## MAKSIMUM TEGANGAN THERMAL PADA PROSES PENCELUPAN CERAMIC STALK DI LOW PRESSURE DIE CASTING MACHINE
Hendra
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Bengkulu Email : mpe2_boy@yahoo.com

## Abstract
Low pressure die casting is process to make the axi-simmetric product such as cylinder head, piston, brake drum and etc. The process is injected the molten metal with high speeds and pressure into  a  metallic  die.  The  low  pressure  die  casting  process  has  some  advantages  as  a  low-cost  and high-efficiency precision forming technique. The low pressure die casting having the permanent die and filling systems are placed over the furnace containing the molten alloy. The filling of the cavity is obtained by forcing using the pressurized gas to order a rise the molten metal into a tube, which connects  the  die  to  the  furnace.  The  tube  called  stalk  made  from  ceramics  because  ceramics  has high temperature resistance and high corrosion resistance. However, care should be taken for the thermal  stress  when  the  tube  is  dipped  into  the  molten  metal.  To  reduce  the  risk  of  fracture  it  is important  because  fracture  may  happen  due  to  the  thermal  stresses.  In  this  paper,  thermo-fluid analysis is performed to calculate surface heat transfer coefficient. Then, the finite element method is applied to consider the thermal stresses when the stalk is dipped into the crucible with varying the dipping speeds. It is found that the stalk with slowly dipping is better than fast dipping to reduce the thermal stress.
Keywords : Thermal Stress, Stalk, Low Pressure Die Casting Machine, Finite element method

## 1. INTRODUCTION
Low  pressure  die  casting (LPDC) merupakan  suatu  proses  untuk  menghasilkan produk axi-symmetric seperti cylinder  head , piston , brake drum dan light automotive wheels [1,2].  LPDC  didefinisikan  sebagai  satu  bentuk teknik  pembentukan  dengan  cetakan  yang mana  prinsip  kerjanya  yaitu molten  metal di injeksikan  dengan  tekanan  dan  kecepatan tinggi  ke  cetakan  metal.  Proses  LPDC memiliki  peranan  yang  besar  pada  industri pengecoran  karena  memiliki  ongkos  yang rendah dan efisiensi ketepatan teknik
pembentukan  yang  tinggi.    Gambar  1 menunjukkan  skema  dari  mesin  LPDC.  Mesin LPDC  mempunyai  cetakan  permanen,  tungku pemanasan  dan  pipa  penyalur  metal  dari tungku  pembakaran  yang  berisi molten  metal . Pipa  penyaluran  berfungsi  meneruskan molten metal dengan  memanfaatkan  gaya  tekan  dari gas yang dimampatkan dari tungku pembakaran  ke  cetakan.  Pipa  penyaluran molten metal disebut dengan stalk .
Material  pipa  penyaluran  terbuat  dari ceramic karena ceramic memiliki  daya  tahan terhadap temperatur tinggi dan korosi. Sebelumnya material stalk atau pipa dibuat dari
besi  cor  yang  mana  membuat  kualitas  produk rendah  karena  adanya  bagian  permukaan  dari molten  metal yang  meleleh  menempel  pada permukaan  pipa.  Akibatnya  kualitas  produk
Tabel 1 The physical properties dari molten aluminum at 750 o C
(1023K)
Table 2 Mechanical properties dari ceramics Physical property (dimension)
