OPTIMASI CACAT SHRINKAGE PRODUK CHAMOMILE 120 ML PADA PROSES INJECTION MOLDING DENGAN METODE RESPON SURFACE Yuni Hermawan Jurusan Teknik Mesin -Fakultas Teknik - Universitas Jember Email: yunikaka@yahoo.co.id ABSTRAK Pada proses injection moulding sering terjadi cacat produk, seperti keretakan, penyusutan pada bagian-bagian tertentu, bentuk tidak sempurna, dimensi produk diluar dari toleransi yang ditentukan. Beberapa faktor yang menyebabkan terjadinya cacat produk adalah penempatan titik injeksi yang salah, adanya berbagai variasi ketebalan produk dan penyusutan yang tidak teratur pada saat pendinginan. Chamomile 120 ml adalah produk tutup botol yang dihasilkan PT. XYZ dengan metode injection molding. Produk ini selalu dipesan dalam jumlah yang besar, sehingga memiliki nilai ekonomis yang tinggi. Namun dalam proses produksinya produk ini masih banyak mengalami reject yang cukup merugikan. Hal ini disebabkan masalah penyusutan (shrinkage) yang terjadi selama proses produksi. Untuk itu diperlukan suatu penelitian untuk menentukan besarnya parameter proses injection molding agar dihasilkan yang shrinkage yang minimum. Parameter proses yang digunakan dalam penelitian ini adalah holding pressure, temperatur mold dan temperatur proses. Dalam penelitian ini metode analisa yang digunakan adalah Analisys of Variance (Anova) dan analisa permukaan respon ( Respon Surface) dengan pendekatan desirability the smallaer is better. Harga-harga kombinasi yang menghasikan respon cacat shrinkage dan cycle time yang optimal adalah holding pressure 56,5 bar, temperature mold 20 o C, temperature proses 245 o C. Besaran variabel tersebut akan menghasilkan cacat shrinkage sebesar 2,67 % dan cycle time sebesar 18,39 detik. Kata kunci: injection moulding, parameter proses, shrinkage dan respon surface. PENDAHULUAN FTC Chamomile 120 ml adalah produk tutup botol chamomile 120 ml yang dihasilkan PT. XYZ dengan metode injection molding. Produk ini selalu dipesan oleh PT. Unilever dalam jumlah yang besar, sehingga memiliki nilai ekonomis yang tinggi di PT. XYZ. Namun dalam proses produksinya produk ini masih banyak mengalami reject yang cukup merugikan. Hal ini disebabkan masalah penyusutan (shrinkage) yang terjadi selama proses produksi. Pada proses produksi FTC Chamomile 120 ml yang diproduksi dengan menggunakan mesin ARBURG 220 TON, produk yang dihasilkan masih terdapat cacat shrinkage yang cukup besar sehingga berpengaruh terhadap tingkat efisiensi bahan. Berdasarkan data survei di PT. Berlina Tbk, target produksi yang seharusnya dicapai oleh mesin ARBURG 220 TON adalah 91.000 perhari dengan setting cycle time 19,0 detik. Karena terdapat cacat shrinkage sebesar 4% pada hasil produksi, mesin ARBURG 220 TON hanya dapat memproduksi 87.360 perhari. Hal ini mengakibatkan bertambahnya ongkos produksi yang diakibatkan oleh kurang efisien material yang digunakan dan ongkos untuk memproses ulang produk yang cacat tersebut untuk digunakan dalam produksi lagi.
