Dalam proses injection molding selalu dibutuhkan dan pemberian tekanan. pada material plastik yang digunakan. Tekanan yang ada dalam silinder pemanas

Transkripsi

1 2.1.5 Gaya dan Tekanan dalam Injection Mold Dalam proses injection molding selalu dibutuhkan dan pemberian tekanan pada material plastik yang digunakan. Tekanan yang ada dalam silinder pemanas material (injection unit) didapat dari piston yang disebut juga screw yang dihubungkan dengan sebuah torak silinder hydrolik untuk mesin yang masih menggunakan hydrolik system dan servo motor untuk mesin yang sudah menggunakan elektrik system. tekanan ini yang disebut sebagi tekanan injeksi(injection pressure)yang mendorong material plastik cair dalam silinder pemanas masuk kedalam rongga atau cavity dari cetakan (mold). Tekanan injeksi yang searah atau sejajar sumbu mesin atau mold (aksial) akan mengakibatkan atau berusaha membuka belahan cetakan (mold )yang ada, sedangkan arah yang bersilangan terhadap sumbu mesin mungkin akan saling menetralisir sehingga bisa kita anggap mempunyai resultat nol (seimbang). Tekanan yang menimbulkan gaya untuk membuka mold ini harus kita atasi dengan sebaik-baiknya, karena kalau tidak, kita tidak akan bisa mendapatkan hasil injeksi yang diharapkan. Cetakan (mold) akan selalu terbuka dan material yang diinjeksikan akan tumpah keluar dari rongga cavity dan terbuang. Maka diperlukan gaya penahan yang bisa menjaga mold selalu tertutup pada saat injeksi berlangsung. Gaya ini disebut : Clamping force atau locking force. Besarnya clamping force ini sama dengan hasil kali tekanan injeksi dengan jumlah luas area penampang proyeksi rongga cavity pada bidang yang tegak lurus dengan sumbu mold. Sehingga bila dirumuskan : Universitas Mercubuana Page 1

2 F = p. A proyeksi (N)....( 2.1 ) Sumber : Moerbani, J., 1999, Plastic Moulding, Diktat Kuliah hal.8, Akademi Teknik Mesin Industri (ATMI) Surakarta. Untuk mold yang memiliki slider atau penggerak ke samping sebeagai pembentuk lubang misalnya, maka kemungkinan gaya kesamping yang ditimbulkan harus pula diperhitungkan, sehingga dalam memberi ukuran cavity, core dsb biasa cukup aman dalam penggunaannya. Sebagai contoh kita akan membuat mold sebuah contener berbentuk kotak dengan ukuran dasar (alas) 20 x 15 cm dan tingginya 50 cm seperti yang biasa dugunakan untuk kotak baterai(accu) a. Perhitungan clamping force Luas alas =luas penampang proyeksi = 20 x 15 = 300 cm² Clamping force : F = 400 bar x 300 cm² = 40 N/mm² x mm² = 1200 kn atau 120 ton Perkiraan Jarak Plasticizing Pada proses injection perkiraan jarak plasticizing sangat penting karena plasticizing yang berlebihan bisa menyebabkan over pack pada saat material mendingin yang akhirnya mold menjadi rusak, dan sebaliknya pada design mold tertentu mensyaratkan produk terisi penuh/tidak ada short mold agar produk tidak tertinggal dibagian fix plate sedangkan plasticizing yang kurang adalah penyebab terjadinya short mold Universitas Mercubuana Page 2

3 Untuk bias memperkirakan jarak plasticizing, kita harus mengetahui : 1. Rumus volume produk (termasuk runner) yaitu : Volume(V) = Berat produk termasuk runner(w):berat jenis material (w) 2. Rumus volume cylinder yaitu : Volume(V) = Luas alas (A) x Jarak plasticizing (L) Maka didapatkan jarak plastcizing yaitu : Jarak plasticizing (L) = Berat produk termasuk runner (W) / berat jenis (w) x Luas alas (A)..(2.2) Sumber : Arya,2009. Plastic Injection Molding Course. URL: http//arya20.webs.com/apps/blog/ Sebagai contoh : Pada mesin electric injection mold, memiliki ukuran diameter screw 40 mm, dibuat produk berbahan baku polypropylene(pp), dengan berat produk 30 gr dan berat runner 5 gr, berapa kira-kira jarak plasticizingnya? Jawab, Diameter screw 40 mm,r 20 mm A = πr 2 A = 3.14 x 20 = 1256 mm² Berat produk termasuk runner (W) = 35 gr Berat jenis material PP (w)=0.75 gr/cm³)= gr/mm³ Jarak plasticizing : L = W : (w x A) Universitas Mercubuana Page 3

