## PENGARUH TEMPERATURE, HOLDING TIME, DAN PENAMBAHAN Sn TERHADAP CACAT SHRINKAGE PADA PROSES SINTERING METAL

## INJECTION MOLDING AL-PP
Ahmad Rendi Maulanaˡ, Danang Yudistiro²*, Mochamad.Asrofi²
ˡAlumni Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Jember ²Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Jember Jl. Kalimantan 37 Jember 68121
Email: *danang.ft@unej.ac.id

## ABSTRACT
Metal  Injection  Molding  (MIM)  is  a  technological  process  widely  used  in  the  powder  metallurgy industry.  This  technology  is  very  efficient  for  manufacturing  small  metal  components  with  complex shapes and in large quantities. MIM consists of four basic steps of mixing, injection molding, debinding, and sintering. The sintering process serves to increase the density and strength of metal powders. One of the problems in the sintering process is shrinkage. The purpose of this study was to determine the effect of  the  addition  of  Sn  (%),  temperature  (°C),  and  holding  time  (hours)  on  shrinkage  defects.  Another objective is to determine the optimal combination of these parameters to minimize shrinkage defects. This study uses the Taguchi experimental method. The contribution factor obtained is that the Sn parameter's addition  has  no  significant  effect  on  shrinkage  with  a  percentage  of  14.48%.  At  the  same  time,  the temperature parameter has a significant impact on the proportion of shrinkage with a portion of 68.92%. The  holding  time  parameter  has  a  percentage  of  6.27%,  so  it  has  no  significant  effect.  The  optimal combination in the process is the addition of 2% Sn, the temperature at 450°C and the holding time of 1 hour.
Keywords: Metal Injection Molding, Sintering, Shrinkage, Taguchi Method

## PENDAHULUAN
Metal  Injection  Molding (MIM)  adalah  teknologi yang  menjanjikan  untuk  memproses  serbuk  logam menjadi beberapa bentuk yang diinginkan. Proses MIM menggabungkan  pembuatan  bentuk  tradisional  dari injeksi  plastik  dan  fleksibilitas  bahan  metalurgi  serbuk [1].  Keuntungan  dari  proses  MIM  adalah  dimensi  dan bentuk produk yang dihasilkan mendekati produk akhir ( near net shape ), sehingga proses lanjutan (pemesinan) dapat  diminimalisir  yang  akan  mengurangi  biaya produksi.  Selain  itu  material  yang  digunakan  lebih efisien dari proses yang lainnya [2].
MIM  adalah  proses  teknologi  yang  relatif  terbaru digunakan dalam industri metalurgi serbuk, yang sangat efisien  dan  bermanfaat  untuk  pembuatan  komponen logam kecil dan rumit dalam jumlah besar. Proses MIM terdapat  empat  dasar  langkah-langkah  yang  terdiri mixing , injeksi cetakan, debinding , dan sintering [3]. Sintering untuk  memadatkan  dan  meningkatkan kekuatan dari serbuk logam. Proses sintering menghasilkan  produk  dengan  densitas  tinggi  (95-99%) dengan  porositas  pada  produk  mencapai  1-5%  dan penyusutan  ukuran  yang  cukup  besar  terjadi  pada produk yaitu sekitar 12- 20% [4] [5].
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh temperature,  holding  time dan  penambahan Sn terhadap cacat shrinkage pada proses sintering metal injection molding menggunakan metode Taguchi .

