BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 6 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 PROSES PLASTIK Secara umum teknologi pemrosesan plastik banyak melibatkan operasi yang sama seperti proses produksi logam. Plastik dapat dicetak, dituang, dan dibentuk serta diproses permesinan (machining) dan disambung (joining). Bahan baku plastik banyak dijumpai dalam bentuk pellet atau serbuk. Plastik juga tersedia dalam bentuk lembaran, plat, batangan dan pipa. Metode pemrosesan plastik dapat dilakukan dengan cara ekstrusi, injection molding, casting, thermoforming, blow molding dan lain sebagainya. Plastik Molding merupakan metode proses produksi massal yang cenderung menjadi pilihan untuk digunakan dalam menghasilkan atau memproses komponenkomponen yang kecil dan berbentuk rumit. Ada dua proses pencetakan dasar, yaitu cetak injeksi dan cetak kompresi. Dalam cetak injeksi, polimer leburan dikompresi ke dalam suatu ruang cetakan tertutup. Cetak kompresi menggunakan panas dan tekanan untuk menekan polimer cair, yang dimasukkan antara permukaan cetakan, sehingga membentuk pola yang sesuai. Cetak injeksi umumnya lebih cepat dari pada cetak kompresi. (Stevens, 2001). Injection molding salah satu bagian besar dalam industry plastik dan sebuah bisnis besar dunia dengan produksi 32% dari seluruh plastik. Berada di bawah ekstrusi dengan produksi 36%. Sedangkan untuk compression molding, produksinya sebesar 6%. (Rosato, 2000)

2 DEFENISI POLIMER Polimer merupakan molekul besar yang terbentuk dari unit unit berulang sederhana. Nama ini diturunkan dari bahasa Yunani Poly, yang berarti banyak, dan mer, yang berarti bagian. Makromolekul merupakan istilah yang sinomim dengan polimer (Stevens, 2001, hal 3). Pada dasarnya polimer secara umum digolongkan ke dalam 3 (tiga) macam, yakni : (Stevens, 2001) 1. Bahan Thermoplastik (Thermoplastik), yaitu akan melunak bila dipanaskan dan setelah didinginkan akan dapat mengeras. Thermoplastik disebut juga plastik komoditi dan sering dipakai dalam bentuk barang yang bersifat pakai buang (disposable) seperti lapisan pengemas (Stevens, 2001, hal 33). 2. Bahan Thermoseting (Thermosetting), yaitu plastik dalam bentuk cair dan dapat dicetak sesuai yang diinginkan serta akan mengeras jika dipanaskan dan tetap tidak dapat dibuat menjadi plastik lagi. Thermosetting disebut juga plastik teknik, memiliki sifat mekanik yang unggul, dan daya tahan yang lebih baik (Stevens, 2001, hal 33). Contoh bahan thermosetting adalah : bakelit, silikon dan epoksi. 3. Karet (Elastomer) yaitu polimer yang memperlihatkan resiliensi (daya pegas) atau kemampuan meregang dan kembali ke keadaan semula dengan cepat (Stevens, 2001, hal 36). Contoh elastomer, yaitu : karet sintetis. 2.3 THERMOFORMING Thermoforming adalah usaha membentuk plastik lembaran atau plastik film (plastik lembaran tipis biasanya ketebalannya kurang dari 0.25 mm) menjadi bermacam bentukan baru plastik sesuai dengan desain yang kita inginkan dengan bantuan panas, tekanan dan cetakan (molding). Prosesnya dimulai dengan memanaskan lembaran

3 8 termoplastik sedikit di atas suhu muai atau sedikit di bawah titik lebur untuk bahan plastik pvdc Proses Thermoforming menawarkan keunggulan untuk memproduksi custom part plastik sebab berbiaya relative lebih murah, dapat menghasilkan replikasi yang sangat mendekati bentuk cetakan. Peralatan yang digunakan untuk proses Thermoforming berbiaya relatif murah dibandingkan proses cara lain seperti injection molding. vacuum forming adalah menarik udara (suction) di bawah cetakan (molding) melalui lubang-lubang hisap vakum (vacuum suction hole) yang telah disiapkan, Pada vakum forming hanya dibutuhkan tekanan angin sekitar 4bar - 5bar untuk pressure forming bandingkan dengan injeksi molding setidaknya dibutuhkan 6-8 bar. (hudileksono, 2015) Gambar 2.1 Proses Pembentukan Thermoforming (Sumber : Encyclopædia Britannica, 2015) Didalam pembentukan dan proses Thermoforming pada jenis plastik harus diperhatikan syarat-syarat parameter angka setting pada mesin, ada beberapa faktor yang diduga mempengaruhi hasil cetakan pada mesin Thermoforming, yaitu: Jenis plastik, Ketebalan plastik, Suhu pemanasan, Tekanan/Vakum, Lama pemanasan atau holding time, Waktu dan temperatur pendinginan Prinsip dasar dari proses Thermoforming adalah : tahap persiapan, memasukkan lembar plastik ke dalam proses pemanasan sampai mencapai suhu

