
pendinginan maka ditempuh proses pengambilan produk dari cetakan (part
ejection). Proses pengecoran tidak terlepas dari logam yang akan dilebur yang
terdiri dari cast iron, paduan aluminium, baja cor, tembaga, dan lain-lain. Pada
penelitian ini akan dijelaskan salah satu sifat dan struktur dari logam baja cor atau
yang dikenal cast steel.
2.2.1 Struktur dan Sifat Baja Cor (Cast Steel)
Baja cor khusus terdiri dari baja paduan rendah dan baja cor paduan tinggi
yang dibuat dengan menambahkan macam-macam unsur paduan kepada baja cor
karbon. Mangan dan silium biasanya tidak dapat dihindarkan selalu tercampur
1. rotor generator 2. stator generator 3. poros turbin 4. runner 5. turbine head cover 6. stay ring discharge ring 7. supporting cone 8. guide vane 9. operating ring 10. guide vane servomotor 11. lower guide bearing 12. thrust bearing 13. upper guide bearing 14. spiral case 15. draft tube cone
ketika pengolahan baja sehingga unsur-unsur tersebut ditambahkan sebagai unsur
paduan. Baja cor ini terdiri dikelompokkan menjadi 3 yaitu
a. Baja cor paduan rendah
Baja karbon dikeraskan dan dikuatkan dengan pencelupan dingin
tetapi mampu kerasnya agak buruk dan hanya kulitnya saja yang keras.
Lapisan yang mengeras menjadi lebih tebal dengan menambah Mn, Cr, Mo
atau Ni. Baja paduan ini mempunyai sifat mampu keras tinggi karena karbon
larut dalam austenit dengan pencelupan dingin.
b. Baja tahan karat
Baja tahan karat adalah baja yang diperbaiki tahanan korosinya
dengan menambahkan nikel atau khrom dan akan memberikan ketahanan
korosi, ketahanan panas dan ketahanan dingin yang baik sekali dengan baja
cor karbon biasa. Baja didalam air atau udara akan berkarat oleh oksidasi
sedangkan baja paduan dengan kandungan khrom lebih dari harga tertentu
mempunyai sifat pasif terhadap oksidasi dan bebas dari karat. Baja tahan
karat mengandung khrom lebih dari 12 %
Baja tahan martensit mempunyai mampu-keras dan ketahanan
korosi yang paling baik dalam keadaan setelah dicelup dingin dan ditemper.
Baja 13% Cr mempunyai mampu keras sendiri dengan pengerasan alam
yaitu pendinginan dalam udara luar. Baja ini cocok untuk hal-hal yang
bersifat korosi ringan seperti saluran dan rumah turbin air.
Baja tahan ferit mengadung 16% tidak dapat dikeraskan dengan
jalan pencelupan dingin. Baja ini ketahanan korosinya lebih kecil
dibandingkan dengan baja tahan karat austenit tetapi lebih murah. Baja cor
tahan karat austenit ini adalah baja cor 18Cr-8Ni yang mempunyai ketahan
korosi dan sifat-sifat mekanik yang baik. Struktur dari sistem Fe-Ni-Cr
menjadi austenit lengkap pada komposisi 18%Cr-8Ni dimana ketahan korosi
yang terbaik tidak akan didapat apabila karbon larut dalam austenit dan
tidak mengendap secara terpisah. Baja ini diperuntukkan untuk baling-baling
kapal sebab ia mempunyai ketahan korosi terhadap air garam.
c. Baja tahan panas
Baja cor tahan panas adalah nama umum untuk baja cor yang
dipakai pada temperatur tinggi yaitu diatas 650C° . Baja ini terdiri dari baja
paduan cor tinggi dengan chrom tinggi dan baja cor paduan tinggi dengan
nikel tinggi sesuai dengan komposisi kimianya. Sifat-sifat yang harus
dipunyai oleh baja cor tahan panas ialah kestabilan permukaan, kekuatan
melar pada temperatur tinggi, keuletan pada temperatur tinggi, tahanan yang
tinggi terhadap kelelahan panas dan tahan aus yang baik.
2.2.2 Dasar- dasar pengecoran
Dalam proses pengecoran diharapkan agar produk yang dihasilkan bebas
dari cacat dan ekonomis. Produk coran dikatakan bebas dari cacat jika memenuhi
kriteria seperti: kekuatan, kualitas permukaan dan akurasi dimensi sesuai
perancangan. Untuk itu diperlukan pengetahuan yang baik mengenai perancangan
cetakan dan praktek pengecoran. Beberapa faktor penting yang harus diperhatikan
dalam proses pengecoran yaitu :
2.2.2.1 Aliran logam cair ke rongga cetakan
Aliran logam perlu diperhatikan dalam proses pengecoran. Logam cair
dituang ke dalam cetakan melalui cawan tuang (pourin basin). Logam cair ini
kemudian mengalir melalui sistem saluran yang terdiri dari saluran turun (sprue),
saluran pengalir (runner), dan saluran masuk (gate) menuju ke rongga cetakan.
Meskipun sistem saluran ini kelihatan sederhana, tetapi memiliki pengaruh
penting terhadap keberhasilan proses pengecoran dan pengaturan proses
pemadatan logam cair untuk menjamin keberlangsungan aliran logam cair sampai
ke seluruh rongga cetakan.
Permasalahan yang timbul dalam proses pengecoran seperti: timbulnya
aliran turbulen sewaktu proses penuangan dan pendinginan cepat yang
menyebabkan proses pemadatan dini, dapat diatasi dengan perancangan sistem
saluran yang bagus. Perancangan sistem saluran yang bagus memerlukan
pemahaman yang baik mengenai masalah aliran fluida dan perpindahan panas.
2.2.2.2 Perpindahan panas selama proses pemadatan dan pendinginan.
Setelah logam cair dituang ke dalam cetakan, maka akan terjadi proses
pemadatan logam dan pendinginan ke temperatur sekeliling. Proses-proses ini
memiliki pengaruh besar terhadap ukuran, bentuk, keseragaman, dan komposisi
kimia dari butiran yang terbentuk pada struktur logam produk coran. Faktor
penting yang berpengaruh terhadap proses pemadatan dan pendinginan logam cair
yaitu: jenis logam tuang, konduktivitas termal cetakan dan logam tuang, geometri
benda yang ingin dibuat dengan pengecoran, dan bentuk cetakan.
2.2.2.3 Pengaruh jenis material cetakan.
Konduktivitas termal cetakan dan logam tuang akan berpengaruh terhadap
laju pendinginan logam tuang. Laju pendinginan yang lambat yang berarti proses
pemadatan yang lama akan menghasilkan struktur dendrit yang kasar dengan jarak
antar lengan dendrit yang jauh. Sebaliknya laju pendinginan yang cepat akan
menghasilkan struktur dendrit yang halus dengan jarak antar lengan dendrit yang
dekat. Struktur dendrit maupun ukuran butir yang dihasilkan selama proses
pemadatan akan berpengaruh terhadap produk yang dihasilkan dari proses
pengecoran. Semakin kecilnya ukuran butir pada struktur logam hasil coran, maka
kekuatan dan keuletan produk coran akan meningkat, mikroporositas (rongga
antar struktur dendrit) akan menurun, dan kecenderungan produk coran untuk
retak selama proses pemadatan semakin kecil.
2.2.3 Pola
Pola adalah sebuah model produk atau prototip untuk membuat cetakan
dalam pembuatan coran yang telah dikonversi dengan penyusutan. Pola
digolongkan menjadi pola logam dan pola kayu (termasuk pola plastik).
