Molding

Molding adalah suatu proses untuk mencetak atau membentuk bahan mentah yang sifatnya lunak dengan menggunakan cetakan atau model yang terbuat dari rangka kaku yang disebut mold.  Sebuah mold adalah cetakan yang memiliki rongga di dalamnya yang kemudian akan diisi dengan bahan mentah yang akan dicetak tadi.  Bahan mentah tersebut berupa cairan, baik cairan plastic, gelas, logam, ataupun keramik. Bahan mentah yang berupa cairan tadi kemudian akan mengeras di dalam mold dan pada akhirnya akan mengikuti bentuk yang ada pada cetakan itu tadi.  Setelah bahan mentah tadi mengeras dan telah menjadi suatu barang jadi, langkah selanjutnya yang dilakukan adalah mengeluarkannya dari cetakan.  Biasanya untuk memudahkan pengeluaran barang jadi dari cetakan, digunakan suatu bahan lain yang disebut release agent.

Molding dewasa ini menjadi suatu hal yang sangat penting bagi suatu industry manufaktur, terutama yang berhubungan dengan produksi barang-barang yang menggunakan proses pencetakan seperti industry otomotif yang memproses pencetakan bodi untuk kendaraannya.  Perusahaan manufaktur tersebut harus mengetahui seluk beluk mengenai molding agar proses pencetakan berjalan dengan baik dan jumlah defect yang dihasilkan juga semakin kecil sehingga pada akhirnya akan meningkatkan produktivitas perusahaan.

Dalam paper ini, akan dijelaskan dua macam proses molding yang banyak digunakan pada industry manufaktur saat ini, yaitu injection molding dan blow molding.  Dalam menjelaskan berbagai macam karakteristik dari proses molding yang telah disebutkan sebelumnya, penulis berorientasi pada jurnal internasional yang telah diperoleh.  Untuk injection molding, penulis menggunakan jurnal berjudul Characterization of Powder Injection Molding yang ditulis oleh Z.Y. Liu , N.H Loh, S.B Tor dan K.A Khor dari jurusan teknik mesin Nanyang Tecnological University .  Sedangkan untuk proses blow molding, penulis menggunakan referensi yang berjudul Multiaspect Analyzes of Blow Molding Process yang ditulis oleh K. Szczepanski, D.  Kwiatkowski dan J. Koszkul dari departemen proses polimer dan manajemen produksi Technical University of Czestochowa

I.                   Powder Injection Molding

Injection molding adalah suatu teknik yang digunakan untuk menciptakan suatu jarak yang lebar dari benda seperti bagiaan-bagian pada pipa ledeng, barang-barang perlengkapan mandi, gagang sikat gigi, mainan bahkan dashboard pada mobil.  Material yang digunakan pada injection molding bervariasi, akan tetapi sringkali melibatkan plastic atau polimer sintetik yang dapat dicetak dengan mudah. 

Injection molding memiliki berbagai keunggulan dibandingkan dengan proses molding yang lain.  Keunggulan itu antara lain adalah sebagai berikut : (1) biaya marginal yang rendah untuk setiap benda yang dicetak, (2) variabilitas dari bahan yang digunakan, (3) efisiensi proses yang bagus, (4)produk yang dicetak memiliki keakuratan yang bagus.

Sekarang kita masuk ke bagian Powder Injection molding (PIM).  Powder Injection Molding adalah teknik yang efektif untuk memproduksi barang yang kecil, kompleks, dan part yang presisi pada volume yang tinggi.  PIM terdiri dari empat proses utama , yaitu mixing, injection molding, debinding dan sintering. 

Pada tahap mixing, bubuk (dalam hal ini yang digunakan adalah bubuk M2 High Speed Steel 91% dan PAN250 Polymer binder 9%) dicampur dengan sebuah bahan pengikat  dengan persentase volume dari bahan pengikat mencapai 30-50 % dari total volume untuk membentuk bahan baku yang homogen.  Bahan pengikat dalam hal ini menjadi penting karena bahan inilah yang memberikan formability dan flowability yang sangat dibutuhkan saan proses molding.  Setelah proses molding, bahan pengikat tadi menahan partikel agar tetap pada tempatnya.  Bahan pengikat itu akan dihilangkan pada tahap pelepasan ikatan.  Macam-macam metode untuk melepas ikatan digunakan, sperti dekomposisi termal dan solvent debinding.  Part yang telah dilepaskan dari bahan pengikat  kemudian masuk ke tahap sintering.  Pada tahap ini, sifat-sifat mekanis yang dibutuhkan oleh produk akan dibentuk. Kualitas dari bahan baku akan mempengaruhi produk yang telah melewati proses molding dan sintering.  Setelah part dicetak menjadi bentuk yang diinginkan, ada sesutau yang harus dilakukan untuk menghilangkan defect yang disebabkan oleh bahan baku yang tidak homogen. 