4 = 35 : ( x 1256 ) = 35 : 0.94 = 37.2 ( + 10 mm untuk vp position/suck back) 2.2 Waktu Proses (Cycle Time) Waktu siklus (cycle time) adalah waktu yang dibutuhkan oleh suatu mesin untuk membuat suatu produk. Waktu siklus injection molding, terbagi dalam beberapa phase yang saling berhubungan yaitu: a. Closing the mold Male mold bergerak maju ke arah female mold (proses menutupnya mold) b. Injection time Waktu yang dibutuhkan screw untuk menekan material plastik yang telah dilelehkan masuk kedalam mold cavity. Injection time ini dipengaruhi oleh injection stroke, injection speed dan injection pressure. c. Cooling time Waktu yang diperlukan untuk mendinginkan mold dan produk. Pendinginan mold sebenarnya sudah berlangsung terus menerus, karena air sebagai media pendingin selalu bersikulasi, sehingga waktu pendinginan mold ini hanya berfungsi selama mold sudah terisi material dan diatur bersamaan dengan waktu holding time. Universitas Mercubuana Page 4

5 2.3 Material Plastik Pengertian dan Sifat Sifat Plastik Istilah plastik mencakup semua bahan yang mampu dibentuk. Dalam pengertian yang lebih luas, plastik mencakup semua bahan sintetik organik yang berubah menjadi plastis setelah dipanaskan dan mampu dibentuk dibawah pengaruh tekanan. Molekul molekul yang menyusun plastik adalah rantai karbon panjang yang membuat plastik banyak memiliki sifat sifat yang baik. Pada umumnya material yang tersusun dari molekul rantai panjang disebut polymer. Istilah plastik berasal dari kata plasticus (daratin yang berarti dapat dibentuk) dan plasticos (dari bahasa yunani yang berarti membentuk (to mold) atau sesuai untuk membentuk plastik dapat dibuat dibuat keras seperti batu, kuat seperti baja, transparan seperti gelas atau kaca, ringan seperti kayu, dan elastis seperti karet. Selain itu, plastik juga memiliki beberapa karakteristik yang lain seperti (Richardson 4) : a. Tahan air b. Memiliki sifat-sifat listrik yang baik, nilai impak dan kekuatan yang tinggi c. Sangat tahan terhadap suhu, bahan-bahan kimia dan korosi d. Dapat diproduksi dengan berbagai macam warna ditambahkan pelarut, pelumas, plastiser atau bahan pengisi sesuai dengan komposisi yang diinginkan untuk pembuatan suatu produk. Universitas Mercubuana Page 5

6 e. Memilki berat jenis rendah ( 0,9 g/cm³ - 2,2 g/cm³) dimana ini adalah jenis terendah dibandingkan bahan logam dan keramik. f. Membutuhkan sedikit energy untuk produksi bahan mentah. g. Dapat didaur ulang Klasifikasi plastik Semua plastik, dibuat dengan penambahan (addition) atau dengan condentation polymerization. Plastik dibagi dalam dua kelompok yaitu thermoplastic dan thermosetting plastic. Kedua kelompok plastik ini memiliki respon/reaksi yang berbeda terhadap panas. Thermoplastic dapat berulangkali dilunakkan dengan pemanasan dan dikeraskan dengan pendinginan. Di sisi lain, thermosetting plastik menjadi keras secara permanent setelah dipanaskan. Alasan yang mendasar dari respon masing-masing kelompok terhadap panas yaitu karena struktur kimia dari plastic. Molekul thermoplastic sedikit bercabang atau linier sehingga tidak saling mengikat satu sama lain ketika dipanaskan. Plastik tipe ini dapat dilunakkan dan dikeraskan berulang-ulang. sehingga merupakan jenis plastik yang dapat di daur ulang. Thermosetting plastic terdiri dari molekul rantai kimia saling mengikat satu sama lain (cross-link) ketika dipanaskan. Ketika thermosetting plastic saling mengikat (cross-link) molekul-molekul membentuk suatu jaringan tiga dimensi yang permanent dan dapat dianggap sebagai molekul raksasa, sehingga hanya sekali dibentuk tidak dapat dirubah lagi. Oleh karena itu, thermosetting plastic Universitas Mercubuana Page 6

