SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA DESAIN MOLD SEBAGAI SOLUSI VISUALISASI NYATA DALAM DESAIN INJECTION MOLD Studi Kasus: Perancangan Mold Piring Hariyanto Gunawan (1 dan Stefanus Ongkodjojo (2 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri Universitas Kristen Petra Product Innovation and Development Centre Petra Christian University Jl. Siwalankerto 121-131, Surabaya 60236 E-mail : hariyanto@peter.petra.ac.id (1, stef.ong@peter.petra.ac.id (2 Abstrak Dalam mendesain sebuah mold untuk injection molding sering dijumpai berbagai kendala dalam perancangan yang disebabkan dari bentuk model yang kompleks maupun aliran fluida plastik yang melalui mold tersebut. Tidak jarang desain yang telah dirancang, namun setelah dibuat ternyata tidak dapat menghasilkan produk seperti yang dikehendaki ataupun terdapat cacat yang fatal, yang diakibatkan oleh aliran fluida plastik yang kurang sempurna. Pada perancangan Mold Piring ini dilakukan Simulasi Aliran Fluida Plastik pada desain mold sebagai solusi visualisasi nyata dalam desain injection mold tersebut. Pada desain mold terdapat beberapa desain yang harus diperhatikan dalam perancangan, antara lain cavity, runner system, gates system, venting of mold dan heat exchange system. Oleh sebab itu apabila suatu desain dibuat perlu memperhatikan hal-hal di atas yang telah menjadi bagian dari suatu standar dalam desain mold. Namun, dengan memperhatikan batasan-batasan yang telah ditentukan tersebut, terkadang masih dapat terjadi ketidaksempurnaan dalam hasil produksi. Hal ini dapat disebabkan oleh bentuk model yang kompleks dan rumit. Untuk mengatasi masalah di atas, maka dilakukan simulasi aliran fluida pada desain mold yang dirancang, sehingga dapat terlihat secara visualisasi daripada aliran fluida. Hasil dari simulasi aliran fluida dapat membantu dalam menganalisa lokasi optimal untuk Gate, lokasi injection, prediksi mengenai waktu pengisian, prediksi tekanan injection, presuure drop, prediksi terjadinya weld line, air traps, kesempurnaan dalam pengisian cavity serta prediksi mengenai kualitas produk cetakan.hal ini membantu dalam desain mold untuk menghindari kesalahan desain mold. Dari simulasi aliran fluida pada perancangan mold piring ini, dihasilkan sebuah simulasi aliran fluida pada desain mold sebagai solusi visualisasi nyata dalam desain injection mold. Kata kunci : mold, aliran fluida, piring 1. Pendahuluan Pada saat ini banyak digunakan material plastik untuk berbagai keperluan antara lain untuk packaging, medical, recreational, textiles, furniture, appliances, housewares, transportation, industrial, entertainment dan constructions. Hal ini karena material plastik memiliki sifat yang unik yaitu mudah dibentuk, tahan terhadap korosi, lebih ringan dan sebagainya. Proses pembentukan pada plastik yang paling umum digunakan yaitu metode cetak atau injection. Pada proses pembentukan plastik dengan metode injection perlu dibuat suatu mold, yang mana mold ini digunakan sebagai cetakannya. Untuk pembuatan mold pada injection molding, cukup banyak sekali faktor yang perlu diperhatikan dalam mendesain mold tersebut, supaya mold yang telah didesain dan yang nantinya setelah dilakukan proses manufaktur dapat menghasilkan produk yang sesuai dengan yang diinginkan. Permasalahan yang sering timbul pada pembuatan mold yaitu setelah dilakukan proses manufaktur terhadap desain mold, maka produk benda yang dicetak dengan mold tersebut tidak sesuai atau terjadi cacat terhadap produk tersebut sehingga mold tersebut tidak dapat digunakan. Hal ini tentu saja sangat merugikan bagi perusahaan tersebut baik dari segi waktu maupun biaya. Untuk mengatasi hal di atas, maka dengan kemajuan teknologi komputer yang sangat berkembang saat ini, telah cukup banyak software-software yang dapat membantu industri khususnya di bidang injection molding. Dengan adanya software ini, maka seorang designer dapat merancang mold, kemudian dilakukan simulasi melalui komputer sehingga dapat diketahui apakah desain yang dibuat dapat menghasilkan produk yang baik. Pada kajian ini, diambil studi kasus Perancangan Mold Piring, dan dengan menggunakan software Moldflow versi 6.0 dilakukan simulasi analisa aliran fluida. Dengan menggunakan software ini dapat dianalisa mengenai kemungkinan letak dari gate yang paling optimal, waktu yang diperlukan untuk injection, temperaturnya, tekanan injection, dan sebagainya. Dari simulasi ini, dapat digunakan sebagai suatu acuan 24