Walaupun Powder Injection Molding memiliki banyak keunggulan, proses ini membutuhkan prosedur trial and error yang luas untuk menentukan kondisi molding yang ideal.  Defect seperti voids, sink marks, weld lines, dan sebagainya dapat terjadi jika parameter molding dan sifat-sifat peralatan tidak terspesifikasi secara benar.

Sifat-sifat dan Karakteristik Powder Injection Molding

a.       Modulus Young

Modulus Young dari bahan baku yang digunakan mempengaruhi proses molding dan penyimpangan pada part.  Nilai dari modulus disini bergantung pada komposisi bahan pengikat dan pemuatan bubuk.  Dibawah ini adalah grafik stress-strain yang dihasilkan pada proses PIM

gambar 1

Dari grafik dan tabel diatas, dapat kita ketahui bahwa rata-rata modulus young adalah 0.82 GPa, ini lebih rendah daripada baja yang rata-rata modulus youngnya berkisar antara 190-210 GPa.  Nilai Ultimate Tensile stress juga tergolong rendah, yakni 4.00 MPa, menunjukkan bahwa produk ini bersifat getas (brittle).  Sedangkan nilai yield strees memiliki rata-rata 3.53MPa, ini juga jauh lebih rendah daripada baja yang memliki rata-rata mencapai 200-2000 MPa.

b.      Rasio Poisson

Rasio Poisson dapat diartikan sebagai nilai rasio absolut dari  regangan pada arah lateral terhadap arah aksial.  Dalam hal ini, rasio poisson yang dihasilkan oleh PIM berkisar antara 0.37-0.42.

c.       In-Plane Shear Modulus

In plane shear modulus adalah rasio perbandingan antara tegangan geser dengan regangan geser.  In plane shear modulus dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut ini

Dimana G adalah in plane shear modulus, τ adalah tegangan geser , γ adalah regangan geser, E adalah modulus young dan v adalah rasio poisson.

Untuk bahan baku, rata-rata modulus youngnya adalah 0.82 GPa dan rata-rata v adalah 0.40, sehingga besarnya in-plane shear modulus adalah 0.29 GPa.  Tabel dua juga menunjukkan bahwa sifat-sifat mekanis dari bahan menyerupai sifat-sifat pada polimer.

                        Sifat-sifat termal

a.       Koefisien expansi termal dan titik pelunakan

Koefsisien ekaspansi termal adalah ukuran dari besarnya pemanjangan pada material ketika temperature naik 1^o C. sedangkan titik pelunakan adalah temperature dimana bahan baku melunak dengan cepat.

 

grafik diatas menunjukkan peningkatan titik penyelidikan pada awal percobaan.  Hal ini dikarenakan ekapansi dari specimen padat. Koefisien ekspansi termal dapat diperoleh dengan mencari nilai gradient dari kurva diantara suhu 20 sampai 40^oC.  ketika specimen dipanaskan hingga suhu 49,5^oC, kurva tiba-tiba turun dengan tajam, menunjukkan bhwa disitu terjadi pelunakan.  Dengan menarik titik potong diantara dua gradien di titik maksimum, makan diperolah titik pelunakan. Tabel dibawah ini menunjukkan hasil percobaannya

Dari tabel diatas, dapat dismpulkan bahwa nilai koefisien ekspansi termal masih berada di dalam jangkauan koefisien ekspansi termal polimer.

b.      Temperature transisi

Temperature transisi dari bahan baku yang diproses adalah temperature dimana penyerapan panas oleh bahan baku mencapai titik maksimum.  Grafik dibawah ini akan menunjukkan temperature transisi dari bahan baku

Pada grafik diatas, aliran panas mencapai puncaknya pada suhu 54.17 dan 91.64^oC selama proses pemanasan.  Mengindikasikan titik lebur dari komponen bahan pengikat.  Titik rekristalisasi terendah adalah 32.82 ^oC.  proses mixing dan molding harus sudah selesai pada temperature yang lebih tinggi dibandingkan titik lebur dari bahan pengikat yaitu 91.64 ^oC.  sedangakan temperature untuk proses molding harus berada dibawah 32.82 ^oC untuk mencegah part yang telah di-molding melekat dengan rongga pada cetakan.

c.       Kapasitas panas spesifik

Kapasitas panas dari bahan baku menentukan jumlah panas yang dapat disimpan pada bahan baku selama proses pemanasan.  Kapasitas panas yang rendah menyebabkan penurunan yang lebih cepat selama molding dan mempercepat proses pengerasan.  Grafik dibawah ini menunjukkan kurva kapasitas panas spesifik dai bahan baku.

