BAB II TINJAUN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUN PUSTAKA 2.1. Proses Metalurgi Serbuk Metalurgi serbuk merupakan suatu metode fabrikasi material melalui pencampuran serbuk, pengkompaksian serbuk tersebut dan pemanasan hasil kompaksi tersebut didalam dapur dengan atau tanpa pengaturan atmosfer didalam dapur [1]. Proses metalurgi serbuk memiliki beberapa keuntungan [2], diantaranya adalah hasil produk metalurgi serbuk memiliki bentuk mendekati cetakan, memiliki struktur butir yang halus, lebih mudah untuk melakukan paduan dan komposit yang sulit dicampur dengan peleburan, penggunaan bahan baku yang efisien, mengurangi permesinan, mudah untuk melakukan pengontrolan densitas dan porositas, serta mengurangi rekasi antarmuka. Proses metalurgi serbuk meliputi beberapa proses, pencampuran serbuk (mixing), kompaksi, serta proses sinter. Namun umumnya karakteristik (ukuran, bentuk serta distribusi) serbuk yang digunakan juga dibutuhkan Karakteristik Serbuk Keberhasilan dan kemudahan dalam beberapa proses metalurgi serbuk (pencampuran, kompaksi, sinter) dipengaruhi oleh karakteristik awal serbuk. karakteristik serbuk ini menentukan keefektifan dari proses yang dilakukan [3]. Beberapa karakteristik serbuk yang berpengaruh, diantaranya adalah ukuran Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 5

2 serbuk, distribusi ukuran serbuk, bentuk serbuk, berat jenis serbuk, mampu alir (flowability), dan mampu tekan (compressibility) Ukuran dan Distribusi Ukuran Partikel Serbuk Ukuran partikel bisa didefinisikan sebagai ukuran linear partikel oleh analisa ayak [1]. Ukuran partikel akan menentukan densitas dan porositas, serta sifat mekanis material serbuk hasil kompaksi (bakalan). Semakin kecil atau halus ukuran partikel serbuk, maka densitas bakalan (green density) akan semakin besar. Untuk proses metalurgi serbuk umumnya digunakan ukuran dalam range 0, m. Ada beberapa teknik pengukuran yang dapat dilakukan untuk menentukan ukuran partikel serbuk, yakni dengan mikroskop, pengayakan (sieving), teknik sedimentasi, light scattering konduktivitas listrik, light blocking dan sinar X [2]. Beberapa pengaruh ukuran partikel serbuk terhadap karakteristik serbuk [3], antara lain : Ukuran partikel yang halus sangat diperlukan untuk kompaksi serbuk yang keras seperti alumina (Al2O3), dengan semakin kecilnya ukuran butir maka gaya gesek antar partikel semakin besar. Serbuk-serbuk yang halus akan mempunyai luas permukaan kontak antar partikel lebih banyak saat dilakukan proses kompaksi. Sehingga akan meningkatkan mekanisme ikatan antar partikel secara difusi saat proses sinter. Serbuk-serbuk yang kasar akan memiliki luas permukaan kontak antar partikel yang sedikit pada saat dikompaksi, dan akan berakibat pada proses sinter Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 6

3 yang kurang baik sehingga menurunkan sifat mekanik produk metalurgi serbuk. Distribusi ukuran partikel merupakan distribusi atau sebaran serbuk untuk ukuran tertentu yang bertujuan untuk menampilkan hasil pengukuran kerapatan maksimum suatu partikel. Distribusi partikel ukuran serbuk ini sangat menentukan kemampuan serbuk untuk mengisi ruang kosong antar partikel untuk mencapai volum tertentu, dan hal ini akan menetukan jumlah porositas, densitas dan juga kekuatan dari bakalan Bentuk Partikel Serbuk Hal penting lainnya didalam karakterisasi serbuk adalah bentuk partikel dari serbuk. Bentuk partikel mempengaruhi sifat massa serbuk, seperti efisiensi pemadatan (packing efficiency), mampu alir (flowability), dan mampu tekan (compressibility). Bentuk partikel juga mempengaruhi besarnya kontak antar partikel sehingga besarnya gaya gesekan antar partikel berhubungan dengan luas permukaan partikel serbuk. Bentuk partikel bisa diklasifikasikan sebagai berikut [3] : 1. Acicular : berbentuk jarum 2. Angular : berbentuk polihedral kasar dengan tepi tajam 3. Dendritic : berbentuk kristalin dan bercabang 4. Fibrous : berbentuk serabut yang beraturan atau tidak beraturan 5. Flaky : berbentuk serpihan 6. Granular : berbentuk tidak beraturan dan hampir bulat 7. Irregular : berbentuk tidak beraturan atau tidak mempunyai simetri Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 7

4 8. Nodular : berbentuk bulat dan tidak beraturan 9. Sphreroidal : berbentuk bulat Gambar 2.1Bentuk partikel serbuk [2] Selain dari sifat tersebut, kereaktifitasan reaksi dari serbuk juga dipengaruhi bentuk partikel, hal ini dikarenakan peningkatan luas permukaan serbuk terkait dengan bentuk yang kasar (dengan ukuran yang sama serbuk yang kasar memiliki luas permukaan yang lebih dibanding serbuk yang halus). Hal ini juga meningkatkan penyerapan gas dan uap air dari lingkungan sehingga akan terbentuk oksida-oksida pada permukaan partikel yang mana dapat mengganggu kompaksi dan sinter Berat Jenis Serbuk Berat jenis serbuk sangat tergantung pada ukuran partikel dan distribusi ukuran partikel, bentuk partikel, kondisi permukaan, efisiensi pemadatan serbuk, dan struktur partikel (pori atau tidak berpori) [2]. Dalam metalurgi serbuk berat per Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 8