## METODOLOGI PENELITIAN
Jenis penelitian yang diterapkan pada penelitian  ini  adalah design  eksperimental dengan metode Taguchi. Penelitian  ini  meliputi  dua kegiatan  utama  yaitu  pembuatan dan  pengujian. Untuk  pembuatan  dan  pengujian  dilakukan  di Laboratorium Kemasan Fakultas Teknik Universitas Jember  pada  bulan  Maret  –  Mei  2020.  Peralatan, bahan, Prosedur penelitian, dan Rancangan percobaan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini adalah sebagai berikut:
1) Peralatan
1) Mesin Injection  Molding dengan  tipe pneumatic .
2) Kompor Listrik
3) Mixer 4) Furnace 5) 3d Scanner
6) Software Autodesk Meshmixer
7) Timbangan digital
2) Bahan
Material  yang  digunakan  pada  penelitian  ini terdiri dari powder (serbuk Aluminium 45%-wt dan  serbuk  Timah)  dicampur  dengan binder ( polypropylene (PP) 25%-wt, paraffin wax (PW)
28%-wt,  dan stearic  acid 2%-wt)  dan  larutan heksana digunakan  pada  proses debinding.
Gambar 1 adalah serbuk aluminium yang digunakan.    Adapun  spesifikasi  karateristik  dari material Aluminium (Al) sebagai berikut:
1) Assay ( Complexometric ) : 90.0 %
2) Heavy metals (as Pb) : 0.03 % 3) As ( Arsenic ) : 0.0005 % 4) Fe ( Iron ) : 1.0 % 5) Fat : Passes test Gambar 1. Serbuk Aluminium (Al) c. Prosedur Penelitian
1) Mempersiapkan alat dan bahan.
2) Melakukan  penimbangan  material powder dan binder .
3) Melakukan  proses mixing serbuk  aluminium, variasi jumlah serbuk Sn, dan binder .
4) Melakukan proses penginjeksian untuk membentuk spesimen sebanyak 27 buah.
5) Melakukan  proses debinding dengan  dilarutkan dalam  larutan heksana untuk  menghilangkan binder .
6) Melakukan  proses  pemindaian  spesimen  setelah debinding dengan  menggunakan  mesin  3d scanner sebanyak  27  buah  untuk  mengetahui volume.
7) Mencatat volume (V1) spesimen setelah debinding menggunakan  aplikasi Software Autodesk Meshmixer.
8) Menghidupkan  mesin furnace untuk  melakukan proses sintering .
9) Memasukkan  spesimen  kedalam  mesin furnace dengan temperature dan holding time yang telah divariasikan.
10) Melakukan  proses  pemindaian  spesimen  setelah sintering dengan  menggunakan  mesin  3d scanner sebanyak  27  buah  untuk  mengetahui volume.
11) Mencatat volume (V2) spesimen setelah debinding menggunakan  aplikasi Software
Autodesk Meshmixer.
12) Menghitung  persentase  cacat shrinkage dengan menggunakan persamaan rumus [6]: S = (V1-V2)/V1  x 100 %
13) Analisa  cacat shrinkage dengan  metode Anova
dan Taguchi.
14) Mendapatkan  kesimpulan  dari  data  penelitian yang telah dilakukan.
d.  Rancangan Percobaan Pada penelitian ini menggunakan desain eksperimen dengan metode taguchi orthogonal array L 9 (3 3 ) dan Tabel  1  dan  Tabel  2  menunjukkan  tiga  parameter
yang  digunakan    pada  penelitian,  dengan  setiap parameter memiliki 3 level.
Tabel 1. Pengaturan level setiap parameter
Tabel 2. Pengaturan level setiap parameter

## HASIL DAN PEMBAHASAN
1. Fenomena Cacat Eksperimen
Pada  hasil  penelitian  ini  mengalami  fenomena cacat pada proses sintering metal injection molding yaitu  cacat shrinkage seperti  penyusutan  pada produk  yang  tidak  merata, distorsi ,  mengalami penyusutan geometri (volume  dan  dimensi)  dan fenomena  retak  ( crack ).  Cacat shrinkage adalah salah  satu  cacat  yang  terjadi  pada  proses  MIM dimana  spesimen  yang  dihasilkan  mengalami penyusutan.  adanya  penyusutan  sering  ditandai dengan  muncul  perubahan geometri (volume  dan dimensi) pada spesimen dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Perubahan dimensi produk (a) Sebelum Sintering dan (b) Setelah Sintering
Proses sintering menyatukan partikel bubuk dan menghilangkan  pori-pori  yang  terbentuk  selama debinding .  Secara  alami  kejadian  ini  akan berdampak  pada  dimensi  bagian-bagiannya  [7]. Gambar  3  menjelaskan  tentang  cacat shrinkage yang ditandai dengan penyusutan tidak merata. Hal ini  disebabkan  paparan  energi  panas  yang  diserap
Kode Parameter Lvl. 1  Lvl. 2 Lvl.3 A Penambahan Sn (wt%) 0 1 2 B Temp( o C) 450 550 650 C Holding Time(Jam) 1 2 3
Komb. Ke- Parameter Penambahan Sn (wt.%) Temperature ( o C) ( o C) Holding Time (Jam) 1 0 450 1 2 0 550 2 3 0 650 3 4 1 450 2 5 1 550 3 6 1 650 1 7 2 450 3 8 2 550 1 9 2 650 2
(a) (b)
produk tidak merata [7].
Gambar 3. Penyusutan tidak merata
Gambar  4  menjelaskan  tentang  fenomena distorsi atau  mengalami  cekungan  pada  spesimen.  Jika  suhu terlalu tinggi cairan terbentuk kemudian gaya gravitasi menyebabkan distorsi atau  bahkan  merosot  [8]. Gambar  5  menjelaskan  tentang  fenomena  cacat  retak pada  spesimen.  Pemanasan  yang  terlalu  cepat  adalah penyebab  umum  pembentukan  retakan.  Pembentukan oksida juga  dapat  menyebabkan  bagian  MIM mengalami retak [7].
Gambar 4. Distorsi

