OPTIMASI SISTEM SALURAN TUANG PRODUK COR PULI 12” MENGGUNAKAN SIMULASI ESI PROCAST

## Sepfitrah
Jurusan Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknologi Pekanbaru
* corresponding author : sepfitrah@yahoo.com

## Abstrak
Poroses  pengecoran  melalui  beberapa  proses  yaitu,  peleburan  dan  pemaduan  logam,  pembuatan cetakan,  penuangan  logam  cair  kedalam  cetakan,  dan  proses  pengerjaan  akhir (5) .  Setiap  tahapan  memiliki parameter  yang  ditentukan  guna  mendapatkan  hasil  pengecoran  yang  baik  dan  bebas  dari  cacat.  Seperti pengaturan temperatur peleburan dan penuangan logam cair, sistem rongga saluran tuang, dan jenis cetakan yang  digunakan.  Pada  industri  kecil  parameter  proses  pengecoran  lebih    mengikuti  pengalaman,  sehingga parameter tadi tidak terukur. Pada akhirnya, hasil produk coran berkualitas rendah dan banyak terdapat cacat. Pada  penelitian  ini  dicoba  untuk  mencarikan  sebuah  solusi  dalam  pengecoran  produk  puli  pada  sebuah industri  kecil.  Produk  akhir  yang  didapat  masih  terdapat  cacat shrinkage (penyusutan).  Penelitian  ini menggunakan    metoda  kajian  teori  dan  perhitungan  mengacu  pada  literatur  serta  FEA  ( Finite  Element Analisys) sebagai  pendekatan terhadapat  fenomena  hasil  pengecoran.  FEA  berupa  simulasi  komputer digunakan  untuk  menganalisa  sistem  saluran  tuang  dan  proses  pembekuan  logam  cair  dalam  cetakan. Berdasarkan  hasil  penelitian  terdapat  kesalahan  dalam  perencanaan  saluran  tuang  yang  akhirnya menyebabkan  terjadinya  cacat shrinkage ,  dalam  hal  ni  penempatan  posisi  raiser  dan  dimensi raiser itu sendiri yang tidak dapat menyuplai logam cair untuk mengatasi efek penyusutan selama proses pembekuan logam cair.
Kata kunci: Pengecoran logam, cetakan,  shrinkage, simulasi

## Abstract
Metal  casting  through  several  processes  namely,  melting  and  alloying  of  metal,  mold  making, pouring molten metal into the mold, and the finishing process (5) . Each stage has the specified parameters in order  to  obtain  good  results  of  casting  and  free  of  defects.  Such  as  temperature  regulation  smelting  and pouring  of  molten  metal,  gating  system,  and the type of  mold  used.  In  the  small  industrial  casting  process parameters more closely follow the experience, so it was not a measurable parameter. In the end, the results of casting products of low quality and there are many defects. In this study attempted to find a solution in the foundry products pulleys in a small industry. The final product is obtained, there are still defects shrinkage. This  research  uses  the  study  of  theory  and  calculation  method  refer  to  the  literature  and  FEA  (Finite Element  Analisys)  as  a  result  of  the  phenomenon  approach  to  casting.  FEA  in  the  form  of  computer simulations are used to analyze the gating system and solidification pour molten metal into molds. According to the research there are errors in planning gating system that led to the shrinkage defects, in this case the positioning and dimensions raiser can not supply molten metal to overcome the effects of shrinkage during the solidification process molten metal.
Keywords: metal casting, molding, shrinkage, simulation.

## PENDAHULUAN
Pengecoran logam adalah suatu proses manufaktur  yang  menggunakan  logam  cair  dan cetakan  untuk  menghasilkan  komponen  yang mendekati  bentuk  geometri  akhir  dari  produk jadi (2) .  Logam  yang  telah  cair  dituangkan  atau ditekan  ke  dalam  cetakan  yang  memiliki  rongga sesuai  dengan  bentuk  produk.  Proses-proses dalam  pengecoran  meliputi  :  peleburan  logam, pembuatan  cetakan,  penuangan  logam  cair  dan pengerjaan akhir/ finishing .
