Departemen Teknik Industri Universitas Sumatera Utara

Proses Manufaktur Sudu Turbin Gas dengan Pengecoran Presisi (Investment Casting)

Oleh:Munawir Rosyadi Siregar; Utami Bela Ningsih Harahap

Abstract........Utami Boru Tulang Parbekbek, hehehehe……

1. Pendahuluan

Sudu turbin gas pada mesin pesawat terbang

dan pembangkit tenaga listrik adalah suatu

komponen kompleks yang dimanufaktur

dengan geometri , sturktur dan toleransi

yang sangat presisi. Sudu turbin tekanan

tinggi digunakan pada bagian turbin gas

dengan suhu tertinggi bahkan memerlukan

suatu proses pendinginan (cooling)

terintegrasi. Sudu turbin adalah bagian yang

sangat penting dalam suatu turbin gas,

laksana suatu insang pada ikan.

2. Fungsi Sudu Turbin

Sebagaimana dikatakan di atas, sudu turbin

digunakan pada turbin gas yang digunakan

pada pendorong pesawat terbang dan system

pembangkit tenaga listrik di atas tanah (land

based power generation). Turbin terdiri dari

saluran masuk udara, kompresor, ruang

bakar, bagian turbin dengan tekanan tinggi

dan rendah, dan saluran buangan (exhaust).

Turbin gas beroperasi pada suatu prinsip

yang sederhana yaitu mengkonversikan

energy panas (heat) menjadi energy

mekanik dengan menyedot sejumlah udara

yang sangat besar, memampatkan sampai

tekanan yang tinggi, mencampurkan udara

termampatkan itu dengan bahan bakar

kemudian membakarnya. Yang kesemua

pekerjaan penekanan dan pengekspansian

dilakukan oleh sudu turbin.

3. Perancangan (Design) Sudu

Turbin

Sudu turbin dirancang dengan beberapa

banyak pertimbangan seperti geometri yang

aero-properties yang berhubungan sifat

fluida kerja: temperatur, tekanan, dan

kecepatan. Selain itu juga bergantung pada

pemilihan bahan yang tepat yang

dipengaruhi oleh beban yang bekerja seperti

puntiran (akibat putaran yang sangat tinggi).

Sehingga baik geometri, material dan

dimensi juga harus diperhitungkan dengan

sangat presisi.

Efisiensi termodinamik adalah suatu

parameter yang penting dalam mendesain

sudu-sudu turbin gas yang perancangannya

dengan beberapa parameter dan rumus-

rumus yang kompleks. Para engineering

designer berupaya untuk memaksimalkan

temperatur operasi pada turbin atau lebih

khusus lagi pada bagian turbin yang

bertekanan tinggi meskipun ada batasan-

batasan yang tergantung pada kekuatan

material. Turbin tersusun dari ratusan sudu

yang berputar dengan kecepatan yang sangat

tinggi. Selain itu, sudu turbin juga didesain

memiliki saluran pendingin internal (berupa

lubang-lubang); seperti tampak pada gambar

1 dan 2; yang menambah kepresisian

pembuatannya.

Gambar 1 Sebuah sudu turbin dengan beberapa

saluran pendingin

Tegangan operasi (puntiran dan

lelah/fatigue) dan temperature operasi juga

sangat tinggi yang berakibat mengurangi

umur kerja (life cycle) dari sudu.

Saat ini, para desainer telah berhasil

membuat sudu turbin dengan kinerja optimal

yang dilakukan melalui suatu eksperimen

yang kontinu, proses manufaktur yang tepat

dan penggunaan material yang tepat pula.

4. Bahan untuk Sudu Turbin

Pemilihan bahan untuk suatu komponen

mesin bergantung pada beban apa yang akan

ditanggung oleh bahan tersebut.

Sebagaimana dijelaskan di atas, sudu turbin

mengalami beberapa beban seperti: beban

lelah akibat puntiran jangka panjang, beban

temperatur dan tekanan yang sangat tinggi,

dll.

Sejumlah material logam campuran (alloys)

telah dikembangkan untuk penggunaan

tertentu seperti sudu turbin gas. Saat ini

material yang digunakan adalah palladium

alloys. Alloys tersebut bergantung pada

material logam tambahan seperti

molybdenum dan tungsten. Juga sejumlah

persen tambahan berupa platinum untuk

menambah sifat material yang lebih baik

lagi. Selain itu, pemilihan material juga

diperkirakan terhadap proses manufaktur

dan biaya (cost).

Dari beberapa eksperimen, palladium alloys

biasanya sangat cocok untuk kondisi

temperature di atas 1.075OC.

5. Proses Manufaktur Sudu Turbin

5.1 Pengecoran (Casting)

Secara umum pengecoran adalah proses

pembuatan suatu komponen dengan cara

mencairkan material logam dan

menuangkannya kedalam suatu cetakan

yang sesuai. Cetakan yang biasa digunakan

terbuat dari benda-benda tahan panas seperti

pasir dan keramik.