5 satuan volum suatu serbuk lepas dinyatakan sebagai berat jenis nyata serbuk (apperent density), dan berat jenis setelah serbuk mengalami penekanan kompaksi untuk proses pemanasan (sinter) disebut dengan green density. Dalam aplikasinya berat jenis serbuk hasil kompaksi kadang tidak homogen. Berikut ini merupakan beberapa cara yang dapat dilakukan untuk mengurangi terjadinya ketidak homogenan tersebut, antara lain [3] : 1. Memberi pelumas untuk mengurangi gesekan antar partikel dan gesekan dengan cetakan. 2. Mengatur perbandingan dimensi cetakan antara tinggi dengan lebar rongga cetakan (L/D). Semakin besar (L/D) maka ditribusi akan semakin besar. Oleh karena itu, L/D sebaiknya kecil sehingga distribusi serbuk akan merata / homogen. 3. Meningkatkan rasio penekanan kompaksi agar distribusi serbuk lebih baik. 4. Menggunakan penekanan dua arah agar berat jenis serbuk lebih homogen. 5. Melakukan penekanan secara bertahap dari mulai yang paling rendah kemudian ditingkatkan tekannya secara bertahap sampai titik optimum. Gambar 2.2 Ketidak homogenan berat jenis akibat proses kompaksi [3] Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 9

6 Mampu Alir Serbuk (Flowability) Mampu alir serbuk adalah karakteristik yang berkaitan dengan sifat alir serbuk untuk memenuhi ruang cetakan [3]. Sifat ini berkaitan dengan gaya gesek antar partikel serbuk, maka sifat ini erat kaitannya dengan bentuk, ukuran, serta berat jenis dari partikel serbuk Mampu Tekan Serbuk (Compressbility) Mampu tekan serbuk merupakan perbandingan volum serbuk mula-mula dengan volum benda yang ditekan yang nilainya berbeda-beda tergantung distribusi ukuran serbuk dan bentuk butirnya [3]. Besarnya jumlah pemadatan yang dapat diterima suatu serbuk dengan memberikan tekanan terhadap merupakan mampu tekan serbuk.besarnya mampu tekan serbuk dapat dipengaruhi oleh efek gesekan antar partikel. Misalnya, serbuk besi hasil atomisasi yang memiliki bentuk yang lebih teratur, lebih halus, dan sedikit porositas antar partikel akan memiliki mampu tekan dan green density yang lebih tinggi dari pada serbuk sponge iron [2] Pelumasan, Pencampuran dan Pengadukan Serbuk Pelumasan Gaya gesek antar partikel akan mengurangi sifat mampu alir dan juga kemampuan tekan dari serbuk, dan gaya gesek antara serbuk dan dinding cetakan juga mampu mempengaruhi sifat bakalan yang dihasilkan [1]. Pada dasarnya dengan semakin besarnya tekanan yang akan diberikan maka bakalan yang dihasilkan akan semakin susah untuk dikeluarkan dari cetakan, oleh karena itu Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 10

7 digunakanlah pelumas (lubricant) untuk meminimalisir rusaknya cetakan dan juga untuk mempermudah pengeluaran bakalan [1]. Dua tujuan digunakannya pelumas pada proses metalurgi serbuk adalah, pertama untuk mengurangi gaya gesek terhadap dinding cetakan, dan kedua adalah untuk mengurangi gaya gesek di antara serbuk. Jumlah pelumas yang digunakan berkisar antara 1-2 wt.%, bila digunakan secara berlebihan maka akan mengurangi nilai apparent density, dan pada bakalan pemakaian pelumas yang berlebih akan mengurangi kekuatan. Jenis pelumas yang biasa digunakan adalah yang berbasis stearate, baik Al, Zn, Ca, Li, Mg dan lainnya.penggunaan pelumas jenis ini adalah karena dia memiliki titik lebur yang rendah. Tabel 2.1 Karakteristik beberapa pelumas pada aplikasi metalurgi serbuk Pencampuran dan Pengadukan Serbuk Pencampuran dan pengadukan serbuk dilakukan dengan tujuan untuk menghasilkan serbuk yang homogen. Dalam pencampuran dan pengadukan serbuk, variabel yang berpengaruh adalah jenis material serbuk, ukuran partikel, jenis pengaduk, ukuran pengaduk, kecepatan pengadukan dan waktu pengadukan [1]. Mekanisme yang terjadi ketika pencampuran serbuk tergantung metode pencampuran (mixing) yang digunakan, yaitu [1] : Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 11

8 Difusi : terjadinya pencampuran karena gerak antar partikel serbuk yang dihasilkan oleh perputaran drum. Konveksi : terjadinya pencampuran karena ulir di dalam wadah berputar pada porosnya. Geser : terjadinya pencampuran karena menggunakan suatu media pengaduk. Gambar 2.3 Mekanisme pencampuran serbuk yakni difusi (kiri), konveksi (tengah) dan geser(kanan) [3] Umumnya proses pencampuran dilakukan di dalam suatu wadah yang berputar. Pada saat pencampuran akan terdapat gaya sentrifugal dan juga turbulensi pada saat wadah diputar. Dan kondisi optimum proses pencampuran adalah saat gaya sentrifugal yang terjadi kecil dan tapi cukup untuk terjadinya turbulensi. Bila gaya sentrifugal terlalu besar maka serbuk dengan berat jenis yang lebih besar akan berada pada bagian luar saja, sedang bila tidak terjadi turbulensi maka pencampuran tidak akan terjadi secara menyeluruh. Maka dari itu faktor yang berpengaruh pada proses pencampuran ini adalah kecepatan perputaran, waktu dan juga besarnya wadah yang digunakan. Selain itu pencampuran mempunyai dampak negatif, yaitu [1] : 1. Partikel logam akan lebih sulit dikompaksi Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 12