Proses  pengecoran  menggunakan  cetakan  sebagai wadah  pembentuk  logam  cair  menjadi  produk yang direncankan. Jenis cetakan pasir yang paling sering  digunakan.  Hal  ini  disebabkan  beberapa faktor antara lain. Pembuatan cetakan yang relatif mudah,  biaya  pembuatan  yang  rendah,  dan  dapat mengecor  benda  yang  berukuran  besar,  tetapi umumnya memerlukan pengerjaan akhir dikarenakan  produk  yang  dihasilkan  mempunyai permukaan relatif kasar.
Bahan  baku  coran  dapat  berupa  logam fero maupun non-fero .  Beberapa  komponen  mesin membutuhkan  bentuk  dan  sifat  tertentu  yang hanya dapat diproduksi dengan teknik pengecoran logam.  Besi  cor    adalah  salah  satu  logam fero
yang  mempunyai  mampu  lebur  yang  baik  dan banyak  diaplikasikan  pada  beberapa  komponen teknik,  seperti  roda  gigi,  puli,  rumah  pompa, barbel, blok mesin dan lain-lain.
Pemilihan material untuk sebuah komponen harus disesuaikan  dengan  kondisi  operasinya  dan kemudahan  dalam  memproduksi-nya.  Salah  satu komponen yang pada proses produksinya membutuhkan  proses  pengecoran  logam  adalah puli,  terutama  untuk  diameter  yang  cukup  besar. Material  dasar  puli  hasil  pengecoran  digolongkan pada  besi  cor  kelabu,  yang  dihasilkan  melalui serangkaian  proses  peleburan  skrap  logam fero menggunakan  tungku  jenis  kupola.  Proses pengecoran dilakukan di Unit Pengecoran Logam Dinas Perindustrian Pekanbaru.
Berdasarkan  pengamatan  dilapangan,  proses pengecoran  masih  dilakukan  secara  sederhana yang menerapkan proses berdasarkan pengalaman semata.  Sementara  aspek-aspek  teknis  secara teoritis  seperti  perencanaan  saluran  tuang  belum diterapkan. Hal ini menyebabkan kwalitas produk coran yang dihasilkan masih terdapat cacat seperti cacat  penyusutan  ( shrinkage ),  retak,  porositi  dan lain-lain.
Gambar 1. Diagram alir metodologi penelitian
TAHAP AWAL
SIMULASI PEMECAHAN MASALAH gagal berhasil - Studi Literatur - Perumusan Masalah Pengamatan Lapangan
- Proses pembuatan cetakan - Proses Peleburan dan penuangan - Produk  hasil pengecoran Mulai
Simulasi dengan perangkat lunak ProCast - Desain benda dengan CAD - Mengubah desain benda ke desain coran
- Produk  hasil pengecoran
- Meshing desain coran - Input parameter pengecoran Proses iterasi Kesimpulan dan Saran Selesai Tampilan hasil Perbaikan Desain - Perbaikan desain saluran tuang - Simulasi ulang dengan ProCast Pembahasan - Pembahasan proses pengecoran - Pembahasan hasil
Pengecoran
- Pembahasan hasil simulasi
Penelitian  ini  membahas  tentang  perencanaan saluran  tuang  cetakan  pasir  untuk  salah  satu produk  coran  yang  dihasilkan  yaitu  puli berdiameter  12  inci.  Sistem  saluran  tuang  akan dianalisa  melalui  sebuah  simulasi  aliran  logam cair pada rongga cetakan menggunakan perangkat lunak  komputer ESI  ProCast  versi  2011.0. Pada penelitian  ini  akan  dilihat  optimalisasi  sistem saluran  tuang  dengan  beberapa  desain  yang  akan dibandingkan dengan kondisi awal cetakan.

## METODOLOGI PENELITIAN
Kegiatan  utama  dari  penelitian  ini  adalah mendesain  bentuk  pola  ( patern )  dan  rongga cetakan  dengan  alat  bantu  perangkat  lunak  ESI ProCast versi 2011. Setelah didapat desain rongga cetak  dilakukan  pembuatan  cetakan  pasir  untuk selanjutnya  dilakukan  proses  penuangan  logam cair. Langkah-langkah penelitian dilakukan sesuai diagram alir gambar 1.
Perencanaan  awal  sebelum  proses  pengecoran mutlak  dilakukan  untuk  menghindari  terjadinya kegagalan  proses  produksi  maupun  terjadinya cacat  pengecoran.  Dalam  penelitian ini  dilakukan perencanaan  pengecoran  puli  12  inci  dengan material dasar skrap logam ferro . Dimensi produk telah  ditentukan  berdasarkan  ukuran  standar  puli, untuk  selanjutnya  dibuat  saluran  tuang  pada cetakan  pasir.  Hasil  perencanaan  sistem  saluran tuang  disimulasikan  menggunakan software  Pro- cast untuk  melihat  prediksi  hasil  tuangan  logam cair.