Pada permasalahan tersebut di atas perlu dilakukan penelitian sehingga hasil akhir yang diharapkan adalah memperoleh parameter-parameter yang optimal dan dapat meningkatkan produksi. Parameter yang diambil pada penelitian ini adalah temperatur mold, temperatur proses, holding pressure. Pemilihan parameter ini berdasarkan pada hasil penelitian Firdaus bersama Soejono Tjitro (2002) dan wawancara dengan operator mesin ARBURG 220 TON. Diantara parameter proses injection molding yang ada, parameter proses yang paling dominan pengaruhnya adalah parameter temperatur proses. PERALATAN PENELITIAN Bahan Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah polipropilen (PP) dengan komposisi 75 % bijih plastik murni, 25 % plastik afval (sisa pembentukan produk yang tidak ikut dalam konstruksi dasar produk maupun produk cacat yang kemudian digiling) Mesin Mesin injection molding tipe ARBURG 220 ton yang memproduksi tutup kemasan FTC Chamomile 120 ml dengan spesifikasi Tekanan injeksi maksimum: 220 ton Ukuran shot size : 50 mm Platen size : 28.6" X 28.6" Jumlah cavity : 16 buah Alat ukur Stop watch untuk mengukur kecepatan waktu siklus produksi pada mesin ARBURG 220 ton. DASAR TEORI Jenis jenis Plastik Plastik secara umum digolongkan menjadi 3 (tiga) macam, yaitu: thermoplastics, thermosetting dan elastomer. Termoplastik (Thermoplastics) merupakan jenis plastik yang akan melunak jika dipanaskan dan mengeras apabila didinginkan. Contoh bahan termoplastik antara lain: polietilen, polipropilen, dan PVC ( polivinyl Chlorida). Plastik thermosetting akan mengeras bila dipanaskan dan tidak dapat didaur ulang ( recycle). Contoh plastik thermosetting adalah: bakelit, silikon, epoxy dan lainlain. Jenis ketiga dari bahan plastik adalah elastomer. Elastomer berasal dari kata elastic dan mer. Jenis plastik ini mempunyai sifat seperti karet. Injection Molding Sebagaimana dijelaskan diatas bahwa injection molding merupakan salah satu cara yang dapat dilakukan dalam memproduksi komponen dari bahan plastik. Metode ini dapat membuat benda plastik yang mempunyai bentuk kompleks. Ukuran benda yang dapat dibuat juga bervariasi dari yang kecil sampai dengan yang besar. Hampir semua termoplastik dan beberapa termoset dapat diproses dengan injection molding. Mekanisme proses injection molding diawali dengan bahan baku yang ada di hopper turun untuk memasuki rongga ulir pada screw. Screw akan bergerak untuk membawa butiran plastik menuju barrel untuk melelehkan butiran plastik. Langkah berikutnya, cetakan ditutup dan screw didorong maju oleh piston untuk mendorong lelehan plastik dari screw chamber melalui nozzle masuk ke dalam cetakan. Lelehan A-35-2
plastik yang telah diinjeksi mengalami pengerasan karena energi panasnya diserap oleh dinding cetakan yang berpendingin air. Setelah proses pendinginan dan kekakuan produk cukup maka screw bergerak mundur untuk melakukan pengisian barrel. Pada saat itu, clamping unit akan bergerak untuk membuka cetakan. Produk dikeluarkan dengan ejector. Setelah itu, cetakan siap untuk diinjeksi kembali. Gambar 1 memperlihatkan mekanisme injection molding. Gambar 1. Bagian-bagian Mesin Injection Molding Parameter Proses Injection Molding Untuk memperoleh benda cetak dengan kualitas hasil yang optimal, perlu mengatur beberapa paramater yang mempengaruhi jalannya proses produksi tersebut. Parameter-parameter suatu proses tentu saja ada yang berperan sedikit dan adapula yang mempunyai peran signifikan dalam hasil produksi yang diinginkan. Biasanya orang perlu melakukan beberapa kali percobaan hingga