dalam mendesain suatu injection molding, sehingga dapat mengurangi kemungkinan terjadi kegagalan dalam pembuatan molding. 2. Tinjauan Pustaka 2.1. Proses Injection Molding Injection molding dapat membuat part yang memiliki bentuk yang kompleks dengan permukaan yang cukup baik. Variasi bentuk yang sangat banyak yang dapat dibuat dengan injection molding menjadikan alasan metode ini banyak digunakan untuk proses pembentukan plastik. Kunci sukses dalam injection molding adalah (1) kemampuan mesin meleburkan dan menginjeksikan plastik, (2) jenis plastik yang sesuai dengan part yang dibuat, (3) mold yang baik, (4) operasi yang baik untuk menghasilkan cycle time yang efisien. Faktor utama yang mempengaruhi biaya yaitu jenis material dan mold cycle. Tipe material umumnya disesuaikan dengan kebutuhan part yang dibuat, oleh karena itu efek pengurangan biaya tergantung pada mold cycle. Mold cycle juga sangat tergantung pada desain mold dan parameter dari proses manufaktur. Peralatan untuk injection mold terbagi menjadi 3 fungsi utama: (1) Injection, (2) mold, (3) clamping. Dari ketiga peralaan tersebut yang sering berubah adalah mold, karena bentuk mold disesuaikan dengan part yang akan dibuat. Suatu desain mold yang kurang baik dapat menghasilkan produk yang tidak baik pula, sedangkan desain mold yang baik dapat menghasilkan produk yang baik. Pada mold sendiri juga terdiri dari beberapa bagian yaitu (1) Runner, (2) Gate, (3) Cavity, (4) Mold base, (5) Sprue, (6) Guide pin, dan (7) Guide hole. Dalam desain mold penempatan dari hal-hal di atas sangat berpengaruh terhadap suatu hasil produk dari mold tersebut. Untuk meminimalisasi kesalahan pada desain mold, digunakan software untuk menganalisa lokasi penempatan gate yang paling optimal, lokasi penempatan injection, kemungkinan terjadi air traps pada desain yang dirancang, aliran fluida plastik, prediksi terhadap kualitas produk dan sebagainya, sehingga desain yang dibuat dapat menjadi optimal dan kemungkinan terjadi kegagalan produk setelah mold dibuat sangat minimal. 2.2. Software Analisa Aliran Fluida Brian G Thomas menjelaskan bahwa dengan semakin meningkatnya kemampuan hardware dan software, simulasi dan viualisasi dengan komputasi menjadi peralatan yang penting untuk menunjang dan meningkatkan proses industri, seperti pengecoran besi. Computer-aided Visualization meningkatkan semua kemampuan peralatan yang digunakan untuk proses pembekuan, termasuk literatur sebelumnya, model matematis, eksperimen laboratorium, dan pengukuran proses pengecoran secara online [Brian G Thomas, 2002]. Software-software untuk analisa aliran fluida yang ada saat ini banyak sekali. Namun diantara software yang ada tidak semuanya dapat digunakan untuk aplikasi molding. Hanya beberapa software tertentu saja yang dapat diaplikasikan untuk melakukan simulasi maupun analisa terhadap aliran fluida pada injection molding. Simulasi dengan software dapat mengilustrasikan injection time, injection pressure, air traps, estimated cycle time, confidence of fill, quality prediction, cooling time dan sebagainya. Selain itu dengan teknologi simulasi dapat menghasilkan animasi dan visualisasi yang menunjukkan proses aliran fluida pada injection molding yang hampir sama dengan proses sesungguhnya. Beberapa software yang dapat digunakan untuk melakukan analisa fluida antara lain, Computational