Risenologi: Jurnal Sains, Teknologi, Sosial, Pendidikan, dan Bahasa

## The Effect Of Injection Temperature Variation On The Design Of Molding Injection Molding For Particulate Composite Products
Ridhwan Haliq 1 *, Alfian Djafar 2 , Gad Gunawan 3 123 Institut Teknologi Kalimantan, Indonesia

## ABSTRACT

## CONTACT
ridhwanhaliq@lecturer.itk.ac.id
KEYWORDS Injection molding, Poly lactic- acid, Temperature Received: 06/02/2022 Revised: 28/02/2022 Accepted: 31/03/2022 Online: 27/04/2022
Published: 30/04/2022
Risenologi is licenced under a Creative Commons Attribution 4.0  International Public Licence (CC-BY 4.0)
The injection molding machine designed in this study is equipped with a minimalist shape so that it can support small industries in processing plastic waste into useful products. The  material  used in  the  processing of plastic,  in  general, is  a type  of polymer that is difficult to decompose so in this study Poly  Lactic-Acid (PLA)  is used as the type of biopolymer which can be easily decomposed by the environment. Coffee powder waste  which can  pollute  the  environment is  being innovated by blending PLA, which is applied to particulate composite. This study aims to be able to  design,  injection  molding  machines  and  the  effect  of  injection  machine temperatures on the results of products particulate composite from PLA and coffee powder waste. The study began with the determination of the dimensions of the injection element, namely the plunger with a diameter of 3.5 cm and a length of 12 cm. the Barrel inside diameter of 3.5 cm and 3 mm thick and the nozzle with an output diameter of 5 mm. Simulations are performed to obtain the stresses that occur on  the  injection  element  mounting plate  of  210  N/mm2 and the  safety  factor obtained is 12. The minimum force required to inject the melted material is 10 N. In this study, the best results were obtained at the injection temperature conditions of 170 ºC with the lowest product defect results
ABSTRAK Mesin injection  molding yang dirancang pada penelitian ini dilengkapi dengan bentuk yang minimalis sehingga dapat mendukung industri kecil dalam pengolahan limbah plastik menjadi produk bernilai guna. Material  yang digunakan dalam pemrosesan plastik pada umumnya ialah jenis polimer yang sulit teruraikan sehingga digunakan jenis biopolimer Poly Lactic-Acid (PLA) pada penelitian  ini dimana dapat mudah terurai oleh lingkungan. Limbah bubuk kopi yang dapat mencemarkan lingkungan kemudian  dilakukan  inovasi  dengan  dicampur  PLA  yang  diaplikasikan  menjadi particulate composite .  Penelitian ini bertujuan untuk dapat merancang mesin injection molding dan pengaruh temperatur injeksi mesin terhadap hasil produk particulate composite dari PLA dan limbah bubuk kopi. Penelitian ini dimulai dengan penentuan dimensi elemen injeksi yaitu pada plunger dengan diameter 3,5 cm dan panjang 12 cm. Barrel dengan diameter dalam 3,5 cm dan tebal 3 mm dan nozzle dengan diameter keluaran 5 mm. Dilakukan simulasi dengan memperoleh tegangan yang terjadi pada pelat  dudukan  elemen  injeksi  sebesar  210  N/mm2 dan faktor  keamanan yang diperoleh sebesar 12. Gaya minimal yang dibutuhkan untuk menginjeksikan material yang dilelehkan ialah sebesar 10 N. Dalam penelitian ini didapatkan hasil yang terbaik pada kondisi temperatur injeksi 170 ºC dengan hasil cacat produk yang paling rendah
PENDAHULUAN
Dalam dunia industri pengolahan sampah plastik salah satu kegiatan banyak kita jumpai (Kamsiati, Herawati, & Purwani, 2017). Metode yang banyak digunakan pada industri plastik yaitu injection molding . Injection molding adalah proses pembentukan plastik dengan cara penyuntikkan lelehan material plastik pada mold yang akan membentuk fitur produk menurut Giang dkk (2021). Manfaat adanya proses injection molding yaitu mengurangi sampah plastik
Risenologi: Jurnal Sains, Teknologi, Sosial, Pendidikan, dan Bahasa
yang sulit terdegradasi dan menghasilkan produk yang bernilai guna dan mengurangi dampak masalah lingkungan (Ni'am dkk, 2017). Proses injection molding dapat dibentuk dan diolah dengan baik namun mesin injection  molding konvensional memiliki harga yang mahal dan biaya maintenance yang mahal. Penggunaan mesin injection  molding konvensional hanya digunakan pada industri besar menurut (Mawardi, 2015) sehingga untuk mendukung industri kecil dilakukan inovasi mesin injection molding dengan harga dan biaya maintenance yang relatif murah. Injection molding sebagai proses yang memiliki kelebihan dibanding proses produksi lainnya antara lain, tidak ada batasan kerumitan desain produk, sehingga dapat menghasilkan variasi produk yang luas,  ukuran produk yang dapat dicetak dari produk kecil hingga besar, dan proses ini juga dapat menghasilkan produk dengan tingkat kepresisian yang baik menurut (Kamsiati dkk., 2017).