7 sering digunakan untuk membuat produk yang tahan panas, dimana plastik ini dapat dipanaskan sampai temperature 200⁰C tanpa meleleh. Dengan keunggulan thermoplastic yang telah disebutkan diatas, thermoplastic mempunyai permintaan yang lebih tinggi karena dapat dilunakkan dan di daur ulang. Salah satu contoh jenis thermoplastic adalah PS (polistyrene). Material PS inilah yang digunakan untuk mencetak produk kemasan tersebut. Pada dasarnya plastik secara umum digolongkan ke dalam 3 (tiga) macam dilihat dari temperaturnya yakni : 1. Bahan Thermoplastik (Thermoplastic) Adalah polimer yang akan melunak bila dipanaskan dan setelah didinginkan akan dapat mengeras dan menjadi rapuh. Proses tersebut dapat terjadi berulang kali, sehingga dapat dibentuk ulang dalam berbagai bentuk cetakan yang berbeda sehingga dapat diperoleh produk polimer baru. Polimer termoplastik tidak memiliki sambungan sambungan antar rantai polimernya. Memiliki struktur molekul linear atau bercabang. Polimer termoplastik memiliki sifat sifat khusus sebagai berikut: Berat molekul kecil Tidak tahan terhadap panas Jika dipanaskan akan melunak Jika didinginkan akan mengeras Fleksibel Mudah diregangkan Titik leleh rendah Universitas Mercubuana Page 7

8 Dapat dibentuk ulang Contoh bahan thermoplastik adalah : Polistiren, Polietilen, Polipropilen, Nilon, Plastik fleksiglass dan Teflon. 2. Bahan Thermoseting (Thermosetting) Polimer thermosetting adalah polimer network. Mereka menjadi keras secara permanen selama pembentukannya dan tidak melunak ketika dipanaskan Polimer network mempunyai crosslink kovalen di antara rantai polimer yang berdekatan. Selama pemanasan, ikatan ini mengikat rantai polimer menjadi satu untuk menahan gerakan vibrasi dan rotasi rantai pada temperature tinggi. Hal inilah yang menjadi penyebab mengapa material tidak melunak ketika dipanaskan. Crosslink biasanya dominan, 10 hingga 50% unit pengulanang rantai mengalami crosslink. Hanya pemanasan yang berlebih yang akan menyebabkan beberapa ikatan crosslink dan polimer itu sendiri mengalami degradasi. Polimer termoset biasanya lebih keras dan kuat daripada termoplastik dan mempunyai stabilitas dimensional yang lebih baik. Kebanyakan polimer crosslink dan network termasuk vulcanized rubbers, epoxies, dan phenolics and beberapa resin polyester adalah termosetting. Contoh bahan thermosetting adalah : Bakelit, Silikon dan Epoksi. Polimer thermosetting adalah polimer network. Mereka menjadi keras secara permanen selama pembentukannya dan tidak melunak ketika dipanaskan. Universitas Mercubuana Page 8