Thermal conductivity  , W/m K Roll diameter D , m Kinematics viscosity  , mm 2 /s Isobaric specific heat p C , kJ/kg K Viscosity  , mPa s
Constants in Eq. (1) when 3 5 1 1 10 2 10 ( ) Re C    
Constants in Eq. (1) when 3 5 1 10 2 10 ( ) Re n     112.2 0.17 0.967 1.1
2.2 0.26
0.6 Tabel 3 Harga surface heat transfer coefficient
 W/m 2 .K

## Mechanical properties of ceramics (dimension)
Sialon
Thermal conductivity, W/m K
Specific heat, J/kg K Coefficient of linear expansion, 1/K
Young’s modulus, GPa(kgf/mm 2 ) Specific weight Poisson’s ratio 4 Point bending strength, MPa (kgf/mm 2 ) Fracture toughness, MN/m 3/2 17 650 3.0×10 -6 294 (29979) 3.26 0.27
1050 (107) 7.5 Model 2mm/s u  25mm/s u  Step 16 Step 8 Step 2 given : 0 - 650mm z 0mm z  Bagian dalam dan luar permukaan Bagian bawah permukaan Level pencelupan hingga pertengahan stalk: Untuk keseluruhan permukaan pencelupan sampai pertengahan stalk: 3 2 1.5 10 W/m K     3 2 1.5 10 W/m K    
(1) 0 - 60s t  85mm o r  70mm i r  (2) 60s - 600s t  r z o 1 3 0 0 m m Cylinder model (Molten Al T=750 o C) 6 5 0 m m 85mm o r  70mm i r  3 2 16.1 10 W/m K     3 2 (2.53-19.1) 10 W/m K     3 2 (0.831-19.51) 10 W/m K     3 2 16.1 10 W/m K     3 2 (0.831-19.51) 10 W/m K     3 2 0.831 10 W/m K     3 2 0.831 10 W/m K     Model 2mm/s u  25mm/s u  Step 16 Step 8 Step 2 given : 0 - 650mm z 0mm z  Bagian dalam dan luar permukaan Bagian bawah permukaan Level pencelupan hingga pertengahan stalk: Untuk keseluruhan permukaan pencelupan sampai pertengahan stalk: 3 2 1.5 10 W/m K     3 2 1.5 10 W/m K    
(1) 0 - 60s t  85mm o r  70mm i r  (2) 60s - 600s t  r z o 1 3 0 0 m m Cylinder model (Molten Al T=750 o C) 6 5 0 m m 85mm o r  70mm i r  r z o 1 3 0 0 m m Cylinder model (Molten Al T=750 o C) 6 5 0 m m 85mm o r  70mm i r  3 2 16.1 10 W/m K     3 2 (2.53-19.1) 10 W/m K     3 2 (0.831-19.51) 10 W/m K     3 2 16.1 10 W/m K     3 2 (0.831-19.51) 10 W/m K     3 2 0.831 10 W/m K     3 2 0.831 10 W/m K     Stalk Die Molten Aluminum  750 ° Metal fill Crucible Pressuring gases Fill stalk Moving platen Stalk Die Molten Aluminum  750 ° Metal fill Crucible Pressuring gases Fill stalk Moving platen Gambar.1 Skema  dari mesin low pressure die casting (LPDC) z r 70mm 85mm 1300m m 15mm z r 70mm 85mm 1300m m 15mm
Gambar. 2 Elemen mesh dari stalk (dengan radius sudut  =5) z o u =25mm/s z o u =25mm/s z o u =2mm/s z o u =2mm/s
rendah dan umur stalk pendek. Oleh karena itu ceramic digunakan  untuk  meningkatkan  umur
pemakaian. Tetapi ceramic
memiliki kelemahan  yaitu  memiliki fracture  toughness
rendah.  Gambar.1, menunjukkan ceramic stalk yang  memiliki  peranan  penting  pada mesin  LPDC  karena stalk menerima molten metal dari  tabung  pemanas  yang  dikenal dengan  nama crucible .  Permasalahan  muncul ketika ceramic  stalk dicelupkan  kedalam molten  metal karena  adanya  tegangan thermal yang  muncul  ketika ceramic  stalk dicelupkan.
Tegangan thermal ini  akan  mempengaruhi kekuatan material ceramic
sehingga mengakibatkan  kerusakan  akibat  rendahnya fracture toughness dari material ceramic . Paper ini menggunakan metode elemen hingga untuk menghitung  tegangan thermal yang  muncul ketika stalk dicelup  kedalam crucible dengan variasi  level  pencelupan  dan  kecepatan
pencelupan.