Proses pengecoran ada beberapa macam.

Namun dalam hal ini, kita akan membahas

proses pengecoran pada sudu turbin yaitu

pengecoran presisi (investment casting).

Dalam proses pengecoran ini pola dibuat

dari lilin yang dilapisi dengan bahan tahan

api untuk membuat cetakan, setelah

sebelumnya lilin tersebut mencair terlebih

dahulu dan dikeluarkan dari rongga cetakan.

Pola lilin dibuat dengan cetakan induk

(master die), dengan cara menuang atau

menginjeksikan lilin cair ke dalam cetakan

induk tersebut.

Gambar 2 Tahapan pengecoran presisi

Tahapan pengecoran presisi : (Gambar 2)

- Pola lilin dibuat

- Beberapa pola ditempelkan pada

saluran turun (sprue) membentuk

pohon bola

- Pohon pola dilapisi dengan lapisan

tipis bahan tahan api;

- Seluruh cetakan terbentuk dengan

menutup pola yang telah dilapisi

tersebut dengan bahan tahan api

sehingga menjadi kaku;

- Cetakan dipegang dalam posisi

terbalik, kemudian dipanaskan

sehingga lilin meleleh dan keluar

dari dalam cetakan;

- Cetakan dipanaskan kembali dalam

suhu tinggi, sehingga semua kotoran

terbuang dari cetakan dan semua

logam cair dapat masuk kedalam

bagianbagian yang rumit; disebut

proses preheating;

- Setelah logam cair dituangkan dan

membeku cetakan dipecahkan, dan

coran dilepaskan dari sprue-nya.

Pengecoran presisi dilakukan pada sudu

turbin dengan alasan sbb:

1. Dapat membuat coran dalam bentuk

yang rumit;

2. Ketelitian dimensi sangat baik

(toleransi ± 0.076 mm);

3. Permukaan hasil coran sangat baik;

4. Lilin dapat didaur ulang;

5. Tidak diperlukan pemesinan lanjut;

5.2 Pengecoran Presisi pada Sudu Turbin

Dengan segala kerumitan geometri dan

fungsi sudu turbin, maka sudu turbin juga

dimanufaktur dengan presisi. Pengecoran

adalah cara yang paling tepat untuk

memanufaktur sudu turbin. Pengecoran sudu

turbin dilakukan sbb:

1. Pengisi (core) berupa keramik

diletakkan sedemikian rupa ke dalam

pola cetakan untuk nantinya menjadi

bagian saluran pendingin pada sudu.

2. Wax (lapisan lilin) dimasukkan

kedalam cetakan untuk

menghasilkan bentuk awal sudu.

Gambar 3 Skema dari suatu bidang potongan pada cetakan menunjukkan keramik pengisi

(cores) di lapisan lilin (wax) dan cetakan cangkang keramik

3. Kemudian posisi core dipresisikan

dengan menancapkan suatu kawat

penahan (pinning wire) pada lapisan

lilin.

4. Selanjutnya bentuk awal tersebut

dilapisi dengan beberapa lapisan

keramik sehingga dengan pasti

membentuk lapisan yang tebal

disekitar bentuk awal (pre-form)

yang didalamnya ada penahan

(pinning wire).

5. Kemudian, hasil rakitan tersebut

dipanaskan untuk melelehkan dan

mengeluarkan lapisan lilin kemudian

dibakar untuk menguatkan keramik.

Hasilnya adalah suatu cetakan

cangkang (shell) dari keramik yang

berisi beberapa pola core untuk

saluran pendingin yang posisinya

disesuaikan oleh beberapa kawat

penahan yang tertancap pada

cangkang.

6. Terakhir, cetakan dipanaskan awal

(preheat) untuk digunakan dalam

pengecoran sudu turbin dengan

menuangkan material logam yang

telah dicairkan.

Hasil dari cetakan tampak seperti gambar 4

dibawah ini. Adapun lubang-lubang

tambahan pada blade dapat dibuat dengan

pengeboran (drilling).

6. Kesimpulan:

Sudu turbin dirancang sesuai kebutuhan

yang sangat kompleks. Bentuk, ukuran dan

fungsi juga sangat rumit sehingga

dibutuhkan proses manufaktur yang rumit

pula. Proses manufaktur yang sesuai adalah

dengan pengecoran presisi (investment

casting) atau sering juga disebut less wax

casting.

Daftar Pustaka

D.C. Power, Palladium Alloy pinning Wires for Gas Turbine Blade Investment Casting, Johnson Matthey Noble Metals, Royston Mikell P. Groover , Fundamentals of Modern Maufacturing

Gambar 4 Sudu turbin gas sebagai hasil pengecoran presisi (investment casting)