9 3. Bahan Elastis (Elastomer) yaitu bahan yang sangat elastis. Contoh bahan elastis adalah : karet sintetis. Polimer memiliki beberapa karakteristik untuk menggambarkan sifat fisik dan sifat kimianya. Sifat-sifat tersebut akan mempengaruhi aplikasi penggunaan polimer tersebut. Karakteristik polimer antara lain : 1. Crystallinity (kristalinitas) Struktur polimer yang tidak tersusun secara teratur umumnya memiliki warna transparan. Karakteristik ini membuat polimer dapat digunakan untuk berbagai aplikasi seperti pembungkus makanan, kontak lensa dan sebagainya. Semakin tinggi derajat kristalisasinya, semakin sedikit cahaya yang dapat melewati polimer tersebut. Polimer sintetis sering digolongkan sebagai kristalin, pada kenyataanya terdiri atas campuran kristalin bisa diketahui dari fraksi berat atau fraksi volume kristalin. Sedikit sekali polimer sintetis hanya terdiri dari kristalin saja. Kristalin polimer dapat dikarakterisasi dari derajat kristalinitasnya, dimulai dari nol (0) (sama sekali tidak kristal) sampai dengan kristal penuh. Terdapat banyak faktor yang dapat menentukan jumlah Kristal atau derajat kristalinitasnya komponen plastik,diantaranya: Kecepatan pendinginan, butuh waktu rantai polimer untuk mengecil (unfold). Jika proses pendinginan dibuat lebih cepat dari semestinya maka jumlah Kristal yang terbentuk akan sedikit. Aditif, beberapa aditif dapat menaikkan derajat kristalinitas. Ada beberapa justru mengganggu terhadap pembentukan Kristal sehingga derajat kristal menjadi kecil. Universitas Mercubuana Page 9

10 Tipe polimer, material berbeda dapat membentuk kristalinitas tinggi ataupun rendah. Semua tergantung kepada struktur molekul. 2. Thermosetting dan Thermoplastic (Daya tahan terhadap panas) Berdasarkan ketahanannya terhadap panas, polimer dibedakan menjadi polimer thermoplastic dan thermosetting.polimer thermoplastic dapat melunak bila dipanaskan, sehingga jenis polimer ini dapat dibentuk ulang.sedangkan polimer thermosetting setelah dipanaskan tidak dapat dibentuk ulang. Ketahanan polimer terhadap panas ini membuatnya dapat digunakan pada berbagai aplikasi antara lain untuk insulasi listrik, insulasi panas, penyimpanan bahan kimia dan sebagainya. 3. Branching (percabangan) Semakin banyak cabang pada rantai polimer maka densitasnya akan semakin kecil. Hal ini akan membuat titik leleh polimer berkurang dan elastisitasnyabertambah karena gaya ikatan intermolekularnya semakin lemah. 4. Tacticity (taktisitas) Taktisitas menggambarkan susunan isomerik gugus fungsional dari rantai karbon. Ada tiga jenis, yang pertama taktisitas yaitu isotaktik dimana gugusgugus subtituennya terletak pada satu sisi yang sama, isotaktik biasanya memiliki konfigurasi heliks dalam bentuk semikristal, terdiri dari 100% meso diads. Yang kedua sindiotaktik dimana gugus-gugus subtituennya lebih teratur,subtituennya berada berselang seling, makro molekul terdiri dari 100% of raceme diads dan yang ketiga ataktik dimana gugus-gugus subtituennya terletak pada sisi yang acak, subtituennya berada pada sisi yang random. Universitas Mercubuana Page 10

11 Taktisitas dapat diukur menggunakan proton atau Carbon-13 NMR. Teknik ini memungkinkan untuk mengkuantifikasi penyebaran taktisitas dengan jalan membandingkan puncak atau jarak integral dikenal sebagai diads (r,m), triads (mm,rm+mr, rr) tergantung pada resolusi spectrum. Beberapa keuntungan plastik (Ilham, 2007) adalah : 1. Massa jenis rendah ( 0,9 g/cm³- 2,2 g/cm³ ) 2. Tahan terhadap arus listrik dan panas, memiliki sedikit elektron bebas untuk mengalirkan panas dan arus listrik. 3. Tahan terhadap korosi kimia karena tidak terionisasi untuk membentuk elektron kimia. Pada umumnya tahan terhadap larutan kimia, dan logam juga sangat sukar untuk larut. 4. Mempunyai permukaan dan penampakan yang sangat baik dan mudah diwarnai. Kerugian plastik (Ilham, 2007) adalah : 1. Modulus elastisnya rendah. 2. Mudah mulur (Creep) pada suhu kamar rendah. 4. Mudah patah pada sudut bagian yang tajam. Secara umum Thermoplastic tidak tahan terhadap temperatur tinggi, kecuali Teflon. Bahan-bahan Thermoplastic akan meleleh bila dipanaskan pada temperatur tinggi, sedangkan pada bahan-bahan Thermosetting tidak terbakar tapi akan terpisah dan hancur. Temperatur pelelehan dan pemisahan untuk bahanbahan plastik jauh lebih rendah dibandingkan baja. Universitas Mercubuana Page 11