## 2.  METODOLOGI  DAN  SIFAT  PHISIK MATERIAL
Ceramic stalk pada  mesin low  pressure die casting memiliki dimensi panjang 1300mm dan  diameter  170mm.  Temperatur  molten aluminum  diasumsikan  adalah  750 o C.  dan temperatur ceramic 20 o C. Tabel 1 menunjukkan sifat phisik dari molten aluminum  pada  temperature  750 o C.  Tabel  2 menunjukkan  sifat  mekanik  dari  material ceramik  Ceramik  yang  digunakan  adalah Sialon  [3]. Axi-symmetric model  digunakan untuk ceramic  stalk dengan  jumlah  elemen 19500 dan nodal 20816. x (mm) 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 650 22000 20000 10000 5000 0 100 200 300 400 600 500 S ur fa ce h ea t tr an sf er ( W /m 2 ・ K) A B C,D x D C 15000 0 x B A o o x (mm) 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 650 22000 20000 10000 5000 0 100 200 300 400 600 500 S ur fa ce h ea t tr an sf er ( W /m 2 ・ K) A B C,D x D C 15000 0 x B A o x B A o o Gambar 3 Surface heat transfer coefficient dari stalk (u=25mm/s)
Heat transfer coefficient for 2-D and axi-symmetry model
Koefisien  heat  transfer α ketika stalk dicelup  kedalam molten  metal diperlukan dalam  analisa  tegangan  thermal.  Paper  ini menggunakan  volume  beda  hingga  2  dimensi
(2D)  and  axi-simetri  model  untuk  menghitung koefisien  heat transfer. Hasil  2D dibandingkan dengan  hasil  axi-simetri  model.  Gambar  3 menunjukkan nilai koefisien heat transfer 2D
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 100 200 300 400 500 600 Time (s) 200 600 400  (M P a ) Maximum stress 400 200 0 -100 -200 -300 0 100 300 500 300 100 -400 1max  3 max  max   min   max z  min z  max r  min r  max rz  min rz  max 128 z MPa   -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 100 200 300 400 500 600 Time (s) 200 600 400  (M P a ) Maximum stress 400 200 0 -100 -200 -300 0 100 300 500 300 100 -400 1max  3 max  max   min   max z  min z  max r  min r  max rz  min rz  max 128 z MPa  
Gambar 4 Tegangan maksimum vs. waktu pada pencelupan lambat ( 2mm/s u  ) -300 -200 -100 0 100 200 0 5 10 15 20 25 30 10 30 20 200 100 0 -100 -200 -300 σ zmax σ θ max  rzmax σ zmin σ θ min σ (MPa ) Time (s) σ 1max σ 3max σ rmax  rzmin σ rmin
Maximum stress σ zmax ＝ 128MPa 0 -300 -200 -100 0 100 200 0 5 10 15 20 25 30 10 30 20 200 100 0 -100 -200 -300 σ zmax σ θ max  rzmax σ zmin σ θ min σ (MPa ) Time (s) σ 1max σ 3max σ rmax  rzmin σ rmin
Maximum stress σ zmax ＝ 128MPa
0 a . b. Perbesaran gambar (a)
dan  axi-simetri  model  dengan  kecepatan  celup cepat = 25mm/s u . Axi-simetri model menunjukkan  nilai  koefisien  heat  transfer α bagian  dalam  berbeda  dengan  bagian  luar seperti  yang  ditunjukkan  oleh  Gambar  3.  Jika diameter  axi-simetri  model  tak  hingga  maka nilai α akan mendekati nilai α pada hasil 2D. Tabel  3  menunjukkan  nilai  koefisien  heat transfer α untuk ceramic  stalk dengan
kecepatan  celup  lambat = 2mm/s u and kecepatan  celup  cepat = 25mm/s u .  Apabila kecepatan  celupnya  lebih  lambat  daripada
= 2mm/s u ini  sangat  lambat  pada  proses pencelupan  dan  jika  melebihi = 25mm/s u
sangat  berbahaya.  Sehingga  dipilih  range
pencelupan yaitu = 2mm/s u dan = 25mm/s u .
3. TEGANGAN THERMAL PADA

## CERAMIC STALK
3.1. Hasil Pengujian Pencelupan Lambat
Pada kecepatan celup lambat = 2mm/s u ,  nilai  koefisien  perpindahan panas 3 2 = 1.5×10 W/m K m α  digunakan untuk tiap level pencelupan pada bagian dalam dan  luar ceramic  stalk sampai  mencapai  titik tengah  ceramic  stalk .  Level  pencelupan bervariasi antara 8 level, 16 level dan 32 level. Hasil yang diperoleh ditunjukkan oleh Gambar 4.  Gambar  4  menunjukkan  nilai  maksimum tegangan  tarik 1  ,  maksimum  tegangan  tekan
3  , komponen  maksimum  tegangan r  ,   , z  dan  maksimum regangan  geser rz  dengan 16  level  pencelupan.  Gambar  4  menunjukkan maksimum  tegangan max z  hampir  sama
dengan  maksimum  tegangan  tarik 1  pada
waktu = 20.5s t Oleh  sebab  itu  hanya maksimum  tegangan  komponen max z  yang
akan  dibahas  dalam  tulisan  ini  karena  nilai komponen max z
 sama dengan nilai
Gambar  5  Distribusi  temperatur  dan  tegangan  ( = 2mm/s u pada  saat = 20.5s t ),  displacement 50  z Detail of  A Detail of  B
Temperature 95 0 C 170 0 C 246 0 C 322 0 C 397 0 C 472 0 C 548 0 C 623 0 C A r B r -138MPa 9.6MPa -108MPa -49MPa -79MPa 68MPa 98MPa -19MPa 39MPa -19MPa z z  max 128MPa z   z Detail of  A Detail of  B
Temperature 95 0 C 170 0 C 246 0 C 322 0 C 397 0 C 472 0 C 548 0 C 623 0 C A r B r -138MPa 9.6MPa -108MPa -49MPa -79MPa 68MPa 98MPa -19MPa 39MPa -19MPa z z  max 128MPa z   Temperature Stress  z
maksimum  tegangan  tarik 1  .  Maksimum
tegangan max z  memiliki nilai puncak
128MPa  pada  waktu = 20.5s t untuk  level pencelupan  16  level.  Pada  level  8  dan  32 nilainya  sama  tetapi  waktu  mencapai  nilai puncaknya  berbeda.  Hal  ini  disebabkan  oleh level  pencelupan  menimbulkan  efek  getaran akibat  adanya  perbedaan  panas  yang  terjadi pada  daerah  dibawah  dan  diatas  level pencelupan.