Tahapan simulasi menggunakan software ProCast adalah  seperti  terlihat  pada  gambar  2.  ProCast merupakan salah satu software yang menggunakan  metode  elemen  hingga  (FEM). Software ini  memodelkan  perpindahan  panas ( heat flow ) pada aliran logam cair. Disamping itu ProCast  dapat  pula  memprediksi  mikrostruktur dan kemungkinan cacat produk coran yang terjadi seperti  cacat  porositas  dan  penyusutan.  Simulasi model sistem saluran tuang pada pengecoran puli 12  inci  meliputi  analisis  distribusi  temperatur pada  saluran  tuang,  fraksi  padatan  selama  proses pembekuan, dan shrinkage / porositas.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Hasil Penelitian
Penelitian  ini  membahas  mengenai  proses pengecoran  produk  besi  cor  Puli  berdiameter  12 inci.  Analisa  terhadap  proses  solidifikasi  logam cair  pada  cetakan  pasir  menggunakan  alat  bantu perangkat lunak ESI ProCast Versi 2011.0.
Gambar 2.  Diagram alir simulasi ProCast
Perangkat  lunak  ini  digunakan  untuk  men- simulasikan  kondisi  logam  cair  tuangan  di  dalam cetakan.  Dari  hasil  simulasi  diharapkan  dapat dilihat distribusi temperatur saat proses pembekuan dan prediksi terjadinya cacat shrinkage  pada  produk  cor.  Desain  model  yang disimulasikan  mengikuti  desain  awal  pengecoran yang  dilakukan  di  unit  pengecoran  logam  Dinas Perindustrian  Provinsi  Riau.  Selanjutnya  akan ditinjau pula desain pengecoran berdasarkan teori yang ada.
CAD
(Geometri)
- .STL - .IGES - . XT (Parasolid) Meshing - Meshing Surface - Meshing Volume PreCast - Materials - Interface - Boundary  Condition - Process - Initial Condition - Run Parameter DataCast ProCast (Run Simulasi) ViewCast
Dari  keterangan  dilapangan  desain  pengecoran lebih  mengacu  pada  pengalaman  para  pekerja  di unit  tersebut.  Keterbatasan  sumber  daya  manusia menyebabkan  tidak  memungkinkannya  proses pengecoran  mengacu  pada  penggunaan  teknologi perangkat  lunak  komputer  yang moderen. Sehingga  hasil  pengecoran  tidak  dapat  diprediksi apakah akan menghasilkan produk yang baik atau tidak.  Dengan  menggunakan  simulasi  komputer hasil  pengecoran  akan  dapat  diprediksi  dan dilakukan  perbaikan  untuk  mengurangi  cacat- cacat  yang  terjadi  sehingga  dapat  menghemat biaya  dan  waktu.  Dari  rangkaian  kegiatan penelitian  tersebut,  diperoleh  hasil  sebagai berikut:

## Desain Saluran Tuang Puli
Berdasarkan  hasil  pengamatan  dan  pengukuran dimensi  produk  cor  puli  dilapangan  seperti tercantum  pada  tabel  1,  untuk  kemudian  ukuran geometri  tersebut  diterjemahkan  kedalam  bentuk gambar teknik dengan perangkat lunak Computer- Aided  Design ( CAD ).  Geometri  utama  yang berpengaruh terhadap cacat shrinkage adalah riser. Kemampuan  riser  untuk  mensuplai  logam  cair pada  penyusutan  benda  cor  pada  saat  pembekuan akan  berpengaruh  terhadap  terjadinya  cacat shrinkage .  Selain  itu  juga  akan  diamati  desain sprue  pada  proses  pengecoran  ini.  Dari  tabel  1 dapat  dilihat  perbandingan  desain  riser  dan  sprue antara  desain  awal  oleh  unit  pengecoran departemen  perindustrian  provibsi  Riau  dan desain hasil perhitungan.