12 Plastik akan memanjang (Creep) pada temperatur kamar. Kecenderungan bahan plastik akan mulur bila temperaturnya naik menunjukkan bahwa perubahan kecil saja pada temperatur dapat mempengaruhi sifat-sifat fisik bahan. Pengaruh temperatur dan laju regangan pada tegangan tarik harus dievaluasi dengan baik bila plastik akan digunakan. Pertama terjadi deformasi elastis seketika, diikuti deformasi melar, setelah waktu tertentu apabila tegangan hilang dari benda uji sebagian akan kembali ke bentuk semula setelah waktu yang lama. Cara deformasi seperti ini banyak ditemukan, suatu garis pendekatan yang sering dipakai untuk berbagai bahan mempergunakan empat model unsur kombinasi pegas dan peredam. Tabel 2.1 Perbandingan specific gravity dari berbagai material plastic Resin Specific gravity PP 0,85 0,90 LDPE 0,91 0,93 Polystirene 1,05 1,08 ABS 0,99 1,10 PVC 1,15 1,65 Asetil Seluulosa 1,23 1,34 Nylon 1,09 1,14 Poli Karbonat 1,20 Poli Asetat 1,38 Sumber : plastik.pdf Universitas Mercubuana Page 38

13 Tabel 2.2 Temperatur Leleh Proses Termoplastik Processing Temperatur Rate Material 0 C 0 F ABS Acetal Acrylic Nylon Poly Carbonat LDPE HDPE PP PS PVC Sumber : Polistyrene ( PS ) Polistyrene adalah sebuah polimer dengan monomer stirena, sebuah hidrokarbon cair yang dibuat secara komersial dari minyak bumi. Pada suhu ruangan, polistirena biasanya bersifat termoplastik padat, dapat mencair pada suhu yang lebih tinggi. Stirena tergolong senyawa aromatik. Polistirena padat murni adalah sebuah plastik tak berwarna, keras dengan fleksibilitas yang terbatas yang dapat dibentuk menjadi berbagai macam produk dengan detil yang bagus. Penambahan karet pada saat polimerisasi dapat meningkatkan fleksibilitas dan ketahanan kejut. Polistirena jenis ini dikenal dengan nama HighImpact Polystyrene (HIPS). Polistirena murni yang transparan bisa dibuat menjadi Universitas Mercubuana Page 39

14 beraneka warna melalui proses compounding Polistirena banyak dipakai dalam produk-produk elektronik sebagai casing, kabinet dan komponen-komponen lainya. Peralatan rumah tangga yang terbuat dari polistirena, antara lain :sapu, sisir, baskom, gantungan baju, ember,kemasan kue. Polistyrene adalah hasil polimerisasi dari monomer-monomer stirena, dimana monomer stirena-nya didapat dari hasil proses dehidrogenisasi dari etil benzene ( dengan bantuan katalis ), sedangkan etil benzene-nya sendiri merupakan hasil reaksi antara etilena dengan benzene (dengan bantuan katalis). Sifat-sifat umum dari polistyrene : 1. Sifat mekanis Sifat-sifat mekanis yang menonjol dari bahan ini adalah kaku, keras, mempunyai bunyi seperti metallic bila dijatuhkan. 2. Ketahanan terhadap bahan kimia Ketahanan Polistyrene terhadap bahan-bahan kimia umumnya tidak sebaik ketahanan yang dipunyai oleh PP atau PE. Polistyrene larut dalam eter, hidrokarbon aromatic dan chlorinated hydrocarbon. Polistyrene juga mempunyai daya serap air yang rendah, dibawah 0,25 %. Universitas Mercubuana Page 40