Pembuatan pola harus mempertimbangkan bagaimana hasil coran yang baik,
bagaimana menstabilkan inti-inti, bagaimana cara mempermudah pembokaran
cetakan, menetapkan arah kup dan drag, tambahan penyusutan (shrinkage),
tambahan untuk penyelesaian dengan mesin dan kemiringan pola.
2.2.3.1 Bahan Pola
Pola kayu termasuk pola yang sering dipakai dalam pengecoran. Syarat
kayu yang dipakai adalah kering sekali (kadar air 5%), mudah dikerjakan mesin
atau tangan, mempunyai serat-serat halus, tidak mudah retak atau pecah dan
digunakan untuk proses cetakan tangan dan cetakan mesin. Pola logam dipakai
sebagai bahan pola terutama untuk produk massal. Bahan logam ini harus
memiliki tahan aus, ringan (bahan aluminium), mudah dikerjakan, tidak mudah
pecah, dapat memanaskan cetakan dengan ketebalan merata. Pola resin ialah
epoxy yang mempunyai sifat tahan aus, penyusutan kecil dan bisa digunakan
dengan mesin. Bahan resin ini dipakai sebagai bahan pola untuk coran kecil dari
satu masa produksi atau dilakukan denga pencetakan mesin. Untuk membuat pola
resin ini harus dibuat negatifnya dari bahan kayu, logam dan resin itu sendiri.
Selain pola kayu, logam dan resin, ada pula pola yang terbuat dari lilin.
Bahan pola dari lilin biasanya untuk coran benda kecil, produksi massal dan
pengecoran paduan kelas tinggi seperti sudu-sudu turbin. Pola yang lain adalah
styrofoam yang biasanya dipakai satu kali karena pola tersebut tidak dikeluarkan
dari cetakan. Pola gips dipakai untuk membuat benda tuang jumlahnya satuan
karena bahan ini mudah pecah.[19]
2.2.3.2 Pembuatan Pola
a. Menetapkan kup, drag dan permukaan pisah
Penentuan kup, drag dan permukaan pisah adalah hal yang paling penting
untuk mendapat coran yang baik. Dalam hal ini dibutuhkan pengalaman yang luas
dan harus mempunyai ketentuan seperti pola harus mudah dikeluarkan dari
cetakan, penempatan inti harus mudah dan sistem saluran harus dibuat sempurna.
b. Menentukan tambahan penyusutan
Tambahan penyusutan ini dikenal dengan nama shrinkage. Faktor ini
adalah hal yang penting karena menentukan kualitas dari produk. Besarnya nilai
shrikage seperti pada tabel dibawah ini.
Tabel 2.2 Penyusutan Logam[15]
c. Kemiringan pola
Permukaan-permukaan tegak dari pola dimiringkan dari permukaan pisah
untuk memudahkan pengangkatan pola dari cetakan, meskipun dalam hal
mempergunakan pola logam, pola ditarik dengan pengarah dari pena-pena. Pola
logam membutuhkan kemiringan 1/2000 sedangkan pada pola kayu membutuhkan
kemiringan 1/30 sampai 1/100.
d. Tambahan pelenturan
Penyusutan coran pada waktu pembekuan dan pendinginan kadang-kadang
tidak hanya mengecilkan keseluruhannya tetapi juga mengakibatkan pelenturan
yang tergantung pada bentuknya.
e. Telapak inti
Telapak inti disebut pula coreprint yaitu cara menempatkan inti,
membawa dan menentukan letak inti, meyalurkan udara dan gas-gas cetakan yang
keluar melalui inti dengan harapan jika cetakan telah terisi penuh oleh logam
maka gas-gas dibawa keluar melaui telapak inti, dan memegang inti yaitu dengan
harapan cetakan terisi penuh oleh logam, ia mencegah bergesernya inti dan
memegang inti terhadap daya apung dari logam cair.
Jenis Bahan Penyusutan (%)
Besi Cor Nodular FCD>400 0.3-0.25
Besi Cor Kelabu (tipis, lunak) Fe<20 0.8-1
Besi Cor Kelabu (keras) FC>25 1-1.2
Besi Cor Maleabel 1.2-2
Brons, Kuningan 1.6-1.8
Tembaga Cor (ukuran besar) 1.8-2
Baja Cor Tahan Karat Cr13% 1.8
Baja Cor Tahan Karat 18-8 2.6-2.85
Nikel Cor, Logam Monel 2.1
2.2.4 Jenis-jenis pengecoran (casting)
Proses pengecoran dapat dikelompokkan menurut jenis cetakan maupun
gaya penggerak yang digunakan ketika melakukan proses penuangan logam cair
ke rongga cetakan. Skema lengkap mengenai pengelompokkan proses pengecoran
dapat dilihat pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Jenis-Jenis Pengecoran[13]
Pengecoran dengan menggunakan cetakan sekali pakai (expendable
mould) seperti sand casting dan investment casting dapat digunakan untuk
mengecor benda dari segala jenis material logam baik besi (ferrous) maupun
bukan besi. Berat benda yang mampu dicor juga lebih besar daripada proses
pengecoran dengan cetakan permanen. Proses pengecoran dengan cetakan sekali
pakai selalu membutuhkan cetakan baru yang dirangkai dengan sistem saluran
untuk melakukan penuangan pada setiap proses pengecoran, sehingga
membutuhkan waktu lebih lama. Cetakan sekali pakai tersebut dapat dibuat
dengan menggunakan pola permanen (permanent pattern) atau pola sekali pakai
(expendable pattern). Pola permanen dapat dibuat dari kayu, logam, ataupun
plastik. Sedangkan pola sekali pakai dapat dibuat dari lilin (wax), expendable
polystyrene (EPS), maupun material polimer lain.
Gravity Die adalah jenis proses pengecoran yang sering disebut sebagai
proses pengecoran dengan cetakan permanen. Pada proses ini logam cair dituang
dengan pengaruh gaya gravitasi ke cetakan yang terbuat dari besi cor berlapis
keramik. Apabila benda memiliki rongga di dalamnya maka pada cetakan
disisipkan inti yang dapat dibuat dari logam ataupun pasir. Setelah logam cair
yang dituang ke cetakan mengalami proses pemadatan dan pendinginan, cetakan
dipisahkan untuk mengambil produk coran. Proses pengecoran ini cocok untuk
benda yang terbuat dari logam bukan-besi dengan ukuran kecil sampai medium
dan memiliki bentuk yang rumit serta memiliki ketebalan penampang yang tipis.
Pressure die Casting adalah jenis proses pengecoran yang dilakukan
dengan menginjeksikan logam cair dengan tekanan ke cetakan dari baja yang telah
dikeraskan (hardened steel) dan dilengkapi dengan sistem pendingin (biasanya
air). Apabila benda yang ingin dibuat memiliki rongga ataupun undercut maka
cetakan dilengkapi dengan inti yang terbuat dari logam. Setelah logam cair yang
diinjeksikan ke cetakan mengalami proses pemadatan dan pendinginan, setengah
cetakan digerakkan dan produk coran dikeluarkan dengan pin ejector. Proses
pengecoran ini cocok untuk benda dari logam bukan besi dengan ukuran kecil
sampai medium dan memiliki bentuk yang rumit serta ketebalan dinding tipis.