Fluid Dynamic (CFD), merupakan software untuk menganalisa aliran fluida, heat transfer, serta pengaruh fluida terhadap desain. Fluent, adalah software yang dapat digunakan untuk melakukan analisa terhadap aliran fluida, heat and mass transfer, fenomena turbulent, reacting dan multiphase flow. Software fluent dapat diaplikasikan pada Aerospace, Automotive, Chemical, HVAC, metal dan Power generation. Sundybasic, adalah suatu software yang dapat melakukan analisa aliran thermal, analisa bentuk ekstrusi, analisa pengisian 3D pada mold, efek inersia pada pengisian mold, memprediksi interface antara jenis fluida yang berbeda. Moldflow Adviser, adalah software yang dapat memprediksi dan memberikan solusi terhadap problem mold, mengoptimalkan desain part dan mold, user dapat memperoleh feedback mengenai modifikasi wall thickness, gate location, material atau geometry yang dapat memberikan efek terhadap pengisian, tekanan dan temperatur, serta mengurangi weld line dan air trap. Selain itu juga dapat melakukan simulasi aliran fluida dengan single cavity, multi cavity dan family mold. Hasil analisa termasuk cycle time, tekanan clamp, prediksi kualitas, injection time, injection pressure, pressure drop, dan sebagainya. 25
2.3. Model Part dan Data Proses Part yang akan dibuat yaitu piring dengan gambar sebagai berikut: Data: Material Family name Trade name Manufacture Family Abreviation Material structure Data source Material ID : 8409 Grade code : CM8409 Recommended Processing Mold temperature : 52 C Melt temperature : 230 C Mold temperature range (recommended) Minimum : 32 C Maximum : 71 C Melt temperature range (recommended) Minimum : 180 C Maximum : 280 C Absolute maximum melt temperature : 320 C Ejection Temperature : 90 C Maximum shear stress : 0.2 Mpa Maximum shear rate : 40000 /s : Polyethylenes (PE) : Stamylan HD7058DUZ : DSM : HDPE : Crystalline : pvt supplemental Gambar 2.1. Model Piring 3. Metodologi Penelitian Langkah-langkah dalam simulasi aliran fluida plastik pada desain mold dapat dinyatakan sebagai berikut: Start Model Part Pemilihan Jenis Material sesuai Part A 26
A Setting Kondisi Proses Analisa Gate Location Penentuan Lokasi Gate Penentuan Lokasi Injection Analisa Aliran Fluida Analisa Air Trap, Filling Time, Pressure Drop, Cooling time, Shear Stress, Shear rate Hasil analisa: Kondisi Pengisian, Prediksi Kualitas, Cooling Quality Hasil Ok/Tdk Tidak Optimasi Setting Ok Kesimpulan Finish Gambar 3.1. Langkah-langkah/Urutan Penelitian 4. Diskusi dan Pembahasan Pada simulasi ini model part dibuat dengan software Inventor versi 7, dan simulasi analisa fluida dilakukan dengan software Moldflow versi 6. Studi kasus yang dilakukan adalah Mold Piring. Dari metodologi penelitian di atas, desain yang dibuat menggunakan software invertor disimpan dalam format STL. File tersebut kemudian di buka pada program Moldflow sehingga tampil seperti pada gambar 4.1. Kemudian 27
dilakukan pemilihan material yang sesuai dengan Part, yaitu Stamylan HD7058DUZ yang merupakan jenis PE. Gambar 4.1. Model Part pada Moldflow Gambar 4.2. Data Material Dari jenis material yang dipilih, terlihat data-data yang berhubungan dengan propertis material tersebut. Setelah menentukan material yang digunakan, maka langkah berikutnya yaitu menganalisa lokasi Gate yang paling optimal. Hasil dari analisa akan terlihat seperti pada gambar 4.3. Dari gambar tersebut terlihat dalam bentuk warna yang mengindikasikan bahwa lokasi Gate yang paling baik ditandai dengan daerah yang berwarna biru sampai daerah yang paling buruk ditandai dengan daerah yang berwarna merah. Gambar 4.3. Analisa Lokasi Gate Gambar 4.4. Penempatan Lokasi Injection Dari hasil analisa lokasi gate yang optimal, merupakan daerah lokasi yang mana dapat ditempatkan gate sehingga meminimalisasi kemungkinan cacat pada produk. Dengan diketahuinya lokasi gate yang optimal maka, lokasi Injection diletakkan pada daerah gate