                                   

Tabel dibawh ini menunjukkan rata-rata kapasitas dari part yang di-molding

d.      Konduktivitas termal

Konduktivitas termal adalah ukuran tingkat dimana panas dapat mengalir melalui material.  Daripercobaan,diperoleh nilai konduktivitas termal bahan baku adalah 1.375 W/m ^oC.

Tabel dibawah ini menunjukkan ringkasan dari sifat-sifat termal dari bahan baku bersama dengan sifat-sifat termal dari polimer dan baja.

Dari tabel diatas, dapat kitalihat bahwa selain kapasitas panas, semua sifat termal dari bahan baku mendekati bentuk polimer.

II.                Blow Molding

Blow molding adalah proses manufaktur plastik untuk membuat produk-produk berongga (botol) dimana parison yang dihasilkan dari proses ekstrusi dikembangkan dalam cetakan oleh tekanan gas. Pada dasarnya blow molding adalah pengembangan dari proses ekstrusi pipa dengan penambahan mekanisme cetakan dan peniupan.Proses ini memiliki dua tahap, yang pertama adalah proses extrusion yang berkelanjutan dan menghasilkan barang setengah jadi. Tahap kedua adalah adalah proses blowing yang berlangsung dalam sebuah siklus dan menghasilkan barang jadi. Kedua proses diatas dapat dilihat pada bagan dibawah ini.

Proses-proses yang terjadi pada blow moulding :

§  Parison diekstrusi dari atas ke bawah di antara rongga cetakan (mold)

§  Cetakan menutup sehingga parison terjepit oleh cetakan

§  Parison dikembangkan oleh gas bertekanan tinggi sehingga terdorong ke dinding cetakan dan terbentuk sesuai dengan bentuk rongga cetakan

§  Produk didinginkan dan dikeluarkan dari cetakan

            Pada nantinya, kadang akan terbentuk  efek-efek yang tidak dapat dikontorl seperti Efek Barus dan efek Weissenbrg. Kedua kejadian tersebut dapat terjadi tergantung viskositas dari bahan plastik dan parameter proses yang terjadi. Sehingga dapat mempengaruhi kualtas produk yang dihasilkan.

Jenis-jenis dari blow molding

1. Extrusion blow molding

            Extrusion blow molding merupakan tipe blow molding yang paling umum dan sederhana. Material plastik yang berasal dari bijih plastik yang dilelehkan di masukkan ke dalam tabung cetakan. Kemudian dari atas tabung, ditiupkan udara bertekanan kedalam material plastik seperti meniup balon. Sehingga material plastik akan mengikuti bentuk tabung cetakan, setelah material menjadi dingin. Maka tabung cetakan dilepas dan terbentuklah sebuah produk plastik berongga.

Extrusin blow molding biasanya digunakan pada botol shampo, pipa, dan barang-barang industri lainnya seperti drum.

Material  yang digunakan adalah : HDPE, LDPE, PP, PVC, BAREX®, P.E.T., K Resin, P.E.T.G., and Polycarbonate.

2. Injection blow molding

            Injection blow molding merupakan sebuah proses gabungan antara injection dan blow. Ada 3 tahap dalam proses ini :

a. Tahap pertama adalah, material lelehan plastik dimasukkan kedalam cetakan.

b.Tahap kedua  Cetakan tersebut menghasilkan sebuah parison yang  memiliki sebuah inti.

c. Tahap ketiga, parison yang telah memiliki inti tersebut dipindahkan ke cetakan berikutnya.   Kemudian ditiupkan udara bertekanan menjadi bentuk yang diinginkan.

Material yang digunakan adalah HDPE, LDPE, PP, PVC, BAREX®, P.E.T., and Polycarbonate.

3. Stretch Blow Molding

            Stretch blow molding pada umumnya digunakan untuk membuat botol P.E.T yang digunakan untuk air dalam kemasan. Proses yang digunakan dallam strecth blow molding adalah sebagai berikut :

a. Material lelehan plastik dimasukkan kedalam cetakan parison.

b. Parison yang masih lunak kemudian di stretch menjadi 2 kali lebih panjang.

c. Parison yang telah dua kali lebih panjang tersebut kemudian ditiupkan udara bertekanan menjadi bentuk yang diinginkan

Efek Barus

            Efek Barus merupakan salah satu fenomena yang kemungkinan akan terjadi saat proses blow moulding. Sehingga diperlukan cara untuk mengidentifikasi munculnya efek barus ini. Salah satu cara mengidentifikasinya adalah dengan melihat ukuran dari penyemprot extrusion. Semakin kecil ukuran penyemprot extrusion, maka semakin besar pula efek barus yang dihasilkan. Hal ini disebabkan karena dalam posisi volume yang tidak berubah, shear rate dari aliran polimer  yang melewati saluran extrusion meningkat. Konsekuensinya adalah meningkatnya derajat viskositas dan pada akhirnya menyebabkan meningkatnya nilai dari efek barus.