15 3. Abrasion resistance Polistyrene mempunyai kekuatan permukaan relative lebih keras dibandingkan dengan jenis termoplastik yang lain. Meskipun demikian, bahan ini mudah tergores. 4. Transparansi Sifat optis dari Polistyrene adalah mempunyai derajat transparansi yang tinggi, dapat melalui semua panjang gelombang cahaya. Disamping itu dapat memberikan kilauan yang baik yang tidak dipunyai oleh jenis plastik lain. 5. Sifat elektrikal Karena mempunyai sifat daya serap air yang rendah maka polistyrene digunakan untuk keperluan alat-alat listrik. Polistyrene foil digunakan untuk spacers, slot liners dan covering dari kapasitor, koil dan keperluan radar. 6. Ketahanan panas Polistyrene mempunyai softening point rendah (90⁰C) sehingga polistyrene tidak digunakan untuk pemakaian pada suhu tinggi, atau misalnya pada makanan yang panas. Suhu maksimum yang boleh dikenakan dalam pemakaian adalah 75⁰C. Disamping itu, Polistyrene mempunyai sifat konduktifitas panas yang rendah. Universitas Mercubuana Page 41

16 Gambar 2.8 Bentuk butiran material PS (Polistyrene) Sumber : Atas Berkenan PT Biggy Cemerlang 2.4 Penyusutan / Shrinkage Material material thermoplast dan thermosets tersebut dibentuk dengan proses pencetakan, dimana pada proses tersebut akan terjadi proses perubahan bentuk dan proses penyusutan. Dan semua material plastik akan mengalami proses penyusutan selama proses pendiginan di dalam dan luar cetakan, penyusutan ini akan menyebabkan ukuran-ukuran produk yang dihasilkan mengalami perubahan perubahan dengan besaran yang sangat variatif, untuk mengantisipasi hal tersebut dapat dilakukan dengn cara menambahkan ukuran yang akan dibuat dicetakan injeksi, namun sebelumnya harus diketahui dulu material plastik yang digunakan dan karakteristiknya, baru dapat ditentukan penambahan ukuran, besaran angka penyusutan dapat dilihat pada tabel berikut. Universitas Mercubuana Page 42

17 Tabel 2.3 Perbandingan Nilai Shrinkage Dari Berbagai Bahan POLYMER Penyusutan rerata linear (%) Serapan air Serapan air ijin (%) (%) PS ABS Nylon PE <0.01 PP <0.01 PVC PC PET Sumber : Rumus untuk menghitung penyusutan/shrinkage material plastik sbb : S= Lm Lp Lm dimana : x 100 (%),.. ( 2.3 ) S = nilai shrinkage/penyusutan Lm = ukuran panjang mold Lp = ukuran panjang produk Sumber : Penyusutan material plastik yang terjadi akan saling tarik menarik antara dinding yang satu dengan dinding yang lainnya, antar kontur atau bentuk produk, Universitas Mercubuana Page 43

18 sehingga banyak faktor yang dapat mempengaruhi proses ini. Adapun faktor- faktor yang dapat mempengaruhi penyusutan adalah : Material type, jenis material plastik yang digunakan menjadi faktor utama pada saat perancangan cetakan plastik,karena setiap material plastik memeiliki penyusutan yang berbeda-beda. Wall Thickness, ketebalan dinding produk semakin besar tingkat penyusutan akan semakin besar pula(sinkmark) Product contour, semakin banyak kontur dapat mengurangi proses penyusutan, karena dapat menahan laju penyusutan produk. Cooling time process, waktu proses pendinginan didalam dan diluar mold. Cooling channel and circulation, jalur sirkulasi proses media pendinginan, semakin banyak jalur cooling akan mempercepat laju penyusutan. Plastik merupakan bahan yang tergantung pada perubahan suhu. Penyusutan terjadi akibat perubahan densitas dari temperatur proses ke temperatur ruang. Nilai shrinkage bahan semi kristal lebih besar dari bahan amorphus. Universitas Mercubuana Page 44

19 Amorphus memiliki struktur yang tidak teratur. (PS; S = 0,5 %) Gambar 2.9 Penyusutan Amorphus vs Semikristal Sumber: Gambar 2.10 Penyusutan Amorphus vs Semikristal Sumber : Semi kristal, terdapat bagian yang tersusun rapi dan teratur (PE; S =2,0 %) Selain itu nilai penyusutan atau shrinkage dapat dikurangi dengan menambahkan penguat pada plastik. Sehingga bahan amorphus pun bisa lebih kecil nilai shrinkage-nya. Bahan penguat yang bisa dipergunakan antara lain: fiberglass / serat kaca, dsb. Universitas Mercubuana Page 45

20 Gambar 2.11 Plastik dengan penguat (reinforced) Sumber : Universitas Mercubuana Page 46