## Gambar 5. Retak

## 2. Data Hasil Eksperimen
Data  percobaan  diperoleh  berdasarkan  rancangan percobaan teori metode Taguchi dengan menggunakan matriks  orthogona l  L 9 (3 3 ).  Proses  pengambilan  data dilakukan  secara  acak  dengan  replikasi  sebanyak  3 kali. Hasil percobaan kemudian disajikan dalam bentuk tabel Berikut ini merupakan data cacat shrinkage yang didapat pada eksperimen data dilihat pada Tabel 3.

## 3. Perhitungan S/N Rasio
Perhitungan  S/N  rasio  digunakan untuk  mengetahui kualitas  spesimen  yang  diteliti  sehingga  didapat informasi  parameter  mana  yang  lebih  berpengaruh terhadap  respon  yang  ingin  dicapai.  Respon  yang digunakan pada penelitian ini menggunakan karateristik respon  semakin  kecil,  semakin  baik  dari  setiap spesimen  yang  dihasilkan.  Perhitungan  nilai  S/N  rasio
dapat  dihitung  dengan  menggunakan  persamaan sebagi berikut:
Tabel  3.  Data  persentase  cacat shrinkage dan  S/N ratio Kombinasi Ke- Persentase Cacat Shrinkage (%) Rata- Rata (%) S/N Rasio Rep.I Rep.II Rep.III 1 13,53 17,80 19,00 16,78 15,50 2 18,04 19,99 23,54 20,52 13,76 3 20,13 24,42 27,54 24,03 12,38 4 11,51 14,92 16,27 14,23 16,94 5 19,42 21,99 21,69 21,03 13,54 6 19,45 20,54 17,06 19,02 14,41 7 18,00 13,46 14,10 15,19 16,37 8 16,33 19,15 17,48 17,65 15,07 9 20,88 19,37 19,30 19,85 14,04
Nilai  S/N  Rasio  terhadap  cacat shrinkage di berbagai kombinasi ditunjukan pada Tabel 3.
4. Kombinasi Variasi Optimal Level parameter yang paling optimal
ditunjukkan  dengan  nilai  rata-rata  S/N  rasio  tiap level  cacat.  Maka  dari  itu  kombinasi  level  disetiap parameter  optimal  dari  proses sintering  metal injection molding terhadap cacat shrinkage . Berikut nilai yang paling optimal.
a. Penambahan Sn : 2% b. Temperature : 450 o C c. Holding Time : 1 Jam
Gambar 6 Plot Rata-rata S/N Rasio
5. ANOVA, Uji F dan Persen Kontribusi
ANOVA digunakan untuk mengetahui kontribusi  setiap  parameter  terhadap  keluaran  yang diteliti.  ANOVA  pada  penelitian  ini  dihitung berdasarkan  data  S/N  rasio  yang  mewakili  nilai cacat shrinkage pada  setiap  kombinasi.  Hasil perhitungan  ANOVA  didapatkan  dari software Minitb .    Berikut  ini  adalah  hasil  perhitungan ANOVA  faktor  kendali  terhadap  respon  cacat
shrinkage secara  keseluruhan  dapat  dilihat  pada  Tabel 4.
Tabel  4.  Hasil  ANOVA  dengan  S/N  Rasio  Cacat Shrinkage