Gambar 3. Model pengecoran puli 12 in
Perhitungan  dimensi  riser  menghasilkan ukuran  riser  yang  lebih  tinggi  dari  desain awalanya,  dengan  diameter  lebih  kecil.  Volume riser  hasil  perhitungan  ulang  sebesar  122  cm 3 menjadi  lebih  kecil  dibandingkan  volume  riser awal  sebesar  175  cm 3 .  Namun  luas  permukaan riser  awal  yang  lebih  besar    dapat  menyebabkan tekanan fluida pada riser lebih kecil dibandingkan desain  hasil  perhitungan,  sehingga  suplai  logam cair untuk penyusutan tidak tercapai.
Hasil Simulasi
Tampilan hasil simulasi berupa visualisasi fraksi padatan yang terbentuk, distribusi  temperatur  solidifikasi,  lokasi  dan prosentase shrinkage ,  serta  distribusi  waktu solidifikasi.  Perangkat  lunak  untuk  menampilkan
hasil  simulasi  menggunakan  Visual  Cast  6.6, dengan hasil sebagai berikut;
1. Fraksi padatan pada proses pembekuan
Fraksi  solid  yang  terbentuk  dinyatakan dalam  skala  0  hingga  1,  dimana  indikasi  warna pada  skala  1    menunjukkan  pembekuan  telah sempurna.  Pada  gambar  4.  a,  memperlihatkan fraksi solid terbentuk dimulai dari segmen 2 puli, untuk  selanjutnya  fraksi  solid  terbentuk  pada segmen 3 dan 1, seperti terlihat pada gambar (b). Akhir dari terbentuknya fraksi terjadi pada raiser, tunjukkan  gambar  (c),  hingga  akhirnya  fraksi solid  merata  dengan  nilai  skala1,  seperti  terlihat pada gambar (d).
D H H s d a d s Segmen 3 Segmen 2 Segmen 1
Gambar 4. Distribusi fraksi padatan yang terbentuk (a) 100 detik, (b) 300 detik, (c) 500 detik, (d) 700 detik
2. Distribusi temperatur selama pembekuan
Distribusi  temperatur  logam  tuang  selama proses solidifikasi terlihat pada gambar 5. Procast menampilkan  distribusi  temperatur  berdasarkan pengelompokan  warna.  Pada  bar  warna  disebelah kiri  gambar  hasil  simulasi,  juga  ditampilkan Temperatur  liquidus  (Tliq  =  1195 o C)  dan Temperatur solidifikasi (Tsol= 1153 o C). Temperatur
liquidus maupun solidus menunjukkan  batas  mulai  terjadinya  fasa  cair ketika  proses  pencairan  dan  fasa  padat  ketika proses pembekuan.
Dalam  simulasi  ini  input  kondisi  batas temperatur pembekuan hanya sampai pada 500 o C,
untuk  menghemat  waktu  iterasi,  dengan  asumsi dibawah  temperatur  tersebut  shrinkage  sudah tidak terbentuk lagi karena produk sudah menjadi fasa padat. Pada gambar 5. (a) sudah terlihat pada sprue  dan  pinggiran  segmen  2  berwarna  coklat muda,  yang  menunjukan  temperaturnya  1055 o C, atau  bagian  ini  mulai  terjadi  pembekuan. Selanjutnya  pada  gambar  (b),  (c)  dan  (d), temperatur pada setiap segmen logam tuang terus turun  hingga  740 o C.  Bagian  riser  merupakan bagian  yang  terakhir  mengalami  penurunan temperatur.
(a) (b) (c) (d)
Gambar 5. Distribusi temperatur logam tuang pada proses pembekuan (a) 100 detik, (b) 300 detik, (c) 500 detik, (d) 700 detik
3. Prosentase shrinkage pada proses pembekuan
Gambar 6. di atas memperlihatkan terbentuknya  cacat  shrinkage  pada  logam  tuang selama proses pembekuan. Cacat shringkage yang terbentuk  dinyatakkan  dalam  tampilan  warna sesuai dengan jumlah prosentasenya terhadap total volume logam tuang. Jumlah cacat pada shrinkage yang  terbentuk  maksimal  sebesar  5,63%.  Cacat mulai  terbentuk  pada  detik  ke  300  proses pembekuan  yaitu  di  segmen  1,  seperti  terlihat
pada  gambar  (b).  Kondisi  ini  terjadi  karena  riser tidak  dapat  mensuplai  penyusutan  pada  segemen 1,  akibat  pada  segmen  2  telah  membeku  terlebih dahulu,  yang  menghalangi  suplai  logam  cair. Selanjutnya  shrinkage  juga  terbentuk  pada segmen  3  yang  relatif  jauh  posisinya  dari jangkauan  riser,  seperti  terlihat  pada  gambar  (c) dan (d).