4 9 pembentukan dan peregangan lembaran mengikuti bentuk molding yang sudah disiapkan dengan bantuan vakum, pendinginan sampai bentuk desain baru stabil, melepaskan/ membongkar bentukan baru dari cetakan, trimming bagian plastik untuk mendapatkan bentuk final yang diinginkan. (Stevens, 2001) 2.4 COOLING FORMING Didalam pedinginan produk digambarkan, bahwa ada lembaran plastik bersuhu tinggi dimasukkan kedalam cetakan, kemudian material tersebut dikeluarkan dari dalam cetakan dengan bentuk produk yang sudah berbentuk sesuai dengan bentuk cetakan tersebut dengan temperatur rendah. Dalam proses ini terjadi proses perpindahan panas yaitu dari material plastik ke permukaan forming unit. Karena pemindahan panas berlangsung secara terus menerus selama mesin berkerja, maka panas yang diterima forming unit Semakin lama semakin banyak, dimana akan menyebabkan kenaikan suhu pada forming unit tersebut. Setiap kenaikan suhu pada forming unit akan menghambat terjadinya pemindahan panas, dan apabila kenaikan suhunya mencapai suhu dari material yang dimasukkan, maka proses pemindahan panas tidak dapat berlangsung, dan material plastik tetap dalam keadaan seperti semula. Untuk itu harus terjadi pembuangan panas dari forming unit. Sebenarnya pembungan panas dari dinding forming unit dapat berlangsung secara alami. Yaitu bahwa panas yang diterima forming unit akan merambat kepermukaan luar dari cetakan, kemudian dari permukaan ini panas akan lepas secara Konveksi maupun radiasi, dan Konduksi. Tetapi karena kecepatan pembungan cara ini rendah, atau pada umumnya tidak memadai dengan jumlah panas yang diterima, maka perlu dilakukan pembuangan panas secara buatan (paksa). Pembuangan panas dari forming unit dapat dilakukan dengan membuat satu buah atau lebih saluran didekat forming unit, dimana kedalam aliran tersebut dialirkan zat yang bersifat dapat mengalir, yang dalam banyak hal dipilih air. Panas yang diterima forming unit akan merambat kedinding saluran, kemudian dari dinding saluran ini panas akan dihanyutkan oleh aliran air.

5 MATERIAL PLASTIK Dalam proses pengerjaan Thermoforming bahan baku yang digunakan adalah lembaran-lembaran plastik yang nantinya dipanaskan dan dicetak di dalam cetakan molding dengan cara di tiup atau dengan cara di vacuum. Adapun bahan bahan plastik yang sering digunakan dalam proses ini adalah sebagai berikut : 1. PET (PolyEtylene Terephthalate) PET digunakan sebagi pembungkus minuman berkarbonasi (soda), botol juice buah, dan fiber tekstil. PET memiliki sifat tidak tahan panas, keras, tembus cahaya (transparan), memiliki titik leleh 85 [ºC]. 2. PP (PolyPropylene) PP banyak digunakan pada kantong plastik, film, mainan, ember dan komponenkomponen otomotif. 3. PE (PolyEtylene) PE memiliki sifat-sifat diantaranya adalah permukaannya licin, tidak tahan panas, fleksibel, transparan/tidak dan memiliki titik leleh sebesar 115 [ C]. Maka dari itulah PE banyak digunakan sebagai kantong plastik, botol plastik, cetakan, film dan pada dunia modern digunakan untuk pembungkus kabel. 4. PVC (PolyVinyl Cloride) Sifat dari PVC ini sendiri adalah keras, kaku, dapat bersatu dengan pelarut, memiliki titik leleh [ C]. Kegunaan dalam kehidupan adalah sebagai pipa plastik (paralon), peralatan kelistrikan, dashboard mobil, atap bangunan, kemasan makanan atau obat dan lain-lain. 5. PVDC (Polyvinylidene chloride) Jenis plastik ini hampir sama dengan jenis PVC tetapi dipermukaan plastik ditambahkan bahan coating untuk ketahanan karakter plastik ketika berada