Penggunaan plastik di kehidupan sehari-hari dapat ditemui dari skala sederhana seperti perabotan rumah tangga sampai sektor industri. Dampak yang ditimbulkan dari penggunaan plastik tersebut dapat mendorong peningkatan limbah plastik secara nasional maupun global. Untuk mengatasi permasalahan tersebut ilmuwan dunia kemudian menemukan plastik dari bahan baku yang dapat diperbaharui ( bioplastic ) (Hastarina, Masruri, & Saputra, 2019) dan dapat terdegradasi ( biodegradeable ) salah satunya adalah Poly lactic-acid (PLA). Poly lactic-acid (PLA) merupakan jenis plastik yang sering diaplikasikan pada bidang medis, komposit dan packaging industry (Mallick, 2017) dan material polimer ini dapat diuraikan kembali. PLA memiliki ikatan (bonding) yang kuat untuk dijadikan material komposit (Lim, On, Kim, Bang, & Kim, 2021), sehingga dapat mengurangi cacat pada permukaan dan bagian dalam produk material.  Selain dari limbah plastik jumlah konsumsi kopi di Indonesia juga dapat menimbulkan limbah bubuk kopi.  Limbah bubuk kopi dapat mengakibatkan pencemaran dan kontaminasi lingkungan apabila dibuang ke sembarang tempat. Diperlukan pengolahan limbah bubuk kopi untuk dapat digunakan kembali menjadi kebutuhan beragam lainnya. Solusi dari dua permasalahan limbah di atas dapat diaplikasikan menjadi suatu bahan campuran dari dua material yang berbeda yang disebut particulate composite dengan PLA sebagai penguat dan limbah bubuk kopi sebagai pengikat.
Pemrosesan plastik jenis PLA sangat perlu diperhatikan beberapa parameter operasi salah satunya temperatur injeksi. Temperatur injeksi sangat berpengaruh terhadap kualitas produk dari dimensi maupun tampilan produk. Semakin rendah temperatur injeksi terhadap temperatur leleh maka kecenderungan cacat yang terjadi semakin besar menurut  (Mawardi, 2015).  Cacat  pada produk disebut dengan hole (Giang dkk.,  2021).  Salah  satu  cara  untuk memecahkan permasalahan tersebut adalah melalui penelitian yang berbasis riset rancang bangun mesin injection molding dengan menggunakan polimer Poly lactic-acid (PLA) dan limbah bubuk kopi yang diaplikasikan menjadi particulate composite .

## METODE
Untuk menghasilkan produk particulate composite dari limbah bubuk kopi dengan tambahan PLA(Aup-Ngoen & Noipitak, 2020), serta pengaruh temperatur operasi terhadap holding  time Peneliti  dalam mengerjakan penelitian menggunakan material yang digunakan pada struktur rangka ini adalah ASTM A36 (American Society for Testing and Materials with Ultimate Tensile Strength 400-550 MPa dan Yield Tensile Strength 250 MPa). Band Heater digunakan sebagai pemanas saat di injeksi dengan spesifikasi material stainless steel 316, diameter 35 mm, rated power 120  W  dan voltage  sebesar AC  220V. Temperature  controller menggunakan tipe  IL-80EN/400°C. Bahan  yang digunakan adalah PLA dan ampas serbuk kopi.