9 2. Kontaminasi terhadap serbuk mungkin terjadi selama pengadukan dan pencampuran 3. Desain alat pencampur yang buruk dapat mengakibatkan segregasi partikel Nilai gaya gesek antar partikel serbuk yang rendah, merupakan hal yang menentukan keberhasilan pencampuran dan pengadukan serbuk. Gaya gesek antar partikel serbuk dipengaruhi oleh efisiensi pencampuran, pelumasan, dan pengeringan [3] Proses Kompaksi Kompaksi pada proses metalurgi serbuk yang bertujuan untuk membentuk dan memberikan kekuatan kepada serbuk didalam suatu cetakan, sehingga serbuk (murni, paduan, atau campuran) bisa lebih mudah untuk dilakukan proses berikutnya. Tekanan yang diberikan pada serbuk, perilaku mekanik, dan kecepatan penekanan merupakan parameter proses yang menentukan hasil kepadatan serbuk atau green density. Tekanan kompaksi merupakan tekanan eksternal yang dibutuhkan untuk membentuk serbuk sehingga memiliki kepadatan yang lebih tinggi [1]. Proses kompaksi dapat dilakukan melalui penekanan satu arah (single end compaction) atau penekanan dua arah (double end punch) baik secara coldcompacting maupun hot pressing. Pada penekanan satu arah, penekan (punch) bagian atas bergerak ke bawah.sedangkan pada penekanan dua arah, dua penekan, bagian atas dan bawah bergerak secara bersamaan dengan arah yang berlawanan. Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 13

10 Gambar 2.4.Penekanan satu arah (a) dan penekanan dua arah (b). Untuk mendapatkan berat jenis bakalan yang homogen maka perbandingan tinggi dan diameter cetakan (L/D) juga perlu diperhatikan [3]. Pada saat proses kompaksi dilakukan serbuk didalam cetakan mengalami beberapa tahapan perilaku, diantaranya adalah [3] : 1. Penataan ulang partikel serbuk (Rearrangement) Pada saat mulai penekanan, serbuk mengalami penyesuaian letak pada tempat-tempat yang lebih luas atau dengan kata lain belum ada deformasi pada serbuk tersebut. Pergerakan dan pengaturan kembali partikel-partikel serbuk akibat adanya penekanan yang menyebabkan partikel serbuk tersusun lebih rata.penyusunan partikel ini dibatasi oleh adanya gesekan antara partikel itu sendiri, atau antar partikel dengan permukaan cetakan. 2. Deformasi elastis partikel serbuk Serbuk-serbuk mulai bersentuhan, dan jika penekanan dihentikan, maka serbuk akan kembali kebentuk semula. Hal ini karena respon dari material yang memiliki sifat elastis saat diberikan tekanan dibawah yield stress-nya Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 14

11 3. Deformasi plastis partikel serbuk Proses pemadatan (densification) terjadi pada tahap ini selama kompaksi berlangsung. Prinsipnya, semakin tinggi tekanan yang diberikan maka derajat deformasi plastis dan pemadatan akan meningkat. Faktor-faktor yang menentukan deformasi plastis, antara lain kekerasan dan perpindahan tegangan antar partikel yang berdekatan [1]. 4. Penghancuran partikel serbuk Pada tahap ini serbuk mengalami mechanical interlocking, dan mekanisme ini disebut cold weld yang merupakan ikatan antar dua permukaan butiran logam yang bersih yang ditimbulkan oleh gaya kohesi, tanpa ada peleburan ataupun pengaruh panas. Pada umumnya permukaan serbuk akan teroksidasi, namun dibawah permukaan oksida terdapat permukaan yang bersih. Oleh karena itu, diperlukan pemecahan lapisan oksida sebelum terjadi cold weld.pada waktu serbuk ditekan, berat jenis serbuk naik, porositas menurun karena rongga berkurang.ketika serbuk mengalami penekanan, serbuk mengalami distribusi berat jenis yang tidak merata, dibagian dekat dengan penekan, berat jenis serbuk lebih besar, sedangkan di bagian tengah berat jenisnya lebih kecil. Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 15

12 Gambar 2.5 Tahapan proses kompaksi Proses kompaksi juga memberikan kekuatan dan juga sifat mekanis lainnya kepada bakalan yang dihasilkan, dan kekuatan yang dihasilkan sangat dipengaruhi oleh beberapa hal diantaranya adalah [3] : 1. Ukuran partikel, halusnya partikel serbuk akan memudahkan terjadinya ikatan antar partikel (inter-particle bonding) yang akan meningkatkan green density dan kekuatan bakalan. Sedangkan untuk partikel yang agak kasar akan mempermudah terjadinya mechanical interlocking yang mana juga akan meningkatkan green density dan kekuatan bakalan. 2. Dengan bertambahnya luas permukaan, ketidak teraturan semakin besar, mekanisme mechanical interlocking akan semakin mudah dan kekuatan mekanis akan meningkat. Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 16

13 3. Peningkatkan tekanan kompaksi sampai batas tertentu akan meningkatkan kekuatan mekanis melalui mekanisme pengaturan, penyusunan, deformasi dan perpatahan serbuk. 4. Bersihnya permukaan partikel serbuk dari oksida akan meningkatkan interparticle bonding sehingga kekuatan mekanik seakan meningkat. Gambar 2.6 Skema proses kompaksi pada serbuknya [1] Proses Pemanasan (Sinter) Proses sinter merupakan proses pemanasan yang dilakukan untuk membentuk ikatan partikel dan susunan struktur yang koheren melalui mekanisme perpindahan massa yang terjadi dalam skala atomik [1]. Ikatan yang terjadi dalam proses sinter akan meningkatkan sifat mekanis seperti kekuatan, kekerasan, dll [2]. Proses sinter dilakukan didalam dapur tertutup untuk mencegah pengaruh dari lingkungan di sekitar dapur yang dapat bereaksi dengan bakalan. Pada umumnya, perubahan yang terjadi jika serbuk hasil kompaksi disinter adalah sebagai berikut [2] : Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 17