Maksimum  tegangan max = 128MPa z 
terjadi  pada  saat  waktu = 20.5s t dan  tidak mengalami  penurunan  nilai  sampai  level pencelupan  mencapai  pertengahan ceramic stalk .  Setelah  mencapai  pertengahan ceramic stalk tegangan  akan  mengalami  penurunan. Dengan adanya level pencelupan 16 menunjukkan terjadinya fluktuasi nilai
tegangan seperti ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 5 menunjukkan distribusi
temperatur  dan  tegangan z  pada ceramic
stalk dengan  kecepatan  pencelupan  lambat
= 2mm/s u dan waktu = 20.5s t . Gambar 5 menunjukkan tegangan maksimum terjadi pada bagian dalam dari ceramic stalk 128MPa  yang mana  tegangan  maksimum max = 296MPa z  terdapat  pada  bagian  diameter  dalam  dan bawah ceramic stalk.

## 3.2 Hasil Pengujian Pencelupan Cepat
Tegangan  thermal  dengan  pencelupan cepat = 25mm/s u ditunjukkan pada Gambar
1.  Tabel  3  menunjukkan  nilai  koefisien perpindahan  panas  yang  digunakan  pada pencelupan  cepat = 25mm/s u .  Tabel  3 menjelaskan  nilai  koefisien  perpindahan  panas yang digunakan pada permukaan ceramic stalk
dan dibagi menjadi dua proses:
1. Saat  waktu  pencelupan = 0 - 60s t ,  nilai koefisien heat transfer
3 2 = (0.831-19.51)×10 W/m K
α 
digunakan  untuk  bagian  dalam  dan  luar permukaan ceramic stalk . Maksimum nilai koefisien heat transfer 3 2
= 16.1×10 W/m K α  digunakan pada permukaan  bagian  bawah ceramic  stalk ( 0mm z  )  seperti  ditunjukkan  oleh Tabel 3.
2. Saat  waktu  pencelupan > 60s t ,  nilai minimal  koefisien  perpindahan  panas
3 2 = 0.831×10 W/m K α  digunakan pada  seluruh  permukaan ceramic  stalk yang  dicelup  sampai  pertengahan ceramic stalk .
Gambar 6 menunjukkan distribusi
temperatur dan tegangan z  pada ceramic stalk
dengan  pencelupan  cepat  ( = 25mm/s u pada saat =1.1s t ).  Gambar  6  menunjukkan  nilai tegangan  maksimum  terdapat  pada  bagian bawah  dari  ceramic  tube.  Hal  ini  disebabkan oleh  perbedaan  temperatur  yang  besar  terjadi pada  bagian  dalam  dan  luar ceramic  stalk . Gambar  7  menunjukkan  tegangan  maksimum
1  , r  ,   , z  dan rz  . Seperti ditunjukkan pada Gambar 7, tegangan tarik  maksimum 1  =   meningkat  dalam  waktu  singkat.  Setelah mencapai nilai puncak max = 246MPa   pada waktu = 1.1s t ,  nilai  tegangan  tarik  akan menurun.