6 11 ditemperatur 5-60 [ o C]. jenis plastik ini banyak digunakan untuk kemasan kemasan bahan yang dituntut karakteristiknya selalu sama pada kondisi-kondisi tertentu. Jenis plastik ini untuk permukaan PVDC ketika di cetak harus memerlukan pendinginan extra dingin karena dalam PVDC terdapat lapisan Teflon yang menghambat laju aliran panas ketika ketika proses pelepasan panas (Manuel Romaco, 2015) 2.6 KEGAGALAN PADA PROSES THERMOFORMING Pada Proses Thermoforing Memiliki Berbagai macam potensi Kegagalan, Berikut beberapa contoh kegagalan pada proses thermoforming : Poket Terbentuk Tidak Sempurna Kegagalan ini dapat terjadi pada poket yang disebabkan oleh tersumbatnya saluran vacuum unit karena adanya kondensasi dari air chiller, kondensasi ini mengurangi daya hisap dari vaccum terdapat sumbatan air kondensasi pada saluran vacuum sehingga proses pembentukan poket tidak sempurna. Poket yang tidak sempurna ini akan menyebabkan masalah saat kapsul/tablet dimasukkan dalam cetakan. Kapsul akan tertekan oleh kemasan sehingga menyebabkan produk NG (Not Good) Poket gagal terbentuk/ plastik putus Poket gagal terbentuk ini dikarenakan kegagalan dari forming unit menyerap energi yang dibawa oleh plastik yang sebelumnya di transfer panas oleh heating roll. terjadi kegagalan pendinginan karena energi panas tidak mampu diserap secara sempurna oleh forming unit. Ketika bahan plasatik pvdc putus otomatis mesin akan mati, proses produksi akan terhenti dan menyebabkan kerugian waktu dan biaya produksi. Dibutuhkan desaindari pendinginan yang mampu menyerap energi yang dibawa oleh bahan bakun plastik.

7 ANALISIS LAJU ALIRAN PANAS THERMOFORMING Untuk mengetahui laju aliran panas pada proses thermoforming, maka analisis terhadap proses thermoforming. Ada banyak metode yang bias dilakukan untuk menganalisis proses thermoforming. Salah satunya dengan metode perpindahan panas. Pada kebanyakan proses, diperlukan pemasukan atau pengeluaran panas untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai perpindahan energi akibat adanya perbedaan temperatur pada suatu permukaan dengan lingkungan sekitarnya. Panas atau kalor adalah energi yang berpindah akibat perbedaan suhu. Jadi ketika panas atau kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah, sebenarnya energi yang berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Perpindahan energi terhenti setelah benda-benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama atau keseimbangan termal. Terjadinya perpindahan panas ditandai perubahan nilai energi panas yang terkandung dalam sistem. Perpindahan panas terjadi dari sistem/benda dengan temperatur yang lebih tinggi, menuju sistem/benda dengan temperatur yang lebih rendah. Hal tersebut apabila terjadi dalam sebuah kondisi yang alami. Karena pada kondisi khusus, digunakan heat pump untuk memindahkan panas dari benda bertemperatur yang lebih rendah ke benda bertemperatur lebih tinggi. Analisis dilakukan pada suhu pendinginan yang digunakan agar bias menyerap energi yang dibawa oleh plastik. Menggunakan metode Perpindahan panas dapat terjadi dengan tiga (3) cara, yaitu: Konduksi, Konveksi dan Radiasi.

8 Perpindahan panas Konduksi Gambar 2.2 Konsep perpindahan panas konduksi (Sumber : Thermodinamika Dasar, 2014) Secara umum perpindahan panas konduksi adalah perpindahan panas dari benda silindris ke benda padat. Didalam proses ini trdapat proses perpindahan panas secara konduksi yaitu proses perpindahan panas dari permukaan silindris yang berhubungan lansung dengan air pendingin. Maka perhitungan laju perpindahan panas tersebut dapat dihitung sebagai berikut: Qw = 2 πkl ln(ro ri) (Two Twi) (2.1) Qw = Laju perpindahan panas ( W) T wi = Temperatur panas yang di luar Silindris ( 0 C ) T wo = Temperatur panas yang di dalam silindris ( 0 C ) r o = jari-jari permukaan bagian dalam (m)