Centrifugal casting merupakan proses pengecoran yang prinsip kerjanya
menggunakan logam cair yang dituang ke cetakan lalu diputar sehingga
menimbulkan gaya sentrifugal dan akan mendorong logam cair ke cetakan. Lost
foam casting merupakan proses pengecoran yang prinsip kerjanya menggunakan
pasir yang dipadatkan mengelilingi pola sekali pakai dari polystyrene (expandable
polystyrene pattern). Logam cair dituang ke cetakan yang terbuat dari pasir yang
mengelilingi polystyrene sehingga akan menguapkan pola dan mengisi rongga
yang ditinggalkan pola.[10]
2.2.5 Cetakan Pasir dan Pasir Cetak (Sand Casting)
Proses pengecoran jenis ini dilakukan dengan mencampur pasir, bahan
pengikat (binder) dan air. Kemudian campuran tersebut dipadatkan mengelilingi
pola dari kayu atau logam untuk menghasilkan cetakan. Selanjutnya cetakan
diambil dari pola dan dirangkai dengan inti (core) jika diperlukan. Logam cair
dituangkan ke dalam rongga cetakan, dan dibiarkan mengalami proses pemadatan
dan pendinginan yang diikuti dengan pengambilan hasil coran dengan memecah
cetakan. Hasil coran biasanya memerlukan proses pemesinan untuk mendapatkan
geometri seperti yang dikehendaki. Jenis pengecoran ini cocok untuk benda yang
terbuat dari material logam baik besi maupun bukan besi, benda dengan segala
ukuran maupun dengan geometri yang rumit.
Pengecoran cetakan pasir merupakan proses pengecoran yang paling
umum dipakai karena tidak membutuhkan investasi yang mahal dan dapat
digunakan untuk mengecor benda dari material logam besi maupun bukan besi.
Tahapan-tahapan yang dilakukan untuk melakukan proses pengecoran cetakan
pasir dapat dilihat pada Gambar 2.8. Tahapan-tahapan tersebut secara garis besar
dapat dikelompokkam menjadi tiga, yaitu: pre-casting, casting, dan post-casting.
Gambar 2.8 Proses Pengecoran Cetakan Pasir[13]
Tahapan pre-casting merupakan tahapan persiapan yang dilakukan
sebelum proses penuangan. Tahapan ini terdiri dari persiapan pasir cetak dan
pembuatan cetakan. Untuk melakukan proses pembuatan cetakan diperlukan pola,
inti, dan sistem saluran. Setelah cetakan selesai dibuat kemudian dilanjutkan
dengan tahapan berikutnya, yaitu casting. Tahapan casting terdiri dari peleburan
logam padat dan penuangan logam cair hasil peleburan ke cetakan. Peleburan
logam padat dilakukan di dalam tungku atau kopula. Logam cair hasil peleburan
kemudian dituangkan ke dalam cetakan dan dibiarkan mengalami proses
pemadatan dan pendinginan, sehingga dihasilkan produk coran. Produk coran
perlu dipisahkan dari cetakan dan diberi perlakuan (treatment) sebelum dikirim ke
konsumen. Semua itu dilakukan dalam tahap post casting.
2.2.5.1 Pre Casting
Pre Casting ini adalah persiapan awal sebelum melakukan casting atau
coran. Beberapa persiapan awal dalam pre casting adalah persiapan pasir cetakan,
persiapan pola, persiapan pembuatan inti dan persiapan pembuatan cetakan.
a. Persiapan pasir
Persiapan pasir merupakan langkah awal dalam pre casting. Ada beberapa
persyaratan dalam persiapan pre casting yaitu mempunyai sifat mampu bentuk
sehingga memudahkan proses pembuatan cetakan, mempunyai kekuatan yang
cukup pada temperatur kamar dan temperatur tuang, sehingga cetakan yang
dihasilkan tidak mudah rusak karena dipindah-pindah dan dapat menahan logam
cair sewaktu dituang ke dalamnya, mempunyai permeabilitas yang cocok,
sehingga cacat akibat udara yang terjebak dalam cetakan maupun gas yang
dihasilkan cetakan sewaktu proses penuangan dapat dihindarkan, dan mempunyai
distribusi butir yang cocok. Permukaan produk coran akan halus jika cetakan
dibuat dari pasir berbutir halus. Tetapi jika butir pasir terlalu halus, gas yang
terjebak dalam cetakan sukar keluar sehingga dapat menyebabkan cacat pada
coran. Oleh karena itu diperlukan distribusi besar butir yang cocok untuk
memperoleh hasil coran yang permukaannya halus dan bebas dari cacat., tahan
terhadap temperatur logam cair yang dituang, memiliki kemampualiran
(flowability) sehingga dapat digunakan lagi, memiliki komposisi yang cocok.
Butir pasir akan bersentuhan langsung dengan logam cair yang memiliki
temperatur tinggi sehingga akan mengalami peristiwa kimia dan fisika. Oleh
karena itu komposisi bahan campuran pasir perlu dipertimbangkan agar tidak
timbul gas sewaktu proses penuangan.
Pasir silica merupakan jenis pasir cetak yang paling umum digunakan
dalam proses pengecoran. Jenis pasir cetak lain yang digunakan dalam proses
pengecoran dengan harga sedikit mahal karena memiliki sifat yang lebih baik
yaitu: pasir zircon, olivine, khromit (chromite), dan mullite. Pasir olivine
contohnya, memiliki ketahanan retak dan ekspansi termal yang lebih bagus
daripada pasir silica. Cetakan yang terbuat dari pasir olivine memiliki kekuatan
yang cukup untuk menahan beban termal dari logam cair yang dituang.
Agar mudah dicetak pasir-pasir tersebut biasanya dicampur dengan bahan
pengikat (binder). Bahan pengikat yang sering digunakan untuk membuat cetakan
yaitu bentonite clay (sodium atau calcium bentonite). Bahan pengikat tersebut
dapat meningkatkan kekuatan dan plastisitas pasir cetak, terutama pasir silika.
Campuran lain yang digunakan untuk membuat cetakan yaitu debu batu bara (coal
dust) untuk meningkatkan kehalusan permukaan hasil coran, besi-oksida (iron-
oxide) untuk meningkatkan ketahanan cetakan terhadap temperatur tinggi,
dekstrin (dextrin) untuk meningkatkan ketangguhan dan ketahanan cetakan
terhadap kerusakan (collapsibility), molasses untuk meningkatkan kekuatan
cetakan.
b. Persiapan pola
Pola merupakan model fisik dari produk coran yang digunakan untuk
membuat cetakan. Berdasarkan materialnya, pola dapat dikelompokkan menjadi
pola logam dan pola kayu. Pola logam dipergunakan untuk menjaga ketelitian
ukuran produk coran terutama untuk melakukan produksi massal, sehingga umur
pola bisa lebih lama dan produktivitasnya lebih tinggi. Pola kayu biasanya dipilih
karena murah, cepat dan mudah proses pembuatannya.
Pola dapat dibuat sebagai satu kesatuan (single piece) ataupun terpisah
menjadi dua bagian (split pattern) tergantung dari kompleksitas benda yang akan
dicor. Pola terpisah (split pattern) memiliki dua bagian yang dipisahkan dengan
permukaan pisah (parting surface), yaitu: bagian atas yang disebut kup (cope) dan
bagian bawah yang disebut drag. Untuk melakukan proses pembuatan pola,
biasanya diperhatikan beberapa aspek teknis seperti: penyusutan (shrinkage),
kemiringan (draft), permukaan pisah dan kualitas permukaan pola. Pola dibuat 1-
2% lebih besar dari benda yang akan dicor sebagai kompensasi terjadinya
penyusutan ketika proses pemadatan dan pendinginan. Untuk memudahkan
pengambilan pola dari cetakan dan menjamin agar pasir cetak tidak rontok, maka
permukaan pola yang sejajar dengan arah penarikan perlu diberi kemiringan
tertentu. Selain itu, kualitas permukaan pola harus diperhatikan juga agar cetakan
yang dihasilkan memiliki permukaan yang halus
c. Persiapan pembuatan inti
Inti merupakan bentuk dari pasir yang dipasang pada rongga cetakan untuk
mencegah pengisian logam pada bagian yang seharusnya berbentuk lubang atau
rongga pada produk coran. Bagian ini biasanya dibuat dari pasir dengan
menggunakan bahan pengikat organik maupun non-organik. Beberapa sifat yang
harus dimiliki oleh inti yaitu: memiliki ketahanan terhadap temperatur tinggi dan
erosi akibat aliran logam cair, permukaannya halus, memiliki kemampuan
mengalirkan gas, dan mudah mengalami deformasi setelah proses pengecoran
selesai.