Penelitian dilakukan dengan menentukan dimensi alat pada kerangka utama dan pada elemen injeksi yaitu pada plunger serta  penentuan  material  untuk  dapat  merancang mesin injection  molding yang  minimalis dengan biaya perawatan yang murah. Penelitian ini dilakukan dengan memodelkan hasil perancangan dan menganalisis struktur pada  mesin injection  molding .  Selanjutnya,  perancangan yang  telah  direncanakan dilakukan  proses pembuatan komponen alat sesuai dengan dimensi yang telah  ditentukan. Mesin injection molding yang telah dibuat dilakukan percobaan untuk mengetahui pengaruh variasi temperatur terhadap hasil produk PLA dan particulate composite yang dihasilkan.
Perhitungan menentukan dimensi dari plunger dilakukan dengan menggunakan persamaan berikut:
𝑑 𝑝𝑙𝑢𝑛𝑔𝑒𝑟 =  √ 4𝑚 𝜋𝜌𝑙 dimana d adalah diameter dari plunger , m adalah massa material yang dilelehkan, ρ adalah massa jenis material yang akan dilelehkan dan l adalah panjang dari plunger . Hasil  produk dari  PLA  dan particulate  composite dari  campuran PLA  dan  limbah bubuk  kopi  pada proses percobaan mesin injection molding kemudian dianalisis dengan melihat cacat yang terjadi dengan memperhitungkan penyusutan yang terjadi dengan menggunakan persamaan berikut:
(1)
Risenologi: Jurnal Sains, Teknologi, Sosial, Pendidikan, dan Bahasa
𝑃𝑒𝑛𝑦𝑢𝑠𝑢𝑡𝑎𝑛 = 𝐿𝑚 − 𝐿𝑜 𝐿𝑚 × 100%
dimana Lm adalah panjang produk pada cetakan dan Lp adalah panjang dari hasil produk.

## HASIL DAN DISKUSI
Analisis dilakukan dengan menghitung dimensi dari plunger , didapatkan hasil data dengan nilai dari perhitungan sebagai berikut:
Dimana,
𝑑 𝑝𝑙𝑢𝑛𝑔𝑒𝑟 =  √ 4 × 150𝑔𝑟 𝜋 1,25 𝑔𝑟 𝑐𝑚 3 12𝑐𝑚 𝑑 𝑝𝑙𝑢𝑛𝑔𝑒𝑟 =  3,5 𝑐𝑚
Diameter barrel kemudian menyesuaikan dengan diameter plunger yaitu sebesar 3,5 cm pada diameter dalam dan diameter luar 3,8 cm sehingga diameter band heater dapat ditentukan dari diameter luar barrel. Massa injeksi yang diasumsikan sebesar 150 gram sehingga dapat diketahui material yang akan dilelehkan pada barrel untuk satu kali injeksi dapat mencetak sebanyak 6 produk dengan masa tiap produk sebesar 25 gram.