Dari  hasil  perhitungan  ANOVA  di  atas  dapat dilakukan  proses  uji  F  setiap  parameter  kendali terhadap persentase cacat shrinkage . Pada penelitian ini taraf  signifikan  yang  digunakan  sebesar  5%  (α  =  0,05) dan  F Tabel yang  digunakan  (F 0,05;2;2 )  =  19,00.  Hal  ini diketahui parameter yang berpengaruh secara signifikan,  apabila  nilai  nilai  Fhitung  >  Ftabel.  Dapat dilihat pada Tabel 4 bahwa hanya temperature memiliki pengaruh  yang  signifikan  terhadap  nilai  persentase cacat shrinkage .
6. Pembahasan
a. Penambahan Sn 20,44
18,09 17,56 16 17 18 19 20 21 22 0% Sn 1% Sn 2% Sn Ni lai C acat
Sh ri n ka g e (% ) Penambahan Sn (%) Gambar 7. Diagram Rata-rata nilai Shrinkage
PengaruhPenambahan Sn
Gambar  7  menunjukkan  diagram  rata-rata  nilai shrinkage dengan  pengaruh Sn .  Dari  Gambar  7 dapat diketahui bahwa semakin banyak penambahan Sn maka cacat shrinkage semakin menurun. Hal ini disebabkan penambahan
Sn membantu pembentukan  struktur  mikro  sehingga  pada  proses sintering Sn  tidak  hilang  tetapi  Sn  membentuk struktur mikro, sehingga penyusutan lebih sedikit.
b. Temperature
Temperature adalah suhu yang dibutuhkan untuk proses  sintering  yang  bertujuan  untuk  membentuk struktur  mikro  antar  partikel  dan  proses  sintering akan  mengubah  produk  yang  dengan  kepadatan tinggi.  Apabila  temperature  yang  ditetapkan  di  atas titik  lelehnya  maka  mengakibatkan  produk  tersebut mengalami kerusakan struktur. Gambar 8 menunjukkan  bahwa  semakin  tinggi  temperature
yang  digunakan  maka  persentase  cacat  semakin meningkat  [9]. Holding  time adalah  waktu  yang dibutuhkan  produk  untuk  membentuk  struktur mikro  antar partikel  pada proses sintering metal injection  molding .  Gambar  9  menunjukkan hubungan  antara  nilai  cacat  shrinkage  dengan Holding  Time .  Semakin  tinggi Holding  Time, akan berakibat peningkatan cacat shrinkage .. Hal tersebut disebabkan karena lamanya holding time sintering mempengaruhi  proses  pembentukan partikel  sehingga  berdampak  penyusutan  pada spesimen.
15,4 19,73 20,97 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 450 oC 550 oC 650 oC N il ai C ac at Sh ri n ka g e (% ) Temperature ( o C)
Gambar 8. Diagram Rata-rata nilai shrinkage pengaruh temperature Hal ini disebabkan oleh perbedaan temperatur furnace yang  diserap  specimen.
Perbedaan  temperatur  mengakibatkan  antar partikel  menyatu  sehingga  pori-pori  hasil debinding berkurang.  Perbedaan  temperatur tersebut  juga mengakibatkan binder yang tersisa hilang,  sehingga  berdampak  pada  penyusutan dimensi dan volume [10].
c. Holding Time 17,82 18,2 20,08 17 18 19 20 21 1 Jam 2 Jam 3 Jam N ilai C ac at Sh ri n ka g e (% ) Holding Time (Jam)
Gambar 9. Diagram Rata-rata nilai Shrinkage Pengaruh Holding Time

