Abrianto AkuanPerancangan Pola dan Sistim Saluran Page 1 of 36PERANCANGAN POLA DAN SISTIMSALURAN2009Abrianto AkuanPerancangan Pola dan Sistim Saluran Page 2 of 361. Desain PengecoranDalamperencanaan suatu produk, perancangan dan desain yang baik sangatdiperlukan untuk menghasilkan suatu produk yang memiliki kualitas yang dapatmemenuhi standar danspesifikasi produk yangdiinginkan. Pada aplikasinya, desainprodukadalahsuatufaktorpenentuyang sangatsignificant,kurangsempurnanya suatuhasil produksi dapat disebabkan oleh desain yang kurang memenuhi spesifikasiperancangannya. Namun dengan adanya perancangan dan desain maka kekurangan yangterdapat pada suatu produk akan dapat disimulasikan dan dianalisa hingga dapatdimodifikasi dari gambar atau desain dari produk tersebut sebelum produk diproses.Semuaproses manufaktur diawali dari suatuperancanganataudesainproduk.TermasukProsespengecoranyangmemiliki beberapatahapandalamperencangandandesain produknya, karena ada beberapa komponen pengecoran yang memilikiperancangandengankarakter berbedayaitu; desainprodukcor, desainsistemsaluran(gating system), dan desain pola (pattern). Ketiga desain pengecoran ini memilikikarakter berbeda seperti untuk pola sangat memerlukan ketelitian dan pengalaman yangcukupuntukdapat mendesaindanmembuatnya, karenaadaperbedaanukuranantaraukuran produk yang sebenarnya dan ukuran pola yang harus dibuat karena adanyaexpansidanpenyusutanpada saatprosespengecoranlogamberlangsung. Dibawahiniakandibahas beberapa faktor danparameter pentingdalamperencanaandandesainproduk cor, desain sistem saluran, dan desain pola.1.1Desain Produk CorDesain produk cor dapatdigambarkan secara umum sebagaidesainproduk ataudesainelemenmesinlainya. Dimensi danspesifikasi produkharussangatdiperhatikandalam perencanaan produk pengecoran ini, karena pada saat digunakan produk pasti akanmengalami beban kerja mekanik seperti beban tarik, tekuk, tekan, puntir dan beban kerjalainya. Faktor lingkungan kerja juga perlu diperhatikan dalamsuatu desain produk,contohnya faktor lingkungan kerja dengan temperatur tinggi, tekanan tinggi, danlingkungankorosif akandijadikanparameter dalamdesainproduktersebut agar tidakterjadi kegagalan dalam aplikasi produk yang bekerja di lingkungan tersebut.Sifat-sifat material yang akan diproses pengecoran juga harus diperhatikan karenasifat material baik fisik, mekanik dan kimia memiliki bagian pentingdalamdesainproduk. Selain itu jika produk akan digunakan langsung dan kontak dengan bagian tubuhmanusiamakafaktor ergonomi, kenyamanandankeamananharusdiperhatikanselainAbrianto AkuanPerancangan Pola dan Sistim Saluran Page 3 of 36faktor teknis. Untuk itu antropometri juga merupakan faktor penting dalamdesainproduk.Dimensi suatu produk harus memenuhi spesifikasi produk, untuk itu dalam desainproduk cor juga memerlukan alat ukur dan analisa metrologi untuk dapat menghasilkansuatu produk dengan dimensi yang tepat. Untuk itu alat ukur yang digunakan harus sesuaidengankebutuhan, semakindibutuhkankeakurasiandankepresisianprodukmakaalatukur yang digunakan harus memiliki resolusi yang tinggi. Contoh alat ukur yangsederhanaadalahscuifmaat, micrometerskrup, alatukursudut, dial gaugedanmistar.Sedangkanuntukalatukuryangmemilikikemampuanresolusi tinggisepertialatukurdengan sistem komputer Coordinate Measuring Machine (CMM).1.2Desain Gating SystemPerencanaan pembuatan suatu sistemsaluran (gating system) dalamprosespengecoransangat diperlukankarenauntukmenghasilkansuatuprodukcor yangbaikdiawali dari proses desain sistem saluran yang baik agar persentasi terjadinya cacat padaproduk cor dapat berkurang. Beberapa bagian penting dalam desain sistem saluran adalahriser, runner, ingate, sprue, dan cawan tuang (pouring basin). Namun secara prinsip adaperbedaan mendasar antara gatting dan risering dimana kedua sistem ini memiliki tujuanyangberbeda, gattingbertujuanuntukmengatur aliranlogamcair agar dapat mengisirongga(cavity)denganbaikdanuntukmenyaringagarslagtidakikut masukkedalamronggaprodukcortersebut. Sedangkanriserberfungsi untukmenjagaprodukcordaricacatakibatperubahanvolumekarenaadanyaprosespendinginandanpembekuandarilogam cair.Gambar.1Desain sistem saluran terdiri dari Pouring cup, sprue, runner,dan ingate danposisinya dalam suatu cetakan.Abrianto AkuanPerancangan Pola dan Sistim Saluran Page 4 of 361.2.1 Sistem Saluran (Gating System)Untuk membuat suatusistem saluranyang baikmaka ada beberapa perhitunganyangsesuai denganhukumalamseperti persamaanBernoulli, hukumenergi kinetik,potensial dan tekanan, teorema Torricelli, hukum Pascal, hukum Stokes dan lain-lain.Beberapa acuan diatas harus diperhatikan dengan baik agar dalam desain sistemsaluran yang akan dibuat dapat menghasilkan suatu sistem saluran yang dapatmenghasilkanprodukcoryangbaik. Berikutiniadalahbeberaparumuspentingdalampembuatan sistem saluran:1. Persamaan Bernoulli (ahli matematik Swiss)gvigvi2 222 2221 11+ + = + +pp. (1.1)dimana : = massa tekanan (kg/m2) = massa jenis (kg/m3)v = kecepatan (m/sec)g = gravitasi (m/sec2)i = jarak bidang acuan (m)persamaanBernoulli di dasari dari beberapapersamaanenergi yangterlibatdalamprosespenuanganlogamcairkedalamcetakanpengecoranseperti dibawah ini.2. Hukum energi potensial, tekanan dan kinetiki Ep = ............................................................................... (1.2)persamaanenergipotensialinidirepresentasikandarisatuanvolumelogamcair di tempat tertentu yang memiliki jarak i di atas bidang acuan dandinyatakan dalam meter.p=ptE ........................................................................... (1.3)persamaan ini direpresentasikan oleh tekanan yang bekerja pada satuanvolumelogamcair. Kandunganenergi yangadadipengaruhi olehgrafitasispesifik atau densitasnya dalam bentuk persamaan seperti diatas.gvEk22= ......................................................................... (1.4)persamaanini direpresentasikanolehmomentumsatusatuanvolumelogamcair yang bergerak dengan kecepatan tertentu.Abrianto AkuanPerancangan Pola dan Sistim Saluran Page 5 of 363. Teorema Torricelli (ahli fisika Itali)gvhx22= dan menjadi ........ (1.5)gh vx2 = ........................................................................ (1.6)dimana vxadalah kecepatan keluaran dari suatu dasar sistem.Gambar. 2 Aplikasi teorema Torricelli pada proses pouring.Hingga persamaan tersebut menjadi :2 02 H g v = (1.7)Laju pengisian yang terjadi menjadi :A H g A v R . 2 .2 0 0 0= = .. (1.8)Pada keadaan stedy state dengan gating penuh, H2 = konstan.2 320 22 2 3 2 2 2 0. 