yang paling optimal tersebut. Setelah menentukan lokasi injection, maka dapat dilakukan analisa aliran fluida pada desain tersebut. Proses simulasi aliran fluida seperti pada gambar 4.5. Dari hasil analisa fluida maka diperoleh beberapa hasil seperti pada tabel I. Dari hasil analisa tersebut maka dapat diketahui waktu injection, tekanan injection, terjadi weld line atau tidak, terjadinya air trap, filling clamp force, clamp force area, perkiraan cycle time dan perkiraan packing clamp force. Hasil Fill Time terlihat pada gambar 4.6, gambar 4.7 menunjukkan lokasi Air traps, gambar 4.8 menunjukkan Injection Pressure, gambar 4.9 menunjukkan Pressure Drop. Tabel I. Hasil Analisa Aliran 28
Gambar 4.5. Aliran Fluida Gambar 4.6. Fill Time Gambar 4.7. Air Traps Gambar 4.8. Injection Pressure Gambar 4.9. Pressure Drop Selain itu dari hasil analisa juga dapat diperkirakan pengisian sampai semua rongga terisi serta memprediksi kualitas produk seperti terlihat pada gambar 4.10 dan 4.11. Dari gambar 4.10 terlihat bahwa desain yang dibuat memungkinkan aliran fluida mengisi seluruh cavity dengan baik. Namun pada gambar 4.11 terlihat bahwa desain yang dibuat diperkirakan menghasilkan kualitas produk yang kurang baik, ini terlihat dari adanya daerah yang berwarna kuning dan merah. Pada daerah yang berwarna merah merupakan daerah dengan kualitas produk yang paling buruk. Analisa lebih detail dapat dilihat pada nilai-nilai yang tertera seperti gambar 4.12, 4.13 dan 4.14. Gambar 4.10. Perkiraan Pengisian Cavity Gambar 4.11. Perkiraan Kualitas Produk 29
Gambar 4.12. Hasil Detail Pada Daerah Hijau Gambar 4.13. Hasil Detail Pada Daerah Kuning Dari gambar 4.13 dan 4.14, terdapat keterangan yang menyebutkan bahwa shear stress melebihi batas yang direkomendasikan sehingga dapat mempengaruhi kualitas produk. Dari hasil analisa juga dapat terlihat kualitas pendinginan yang sangat baik, seperti pada gambar 4.15. Gambar 4.14. Hasil Detail Pada Daerah Merah Gambar 4.15. Kualitas Pendinginan Dari hasil analisa juga dapat diketahui optimal setting yang berkaitan dengan mold temperature, melt temperature, injection time, max. injection pressure, dan flow rate, seperti terlihat pada gambar 4.16. Gambar 4.16. Molding Window Result Dari hasil analisa optimal setting pada gambar 4.16, dapat digunakan untuk melakukan analisa lagi untuk memperoleh hasil yang lebih baik lagi dengan melakukan perubahan setting mengikuti data-data tersebut. 30
5. Kesimpulan Adapun kesimpulan yang diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut: Dengan menggunakan teknik simulasi dan visualisasi dapat memfasilitasi suatu design yang kompleks untuk mengetahui aliran fluida, injection time, injection pressure, pressure drop, estimated cycle time, air traps, weld line, confidence of fill, cooling quality, quality prediction, filling lamp force, sehingga dapat memprediksikan kemungkinan kegagalan dalam suatu desain yang dibuat. Dengan mengetahui data-data yang dihasilkan dari analisa maka akan dapat diperoleh suatu desain yang optimal. Daftar Pustaka American Foundrymen s Society, 2000, Basic Principles of Gating, American Foundrymen s Society, Inc., Illinois. American Foundry Society, 2001, Aluminum Permanent Mold Handbook, American Foundry Society, Illinois. Brown, S.G.R., J.A. Spittle, J.D. James, 2002, The Mold Filling and Solidification of a Complex Foundry Casting, http://www.tms.org/pubs/journals/jom/0201/brown/brown-0201.html Menges, Georg, Paul Mohren, 1992, How to Make Injection Molds, Hanser Publisher, Munich. Rosato, D.V., Donald V, Marlene G, 2000, Injection Molding Handbook, 3rd Ed., Kluwer Academic Publisher, Massachusetts. Strong, A. Brent, 2000, Plastics Materials and Processing, 2nd ed., Prentice Hall, New Jersey. Thomas, B.G., 2002, Casting Process Simulation and Visualitation: A JOM-e Perspective, http://www.tms.org/pubs/journals/jom/0201/thomas/thomas-0201-commentary.html 31