(a) -600 -400 -200 0 200 0 1 2 3 4 5 σ zmax σ θ max  rzmax σ zmin σ θ min σ (MPa ) Time (s) σ 1max σ 3max σ rmax  rzmin σ rmin Maximum stress 300 100 0 -100 -500 -600 -300 1 2 3 4 5 0 200 -200 -400 σ θ max ＝ 246MPa -600 -400 -200 0 200 0 1 2 3 4 5 σ zmax σ θ max  rzmax σ zmin σ θ min σ (MPa ) Time (s) σ 1max σ 3max σ rmax  rzmin σ rmin Maximum stress 300 100 0 -100 -500 -600 -300 1 2 3 4 5 0 200 -200 -400 σ θ max ＝ 246MPa
Gambar 6 Tegangan maksimum vs. waktu pada pencelupan cepat ( = 25mm/s u ) -600 -400 -200 0 200 0 10 20 30 40 50 σ zmax σ θ max  rzmax
σ zmin σ θ min σ (MPa ) Time (s) σ 1max σ 3max σ rmax  rzmin σ rmin
Maximum stress σ θ max ＝ 246MPa 300 100 0 -100 -500 -600 -300 10 20 30 40 50 0 200 -200 -400 -600 -400 -200 0 200 0 10 20 30 40 50 σ zmax σ θ max  rzmax
σ zmin σ θ min σ (MPa ) Time (s) σ 1max σ 3max σ rmax  rzmin σ rmin
Maximum stress σ θ max ＝ 246MPa 300 100 0 -100 -500 -600 -300 10 20 30 40 50 0 200 -200 -400 (b). Pembesaran gambar (a) u =25mm/s u =25mm/s u =25mm/s u =25mm/s u =25mm/s u =25mm/s u =25mm/s u =25mm/s
Gambar 7 Distribusi temperatur dan tegangan   ( = 25mm/s u pada saat
=1.1s t ), displacement 50  Temperature Detail of  C Detail of  D 90 0 C 160 0 C 579 0 C 719 0 C 649 0 C 509 0 C 439 0 C 369 0 C 299 0 C z D r r C z σ θ -167MPa 108MPa -373MPa -235MPa -98MPa 39MPa 177MPa σ θ max =246MPa Temperature Detail of  C Detail of  D 90 0 C 160 0 C 579 0 C 719 0 C 649 0 C 509 0 C 439 0 C 369 0 C 299 0 C z D r r C z σ θ -167MPa 108MPa -373MPa -235MPa -98MPa 39MPa 177MPa σ θ max =246MPa
Temperature Stress   

## 3.3  Perbandingan  Tegangan  Maksimal Antara Pencelupan Cepat Dan Lambat
Perbandingan tegangan maksimum antara pencelupan  cepat = 25mm/s u dan  lambat
= 2mm/s u dapat  dilihat  pada  Gambar  4 sampai  dengan  7.  Gambar  6  menunjukkan maksimum  tegangan  untuk  pencelupan  cepat
= 25mm/s u yaitu max = 246MPa   ,  2  kali lebih  tinggi  dibanding  dengan  pencelupan lambat = 2mm/s u yaitu max = 128MPa z 
(lihat  gambar  4).  Tabel  4  menunjukkan  posisi maksimum tegangan dan perbandingan tegangan maksimum pencelupan cepat
= 25mm/s u dan pencelupan lambat.
= 2mm/s u .

## DAFTAR PUSTAKA
[1] “The  A  to  Z  of  Materials” Aluminum
Casting Techniques-Sand Casting and Die
Casting Processes. (Online), available from  <http://www.azom.com/details.asp?
Articled=1392>, (accessed 2008-4-23).
[2] F.  Bonollo,  J.  Urban,  B.  Bonatto,  M.
Botter.  Gravity  and  Low  Pressure  Die
Casting of Aluminium Alloys: a Technical and  Economical  Benchmark. Allumino  E Leghe , 2005.
[3] Nogami S. Large Sialon Ceramics Product for  Structural  Use. Hitachi  Metal  Report ,
vol.15; 1999.pp.115-120 [in Japanese].
[4] Editorial committee of JSME. Data of heat transfer.  Tokyo:  JSME;  1986.  p.323  [in
Japanese].
Ceramic Stalk u =25mm/s u =2mm/s Model Ceramic Stalk u =25mm/s u =2mm/s Model 246MPa (A)    209MPa (A) z  
98MPa (B)
rz   89MPa (A)
r   1 246MPa (A)   B A 128MPa (A) z   105MPa (B)   
21MPa (C)
rz   4MPa (A) r   1 128MPa (A)   C A B Saat t =20.5s (maksimum tegangan) Saat t =1.1s (maksimum tegangan) 246MPa (A)    209MPa (A) z  
98MPa (B)
rz   89MPa (A)
r   1 246MPa (A)   B A 128MPa (A) z   105MPa (B)   
21MPa (C)
rz   4MPa (A) r   1 128MPa (A)   C A B C A B Saat t =20.5s (maksimum tegangan) Saat t =1.1s (maksimum tegangan) Tabel 4 Nilai maksimum tegangan tarik pada ceramic stalk