14 Partikel mulai berikatan, sehingga akan meningkatkan kekuatan mekanis. Jika temperatur sinter ditingkatkan dan waktu sinter diperlama maka kekuatan mekanis akan meningkat secara berkelanjutan. Peningkatan temperatur dan waktu sinter akan mengurangi jumlah porositas dan meningkatkan densitas. Terjadi pertumbuhan butir sehingga hasil ukuran butir akan lebih besar dari pada ukuran butir sebelum disinter. Pori akan menjadi lebih halus dan bentuknya menjadi lebih bulat selama proses sinter berlangsung. Apabila kondisi atmosfer dapur baik, udara yang terperangkap dalam butir akan keluar dan partikel oksida berkurang Sinter Bentuk Padat (Solid State Sintering) Solid State Sintering merupakan jenis proses sinter dimana proses pemanasan (sinter) yang dilakukan hanya melibatkan fasa padat tidak terjadi pencairan dari partikel (tidak melibatkan fasa cair). Dalam proses sinter ini terjadi perpindahan massa. Mekanisme perpindahan massa yang terjadi menentukan jumlah massa yang mengalir akibat adanya driving force dari proses sinter. Driving force pada proses sinter ini adalah pengurangan energi bebas pada sistem, yang mengacu pada penghilangan dari area permukaan yang yang bersentuhan. Pada proses sinter ini, driving force dan mekanisme sinter mesti dibedakan. Driving force adalah tegangan yang ada pada permukaan material/serbuk akibat proses kompaksi yang memicu terjadinya perpindahan massa. Besarnya energy permukaan adalah invers dari diameter partikel, sehingga semakin kecil ukuran Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 18

15 partikel semakin besar pula driving force-nya. Sedangkan mekanisme sinter adalah bagaimana cara perpindahan massa itu terjadi. Untuk logam biasanya mekanisme sinter terjadi melalui proses difusi pada permukaan, batas butir atau jalur kisi Tahapan-tahapan Sinter Ada empat tahapan yang terjadi dalam proses sinter, yaitu: titik kontak (point contact), tahap awal (initial contact), tahap menengah (intermediatecontact) dan tahap akhir (final stage) [1] Gambar 2.7Tahapan-tahapan yang terjadi selama proses sinter [1] 1. Titik kontak Pada tahap ini partikel lepas mulai membentuk kontak titik untuk antar partikel lainnya pada orientasi acak. Ikatan yang terjadi masih lemah dan belum terjadi perubahan dimensi bakalan. Semakin tinggi berat jenis bakalan maka bidang kontak yang terjadi antar partikel juga semakin banyak sehingga ikatan yang terjadi dalam proses sinter pun semakin besar. Pengotor yang menempel pada batas kontak mengurangi jumlah bidang kontak sehingga kekuatan produk sinter juga menurun. Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 19

16 2. Tahap awal Pada tahap ini, daerah kontak antar partikel serbuk mulai tumbuh dalam bentuk leher. Pertumbuhan leher antar partikel ini sangat tergantung dengan mekanisme perpindahan massa [1]. Tahap ini berakhir saat resiko ukuran leher X/D mencapai 0,3 [1]. Pada tahap ini pori-pori mulai terpisah karena titik kontak membentuk batas butir. Selain itu, pada tahap ini juga terjadi penyusutan (shrinkage), pengurangan luas permukaan, dan pemadatan (densification) [4]. Gambar 2.8 Tahap pertumbuhan leher dengan rasio X/D [1] 3. Tahap menengah Tahap ini merupakan penentuan terhadap sifat mekanis bakalan sinter. Pada tahap ini terjadi pertumbuhan butir dan struktur pori menjadi halus. Geometri batas butir dan pori yang terjadi pada tahap ini tergantung pada laju sinter. Pada mulanya pori terletak pada bagian batas butir yang memberikan struktur pori. Sedangkan pemadatan (densification) yang terjadi pada tahap ini diikuti oleh difusi volum dan difusi batas butir [1]. Semakin tinggi temperatur dan waktu tahan sinter serta semakin kecil partikel serbuk, maka ikatan dan densifikasi yang terjadi juga semakin tinggi [4]. Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 20

17 Gambar 2.9 Struktur pori pada tahap menengah [1] Gambar 2.10 Densifikasi pada proses sinter [1] 4. Tahap akhir Pada tahap ini, prosesnya berjalan lambat.pori-pori yang bulat menyusut dengan adanya mekanisme difusi bulk. Setelah batas butir meluncur, pori akan berdifusi kebatas butir hingga mengalami penyusutan, dimana proses ini berlangsung lambat. Dengan pemanasan yang lama, pengurangan ukuran pori akan menyebabkan ukuran pori rata-rata meningkat sedangkan jumlah pori akan berkurang. Jika pori memiliki gas yang terperangkap, maka kelarutan gas dalam matriks akan mempengaruhi laju pengurangan pori [1]. Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 21

18 Gambar 2.11Pemisahan pori dan pembulatan pori pada tahap akhir sinter : (a) pori pada batas butir, (b) dan (c) pertumbuhan butir, (d) pemisahan pori [1] Press Tool Press Tool adalah peralatan yang mempunyai prinsip kerja penekanan dengan melakukan pemotongan pembentukkan atau gabungan dari keduanya. Peralatan ini digunakan untuk membuat produk secara massal dengan produk output yang sama dalam waktu yang relatif singkat [4] Klasifikasi Press Tool Press Tool dapat diklasifikasikan menjadi beberapa macam menurut proses pengerjaan yang dilakukan pada die yaitu: simple tool, compound tool dan progressive tool [4]. A. Simple Tool Simple Tool adalah jenis dari press tool yang paling sederhana, dimana hanya terjadi satu proses pengerjaan dan satu station dalam satu alat. Pemakaian jenis simple tool ini mempunyai keuntungan dan kerugian. Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 22

19 Keuntungan simple tool: Dapat melakukan proses pengerjaan tertentu dalam waktu yang singkat. Kontruksinya relatif sederhana. Harga alat relatif murah. Kerugian simple tool: Hanya mampu melakukan proses-proses pengerjaan untuk produk yang sederhana sehingga untuk jenis pengerjaan yang rumit tidak dapat dilakukan oleh jenis press tool ini. Proses pengerjaan yang dapat dilakukan hanya satu jenis saja. Gambar 2.12 Simple Tool B. Compound Tool Pada press tool jenis ini, dalam satu penekanan pada satu station terdapat lebih dari satu pengerjaan, dimana proses pengerjaannya dilakukan secara serentak. Pemakaian jenis compoundtool ini juga mempunyai keuntungan dan kerugian. Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 23