Proses pembuatan inti sangat beragam, di antaranya dengan cara kotak
panas (hot box process), kotak dingin (cold box process), CO2, dan cara mengeras
sendiri. Cara kotak panas dilakukan dengan menyemprotkan campuran pasir ke
pola (pattern) yang terbuat dari logam yang telah dipanaskan. Karena pengaruh
panas dari pola logam tersebut maka campuran pasir akan mengeras mengikuti
bentuk polanya. Cara kotak dingin mirip dengan cara pada kotak panas, namun
pola yang terbuat dari logam tidak perlu dipanaskan. Proses pengerasan campuran
pasir pada kotak dingin dilakukan dengan melewatkan gas amino, sehingga
campuran pasir akan mengeras saat itu juga. Cara CO2 merupakan proses
pembuatan inti yang memanfaatkan aliran gas CO2 untuk melakukan proses
pengerasan campuran pasir. Sedangkan proses pembuatan inti dengan cara
mengeras sendiri dilakukan dengan memberikan pengikat khusus sebagai
campuran pasir sehingga pasir akan mengeras secara alami.
Dalam proses pembuatan inti diperlukan bahan pengikat sebagai campuran
pasir cetak. Bahan pengikat yang digunakan pada proses pembuatan inti antara
lain minyak sayur (vegetable oil), minyak mineral dan sodium silikat. Minyak
sayur ataupun minyak mineral merupakan bahan pengikat yang murah. Akan
tetapi inti yang dibuat dengan bahan pengikat ini memerlukan pemanasan sampai
temperatur 2400 C selama 2 hingga 3 jam untuk mendapatkan kekuatan yang
cukup. Inti yang dibuat dengan bahan pengikat sodium silikat, proses
pengerasannya memerlukan gas CO2. Gas ini dilewatkan ke pasir yang telah
dicampur dengan bahan pengikat sodium silikat sehingga akan mengeras secara
tiba-tiba.
d. Persiapan pembuatan cetakan
Pembuatan cetakan melibatkan pemadatan pasir cetak secara merata
mengelilingi pola, penarikan pola dari cetakan, penempatan inti dalam rongga
cetakan dan penyelesaian akhir sampai cetakan siap digunakan. Proses pembuatan
cetakan dapat dilakukan dengan menggunakan tangan atau mesin. Saat ini,
kebanyakan industri pengecoran sudah dilengkapi dengan mesin pembuat cetakan.
Mesin-mesin tersebut menggunakan kombinasi antara guncangan dan desakan
untuk memampatkan pasir mengelilingi pola. Selain mesin guncang (jolt machine)
dan guncang desak (jolt-squeeze machines), beberapa industri juga memanfaatkan
mesin cetakan tekanan tinggi (high pressure moulding machines). Mesin ini
menggunakan mekanisme hidrolik, air impulse atau gas injection untuk
menggerakkan kepala pendesak guna memampatkan pasir mengelilingi pola. Bila
dibandingkan dengan mesin guncang-desak, mesin ini memiliki beberapa
keunggulan seperti getaran dan tingkat polusi udara lebih rendah, serta
produktivitasnya yang tinggi. Salah satu jenis mesin cetak tekanan tinggi adalah
flaskless moulding machine.
Untuk meningkatkan kualitas produk coran, pada permukaan cetakan yang
bersentuhan dengan logam cair dapat disemprot atau dicat menggunakan grafit
atau bubuk mika yang telah dicampur dengan air. Proses penyemprotan atau
pengecatan tersebut mempunyai tujuan yaitu:
� Meniadakan cacat-cacat yang disebabkan oleh pasir.
� Mencegah fusi dan penetrasi logam.
� Membuang pasir inti dan pasir cetak dengan mudah pada waktu
pembongkaran.
� Mendapatkan permukaan coran yang halus.
Selain bubuk mika atau grafit, bahan pelapis lain juga dapat digunakan
dengan syarat bahan tersebut memiliki sifat tahan panas sehingga dapat menerima
temperatur penuangan, cukup kuat dan tidak mudah rusak oleh logam cair, dapat
mencegah terjadinya penetrasi logam dan gas yang ditimbulkan harus sedikit.
2.2.5.2 Casting
Peleburan logam dilakukan untuk menyediakan logam cair yang
dibutuhkan dalam proses penuangan. Untuk melakukan proses peleburan logam
dibutuhkan logam padat yang siap dilebur dan peralatan peleburan seperti kopula,
tungku api minyak (oil/gas fired furnaces), tungku induksi dan tungku busur
searah (direct arc furnace).
Kopula merupakan tungku peleburan yang umum digunakan untuk
melebur besi cor. Kelebihan yang dimiliki kupola antara lain konstruksinya
sederhana dan operasinya mudah, memberikan kemungkinan peleburan yang
kontinu, memungkinkan mendapatkan laju peleburan yang besar tiap jamnya dan
biaya peralatan yang murah. Kopula umumnya dibuat dari baja silinder tegak dan
dilapisi dengan bata tahan api. Untuk melakukan proses peleburan dengan kopula,
bahan logam dan kokas diisikan dari pintu pengisi. Udara yang diperlukan untuk
proses pembakaran ditiupkan melalui tuyer, sehingga menyebabkan kokas
terbakar dan bahan logam mencair. Bahan logam yang telah cair kemudian
dikeluarkan melalui lubang-lubang keluar pada dasar kupola.
Tungku api minyak merupakan tungku peleburan yang menggunakan
bahan bakar minyak. Tungku ini terdiri dari tungku krusibel (crucible furnace)
dan rotari (rotary furnace). Tungku krusibel, umumnya terbuat dari grafit dan
tanah liat serta cocok untuk melakukan proses peleburan logam bukan-besi dalam
jumlah sedikit. Sedangkan tungku rotari terbuat dari pelat baja yang dilapisi
dengan material refraktori. Untuk melakukan proses peleburan dengan tungku
rotari, bahan logam dimasukkan melalui pintu pengisi yang terletak di tengah.
Agar bahan logam menjadi cair, maka pada bagian ujung tungku rotari dipanasi
dengan melakukan proses pembakaran minyak atau gas. Bahan logam yang telah
mencair, kemudian dikeluarkan melalui pintu keluar.
Tungku busur searah dan induksi merupakan jenis dari tungku listrik.
Tungku ini memanfaatkan energi listrik untuk melakukan proses peleburan.
Beberapa kelebihan yang dimiliki oleh tungku listrik antara lain kemudahan
pengaturan komposisi bahan logam, kemudahan pengaturan temperatur,
memungkinkan untuk memakai logam bermutu rendah, mengurangi jumlah
pekerja, dan memiliki laju peleburan yang tinggi.[16]
2.2.5.3 Post Casting
Penuangan merupakan proses pengisian rongga cetakan dengan logam
cair. Proses pengisian cetakan yang terbuat dari pasir umumnya memanfaatkan
gaya gravitasi. Karena pengaruh gaya gravitasi, logam cair dalam cawan tuang
akan mengalir melalui sistem saluran menuju rongga cetakan.