9 14 r i L = jari-jari permukaan bagian Luar (m) = panjang silindris (m) K = Konduktifitas Thermal Bahan ( J/m.s 0 C atau W/m 0 C) Tahanan thermal adalah suatu nilai yang menyatakan kecepatan laju perpindahan panas. ketika nilai tahanan thermal pada suatu sistem semakin besar maka semakin lambat laju perpindahan panasnya. Untuk menghitung tahanan thermal menggunakan persamaan sebagai berikut : R w ro ln r i 2 kl (2.2) R w = Tahanan thermal suatu system ( Kelvin / Watt) K = Konduktifitas Thermal Bahan ( J/m.s 0 C atau W/m 0 C) r o = jari-jari permukaan bagian dalam (m) r i = jari-jari permukaan bagian Luar (m) L = panjang silindris (m) Perpindahan Panas Konveksi Perpindahan panas Konveksi adalah suatu proses perpindahan panas dari permukaan benda padat ke suatu fluida tertentu yang mengalir dan berkontak langsung dengan permukaan tersebut. Didalam proses thermoforming dalam proses pendinginan terdapat proses perpindahan panas secara Konveksi yaitu ketika panas dari permukaan atas plat pencetak mengalir ke fluida air chiller pendingin yang bertemperatur 5 [ o C].

10 15 Gambar 2.3 Konsep perpindahan panas konveksi (Sumber : Thermodinamika Dasar, 2014) Untuk menghitung besarnya laju perpindahan panas konveksi pada system ini maka digunakan persamaan sebagai berikut : Q = hi. A(Two Twi) (2.3) Diamana : Q = Laju perpindahan panas konveksi (W) h i = Koefisien perpindahan panas konveksi ( W/mK) A i = Luas permukaan silindris (m) T wo = Temperatur aliran fluida saat kelur system (K) T wi = Temperatur aliran fluida saat masuk dalam sistem (K)

11 16 Untuk tahanan thermal konveksi dapat dihitung dengan persamaan berikut : R w do ln d i 2 kl (2.4) R w = Tahanan Thermal system K = Konduktifitas Thermal Bahan ( J/m.s 0 C atau W/m 0 C) d 0 = Diameter luar silindris (m) d i = Diameter dalam silindris (m) L = Panjang silindris (m) Perpindahan Panas Radiasi Merupakan proses terjadinya perpindahan panas tanpa menggunakan zat perantara. Perpindahan panas secara radiasi tidak membutuhkan zat perantara contohnya sinar matahari menyinari bumi, panas api kompor untuk memasak air. Untuk menentukan laju perpindahan panas Radiasi maka digunakan persamaan sebagai berikut : (Soekardi, C)

12 17 Gambar 2.4 Konsep perpindahan panas Radiasi (Sumber : Thermodinamika Dasar, 2014) Q radiasi = σ.a.t 4 (2.5) Q radiasi = Laju Perpindahan Panas Radiasi [Watt] σ = Konsptanta Boltzmann [5, ) W/m 2 K 4 ] T = Temperatur absolute permukaan benda [ o K] A = Luas Permukaan [m 2 ] Bilangan Reynolds Bilangan Reynoldss merupakan besaran fisis yang tidak berdimensi. Bilangan ini dipergunakan sebagai acuan dalam membedakan aliran laminer dan turbulen. Bilangan ini juga dapat dimanfaatkan sebagai acuan untuk mengetahui jenis-jenis

13 18 aliran yang berlangsung dalam air. Hal ini didasarkan pada suatu keadaan bahwa dalam satu tabung/pipa atau dalam satu tempat mengalirnya air, sering terjadi perubahan bentuk aliran yang satu menjadi aliran yang lain. Perubahan bentuk aliran ini pada umumnya tidaklah terjadi secara tiba-tiba tetapi memerlukan waktu, yakni suatu waktu yang relatif pendek dengan diketahuinya kecepatan kristis dari suatu aliran. Kecepatan kritis ini pada umumnya akan dipengaruhi oleh daimeter pipa, dan jenis zat cair yang lewat dalam pipa tersebut. Terdapat empat besaran yang menentukan apakah aliran tersebut digolongkan aliran laminier atau aliran turbulen. Keempat besaran tersebut adalah besaran massa jenis air, kecepatan aliran, kekentalan, dan diameter pipa. Kombinasi dari keempatnya akan menentukan besarnya bilangan Reynolds. Bilangan Reynoldss merupakan rasio inersia dan viskositas dalam aliran. Bilangan Reynoldss digunakan untuk menentukan aliran fluida apakah laminar, turbulen, dan transisi. Untuk menentukan nilai dari Reynoldss number (Re) untuk aliran dalam pipa digunakan : (William Reynolds, 1883) Re = ρ.vs. D µ (2.6) Re Vs D = Bilangan Reynoldss = Kecepatan aliran massa [kg/s] = Diameter Saluran [m] µ = Viscositas dinamik fluida [kg/m.s] ρ = Kerapatan Jenis Fluida [kg/m 3 ]