ditemukan parameter-parameter apa saja yang cukup berpengaruh terhadap produk akhir benda cetak. Adapun parameter-parameter yang berpengaruh terhadap proses produksi plastik melalui metode injection molding adalah: a. Temperatur Leleh (Melt Temperature) Adalah batas temperatur dimana bahan plastik mulai meleleh kalau diberikan energi panas. Pada pelelehan plastik ini perlu diperhatikan jenis material plastik yang dilelehkan, karakteristik mesin cetakan, shot size (berat material dalam sekali injeksi) yang akan diekstrusikan. b. Waktu Tahan (Holding Time) Adalah waktu yang diukur dari saat temperatur leleh yang di-set telah tercapai hingga keseluruhan bahan plastik yang ada dalam tabung pemanas benar-benar telah meleleh semuanya. Hal ini dikarenakan sifat rambatan panas yang memerlukan waktu untuk merambat ke seluruh bagian yang ingin dipanaskan. Dikhawatirkan jika waktu tahan ini terlalu cepat maka sebagian bahan plastik dalam tabung pemanas belum meleleh semuanya, sehingga akan mempersulit jalannya aliran bahan plastik dari dalam nozzle. c. Tekanan Tahan (Holding Pressure) Adalah tekanan yang diperlukan untuk memberikan tekanan pada piston yang mendorong plastik yang telah leleh setelah proses injection pressure selesai. Pengaturan holding pressure bertujuan untuk meyakinkan bahwa bahan plastik telah benar-benar mengisi ke seluruh rongga cetak. Oleh karenanya holding pressure ini sangat tergantung dengan besar kecilnya dimensi cetakan ( mold). Makin besar ukuran cetakan makin lama dan besar penekan yang diperlukan. A-35-3
d. Temperatur Cetakan (Mold Temperature) Yaitu temperatur awal cetakan sebelum dituangi bahan plastik yang meleleh. Pengaturan temperatur ini melalui cairan yang dialirkan kedalam cetakan. Temperatur cairan dan temperatur permukaan mold akan terdapat perbedaan maka agar hasil produk lebih baik seharusnya kedua temperatur tersebut perlu untuk dikontrol. Pengaruh beberapa parameter proses injection molding terhadap cacat shrinkage pada bahan plastik diperlihatkan pada gambar 2 berikut: Gambar 2. Hubungan Cacat Shrinkage dengan Parameter Proses Proses Pembuatan Chamomile 120 ml Langkah-langkah dalam pembuatan Chamomile 120 ml dengan menggunakan mesin injection molding ARBURG 220 ton adalah sebagai berikut: a. Persiapan Material Dalam pembuatan Chamomile 120 ml ini menggunakan material polipropilen. Dengan campuran 75 % murni dan 25 % bahan afval atau regrind. Hal ini bertujuan untuk menghemat material. Material campuran ini kemudian dimasukkan ke dalam wadah khusus untuk material. Dari dalam wadah ini kemudian material disedot oleh mesin vacuum untuk dimasukkan ke dalam hopper apabila material dalam hopper ini habis. b. Proses Pelelehan Material yang berada dalam hopper ini secara berkelanjutan akan dimasukkan ke dalam barrel melalui putaran screw yang berada dalam barrel. Di dalam barrel material akan dipanaskan secara kontinyu melalui pemanas yang mengelilingi barrel. Screw di dalam barrel akan terus berputar memindahkan material leleh yang sudah homogen ke depan screw. c. Proses Pembentukan Produk Setelah material masuk kedalam mold, material akan mengalami pendinginan. Untuk memperkecil shrinkage maka diberi holding pressure. Setelah produk terbentuk kemudian mold terbuka dan produk dikeluarkan dengan ejector yang berada pada removable platen. Cacat Shrinkage Cacat penyusutan ( shrinkage) adalah perbedaan dimensi antara benda cetak dengan cetakan (lihat Gambar 4). Cacat penyusutan ini tergantung dari beberapa faktor yaitu: suhu dari material, jenis material, aliran material di dalam mold, faktor-faktor (parameter) cetakan, zat tambahan pada material. Cacat ini dapat dieliminir atau dikurangi dengan mendesain parameter proses secara tepat dan benar. Penyusutan material (shrinkage) dinyatakan dalam persen, sehingga jika dirumuskan: A-35-4