2 .H HHA AA H H g A v R R = = = (1.9)4. Hukum Pascal (ahli matematik Perancis)ha- + = p p ...................................................................... (1.10)dimana: = tekanan pada setiap bidang datar (N/m2)a = tekanan atmosfir (N/m2) = densitas (N/m2)h = jarak vertikal (m)5. Hukum Stokes (ilmuan Inggris)g r v - -- =2 1 292n ......................................................... (1.11)Abrianto AkuanPerancangan Pola dan Sistim Saluran Page 6 of 36dimana; v = kecepatan apung (cm/s)1= specific gravity besi cair = 0.007 (g/cm3)2= specific gravity objek apung (g/cm3) = viskositas besi cair = 0.024 dyne.s / cm2g = kecepatan gravitasi = 981 cm/s2r = radius partikel bulat (cm)(semua satuan dalam sistem cgs)Selain memperhatikan dari perhitungan-perhitungan dasar tentang sifat aliranlogamyangmengikuti hukum-hukumdasarenergi makadesainsistemsalurandenganperencanaan dan perhitungan yang tepat harus diaplikasikan untuk mengindari kesalahanyangakanmenyebabkanprodukgagal.Halpenting laindalamdesainpengecoranjugayaitu data-data desain yang didapatkan dari pengalaman pengecoran yang telah dilakukanselama kurun waktu tertentu dan juga dari data yang ada pada standar pengecoran yangtelah ada.Bentuk sistem saluran yang sering digunakan ada berbagai macam dan bentuknyakarena harus beradaptasi dengan bentuk produk cor yang akan dihasilkan. Bentuk-bentuksistemsaluranituantaralainstepingate, wedgeingate, branch/finger ingate, pencilingate, bottomingate, wheel ingate, horningate, whirl ingate, horseshoeingate, topingate, singleingate, saxophoneingate, connoringate, dankeyingate. Untukprodukyangmemilikidimensi tidakterlalubesardandiproduksi dalamjumlahbanyakmakasistem saluran yang sering digunakan adalah sistem saluran tipe finger ingate atau saluranbercabang.Gambar. 3Branch/finger ingate (saluran bercabang).Sistimsalurandapat didefinisikansecara sederhanasebagai suatubagianuntukmengalirnya logam cair mengisi rongga cetakan. Bagian-bagiannya meliputi cawan tuang(pouringbasin), saluranturun(sprue), saluranpengalir (runner), dansaluranmasukAbrianto AkuanPerancangan Pola dan Sistim Saluran(ingate). Sistemsaluranyangidealharusmemenuhikriteriaseperti;mengurangicacat,menghindari penyusutan dankarakteristik sistim saluran yaitua. Dapat mengurangi terjadinyaturbulensiTurbulensi akan menyebabkan terjebaknya gaslogam cair yang dapatb. Mengurangi masuknya gasc. Mengurangi kecepatanlogamcair yangmengalir kedalamcetakan, sehinggatidakterjadi erosi pada cetakan.d. Mempercepat pengisian logam cair kedalam rongga cetak untuk menghindaripembekuan dini.e. Mengakomodir pembekuan tef. Gradientemperatur yangterjadi saat masuknyalogamcair kedalamcetakanharussama baiknya dengan gradien temperatur pada permukaan cetakan sehinggapembekuan dapat diarahkan menujuPerancangan Pola dan Sistim SaluranSistemsaluranyangidealharusmemenuhikriteriaseperti;mengurangicacat,menghindari penyusutan dan dapat mengurangi biaya produksi, berikut adalah uraian darirakteristik sistim saluran yaitu:engurangi terjadinyaturbulensi aliranlogamcairkedalamTurbulensi akan menyebabkan terjebaknya gas-gas/udara atau kotoranmenghasilkan cacat coran.masuknya gas-gas kedalam logam cair.Mengurangi kecepatanlogamcair yangmengalir kedalamcetakan, sehinggatidakterjadi erosi pada cetakan.Mempercepat pengisian logam cair kedalam rongga cetak untuk menghindariMengakomodir pembekuan terarah (directional solidification) pada produk coran.Gradientemperatur yangterjadi saat masuknyalogamcair kedalamcetakanharussama baiknya dengan gradien temperatur pada permukaan cetakan sehinggapembekuan dapat diarahkan menuju riser.Perancangan Pola dan Sistim Saluran Page 7 of 