Adapun untuk menentukan nilai kecepatan keluaran aliran pada nozzle (Cao, Rong, & Zhang, 2021) dari mesin injection molding dapat diketahui sebagai berikut
𝑄 1 = 𝑉1 𝑡 𝑄 1 = 1 4 𝜋𝐷 1 2 𝑙 𝑡 𝑄 1 = 1 4 𝜋 0,0352  0,12
5 𝑄 1 = 0,000023 𝑚 3 /𝑠
𝑣 1 = 𝑄1 𝐴1 𝑣 1 = 0,000023 1 4 𝜋 0,0352 𝑣 1 = 0,024𝑚 /𝑠
𝑄 1 =   𝑄 2 𝐴 1 𝑣 1 =  𝐴 2 𝑣 2 1 4 𝜋 0,035 2 ×  0,024 = 1 4 𝜋 0,005 2 ×  𝑣 2 𝑣 2 = 0 ,000023 1 4 𝜋 0,0052 𝑣 2 = 1,1719𝑚/𝑠
Sehingga didapatkan nilai dari kecepatan keluaran  aliran dari nozzle sebesar 1,1719 m/s. Tahap berikutnya setelah  didapatkan data  dimensi-dimensi dari  proses perancangan kemudian dilanjutkan  dengan memodelkan mesin injection molding menggunakan software CAD ditunjukkan pada Gambar 1 sebagai berikut:
(2) (3) (4) (5) (6)
Gaya minimal yang dibutuhkan mesin untuk menekan tuas agar dapat menginjeksikan material yang dilelehkan dalam barrel keluar dari nozzle dan mengisi cetakan (F Tekan) dapat ditentukan dengan mengetahui panjang lengan dari tuas dan massa dari plunger serta dari material yang akan dilelehkan. Skema percobaan mesin ditunjukkan pada Gambar 2 sebagai berikut:
Gambar 2. Skema Percobaan Mesin
Dimana, m plunger = 2 Kg. Merupakan massa plunger m material = 0.15 Kg, merupakan massa dari material yang akan dilelehkan θ = 30° l 1
= 0.5 m
I 2 = 0.2 m
Maka,
Ftekan x l 1 = W x l 2 (7)
𝐹 𝑡𝑒𝑘𝑎𝑛 = 𝑊 𝑥 𝑙 2 𝑙 1 𝐹 cos 𝜃 = (𝑚 𝑝𝑙𝑢𝑛𝑔𝑒𝑟+ 𝑚 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 )𝑥 𝑔 𝑥 𝑙 2 𝑙 1
𝐹 𝑡𝑒𝑘𝑎𝑛 = (𝑚 𝑝𝑙𝑢𝑛𝑔𝑒𝑟+ 𝑚 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 )𝑥 𝑔 𝑥 𝑙 2 cos 𝜃 𝑥 𝑙 1
𝐹 𝑡𝑒𝑘𝑎𝑛 = (2 + 0.15)𝑥 9.8 𝑥 0.2 cos 30°  𝑥 0.5 𝐹 𝑡𝑒𝑘𝑎𝑛 =  10 𝑁
Hasil perhitungan di atas didapatkan bahwa gaya minimal yang diperlukan untuk menginjeksikan material yang akan dilelehkan dengan sudut 30º adalah sebesar 10 N. Perlu dirancang strukturnya dengan metode simulasi dengan tujuan  mendapatkan tegangan dan  faktor  keamanan.  Simulasi  ditunjukkan  pada  Gambar 3  dan  Gambar 4 menggunakan material ASTM A36.
Risenologi: Jurnal Sains, Teknologi, Sosial, Pendidikan, dan Bahasa
Gambar 3.  Simulasi Struktur Berupa Tegangan  pada Pelat Dudukan Elemen Injeksi
Gambar 4. Simulasi Struktur Berupa Faktor Keamanan pada Pelat Dudukan Elemen Injeksi
Perancangan struktur dengan dilakukannya simulasi pada pelat dudukan elemen injeksi dengan diberikan beban sebesar 10  N yang didapatkan dari  perhitungan gaya  pada mesin dengan menggunakan material ASTM A36. Didapatkan hasil simulasi yang ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Hasil Perancangan Struktur Pelat Dudukan Elemen Injeksi

## ASTM A36
Tegangan (N/mm 2 ) Faktor  Keamanan 210 12
Percobaan mesin pada material  PLA  dan particulate  composite dari  campuran PLA  dan limbah bubuk  kopi dilakukan dengan variasi temperatur injeksi yaitu 150 ºC, 160 ºC dan 170 ºC. Adapun hasil produk yang diperoleh pada material PLA ditampilkan pada Gambar 5, Gambar 6, dan Gambar 7 sebagai berikut:
Gambar 5. Hasil Produk PLA pada Temperatur 150 ºC
Risenologi: Jurnal Sains, Teknologi, Sosial, Pendidikan, dan Bahasa
Gambar 6.  Hasil Produk PLA pada Temperatur 160 ºC

## Gambar 7. Hasil Produk PLA pada Temperatur 170 ºC
Dapat dilihat pada hasil produk pengulangan 1 PLA temperatur 150 ºC yang terbentuk kurang sempurna karena pada  produk  mengalami  penyusutan  yang  tidak  merata  karena cooling  time yang  terlalu  pendek  sehingga menyebabkan terjadinya cacat warpage pada dua bagian sehingga produk mengalami penyusutan yang didapatkan dari perhitungan berikut :