Gambar 3. Produk Chamomile 120 ml Gambar 4. Cacat Shrinkage DATA DAN ANALISA DATA Untuk menganalisa data percobaan digunakan metode analisa permukaaan respon ( Respon Surface). Dengan analisa permukaan respon tersebut dapat diketahui hubungan antara satu variabel respon (output) dengan sejumlah variabel faktor (input), serta mengoptimalkan respon tersebut dengan metode desirability. Hasil pengamatan terhadap cacat shrinkage dan cycle time untuk rancangan analisa permukaan respon dengan replikasi sebanyak enam kali setiap kombinasi level ditunjukkan pada Tabel 1. Rancangan percobaan yang digunakan dalam pengambilan data ini adalah Box-Behnken dengan k = 3. Tabel 1. Data Hasil Percobaan Parameter No. Holding pressure (bar) Temperature mold ( o C) Temperature proses ( o C) Shrinkage (%) 1 40 18 250 6 2 73 18 250 5 3 40 22 250 5 4 73 22 250 3 5 40 20 220 7 6 73 20 220 6 7 40 20 270 6 8 73 20 270 4 9 55 18 220 5 10 55 22 220 6 11 55 18 270 7 12 55 22 270 3 13 55 20 250 3 14 55 20 250 3 15 55 20 250 2 Analisis Data Cacat Shrinkage Analisa cacat shrinkage berdasarkan data dari Tabel 1 di atas. Dengan menganalisa nilai cacat shrinkage menggunakan metode analisa permukaan respon (Respon Surface) akan diketahui hubungan antara satu variabel respon dengan sejumlah variabel faktor yang dipilih, serta mengoptimalkan respon tersebut. Langkah-langkah yang dilakukan untuk menganalisis data cacat shrinkage tersebut adalah melakukan pembentukan model, pengujian kesesuaian model dan pengujian residual. Pembentukan model terdiri dari data yang diolah menggunakan software minitab 14 menghasilkan sebuah data yang biasa disebut dengan data estimated regression coefficients for shrinkage dan kemudian dibentuk sebuah model persamaan regresi untuk cacat shrinkage yang diperoleh dari pengolahan data menggunakan software minitab 14 tersebut. A-35-5
Langkah selanjutnya yaitu melakukan pengujian kesesuaian model. Pengujian kesesuaian model terdiri dari tiga pengujian antara lain uji lack of fit, uji parameter serentak, dan uji R 2. untuk langkah yang terakhir adalah pengujian residual. Pengujian residual ini terdiri dari tiga pengujian yaitu uji identik, uji independen, dan uji distribusi normal. Hasil dari pengolahan data dengan menggunakan software minitab 14 adalah nilai koefisien penduga. Nilai koefisien penduga yang didapat dimasukkan ke dalam persamaan penduga untuk model orde kedua. Persamaan penduga untuk model orde kedua adalah: Y = b0 + b1 X1 + b2 X2 + b3 X3 + b11 X1 2 + b22 X2 2 + b33 X3 2 + b12 X1 X2 + b13 X1 X3 + b23 X2 X3 Dimana: Xi = variabel bebas, i = 1,2,3,...,k b0 = konstanta bi = koefisien parameter model, i = 1,2,3,...,k Sedangkan nilai koefisien penduga model regresi cacat shrinkage disajikan pada Tabel 2 di bawah ini. Tabel 2 Koefisien Penduga Untuk shrinkage Koefisiensi-koefisiensi yang dihasilkan, dimasukkan pada persamaan model orde kedua sehingga menghasilkan persamaan regresi shrinkage sebagai berikut: Ŷshrinkage = 2,6667 0,75X1 0,75X2 0,5X3 + 1,2917X 2 1 + 0,7917 X22 + 1,7917 X3 2-1,25X2X3 Dimana: Ŷshrinkage = taksiran harga Shrinkage X1 = variabel holding pressure X2 = variabel temperature mold = variabel temperature proses X3 Gambar 5 sampai dengan gambar 10 dibawah ini menunjukkan hubungan respon yang berupa prosen