36Sistemsaluranyangidealharusmemenuhikriteriaseperti;mengurangicacat,, berikut adalah uraian darikedalamronggacetakan.atau kotoran (slag) didalamMengurangi kecepatanlogamcair yangmengalir kedalamcetakan, sehinggatidakMempercepat pengisian logam cair kedalam rongga cetak untuk menghindaripada produk coran.Gradientemperatur yangterjadi saat masuknyalogamcair kedalamcetakanharussama baiknya dengan gradien temperatur pada permukaan cetakan sehinggaAbrianto AkuanPerancangan Pola dan Sistim SaluranMake a cavityBerikut ini ditunjukkan jenisPerancangan Pola dan Sistim Salurant ini ditunjukkan jenis-jenis dari sistim saluran:Perancangan Pola dan Sistim Saluran Page 8 of 36Abrianto AkuanPerancangan Pola dan Sistim SaluranSistim saluran terdiri atas:- Saluran masuk (ingate- Saluran pengalir (runner)- Saluran turun (sprue)Penentuan coran dalam sistem Tempatkan dimensi coran yang besar pada bagian bawah. Minimalkan tinggi dari coran. Tempatkan daerah terbuka dibagian bawah. Tempatkan coran sedemikiancoran untuk bagian yang besar.Jika akan dibuat terpisah (cope and drag) Umumnya runner, Tempatkan bidang pisah Tempatkan bidang pisahpada bagian dimana coran mempunyai luas permukaanterbesar.Perancangan Pola dan Sistim SaluranSistim saluran terdiri atas:ingate).(runner).(sprue).Penentuan coran dalam sistem saluran:Tempatkan dimensi coran yang besar pada bagian bawah.tinggi dari coran.Tempatkan daerah terbuka dibagian bawah.Tempatkan coran sedemikian rupa hingga riser berada pada tempat tertinggi daricoran untuk bagian yang besar.(cope and drag):, ingate dan sprue ditempatkan pada drag.Tempatkan bidang pisah (parting plane) relatif serendah mungkin terhadap coran.Tempatkan bidang pisahpada bagian dimana coran mempunyai luas permukaanPerancangan Pola dan Sistim Saluran Page 9 of 36riser berada pada tempat tertinggi darirelatif serendah mungkin terhadap coran.Tempatkan bidang pisahpada bagian dimana coran mempunyai luas permukaanAbrianto AkuanPerancangan Pola dan Sistim Saluran Page 10 of 36Penentuan coran dalam sistem: Tempatkan dimensi coran yang besar pada bagian bawah. Minimalkan tinggi dari coran. Tempatkan daerah terbuka dibagian bawah. Tempatkancoransedemikianagarriserberadapadatempattertinggidaricoranuntuk bagian yang besar.Jika akan dibuat terpisah (cope and drag): Umumnya runner, ingate dan sprue ditempatkan pada drag. Tempatkan bidang pisah (parting plane) relatif serendah mungkin terhadap coran. Tempatkan bidang pisahpada bagian dimana coran mempunyai luas permukaanterbesar.Padaprinsipnyaperhitungangatingsystemdilakukandenganmembagi seluruhcoran menjadi beberapa bagian. Setiap bagian mempunyai waktu tuang optimumberdasarkan luas sprue, runner, dan luas masing-masing ingate. Luas total dari sprue danrunnermerupakanpenjumlahandari setiapbagianberdasarkanbentuklayout gatingsystem.Langkah-langkah dalam penentuan lay out gating system adalah sebagai berikut:1. Mencari nilai modul yang signifikan, jika nilai modul dibawah 0,4 cm, maka tidakperlumenggunakanriser. Modul adalahperbandinganantaravolumedenganluaspermukaan yang mengalami pendinginanM = V/ S= Volume / cooling surface area2. Menghitung pebandingan gating ratio3. Menghitung berat coran dan total waktu penuangan.Total waktu penuangan, detikt = x (Wp)1/2GambarGambar. 2Abrianto AkuanPerancangan Pola dan Sistim Saluran Page 11 of 36Wp=Perkiraan berat tuangan =Konstanta, untuk Wp 100 kg =2,0-2,5untuk100 kg