20 Keuntungan compound tool Dapat melakukan beberapa proses pengerjaan dalam waktu yang bersamaan pada station yang sama. Kerataan dan kepresisian dapat dicapai. Hasil produksi yang dicapai mempunyai ukuran yang lebih teliti. Kerugian compound tool: Konstruksi dies menjadi lebih rumit. Terlalu sulit untuk mengerjakan material yang tebal. Dengan beberapa proses pengerjaan dalam satu station menyebabkan perkakas cepat rusak. Gambar 2.13 Compound Tool Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 24

21 C. Progressive Tool Progressive Tool merupakan peralatan tekan yang menggabungkan sejumlah operasi pemotongan atau pembentukkan lembaran logam pada dua atau lebih station kerja, selama setiap langkah kerja membentuk suatu produk jadi. Keuntungan progressive tool : Dapat diperoleh waktu pengerjaan produksi yang relatif singkat dibandingkan simple tool. Pergerakkan menjadi lebih efektif. Dapat melakukan pemotongan bentuk yang rumit pada langkah yang berbeda. Kerugian progressive tool: Ukuran alat lebih besar bila dibandingkan simpletool dan compoundtool. Biaya perawatan besar. Harga relatif lebih mahal karena bentuknya rumit. Gambar 2.14 Progressive Tool Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 25

22 Jenis - jenis Pengerjaan Pada Press Tool Berdasarkan proses pengerjaannya, press tool dibedakan menjadi dua kelompok besar, yaitu [4] : A Cutting Tool Yaitu suatu proses pengerjaan yang dilakukan dengan cara menghilangkan sebagian material atau pemotongan menjadi bentuk yang sesuai dengan keinginan. Adapun proses yang tergolong dalam cutting tool ini adalah sebagai berikut: a. Pierching Pierching adalah proses pemotongan material oleh punch dengan prinsip kerjanya sama dengan proses blanking, namun seluruh sisi potong punch melakukan proses pemotongan. Pada alat ini proses pierching adalah punch untuk membuat lubang. Gambar 2.15 Proses Pierching b. Blanking Merupakan proses pengerjaan material dengan tujuan mengambil hasil produksi yang sesuai dengan punch yang digunakan untuk menembus atau dengan sistem langkah penekanan. Pada umumnya proses ini dilakukan untuk Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 26

23 membuat benda kerja dengan cepat dan berjumlah banyak dengan biaya murah. Gambar 2.16 Proses Blanking c. Notching Notching adalah proses pemotongan oleh punch, dengan minimal dua sisi yang terpotong, namun tidak seluruh sisi punch melakukan pemotongan. Tujuan dalam pemotongan ini adalah untuk menghilangkan sebagian material pada tempat-tempat tertentu yang diinginkan. Gambar 2.17 Proses Notching d. Parting Parting adalah proses pemotongan untuk memisahkan blank melalui satu garis potong atau dua garis potong antara komponen yang satu dengan Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 27

24 komponen yang lain. Biasanya proses ini digunakan pada pengerjaan bentukbentuk blank yang tidak rumit atau bentuk material yang sederhana. Gambar 2.18 Proses Parting e. Shaving Shaving merupakan proses pemotongan material dengan sistem mencukur, dengan maksud untuk menghaluskan permukaan hasil proses Blanking atau Pierching guna mendapatkan ukuran teliti dari hasil pemotongan yang dilakukan terlebih dahulu. Punch Scrap Die Gambar 2.19 Proses Shaving Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 28

25 f. Trimming Trimming adalah merupakan proses pemotongaan material sisa, guna mendapatkan Fininshing ini digunakan untuk memotong sisa penarikan dalam maupun benda hasil penuangan. Excessive Material Trimmed Gambar 2.20 Proses Trimming g. Cropping Cropping adalah merupakan proses pemotongan material atau benda kerja tanpa meninggalkan sisa. Proses yang terjadi pada Cropping ini sama dengan proses yang terjadi pada Blanking, akan tetapi dalam Cropping tidak ada bagian yang tertinggal. Benda kerja akan terpotong dan cenderung sudah mempunyai ukuran lebar yang sama dengan ukuran yang diminta serta mempunyai panjang material sesuai dengan jumlah komponen yang diminta. Proses Cropping ini digunakan untuk membuat komponen Blanking berbentuk sederhana, tidak rumit dan teratur. Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 29

26 Cropped Part Scrap Stock Strip Gambar 2.21 Proses Cropping h. Lanzing Lanzing adalah merupakan proses pengerjaan gabungan antara penekukan (bending) dan pemotongan (cutting). Hasil proses ini berupa suatu tonjolan. Sedangkan punch yang digunakan sedemikian rupa, sehingga punch dapat memotong pelat pada dua sisi sampai tiga sisi serta pembengkokannya pada sisi punch yang keempat. B. Forming Tool Gambar 2.22 Proses Lanzing Yaitu proses pengerjaan material yang dilakukan tanpa pengurangan atau penghilangan, akan tetapi hanya mengubah bentuk geometris benda kerja. Yang Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 30

27 tergolong dalam forming tool adalah bending, flanging, deep drawing, curling dan embossing [4]. a. Bending Proses bending merupakan proses pembengkokkan material sesuai dengan yang dikehendaki. Proses pembendingan dapat dilakukan pada proses dingin ataupun pada proses panas. Perubahan yang terjadi pada proses ini hanya bentuknya saja namun volume material yang dibendingkan akan tetap. Gambar 2.23 Proses Bending b. Flanging Flanging adalah proses yang menyerupai proses bending hanya perbedaanya terletak pada garis bengkok yaitu bukan merupakan garis lurus namun merupakan radius. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut: Shrink flange Gambar 2.24 Proses Flanging Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 31