cacat shrinkage yang terjadi dengan variabel-variabel proses yang berpengaruh yaitu holding pressure (X1), temperature mold (X2), temperatur proses (X3). Semua grafik tersebut menunjukkan suatu kurva minimum. Grafik tersebut merupakan hubungan antara respon dengan dua buah variabel bebas sedangkan variabel bebas yang satu lagi ditahan pada titik tengahnya. Untuk Gambar 5 dan 6 respon adalah fungsi dari X1 dan X2 dengan X3 konstan pada level tengah, Gambar 7 dan 8 respon adalah fungsi dari dari X1 dan X3 dengan X2 konstan pada level tengah sedangkan Gambar 9 dan 10 respon adalah fungsi dari X2 dan X3 dengan X1 konstan pada level tengah. A-35-6
Gambar 5 Contour Plot Holding Pressure dan Temperature Mold Terhadap Cacat Shrinkage pada Temperature Proses 250 o C Gambar 6 Surface Plot Holding Pressure dan Temperature Mold Terhadap Cacat Shrinkage pada Temperature Proses 250 o C Gambar 7 Contour Plot Holding Pressure dan Temperature Proses Terhadap Cacat Shrinkage pada Temperature Mold 22 o C Gambar 8 Surface Plot Holding Pressure dan Temperatur Proses Terhadap Cacat Shrinkage pada Temperature Mold 22 o C A-35-7
Gambar 9 Contour Plot Temperature Mold dan Temperature Proses Terhadap Cacat Shrinkage pada Holding Pressure 55 bar Gambar 10 Surface Plot Temperature Mold dan Temperature Proses Terhadap Cacat Shrinkage pada Holding Pressure 55 bar KESIMPULAN Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dan analisa data yang dengan menggunakan software minitab 14, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Pengaruh variabel-variabel proses yang dipilih terhadap respon adalah holding pressure, temperature mold dan temperatur proses mempunyai pengaruh yang cukup signifikan terhadap cacat shrinkage yang terjadi. Sedangkan variabel proses yang paling berpengaruh terhadap cacat shrinkage yang terjadi adalah holding pressure dan temperature mold. Besarnya cacat shrinkage berbanding terbalik dengan besarnya kedua variabel tersebut. 2. Harga-harga kombinasi yang menghasilkan respon cacat shrinkage yang optimal adalah holding pressure 56,5 bar, temperature mold 20 o C, temperature proses 245 o C. Besaran variabel tersebut akan menghasilkan cacat shrinkage sebesar 2,667 %. DAFTAR PUSTAKA [ Firdaus, & Tjitro. 2002. Studi Eksperimental Pengaruh Paramater Proses Pencetakan Bahan Plastik Terhadap Cacat Penyusutan (Shrinkage) pada Benda Cetak Pneumatics Holder http://puslit.petra.ac.id/journals/mechanical/ MES02040202.pdf (Desember 2008) http://www.google.co.id/search?hl=id&q=teori+pengembangan+produk&start=90&sa= Ndigilib.petra.ac.id/jiunkpe/s1/mesn/2005/jiunkpe-ns-s1-2005-24401055-6567- kursi_plastik-chapter2.pdf (17 Maret 2008) A-35-8
Iman Mujiarto.2005. Sifat dan Karakteristik Material Plastik dan Bahan Aditif. http://library.usu.ac.id/download/ft/ [ Desember 2008] Iriawan, Nur. 2006. Mengolah Data Statistik dengan Mudah Menggunakan Minitab 14. Yogyakarta: Andi Yogyakarta Montgomery, Douglas. C. 1997. Design and Analysis of Experiments. 5 th edition. New York: John Wiley & Sons Montgomery, D. C.,1990. Probabilita dan Statistik dalam Ilmu Rekayasa dan Manajemen. Jakarta Setyawan, Nawang. 2008. Penentuan Setting Parameter pada Proses Blow Molding Mesin AUTOMA PLUS AT2DS. Surabaya: Jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh Nopember Strong, A. Brent. 2000. Plastics Materials and Processing Second Edition. New Jersey: Pearson Education Surdia T, Saito S. 1991. Pengetahuan Bahan Teknik. Jakarta: Pradnya Paramita. Sudjana. 1994. Desain dan Analisis Eksperimen. Edisi III. Bandung: Tarsito A-35-9