Pada saat melakukan proses penuangan, ada beberapa hal yang harus
mendapat perhatian yaitu pengeringan ladel yang membawa logam cair dari
tungku, pembuangan terak, temperatur penuangan dan waktu penuangan. Hal ini
dilakukan agar diperoleh produk coran yang bebas dari cacat. Sebagai contoh,
pengeringan ladel dilakukan untuk menghindari terjadinya penurunan temperatur
logam cair, terjadinya oksidasi akibat cairan dan terjadinya cacat-cacat coran
seperti rongga udara dan lubang-lubang jarum. Sedangkan pemilihan temperatur
tuang yang cocok dapat menghindari terjadinya pemadatan logam sebelum
waktunya yang dapat menyebabkan terbentuknya rongga pada produk coran
karena tidak terisi logam cair.
Setelah proses penuangan selesai dan logam cair telah mengalami
pemadatan serta pendinginan ke temperatur kamar, maka produk coran siap untuk
dipisahkan dari cetakan. Proses pemisahan produk coran dari cetakan dapat
dilakukan dengan mesin pembongkar, konveyor getar, ataupun mesin pemukul.
Penyelesaian dan pembersihan merupakan proses terakhir dalam
pengecoran. Proses ini melibatkan pembuangan pasir dan sisa logam seperti
sistem saluran, penambah dan sirip-sirip dari produk coran. Proses pembuangan
pasir yang menempel pada produk coran dapat dilakukan dengan beberapa cara
seperti menggetarkan produk coran (vibrating), menyikat produk coran dengan
sikat kawat (wire brushing), ataupun dengan menembak produk coran
menggunakan peluru baja (shoot blasting). Sedangkan pembuangan sistem saluran
dan penambah dapat dilakukan dengan proses pemesinan seperti gerinda
(grinding) dan penggergajian dengan band shaw. Proses lain untuk meningkatkan
kualitas produk coran seperti pengelasan (welding), pelapisan (coating) dan
perlakuan panas (heat treatment) dapat dilakukan sewaktu proses penyelesaian
dan pembersihan.[16]
Setelah proses penyelesaian dan pembersihan dilakukan, maka perlu
dilakukan pemeriksaan terhadap produk coran. Pemeriksaan produk coran
umumnya digolongkan menjadi pemeriksaan rupa, pemeriksaan tanpa merusak
(nondestructive testing) dan pemeriksaan bahan. Dalam pemeriksaan rupa, hal
yang diteliti yaitu ketidakteraturan, inklusi, dan retakan yang terdapat pada
permukaan produk coran. Pemeriksaan tanpa merusak diperlukan untuk
mengetahui cacat-cacat dalam seperti rongga udara, inklusi, rongga penyusutan,
dan retakan. Pemeriksaan tersebut dapat dilakukan dengan ultrasonic testing, dye
penetrant, eddy current testing atau radiografi. Pemeriksaan bahan dilakukan
untuk meneliti struktur mikro, ketidakteraturan bahan, dan sifat-sifat mekanik
produk coran.
2.2.6 Cetakan Cara Pola Lilin (invesment Casting)
Cara pola lilin merupakan suatu cara pengecoran presisi yang disebut
istilahnya pengecoran invesmen (invesment casting). Pengecoran invesmen ini
dahulu digunakan untuk benda seni rupa dalam jumlah banyak. Akan tetapi
metoda ini sudah digunakan pada teknologi kelas tinggi seperti sudu-sudu motor
jet bahkan pada sudu pada turbin francis.
Proses pengecoran ini dilakukan dengan menginjeksikan lilin ke cetakan
logam untuk membuat pola yang akan digabung dengan saluran turun (sprue)
sehingga memiliki bentuk seperti pohon. Pola yang telah digabung dengan sprue
dicelupkan ke bubur keramik (ceramic slurry) dan dikeringkan, yang diikuti
dengan proses pemanggangan untuk melelehkan lilin. Cetakan dari keramik yang
telah terbentuk ini perlu dipanaskan dahulu sebelum logam cair dituang ke
dalamnya. Setelah logam cair yang dituang mengalami proses pemadatan dan
pendinginan, cetakan dipecah dan produk coran diambil. Proses pengecoran ini
cocok untuk benda-benda yang terbuat dari material logam besi maupun bukan-
besi, benda berukuran kecil dengan bentuk rumit dan memiliki ketebalan
penampang yang tipis.
Proses pengecoran cetakan berpola lilin yang dijelaskan pada Gambar 2.9
sebagai berikut :
� Awalnya membuat cetakan untuk pengecoran pola lilin.
� Pola lilin dan sistem saluran dibuat berdasarkan cetakan.
� Pola lilin dan sistem saluran disusun menjadi susunan pola.
� Susunan tersebut dilapisi.
� Susunan pola lilin yang telah dilapisi ditutup dengan campuran invesmen.
� Memanaskan dengan temperatur antara 100-110º C agar lilin hilang.
� Cetakan dibakar sampai temperatur 800-1100º C.
� Logam cair dituangkan pada cetakan yang bertemperatur tinggi.
� Pekerjaan penyelesaian dilakukan.[19]
Hal-hal yang penting dalam proses tersebut diatas adalah mengurangi
pekerjaan tangan dalam penyusunan pola, kombinasi, kekentalan, cara
penyemprotan bahan pelapis, pengeluaran lilin sampai habis, pengaturan
temperatur dari cetakan yang dipanaskan mulai, pengaturan temperatur dan
kecepatan penuangan dan sebagainya.
Pelapisan dilakukan dengan cara penyebaran atau penyemprotan campuran
invesment pada permukaan pola. Campuran invesment adalah bubuk dari bahan
pelapis tahan panas yang merupakan suspensi dalam larutan etil silikat sebagai
pelapis. Pembuatan cetakan dilakukan dengan memasang pola yang telah dilapisi
dalam rangka cetakan kemudian camputran invesment dituangkan sekeliling pola
tersebut. Pada pengecoran paduan ringan atau paduan tembaga yang mempunyai
titik cair rendah, pelapisan pertama dapat ditiadakan. Sebaliknya atau paduan
yang mempunyai tempeartur tinggi seperti paduan besi atau paduan tahan panas.
Pelapisan harus diulangi sampai tiga kali dengan mempergunakan campuran
invesment dari bahan tahan panas kelas tinggi. Pada pembuatan cetakan invesment
dipakai bahan-bahan yang secara ekonomi dapat dipertanggungjawabkan.
Gambar 2.9 Proses Invesment Casting[13]
Cara lain adalah cetakan berlapis banyak dibuat dengan penyemprotan pasir
tahan api yang kasar pada pola lilin setelah pelapisan, cetakan menjadi kuat
setelah dikeringkan kemudian baru lilin dibuang. Setelah cetakan diberi bantalan
pasir atau mimis baja baru penuangan dapat dilakukan.
Campuran invesment tidak boleh mengandung gelembung udara, maka
untuk mengurangi gelembung udara, campuran tersebut sebelum dipergunakan
harus disimpan dalam bejana hampa udara yang kemudian tekanannya diturunkan.
Selanjutnya apabila pada pembuatan cetakan ada kemungkinan terbawa
gelembung udara dalam campuran, maka cetakan dengan rangka cetak seluruhnya
dimasukkan ke dalam bejana hampa udara yang kemudian tekanannya diturunkan.