(b) (a) (c) (d)
Gambar 6. Distribusi cacat shrinkage pada logam tuang selama pembekuan (a) 100 detik, (b) 300 detik, (c) 500 detik, (d) 700 detik
4. Waktu solidifikasi
Pada  tampilan  hasil  simulasi  procast berupa  distribusi  waktu  solidifikasi,  hanya ditampilkan  bagian-bagian  dari  logam  tuang berdasarkan warna dan lama waktu pembekuannya.  Waktu  pembekuan  terjadi  dalam rentang waktu 1,6 hingga 532 detik. Bagian yang memiliki  waktu  paling  singkat  membeku  adalah
bagaian  sprue  dan  pinggiran  segmen  2  yang ditunjukkan  dengan  warna  ungu,  yaitu  1,6  detik. Sedangkan  bagian  yang  mengalami  pembekuan palaing akhir adalah pada bagian puncak riser dan leher  riser  ( riser  neck ),  dengan  lama  pembekuan sebesar 532 detik.
(a) (d) (c) (b)
Gambar 7. Distribusi lamanya proses pembekuan pada produk cor.

## KESIMPULAN
Dari  langkah-langkah  penelitian  yang telah dilakukan maka ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut :
Tahapan pembekuan berdasarkan perhitungan  sistem  saluran  tuang  berdasarkan metode  Modulus  benda  tuang,  bagian  segmen  1 memiliki  modulus  terbesar  dan  segmen  3 memiliki modulus paling kecil, sehingga peletakkan  posisi  riser  sudah  tepat  pada  segmen dengan  nilai  modulus  tertinggi.  Namun  dimesi riser  desain  sebelumnya  tidak  sesuai  berdasarkan perhitungan yang dilakukan.
Merujuk pada hasil simulasi pengecoran logam  menggunakan  perangkat  lunak  Procast, dapat  diprediksi,  fraksi  solid  terbentuk  pertama kali  pada  bagian  segmen  2.  Hal  ini  ditunjukkan pada visualisasi hasil simulasi fraksi solid dimana temperatur  pada  segmen  ini  juga  mengalami pembekuan  paling  awal  dibandingkan  bagian lainnya  dari  logam  tuang.  Urutan  pembekuan yang  terjadi  dimulai  dari  segmen  2,  kemudian segmen  3,  selanjutnya  segmen  1  dan  yang  paling akhir adalah riser.
Simulasi juga memvisulisasikan shrinkage  pertama  kali  terbentuk  pada  segmen  3, hal  ini  disebabkan  terjadinya  pembekuan  lebih cepat  pada  segmen  2  dibandingkan  segmen  3, sehingga  suplai  logam  cair  dari  riser  terhalang menuju  segmen  3.  Selain  itu  jarak  yang  relatif jauh  antara  riser  dengan  segmen  3  dan  bagian lainnya  juga  dapat  menyebabkan  terbentuknya cacat shringkage tersebut.
Desain awal sistem saluran tuang  tidak maksimal untuk  mengatasi  cacat  shrinkage  yang  terjadi, untuk  itu  perlu  dilakukan  perbaikan  berdasarkan hasil  penelitian  yang  telah  dilakukan.  Untuk mengatasi  cacat  shrinkage  pada  segmen  3,  perlu dilakukan  penambahan  riser  yang  ditempatkan diatas bagian tersebut, sehingga suplai logam cair untuk penyusutan yang tidak dapat dilakukan riser pertama  akibat  pembekuan  pada  segmen  2  dapat teratasi.

## DAFTAR ACUAN
Abrianto A (2010), “Teknik Pengecoran Dan Peleburan Logam”, Unjani Bandung
ASM International (2009), “Casting Design and Performance”,
www.asminternational.org (hal.11 Fig.2)
ESI ProCast 2011.0 (2011), “Tutorials version 2011”, www.esi-group.com
Surdia  T,  Chijiwa  K  (1980),  “ Teknik Pengecoran  Logam”, PT.  Pradnya Paramita Jakarta.
http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/pendid ikan/Tiwan/Cacat_coran_dan_pencegah annya.pdf