𝐿 𝑚 = 12𝑚𝑚 𝐿 𝑝 = 11𝑚𝑚

## Sehingga
𝑃𝑒𝑛𝑦𝑢𝑠𝑢𝑡𝑎𝑛 = 𝐿𝑚−𝐿𝑝 𝐿𝑚 × 100%
𝑃𝑒𝑛𝑦𝑢𝑠𝑢𝑡𝑎𝑛 = 12−11 12 × 100% 𝑃𝑒𝑛𝑦𝑢𝑠𝑢𝑡𝑎𝑛 = 8,3%
Hasil  perhitungan  di  atas  berdasarkan penelitian  (Ramadhan  dkk.,  2017:72)  maka  didapatkan nilai penyusutan sebesar 8,3 % pada hasil produk pengulangan 1 pada PLA dengan temperatur 150 ºC. Didapatkan hasil penyusutan hasil produk pada PLA yang ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2. Nilai Penyusutan pada produk PLA Temperatur  Pengulangan L m L p Penyusutan 150℃ 1 12 mm 11 mm 8,3 % 2 11 mm 8,3 % 160℃ 1 10 mm 16,6 % 2 10,5 mm 12,5 % 170℃ 1 11 mm 8,3 % 2 11,5 mm 4,17 %
Pada tabel  2.  Menunjukan apabila penyusutan terbesar terjadi  pada temperatur 160 o C. penyusutan dengan perubahan terbesar terjadi  pada pada  temperatur  170 o C dari  pengulangan pertama ke  pengulangan ke  dua. Adapun hasil  produk yang  diperoleh pada material  particulate  composite dari  PLA  dan limbah  bubuk  kopi ditampilkan pada Gambar 8, Gambar 9 dan Gambar 10 sebagai berikut:
Gambar 8. Hasil Produk Particulate Composite pada Temperatur 150 ºC
Risenologi: Jurnal Sains, Teknologi, Sosial, Pendidikan, dan Bahasa
Gambar 9. Hasil Produk Particulate Composite pada Temperatur 160 ºC
Gambar 10. Hasil Produk Particulate Composite pada Temperatur 170 ºC
Hasil perhitungan untuk menentukan nilai penyusutan pada hasil produk particulate composite yang ditunjukkan pada Tabel 3.
Tabel 3. Nilai Penyusutan pada produk Particulate composite Temperatur  Pengulangan L m L p Penyusutan 150℃ 1 12 mm 11 mm 8,3% 2 11 mm 8,3% 3 11,5 mm 4,17% 160℃ 1 10 mm 16,6% 2 10,5 mm 12,5% 3 10 mm 16,6% 170℃ 1 11 mm 8,3% 2 11,5 mm 4,17% 3 11,5 mm 4,17% Dapat diketahui bahwa pada Tabel 3, nilai %penyusutan pada temperatur160 o C lebih tinggi dibandingkan temperatur150 o C dan 170 o C, hal ini dikarenakan laju perpindahan panas yang terjadi pada temperatur160 o C lebih besar dibandingkan temperatur lainnya, hal ini sesuai dengan penelitian yang telah dilakukan oleh (Giang et al., 2021)  yang  ditunjukan  melalui  grafik  thermal  transition  untuk  rubber  PLA  (Bakken  &  Taleyarkhan,  2020). Temperatursangat mempengaruhi perubahan bukan hanya dari polimer (PLA) melainkan juga pada limbah serbuk kopi yang mengalami perubahan bentuk dan degradasi partikel (Mallick, 2017) (Surata, Nindhia, & Yolanda, 2020)
KESIMPULAN
Berdasarkan perancangan mesin injeksi molding untuk hasil produk particulate composite dengan Perhitungan dimensi dari elemen injeksi diperoleh dimensi dari plunger dengan diameter 3,5 cm dan panjang 12 cm, barrel dengan diameter dalam 3,5 cm dan ketebalan 3 mm, band heater dengan diameter 4 cm dan diameter keluaran nozzle sebesar 5 mm. Penentuan kerangka utama mesin diperoleh lebar kerangka 30 cm dan tinggi kerangka 45 cm. Struktur kerangka dirancang dengan metode simulasi dengan besarnya tegangan yang terjadi sebesar 210 N/mm2 dan faktor keamanan sebesar 12. Gaya minimal untuk  injeksi  sebesar 10 N.  Temperatur untuk  menghasilkan material  dengan persentase penyusutan yang  kecil  pada temperatur  170 o C dan akan mendapatkan cacat  yang minimum untuk hasil produk particulate composite .