Ketika diturunkan logam paduan misalnya untuk sudu-sudu motor jet,
perlu dilakukan pengolahan metalurgi secara sempurna dan pencairannya
dilakukan dalam hampa udara, selanjutnya penuangannya pun dalam banyak hal
dilakukan dalam hampa udara. Peralatan-peralatan khusus untuk memudahkan
perkerjaan dari mulai pengolahan pengolahan cetakan sampai penuangannya
dalam hampa udara telah dikembangkan sedemikian sehingga cara pengecoran ini
lebih sesuai untuk pengecoran presisi untuk paduan kelas tinggi.
2.2.7 Perancangan Pengecoran
Dalam melakukan perancangan cetakan untuk proses pengecoran, dua hal
yang umum dilakukan adalah merencanakan sistem penambah dan sistem saluran.
Sistem penambah digunakan sebagai pengatur terjadinya proses pemadatan dan
sekaligus berfungsi sebagai penyuplai logam cair ketika terjadi proses penyusutan.
Sedangkan sistem saluran berfungsi sebagai saluran penghantar logam cair
menuju rongga cetakan. Cetakan merupakan salah satu penentu keberhasilan
proses pengecoran sehingga diperlukan perancangan cetakan yang hati-hati.
Beberapa hal yang menjadi pertimbangan dalam merancang cetakan yaitu:
a. Ketebalan penampang, pojok dan sudut
Ketebalan penampang pada rongga cetakan hendaknya diusahakan
sehalus mungkin agar cacat pada produk coran karena terbentuknya
rongga penyusutan dapat dihindari. Pojok, sudut, dan fillet yang tajam
pada rongga cetakan seharusnya dihindari, karena dapat menyebabkan
retak pada produk coran selama terjadinya proses pemadatan. Radius fillet
hendaknya dipilih sedemikian rupa, sehingga mampu mengurangi
terjadinya konsentrasi tegangan dan menjamin terjadinya aliran logam cair
yang baik sewaktu proses penuangan berlangsung.
b. Area yang datar (flat area).
Area datar yang sangat luas pada rongga cetakan hendaknya
dihindari karena dapat menyebabkan melengkungnya produk coran.
Peristiwa tersebut terjadi karena gradien temperatur yang tidak seragam
ketika proses pemadatan berlangsung.
c. Penyusutan (shrinkage).
Penyusutan pada produk coran yang terjadi ketika proses
pemadatan berlangsung hendaknya dihindari dengan membuat rongga
cetakan lebih besar. Agar diperoleh rongga cetakan yang lebih besar,
dimensi pola pembuat cetakan perlu diperbesar sesuai dengan besar
penyusutan yang terjadi sewaktu proses pemadatan berlangsung.
d. Permukaan pisah (paring surface) dan Fitur dalam (internal feature).
Permukaan pisah merupakan permukaan yang memisahkan bagian
atas dari cetakan (kup) dan bagian bawah dari cetakan (drag). Penentuan
lokasi permukaan pisah akan mempengaruhi perancangan dan pembuatan
cetakan, jumlah dan bentuk inti dan sistem saluran. Oleh karena itu,
permukaan pisah tersebut hendaknya diusahakan terletak pada satu bidang
dan ditempatkan di pojok atau sisi dari produk coran.
Fitur-fitur dalam (internal features) yang dimiliki benda yang akan
dicor hendaknya dihindari atau jumlahnya dibuat sesedikit mungkin
karena dapat memperlama proses pembuatan cetakan dan dapat
menimbulkan terjadinya masalah aliran logam cair.
2.2.7.1 Perancangan Sistem Penambah
Perubahan temperatur suatu benda dapat mengakibatkan perubahan
volumenya. Pada saat temperatur benda mengalami peningkatan, maka akan
terjadi pemuaian. Begitu pula sebaliknya, pada saat temperatur benda mengalami
penurunan maka akan terjadi penyusutan. Peristiwa tersebut juga terjadi pada
proses pengecoran di mana produk coran akan mengalami penyusutan saat proses
pemadatan berlangsung. Untuk menghindari terbentuknya rongga akibat
penyusutan, maka pada cetakan diperlukan sistem penambah. Sistem penambah
yang digunakan pada suatu cetakan dapat digolongkan menjadi dua macam, yaitu
penambah samping dan penambah atas. Penambah samping dipasang di samping
coran dan langsung dihubungkan dengan saluran turun dan pengalir. Jenis
penambah tersebut sangat efektif untuk coran berukuran kecil dan menengah.
Sedangkan penambah atas dipasang di atas coran yang biasanya berbentuk
silinder yang memiliki ukuran besar.
a. Perhitungan Modulus
Dalam merancang sistem penambah pada suatu cetakan diperlukan nilai
modulus pengecoran benda yang akan dicor. Nilai modulus pengecoran yang
merupakan perbandingan antara volume yang dimiliki benda yang akan dicor
dengan luas permukaan perpindahan efektifnya. Langkah awal dalam merancang
penambah yaitu mengetahui nilai modulusnya. Hal ini berfungi untuk menentukan
letak paling panas pada benda yang akan dicor, menentukan urutan terjadinya
proses pemadatan, menentukan besar penambah, menentukan letak penambah dan
menentukan jumlah penambah.
b. Perhitungan Dimensi Penambah
Sesuai dengan urutan terjadinya proses pemadatan, dimana pemadatan
terakhir harus terjadi pada penambah, maka perbandingan nilai modulus
pengecoran (MS) pada baja cor harus diatur agar
MS benda tuang : MS leher penambah : MS penambah = 1 : 1,2 : 1,2 ...................... (2.6)
Menurut Gambar 2.8, berdasarkan bentuk geometrinya ada tiga jenis
penambah yang dapat digunakan pada suatu cetakan. Masing-masing penambah
memiliki dimensi yang berbeda sebagaimana ditunjukkan pada Tabel 2.2. Karena
bentuk geometri dan dimensi yang berbeda, maka modulus pengecoran dan
volume logam cair yang disediakan ketiga penambah tersebut juga berbeda.
Side Riser (Cope)
Side Riser (Drag)
Top Riser
Gambar 2.10 Jenis Penambah Standar[17]
Tabel 2.3 Penentuan Diameter Penambah[17]
Jenis Penambah Diameter Penambah Volume Penambah
Side Riser
(kontak pada cope) D = 5,98.MS V = 1,06.D3
Side Riser
(kontak pada drag) D = 4,91.MS V = 1,16.D3
Top Riser D = 4,53.MS V = 1,04.D3
c. Perhitungan Jangkauan Penambah
Jangkauan penambah menunjukkan seberapa jauh jarak yang masih
mampu dicapai oleh aliran logam cair dalam penambah. Logam akan memadat
dalam bentuk kristal. Kristal-kristal tersebut tumbuh dari bagian yang mengalami
proses pemadatan paling cepat, yaitu bagian yang bersentuhan dengan dinding
cetakan menuju ke arah tengah rongga cetakan yang mengalami proses pemadatan
yang paling lama. Kristal-kristal tersebut pada akhirnya bertemu di tengah-tengah
dan dapat menghambat suplai logam cair dari penambah. Besar jangkauan
penambah merupakan fungsi dari ketebalan penampang rongga cetakan yang
dirumuskan dengan persamaan:
JP = 4,5 . t .......................................................................................... (2.7)
di mana JP merupakan jangkauan penambah dan t merupakan tebal penampang
rongga cetakan.
d. Perhitungan Jumlah Penambah
Untuk menghitung jumlah penambah berdasarkan jangkauan digunakan
persamaan:
PPP DJ
KN
+⋅=
2.................................................................................. (2.8)
di mana:
NP : Jumlah penambah,
DP : Diameter penambah,
K : Panjang coran, yang dihitung menggunakan rumus keliling
lingkaran,
JP : Jangkauan penambah
e. Volume Penambah
Tidak hanya produk coran yang mengalami penyusutan, sistem penambah
juga mengalami penyusutan. Pada waktu terjadi proses pemadatan, permukaan
penambah akan mengalami penurunan sampai kedalaman tertentu, sehingga akan
terbentuk rongga susut. Akibat terbentuknya rongga penyusutan pada sistem
penambah, maka umumnya sistem penambah memiliki efisiensi antara 14%-20%,
sehingga besar volume logam cair yang mampu disediakannya dapat dihitung
dengan persamaan:
sx
VsV C
f −⋅
= .......................................................................................... (2.9)
di mana: Vf merupakan volume penambah,
VC merupakan volume rongga cetakan,
s merupakan besar penyusutan (%),
x merupakan effisiensi penambah (14%-20%).