28 c. Deep Drawing Deep Drawing merupakan proses penekanan benda yang diinginkan dengan kedalaman cetakan sampai batas deformasi plastis. Tujuannya adalah untuk memperoleh bentuk tertentu dan biasanya tebal material akan berubah setelah proses ini. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut: Gambar 2.25 Proses Deep Drawing d. Curling Merupakan pembentukkan profil yang dilakukan pada salah satu ujung material. Gambar 2.26 Curling e. Embossing Embossing merupakan proses pembentukkan contour material pada salah satu sisi material tersebut. Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 32

29 Gambar 2.27 Embossing Prinsip Kerja Alat Press Tool atau Perkakas Tekan atau suatu alat yang digunakan untuk memotong logam dengan cara penekanan. Secara operasional Press Tool ini dapat bekerja sebagai alat potong atau pun sebagai alat pembentuk plat atau lembaran yang dikehendaki. Press Tool berfungsi memproduksi ratusan atau bahkan ribuan dari komponen yang sama dalam waktu yang relatif singkat [4] Bagian-Bagian Dari PressTool Press tool merupakan satu kesatuan dari beberapa komponen. Komponen - komponen tersebut antara lain [4] : A. Tangkai Pemegang (Shank) Tangkai pemegang merupakan suatu komponen alat bantu produksi yang berfungsi sebagai penghubung alat mesin penekan dengan pelat atas. Shank biasanya terletak pada titik berat yang dihitung berdasarkan penyebaran gaya-gaya potong dan gaya-gaya pembentukkan dengan tujuan untuk menghindari tekanan yang tidak merata pada pelat atas. Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 33

30 Gambar 2.28 Shank B. Pelat Atas (TopPlate) Merupakan tempat dudukan dari shank dan guide bush (sarung pengarah). Gambar 2.29 Pelat Atas C. Pelat Bawah (Bottom Plate) Pelat bawah merupakan dudukan dari dies dan tiang pengarah sehingga mampu menahan gaya bending akibat dari reaksi yang di timbulkan oleh punch. Gambar 2.30 Pelat Bawah Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 34

31 D. Pelat Penetrasi Pelat penetrasi berfungsi untuk menahan tekanan balik saat operasi berlangsung serta untuk menghindari cacat pada pelat atas, oleh karena itu pelat ini harus lebih lunak dari pelat atas. Gambar 2.31 Pelat Penetrasi E. Pelat Pemegang Punch (Punch Holder Plate) Pelat pemegang punch berfungsi untuk memegang punch agar posisi punch kokoh dan mantap pada tempatnya. Gambar 2.32 Punch Holder Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 35

32 F. Punch Punch berfungsi untuk memotong dan membentuk material menjadi produk jadi. Bentuk dari benda jadi tergantung dari bentuk punch yang dibuat. Bentuk punch dan dies haruslah sama. Punch haruslah dibuat dari bahan yang mampu menahan gaya yang besar sehingga tidak mudah patah dan rusak. Pada perencanaan alat bantu produksi ini untuk punch dipilih bahan baja yang dikeraskan pada suhu C lalu di Tempering pada suhu100 0 C agar diperoleh sifat yang keras tetapi masih memiliki kekenyalan. Gambar 2.33 Punch G. Tiang Pengarah (Guide Pillar) Tiang pengarah berfungsi mengarahkan unit atas, sehingga punch berada tepat pada dies ketika dilakukan penekanan. Gambar 2.34 Pillar Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 36

33 H. Dies Terikat pada pelat bawah dan berfungsi sebagai pemotong dan sekaligus sebagai pembentuk. Gambar 2.35 Dies I. Pelat Stripper Pelat stripper adalah bagian yang bergerak bebas naik turun beserta pegas yang terpasang pada baut pemegangnya. Pelat ini berfungsi sebagai pelat penjepit material pada saat proses berlangsung, sehingga dapat menghindari terjadinya cacat pembentukkan permukaan benda kerja seperti kerut dan lipatan, juga sebagai pengarah punch. Gambar 2.36 Pelat Stripper Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 37

34 J. Pegas Stripper Pegas stripper berfungsi untuk menjaga kedudukan striper, mengembalikan posisi punch ke posisi awal, dan memberikan gaya tekan pada strip agar dapat mantap (tidak bergeser) pada saat dikenai gaya potong dan gaya pembentukan. Gambar 2.37 Pegas Stripper K. Baut Pengikat Baut pengikat berfungsi untuk mengikat dies kepelat bawah dan pelat pemegang punch kepelat atas. Baut pengikat dipilih standard baut pengikat dan ketebalan dies. Gambar 2.38 Baut Pengikat Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 38

35 Tabel 2.2 Standar Baut Pengikat Ukuran Jarak Jarak Tebal Dies Baut minimum maksimum M M M M M > 38 L. Pin Penepat Pin penepat berfungsi untuk menepatkan dies pada pelat bawah dan pelat pemegang punch (Punch holder) ke pelat atas, sehingga posisi dies kepelat bawah dan posisi pelat pemegang punch kepelat atas dapat tearah dan kokoh. Gambar 2.39 Pin Penepat Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 39

36 Tabel 2.3 Standar Pin Penepat Tebal Dies Minimum Baut Minimum Pena 19 M8 Φ6 24 M8 Φ8 29 M10 Φ10 34 M10 Φ10 41 M12 Φ12 48 M16 Φ16 M. Sarung Pengarah (bush) Sarung pengarah berfungsi untuk mengarahkan tiang pengarah dan mencegah cacat pada pelat atas. Pada perencanaan alat bantu produksi ini untuk sarung pengarah dipilih bahan kuningan. Gambar 2.40 Sarung Pengarah 2.3. Kriteria Pemilihan Bahan Dies Spesifikasi yang ada memiliki banyak pengaruh pada pemilihan bahan. Spesifikasi ini atau standar digunakan pada rancangan ini. Ketika algoritma Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 40