## KESIMPULAN
Berdasarkan  analisis  yang  telah  dipaparkan, maka  dapat  diambil  beberapa  kesimpulan  sebagai berikut:
a. Berdasarkan  hasil  perhitungan  distribusi  F, didapatkan  parameter  penambahan  Sn  tidak berpengaruh secara signifikan terhadap persentase  cacat shrinkage dengan  persentase kontribusi  sebesar  14,48%.  Sedang  parameter temperatur  memiliki  pengaruh  secara  signifikan
Parameter DF SS MS F ρ Penambahan Sn 2 2,851  1,425 6,629  14,48 % Temperature 2 11,947  5,974 27,783 68,92 % Holding Time 2 1,477  0,739 3,436  6,27 % Residual Eror 2 0,430  0,215 10,33 % Total 8 16,705 100 %
terhadap persentase cacat shrinkage dengan persentase  kontribusi  sebesar  68,92%.  Parameter holding  time tidak  memiliki  pengaruh  secara signifikan  terhadap  persentase  cacat shrinkage, dengan persentase kontribusi sebesar 6,27%.
b. Perhitungan  parameter  optimal  dilakukan  dengan metode Taguchi serta  menggunakan  bantuan software  minitab. Parameter  optimal  yang  didapat adalah, penambahan Sn 2%, temperatur 450 o C, dan holding time selama 1 jam akan menghasilkan cacat shrinkage paling rendah.

## SARAN
Saran  yang  dapat  diajukan  agar  p e n e l i t i a n berikutnya dapat lebih baik dan dapat menyempurnakan  penelitian  yang  telah  dilakukan dalam penelitian ini, yaitu: perlu adanya pengembangan  parameter  yang  lain  seperti cooling time agar mendapatkan produk yang lebih optimal sehingga cacat shrinkage dapat dikurangi seminimal  mungkin  dan  juga  pada  penelitian selanjutnya dapat diharapkan menggunakan metode lain seperti respon surface sehingga dapat disbanding hasil persentasenya

## DAFTAR PUSTAKA
[1]Pachauri,  P.  dan  M.  Hamiuddin.  2016. Effect  of Sintering  Process  Parameters  in  Metal  Injection Molding  (MIM)  Process  on  Impact  Toughness  of Sintered  Parts . International  Journal  of  Advanced Materials  and  Metallurgical  Engineering .  2(1):  23- 33.
[2] Virdhian,  S.  dan  Pujiyanto.  2014.  Pengembangan Komponen Near  Net  Shape Berbiaya  Rendah Dengan proses Metal Injection Moldin g. Jurnal Riset
Industri. 8(1): 11-21
[3]Gelin,  J.C.,  Th.  Barriere,  dan  J.  Song.  2010. Processing  Defects  and  Resulting  Mechanical Properties  After  Metal  Injection  Molding. Engineering  Materials  and  Technology .  132:  1- 9.
[4] Afrilinda, E., S. Virdhian, M. Doloksaribu. 2017. Studi Awal Pembuatan Feedstock Metal Injection Moulding Menggunakan Torque Rheometer. Metal Indonesia. 39(1): 33-44.
[5] A.Islam,  N.  Giannekas,  D.  M.  Marhöfer,  G. Tosello,  H.  N.  Hansen.,2015. The  Shrinkage Behavior and Surface Topographical
Investigation for Micro Metal Injection molding. AIP  Conference  Proceedings 1664,  110007-1  - 5.
[6] Krisnawan,  I.H.,  B.  Kusharjanta,  dan  W.P. Raharjo. 2012. Pengaruh Ukuran Riser Terhadap Cacat  Penyusutan  Dan  Cacat  Porositas  Produk Cor Aluminium Cetakan Pasir. Mekanika. 10(2): 125-130.
[7]  Engstrom,  B.  2017. Metal  Injection  Molding:  A review  of  the  MIM  process  and  its  optimization. Erland Nyroth (Arcada) : 67.
[8]  Hwang,  K.S.,  2012. Common  Defects  in  Metal Injection  Molding  (MIM) .  Taiwan: National Taiwan University.
[9]  Tatt,  T.K.,  Muhamad,  N.,  Haron,  C.H.  C.,  dan Jamaludin,  K.R.,  2019. Influences  of  Injection Pressure and Flow Rate to the Green Properties . International
Journal of Engineering & Technology .8 (1.12) 51-54.
[10]Koffi  A,  Koffi  D,  Aimin  &  Toubal  L.,  2016. Injection  Molding  Parameters  Influence  on  PE Composites  Parts.  International  Journal  of Engineering  Research  and  Development 12(10), 29–39.