2.2.7.2 Perancangan Sistem Saluran
Perancangan sistem saluran bertujuan untuk mendapatkan pengisian
rongga cetakan dengan logam cair yang bersih, bebas dari terak dan kotoran;
mendapatkan aliran logam cair yang halus dengan meminimalkan aliran turbulen;
untuk menjamin seluruh rongga cetakan terisi meskipun rongganya sempit dan
memiliki gesekan yang besar.
Sistem saluran pada suatu cetakan terdiri dari cawan tuang (pouring cup),
saluran turun (sprue), saluran sumur (well), saluran pengalir (runner), dan saluran
masuk (gate), seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.11. Cawan tuang memiliki
bentuk seperti cawan atau corong dengan konstruksi yang tidak boleh melewatkan
kotoran yang terbawa oleh logam cair. Saluran turun dibuat lurus dan tegak
dengan penampang berupa lingkaran. Kadang-kadang penampangnya sama dari
atas sampai bawah, atau mengecil dari atas ke bawah. Saluran pengalir biasanya
mempunyai penampang trapesium atau setengah lingkaran sebab penampang
demikian mudah dibuat pada permukaan pisah. Saluran tersebut harus mampu
mengalirkan logam cair menuju saluran masuk dan menjaga agar proses
pemadatannya lambat sehingga logam cair dapat mengisi seluruh rongga cetakan.
Saluran masuk dibuat dengan penampang yang lebih kecil dari pada penampang
pengalir agar dapat mencegah kotoran masuk ke dalam rongga cetakan.
Gambar 2.11 Gambar Sistem Saluran
Untuk merancang sistem saluran, langkah pertama yang dilakukan adalah
menentukan luas penampang pencekikan (choking area). Luas penampang
tersebut dipengaruhi oleh jenis logam tuang, volume rongga cetakan yang harus
diisi, tinggi saluran turun, dan penempatan produk coran dalam cetakan.
Berdasarkan faktor-faktor tersebut, maka dirumuskan tiga persamaan untuk
menghitung luas penampang pencekik (choke), yaitu:
� Untuk produk coran yang diletakkan seluruhnya di bagian drag.
Hgft
VA
r
DC ⋅⋅⋅⋅
=2
...................................................................... (2.10)
� Untuk produk coran yang diletakkan seluruhnya di bagian kup.
[ ]33 )(2
)5,1(
bHHgft
VbA
r
CC
−−⋅⋅⋅
⋅⋅= ............................................. (2.11)
� Untuk produk coran yang diletakkan di bagian kup dan drag.
−−
⋅⋅+
⋅⋅⋅=
33 )(
)5,1(
2
1
bHH
Vb
H
V
gftA CD
r
C .............................. (2.12)
di mana:
AC merupakan luas penampang pencekik,
VD merupakan volume rongga cetakan yang terletak di bagian drag,
t merupakan waktu untuk mengisi cetakan, diperoleh dari grafik
(terlampir),
fr merupakan koefisien gesek, diperoleh dari grafik (terlampir),
g merupakan konstanta gravitasi,
H merupakan tinggi saluran turun,
VC merupakan volume rongga cetakan yang terletak di bagian kup,
b merupakan tinggi produk coran di bagian kup,
Langkah berikutnya, menentukan luas penampang sistem saluran yang
terdiri dari saluran masuk, saluran pengalir, dan saluran turun. Masing-masing
sistem saluran dihitung dengan persamaan:
� Saluran masuk
n
AA C
G = ........................................................................................... (2.13)
� Saluran Pengalir
CR AA ⋅= 3 .......................................................................................... (2.14)
� Saluran Turun
H
hAA CS ⋅= ................................................................................... (2.15)
di mana:
AG merupakan luas penampang saluran masuk,
n merupakan jumlah saluran masuk yang akan digunakan,
AC merupakan luas penampang pencekik,
AR merupakan luas penampang saluran pengalir,
AS merupakan luas penampang saluran turun,
h merupakan tinggi cawan tuang,
H merupakan tinggi saluran turun.
2.3 Pemodelan Pro Engineering
Pro/Engineer merupakan salah satu program CAD/CAM yang dipakai
untuk memodelkan suatu produk. CAD (Computer-Aided Design) merupakan
teknologi yang berkaitan dengan penggunaan komputer untuk membantu proses
pembuatan, modifikasi, analisis, dan optimasi suatu desain. Sedangkan CAM
(Computer-Aided Manufacturing) adalah teknologi yang berkaitan dengan
penggunaan komputer untuk merencanakan, mengatur, dan mengendalikan proses
produksi yang terhubung dengan sumber daya produksi pabrik. Sebagai program
CAD/CAM, Pro/Engineer dapat digunakan untuk melakukan pemodelan solid tiga
dimensi (3D) di komputer. Penggunaan model solid 3D mempunyai volume dan
permukaan. Model solid 3D dapat dengan mudah dianalisis bentuk fisiknya
seperti: volume, massa, luas permukaan, penampang, pusat massa, dan momen
inersia. Selain itu model solid 3D memberikan visualisasi permukaan solid dengan
sangat bagus, dengan tekstur dan pewarnaan, atau dengan representasi wire
frame.. Untuk memodelkan suatu produk menjadi 3D maka perlu dilakukan tahap-
tahap yaitu memodelkan sketsa, part dan assembly.
2.3.1 Pemodelan Sketsa
Beberapa fitur yang menyusun sebuah model solid 3D selalu diawali
dengan pendefinisian sketsa. Pendefinisian sketsa dapat dilakukan di modul sketsa
yang tersedia di Pro/Engineer. Fasilitas-fasilitas yang tersedia di modul sketsa
diantaranya: alat-alat untuk membuat sketsa (sketch tools), alat-alat untuk
melakukan pengeditan sketsa (trim, copy, mirror), alat-alat untuk memberi
constraints antar geometri (constraint-tools), dan alat-alat untuk memberi dimensi
pada sketsa (dimension-tools
2.3.2 Pemodelan Part
Pemodelan part dalam Pro/Engineer adalah pemodelan yang berbasis fitur.
Fitur awal yang akan menjadi referensi bagi fitur berikutnya harus didefinisikan
terlebih dahulu. Fitur ini dapat berupa datum atau protrusion, tidak mungkin
berupa fitur negatif seperti cut atau hole. Sebelum memulai pemodelan part, ada
beberapa set-up model yang dapat diatur sesuai dengan kebutuhan seperti:
material, satuan (unit), dan densitas material (density). Pendefinisian material
akan berguna untuk keperluan analisis elemen hingga (finite element analysis),
sedangkan densitas berguna untuk keperluan analisis massa.
Fitur–fitur yang digunakan untuk melakukan pemodelan part dapat
dikelompokkan menjadi dua yaitu: non-machined feature dan basic-machined
feature. Contoh dari non-machined feature, yaitu: datum dan protrusion. Datum
merupakan tempat rujukan (referensi) bagi atribut-atribut yang dimiliki fitur.