37 pemilihan bahan menghasilkan pemilihan bahan baru, hal ini mungkin belum dipublikasikan oleh agen standar tertentu seperti Nasional Institute of Standarts and Technology atau American Society for Testing and Material (ASTM). Ada beberapa hal utama dalam memilih material antara lain : 1. Kebutuhan apa yang akan dicapai? 2. Mudahkah untuk memproses? Kebanyakan produk harus mencukupi beberapa target capaian yang kita tentukan dengan mempertimbangkan desain spesifikasinya, contoh : harus murah, atau kaku, atau kuat, atau ringan. Berhadapan dengan aspek pemprosesan material, para perancang berpengalaman untuk membuat keputusan dalam pemilihan material dan proses yang secara terpisah untuk mendapatkan yang terbaik yang ke luar dari proses pemilihan Pertimbangan Pemilihan Material Dalam penelitian ini penulis akan mempergunakan beberapa material yang akan disimulasikan dengan pertimbangan sebagai berikut : A. Aluminium Aluminium mentah mempunyai kekuatan rendah dan keliatan tinggi (yang ideal untuk kertas perak). Kekuatan meningkat dengan campuran logam, contoh : dengan Si, Mg,Cu, Zn. Aluminium sangat reaktif, tetapi dapat melindungi dirinya sendiri secara efektif dengan suatu lapisan oksida tipis/encer. Permukaannya dapat berupa "anodised", untuk menghambat karatan dan untuk memberi efek hias. Kelebihan Aluminium: Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 41

38 a. Kekuatan tinggi untuk perbandingan berat b. Kekakuan tinggi untuk perbandingan berat c. Elektrik tinggi dan keterhantaran termal d. Mudah untuk dibentuk e. Mudah untuk mendaur ulang Kelemahan Aluminium : Sulit untuk dilakukan pengelasan. B. Kuningan (Brass) Kuningan adalah campuran logam seng dan tembaga yang mahal. Campuran logam, perlakuan panas memberinya banyak kekuatan lebih baik dibanding tembaga, tetapi dengan hambatan karatannya baik. Kelebihan kuningan : a. Kekuatan tinggi. b. Karatan bersifat menghambat. c. Mudah untuk dibentuk. Kelemahan kuningan : Sangat mahal. C. Besi Tuang Besi tuang adalah paduan besi dengan kadar karbon diatas 2.1%wt. Umumnya kadar karbon berkisar antara 3,0-4,5wt%. - Titik leleh : C, lebih rendah dari baja - Mempunyai sifat rapuh/getas. Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 42

39 - Pembentukan grafit dipengarui oleh : kadar si>1%. - Besi tuang umumnya berupa : besi tuang kelabu, besi tuang nodular,besi tuang putih, dan besi tuang maliable. Besi tuang kelabu (gray cast iron) diproses melalui pendinginan pelan struktur : ferit + perlit dan grafit yang berbentuk panjang serpihan. Grafit merupakan karbon bebas yang kekuatannya sangat rendah sekitar 1kg/mm2. Sifat besi tuang sangat dipengaruhi oleh bentuk grafit. - Sifat-sifat : - kekuatannya relatif rendah - getas, keuletan rendah - tahan terhadap panas, korosi, dan aus - mampu meredam getaran - memiliki sifat mampu potong (machining ability) yang baik - biaya pembuatan murah. - aplikasi : blok mesin, rangka mesin, perkakas, rangka mesin-mesin lainnya. Besi tuang nodular Perbedaan dengan besi tuang kelabu adalah bentuk grafitnya berbentuk bulat.bentuk grafitnya yang bulat karena dengan bahan sejumlah kecil magnesium Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 43

40 (Mg), cerium (Ce) kedalam besi tuang kelabu.keuletan dan kekuatan besi tuang nodular lebih tinggi dari besi tuang kelabu. Besi tuang putih Pada besi tuang putih, kandungan karbonnya tidak membentuk grafit melainkan karbida (Fe3c).Sifat besi tuang ini sangat keras dan cocok untuk digunakan pada peralatan dengan ketahanan aus tinggi seperti alat-alat penghancur (crusher), alat-alat pertambangan, dll. Besi tuang malleable Besi tuang dibuat dengan memberi proses perlakuan panas pada besi tuang putih sehingga kekerasannya menurun. D. Baja Baja secara umum dapat dikelompokkan atas 2 jenis yaitu : Baja karbon (Carbon steel) Baja paduan (Alloy steel) Baja merupakan paduan besi dengan karbon serta sejumlah kecil campuan bahan lainnya. Kandungan karon biasanya kurang dari 1,0wt%. Berdasarkan kandungan karbon, baja dibagi atas baja karbon rendah, sedang dan tinggi. Baja karbon rendah Baja karbon rendah mengandung karbon (0,25wt%) berdasarkan kandungan karbon baja ini bersifat tidak respontif terhadap perlakuan Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 44

41 panas yang bertujuan untuk membentuk martensit. Penguatan dilakukan dengan : - Struktur mikro berupa : ferit + pearlite. - Sifat : - Lunak dan lemah tetapi keuletan dan tangguhan sangat tinggi - Mudah di maching, di las - Diantara semua baja karbon, paling murah di produksi. - Aplikasi : komponen bodi mobil, baja, struktur (tiang I. C, dll), pipa gedung, jembatan, kaleng. High strength, low-alloy (HSLA): adalah baja karbon rendah yang ditambah unsur lain seperti : tembaga, vanadium, nikel, molibdenum yang akan menaikkan kekuatan baja. Baja karbon sedang - Baja ini mengandung karbon kira-kira 0,2-0.6wt %. - Bisa diberikan perlakuan panas : austenitizing, quenching,dan tempering untuk menaikan sifat mekanik. - Sering digunakan dalam bentuk struktur martensite. - Penambahan chrom, nikel dan molibdenum meningkatkan kemampuan untuk perlakuan panas. - Baja yang telah mengalami perlakuan panas lebih kuat dari pada baja karbon rendah namun keuletan dan ketangguhannya menurun. - Aplikasi : roda kereta api, rel, roda gigi, crank shaft, dan komponen mesin yang membutuh kan kekuatan tinggi. Baja karbon tinggi - Kandungan karbon antara 0,60-1,4 %wt. Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 45