14 Jenis Aliran Fluida Didalam aliran fluida dalam suatu sistem dibedakan menjadi tiga jenis aliran yaitu, aliran laminar, aliran turbulent, dan aliran transisi ini fungsinya untuk membedakan persamaan yang akan dipakai dalam mengetahui nilai Bilangan Nusselt jenis aliran tersebut adalah : Aliran laminar adalah aliran yang bergerak dalam lapisan-lapisan, dimana pertukaran momentum dan massa yang terjadi secara molekular dalam skala submikroskopis dari lapisan yang mempunyai kecepatan relatif tinggi menuju lapisan yang lain yang memiliki kecepatan lebih rendah. Partikel-partikel fluida bergerak secara berurutan mengikuti lintasan yang teratur dan memiliki kecepatan yang tetap. Kecenderungan aliran laminar menjadi turbulen diredam dengan gaya- gaya viskos yang memberikan hambatan terhadap gerak relatif lapisan-lapisan fluida. Besar bilangan Reynolds untuk aliran laminar adalah : Re < untuk aliran eksternal Re < 2300 untuk aliran internal Aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan dengan satu lapisan meluncur secara lancar. Dalam aliran laminar ini viskositas berfungsi untuk meredam kecendrungan terjadinya gerakan relative antara lapisan. Aliran turbulen adalah aliran yang partikel-partikel fluidanya bergerak secara acak dengan kecepatan yang berfluktuasi dan saling interaksi antar gumpalangumpalan fluida. Menurut William C. Reynoldss untuk Re< 2000 maka efek dari kekasaran dan factor geseknya dapat diabaikan. Nilai Bilangan Nusselt dalam kondisi ini dapat dihitung dengan: Nu = 4,36 temperatur dinding tidak seragam Nu = 3,66 temperatur dinding seragamaliran transisi adalah aliran

15 Kecepatan Aliran (Vs) Kecepatan aliran adalah waktu yang dibutuhkan suatu partikel atau fluida untuk bergerak sepanjang jarak yang telah ditentukan. Untuk menentukan nilai dari kecepatan aliran fluida maka digunakan persamaan sebagai berikut : Vs = Q A (2.7) Vs = Kecepatan aliran [m/s] Q = Debit pompa [m 3 /s] A = Luas penampang pipa aliran [m 2 ] Untuk mengetahui volume plasik yang masuk dalam forming unit saat proses thermoforming yaitu dengan mencari volume forming unit dan di kalikan dengan tebal dari bahan baku plastik V plastik = 2. π. r.p. T (2.8) r = radius Forming unit t = tinggi forming unit T = tebal plastik

16 Energi panas pada material (Ẇ) Dalam kategori ini yang dimaksut dengan energi panas pada material adalah besarnya panas [Ẇ] yang dibawa oleh sebuah material atau sebuah fluida yang mengalir. Untuk menentukan besarnya laju aliran massa pada sebuah material maka menggunakan persamaan : (Soekardi C) Ẇ = ṁ. Cp. (T1-T2) (2.9) Ẇ = Energi panas yang dibawa oleh material [Watt] ṁ = Laju aliran massa [kg/s] Cp = Panas jenis material [J/kg.K] T1 = Temperatur rata-rata material masuk dalam sistem [ o K] T2 = Temperatur rata-rata material keluar dari sistem [ o K] Massa Bahan (ṁ) Laju aliran massa ini adalah massa suatu bahan yang mengalir persatuan waktu. Dalam hal ini pehitungan massa plastik yang melaju selama mesin berkerja massa plastik bisa dihitung dengan persamaan sebagai berikut : ṁ = ρ.v s (2.10) ṁ = Massa Aliran Bahan [kg/s] ρ = Densiti bahan [kg/m 3 ] V = Volume Bahan [m 3 ] s = Waktu Proses [Detik]

17 MESIN PAMPAC BP102 Adalah suatu mesin Pembungkus kemasan obat dengan vacuum drum yang membentuk cetakan dihubungkan dengan vacuum forming dan sealing yang menetapkan standar efisiensi, fleksibilitas pemakaian, dan teknologi dalam pengemasan tablet obat. Mesin ini mampu menghasilkan output prosuksi hinga kecepatan maksimal yaitu 300 [Pcs/menit]. Gambar 2.5 Unit Mesin Pampac BP 102 (IWKA Pampac BP102, 2005)