Beberapa jenis datum yang biasa digunakan untuk pemodelan part, yaitu: datum
plane, datum axis, datum curve, datum point, dan sistem koordinat. Sedangkan
protrusion merupakan fitur yang berfungsi untuk menambahkan material pada
suatu model. Teknik untuk melakukan protrusion ada beberapa cara yaitu extrude,
revolve, sweep, dan blend. Extrude adalah cara melakukan protrusion dengan
menarik section searah normal bidang section, sepanjang depth yang ditentukan.
Sehingga untuk melakukan protrusion dengan teknik extrude harus ada dua
kelengkapan yaitu section dan depth (ketebalan). Revolve adalah teknik protrusion
dengan cara menarik section berputar relatif terhadap axis sebesar angle yang
ditentukan. Sweep dilakukan dengan cara menarik suatu section mengikuti
lintasan (trajectory) yang ditentukan. Sedang blend dilakukan dengan
menyambungkan beberapa bentuk section yang memiliki jumlah titik sambung
yang sama, masing-masing titik dihubungkan sesuai nomor urut yang sama.
Fitur yang termasuk ke dalam basic machined diantaranya hole, round,
chamfer, shell, dan draft. Hole merupakan proses pembuatan lubang pada model
dengan posisi menurut sistem koordinat tertentu. Beberapa teknik pendefinisian
hole yng merepresentasikan proses drilling/boring adalah straight, sketch, dan
standard. Straight adalah membuat lubang lingkaran-drill dengan diameter dan
kedalaman tertentu; sketch membuat lubang dengan sketsa yang diputar terhadap
sumbu lubang; sedangkan standard membuat lubang standard tertentu, misal ISO.
Round adalah proses penumpulan sisi-sisi model yang tajam dengan radius
penumpulan tertentu. Chamfer adalah proses penumpulan sisi atau sudut model
yang tajam dengan kemiringan penumpulan tertentu. Shell adalah proses
pembuatan cangkang dari suatu model pejal. Sedang draft adalah kemiringan
suatu permukaan terhadap suatu pemukaan referensi sepanjang sumbu netral.
2.3.3 Pemodelan Assembly
Assembly merupakan proses merangkai suatu komponen (bisa berupa part
atau sub-assembly) ke dalam suatu sistem dengan kondisi batas (constraint) yang
mengikat komponen tersebut pada suatu referensi yang ada. Perintah-perintah
yang ada dalam pemodelan assembly diantaranya: assemble, create, dan advanced
utility. Assemble adalah memanggil suatu komponen dari suatu file yang sudah
ada (bisa file part atau file assembly lain), termasuk didalamnya pendefinisian
constaint. Create adalah pembuatan komponen dalam modul assembly aktif, bisa
berupa part tersendiri, part hasil mirror, atau file subassembly. Sedang advanced
utility merupakan kumpulan perintah manipulasi suatu komponen assembly,
seperti: replace, repeat, copy, dan cut out.
Fitur-fitur yang ada dalam pemodelan assembly sama seperti fitur yang
terdapat pada pemodelan part. Dalam pemodelan assembly digunakan constraint
untuk membatasi gerakan antara part satu dengan lainnya. Constraint yang umum
digunakan yaitu: mate, align, insert, dan sistem koordinat. Mate adalah
memasangkan suatu permukaan agar berhadapan arah dengan permukaan lain.
Align adalah memasangkan suatu permukaan agar sehadap dengan permukaan
lain, atau untuk memasangkan suatu sumbu agar segaris dengan sumbu yang lain.
Insert adalah memasangkan suatu silinder agar satu sumbu dengan silinder yang
lain. Sedang koordinat sistem adalah memasangkan suatu koordinat sistem
berpasangan dengan koordinat sistem yang lain.[16]
2.4 Simulasi Adstefan
Adstefan merupakan software untuk simulasi pengecoran yang
menggunakan prinsip elemen hingga (finite element). Software ini dapat
digunakan untuk melakukan pemodelan perpindahan energi berupa panas (heat
flow), aliran fluida termasuk pengisian cetakan (mould filling), mikrostruktur, dan
porositas dalam proses pengecoran. Beberapa proses pengecoran yang dapat
disimulasikan dengan software ini antara lain: pengecoran tekanan tinggi (die
casting), pengecoran sentrifugal, dan pengecoran cetakan pasir. Selain itu ada
beberapa alat bantu dalam proses simulasi casting selain adstefan seperti solidCast
dan proCast.
Software Adstefan terdiri dari beberapa modul yang masing-masing
memiliki fungsi yang berbeda-beda pada gambar 2.12. Modul-modul tersebut
adalah:
Gambar 2.12 Diagram Alir Simulasi Adstefan[10]
2.4.1 Pre Processor
Modul pre-processor yang digunakan untuk mempersiapkan komponen
menuju proses analisis. Di dalam modul ini terdapat database material yang
digunakan untuk mendefinisikan material penyusun komponen yang akan
dianalisis. Modul ini juga memberikan fasilitas kepada pengguna untuk
mendefinisikan material sesuai dengan kebutuhan. Di modul ini juga terdiri em
mesh yaitu modul yang digunakan untuk membagi komponen yang ingin
dianalisis menjadi elemen kecil atau lebih dikenal sebagai mesh generator.
OUTPUT
2.4.2 Solver
Modul penyelesai atau solver, yang digunakan untuk melakukan analisis
penyelesaian.
2.4.3 Post Processor
Modul post-processor, yang digunakan untuk melihat atau mereview hasil
analisis.
2.4.4 Cacat pada Coran
Cacat misrun disebabkan oleh logam cair yang mengalami proses
pemadatan awal sebelum mengisi seluruh rongga cetakan sehingga pada produk
coran terjadi rongga. Cacat seperti ini dapat disebabkan oleh fluiditas logam cair
yang kurang bagus, temperatur tuang yang terlalu rendah, waktu tuang yang
terlalu lama, atau penampang rongga cetakan yang terlalu tipis.
Cold-shut merupakan cacat rongga pada produk coran akibat tidak
bercampurnya (tidak terjadi fusion) dua bagian logam cair. Penyebab cacat cold-
shut antara lain: fluiditas logam cair kurang bagus, temperatur tuang terlalu
rendah atau waktu tuang terlalu lama. Cacat cold-shots diakibatkan adanya
partikel padat (inklusi) yang terjebak dalam produk coran. Cacat seperti ini dapat
dihindari dengan melakukan proses penuangan sesuai prosedur atau dengan
mendesain sistem saluran yang tepat.
Shrinkage cavity merupakan cacat pada produk coran akibat terbentuknya
rongga internal. Rongga internal tersebut muncul karena tidak cukupnya suplai
logam cair untuk mengisi rongga penyusutan ketika proses pemadatan dan
pendinginan berlangsung. Cacat seperti ini dapat dihindari dengan merencanakan
sistem penambah yang tepat. Microporosity merupakan cacat coran yang berupa
rongga-rongga kecil di dalam struktur dendrit logam paduan. Salah satu cara
untuk menghindarinya yaitu dengan memperpendek daerah pembekuan. Hot-tears
merupakan cacat akibat retaknya produk coran. Cacat ini dapat dihindari dengan
mengeluarkan produk coran dari cetakan sesegera mungkin setelah proses
pemadatan.
Gambar 2.13 Cacat-Cacat Pada Produk Coran (a) Cacat Misrun, (b) Cold Shuts
(c) Cold Shots (d) Shrinkage porosity (e) Microporosity (f) Hot Tears