42 - Mempunyai sifat : paling keras, paling kuat namun keuletan paling rendah. - Umumnya digunakan dalam kondisi sudah diperkeras dan distemper, sehingga tahan aus dan mampu menahan alat potong yang tajam. - Campuran bahan lain berupa chrom, vanadium, tungsten molybdenum dan banyak digunakan untuk baja tool dan baja cetak. - Pemakaian : pisau, pisau cukur, gergaji, pegas dan kawat. High Speed Steel (HSS) Kandungan karbon: 0,70 % 1,50 %. Penggunaan membuat alat-alat potong seperti drills, reamers, countersinks, lathe tool bits dan milling cutters. Disebut High Speed Steel karena alat potong yang dibuat dengan material tersebut dapat dioperasikan dua kali lebih cepat dibanding dengan carbon steel.sedangkan harga dari HSS besarnya dua sampai empat kali dari pada carbon steel. Baja Anti Karat (Stainless Steel) - Element paduan utama : chrom (>11wt%). - Dibagi atas tiga jenis : -baja anti karat martensitie - Baja anti karat feritic. - Baja anti karat austenitic - Baja martensitic bisa diberikan pelakuan panas sementara baja feritic dan austeritic tidak bisa. - Penguatan baja anti karat feritic dan austetic dilakukan dengan pengerjaan dingin. Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 46

43 - Martensitc dan feritic stailess bersifat magnet sedangkan baja anti karat austenitic tidak Penomoran Baja AISI (American Iron and Steel Institute) dan SAE (Society of Automotive Engineers) mempunyai sistem pengelompokan seperti pada tabel 2.4. Dimana digunakan 4 atau 5 digit angka. Dua angka pertama merujuk pada elemen pemadu utama, dan dua atau tiga angka berikutnya merujuk kepada persentase karbon. Misal: baja AISI 1040 adalah baja karbon dengan kandungan karbon 0,40% [5]. Tabel 2.4 Komposisi beberapa baja BS dan AISI-SAE [5] 2.6. AutoCAD CAD ( Computer Aided Design ) atau Disain Berbantuan Komputer, di mana tujuannya adalah untuk mempermudah para designer dan drafter untuk memvisualisasikan idenya ke dalam bentuk gambar. AutoCAD merupakan sebuah Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 47

44 program CAD yang sangat terkenal dan familier dewasa ini, karena menawarkan berbagai kemudahan dan keunggulan yang bisa mempermudah kerja designer dan drafter dalam memvisualisasikan ide dan gagasannya. AutoCAD adalah sebuah program aplikasi ( software ) yang digunakan untuk menggambar dan mendisain gambar, seperti gambar arsitektur, mesin, sipil, elektro dan lain-lain, di mana program AutoCAD mempunyai kemudahan dan keunggulan untuk membuat gambar dengan cepat dan akurat serta bisa digunakan untuk memodifikasi gambar dengan cepat pula. Fasilitas yang dimiliki AutoCAD untuk menggambar 2 dimensi dan 3 dimensi sangat lengkap, sehingga hal ini membawa AutoCAD menjadi program desain terpopuler dibandingkan dengan program-program yang lain dewasa ini Elemen-elemen tampilan AutoCAD Gambar 2.41 Tampilan Program AutoCAD Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 48

45 Keterangan : 1. Baris Judul ( Title Bar ) Merupakan baris judul dari program AutoCAD Berisikan tulisan AutoCAD 2007 serta nama file yang sedang aktif pada saat ini. 2. Baris Status ( Status Bar ) Semi tentang informasi mengenai status (keadaan) pada saat ini dari beberapa fungsi khusus, seperti grid, ortho, snap dan lain-lain. 3. Area Gambar ( Drawing Area ) Tempat untuk menampilkan gambar, melakukan penggambaran dan pengeditan gambar. 4. Pop-up Menu ( Menu Pull Down ) Baris menu yang berisi tentang fungsi-fungsi untuk menggunakan AutoCAD, antara lain perintah untuk penggambaran, mengubah setting, menyimpan dan menampilkan file gambar dan sebagainya. 5. Toolbar Tombol-tombol yang berisi perintah-perintah AutoCAD yang dapat dipergunakan secara cepat. Ditampilkan dengan bentuk simbol-simbol dalam sebuah kotak. 6. Baris Perintah ( Command Line ) Merupakan baris perintah dari AutoCAD, yang berfungsi untuk memasukkan perintah-perintah AutoCAD, seperti LINE, CIRCLE, RECTANGLE dan sebagainya. Selain itu berfungsi juga untuk memberikan tanggapan terhadap perintah-perintah tersebut. Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 49

46 7. Control Menu Icon Adalah icon yang digunakan untuk mengontrol keadaan jendela dari program AutoCAD Icon ini juga merupakan salah satu fasilitas standard dari setiap program aplikasi berbasis Windows Sistem kordinat Sistem koordinat yang dipakai oleh AutoCAD adalah WCS (World Coordinat Sistem), yaitu system koordinat dengan sumbu X, Y dan Z dimana masing-masing sumbu koordinat tersebut berpotongan di titik (0,0) atau titik origin. Sedangkan arah positif dari masing-masing sumbu tersebut dinyatakan oleh arah anak panah. Adapun sistem koordinat yang terdapat dalam AutoCAD ada tiga macam : 1. Koordinat Kartesius/Cartesian, yaitu sistem koordinat yang menunjukkan posisi suatu titik. Adapun format koordinat kartesius adalah (X,Y)(X,Y,Z). 2. Koordinat Polar, yaitu sistem koordinat yang digunakan untuk menunjukkan suatu jarak dengan sudut tertentu dari titik terakhir. Adapun format dari koordinat polar jarak < sudut. 3. Koordinat relatif, yaitu sistem koordinat yang digunakan untuk menunjukkan jarak relatif dari titik terakhir ke arah X,Y atau X,Y,Z.Adapun format penulisannya panjang, lebar, tinggi. Tugas Akhir Ahmad Saehu ( ) 50