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Institut Teknologi Kalimantan atas dukungan sarana dan prasarana selama proses penelitian.

## REFEREENSI
Aup-Ngoen, K., & Noipitak, M. (2020). Effect of carbon-rich biochar on mechanical properties of PLA-biochar composites. Sustainable Chemistry and Pharmacy , 15 (January), 100204.
https://doi.org/10.1016/j.scp.2019.100204
Bakken, A. C., & Taleyarkhan, R. P. (2020). Plywood wood based composites using crystalline/amorphous PLA polymer  adhesives. International  Journal  of  Adhesion  and  Adhesives , 99 (February),  102581. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2020.102581
Cao, Y.,  Rong, M.  Z.,  &  Zhang, M.  Q.  (2021).  Covalent adaptable networks impart  smart processability to multifunctional  highly  filled  polymer  composites. Composites  Part  A:  Applied  Science  and  Manufacturing , 151 (August), 106647. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106647
Giang, N. T., Minh, P. S., Son, T. A., Uyen, T. M. T., Hai, N. T., & Dang, H. S. (2021). Study on external gas ‐ assisted mold temperature control with the assistance of a flow focusing device in the injection molding process. Materials , 14 (4), 1 – 2. https://doi.org/10.3390/ma14040965
Hastarina, M., Masruri, A. A., & Saputra, S. A. (2019). Perancangan Mesin Peleleh Biji  Plastik Sebagai Alternatif Pengolahan Limbah Plastik  dengan Penerapan  Metode  Value  Engineering Design of  Plastic  Injection Molding as an Alternative to Plastic Waste Treatment by Using Value Engineering Method, 2 .
Kamsiati,  E.,  Herawati,  H.,  &  Purwani,  E.  Y.  (2017).  POTENSI  PENGEMBANGAN  PLASTIK BIODEGRADABLE BERBASIS PATI SAGU DAN UBIKAYU DI INDONESIA / The Development Potential  of  Sago  and  Cassava  Starch-Based Biodegradable  Plastic  in  Indonesia. Jurnal  Penelitian  Dan Pengembangan Pertanian , 36 (2), 67. https://doi.org/10.21082/jp3.v36n2.2017.p67-76
Lim, S. H.,  On, S. Y., Kim, H., Bang, Y. H., & Kim, S. S. (2021). Resin impregnation and interfacial adhesion behaviors in carbon fiber/epoxy composites: Effects of polymer slip and normalized surface free energy with respect to the sizing agents. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing , 146 (November 2020), 106424. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106424
Mallick, P. K. (2017). Particulate filled and short fiber reinforced polymer composites . Comprehensive Composite Materials II (Vol. 2). Elsevier Ltd. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.03837-6
Mawardi, I. H.  H.  (2015). Analisis Kualitas  Produk dengan Pengaturan Parameter Temperatur Injeksi Material Plastik Polypropylene (PP) Pada Proses Injection Molding. Industrial Engineering Journal , 4 (2), 30 – 35.
Ni’am, L., Budiyantoro, C., & Rahman, M. (2017). Desain dan Optimasi Injection Mold Sistem Slider pada Produk Stick T15. Jurnal Rekayasa Mesin , 8 (3), 155 – 165. https://doi.org/10.21776/ub.jrm.2017.008.03.6
Surata, I.  W., Nindhia, T. G. T., & Yolanda, W. E. (2020). Grain size effect on tensile and flexural strength of particulate  composites  reinforced  with  Acropora  waste. Materials  Today:  Proceedings , 22 ,  156 – 161. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.08.031