BAB IV

SIMULASI DAN ANALISIS CETAKAN

RING, CONE DAN BLADE

Hasil perancangan cetakan sistem penambah dan sistem saluran pada bab

III yang menghasilkan model cetakan dalam proses pengecoran belum dapat

dipastikan menghasilkan produk coran yang bagus. Oleh karena itu, sebelum

diproduksi atau di cor sebaiknya digunakan simulasi pengecoran dengan software

casting terlebih dahulu layaknya proses pengecoran sebenarnya. Hal ini

dimaksudkan untuk memperkirakan produk coran yang berkualitas baik dan

diharapkan kerugian biaya dapat dimimalisir. Dengan melakukan simulasi

pengecoran dapat juga digunakan untuk melakukan optimasi produk coran seperti

mengoptimasi berat material coran, lamanya waktu pengecoran, mengetahui aliran

logam cair, optimasi temperatur tuang bahkan menghindari cacat pada produk

coran seperti rongga penyusutan. Pada bab ini akan digambarkan langkah-langkah

dalam simulasi pengecoran seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.1.

Gambar 4.1 Diagram Alir Simulasi Cetakan

4.1 Persiapan Awal (Pre Processor)

Berdasarkan perancangan cetakan, sistem penambah pada ring sebanyak 4

top riser sedangkan pada cone sebanyak 5 side riser dan 1 top riser. Sistem

saluran pada ring memiliki 1 saluran turun, 2 saluran pengalir dan 2 saluran

masuk, sedangkan pada cone mempunyai 1 saluran turun, 2 saluran pengalir dan 2

saluran masuk.

Langkah awal dalam melakukan simulasi pengecoran Adstefan yaitu

dengan memasukkan data material seperti massa jenis, solidus, liquidus, themal

conductivity dan lain-lain yang ditunjukkan pada tabel 4.1. Langkah selanjutnya

memasukkan model coran ke software adstefan dengan cara File *.prt dari

modeling Pro Engineering diubah dan disimpan dalam format *.stl. Setelah itu

solid 3D model cetakan format *.stl diimport ke Adstefan. Setelah mengambil file

*stl selanjutnya membuat kotak cetakan secara virtual dan mengasumsikan arah

awal dari logam cair yang masuk ke dalam cetakan atau top gate. Selanjutnya

proses meshing dilakukan dengan membagi cetakan menjadi komponen kecil.

Proses meshing ini dilakukan didalam software Adstefan. Unmesh berfungsi untuk

memperbaiki komponen-komponen kecil dari coran tersebut. Pada software

casting yang lain seperti ProCast dan SolidCast, proses meshing bisa dilakukan

dengan bantuan software ProMechanica yang telah terintegrasi di dalam

Pro/Engineer yaitu dengan cara mengimport file meshing *.unv ke dalam

software casting (SolidCast, ProCAst) tersebut. Akan tetapi file meshing dari

software proMechanica tidak bisa diimport ke Adstefan sehingga proses meshing

dilakukan di dalam satu kesatuan Adstefan. Pertimbangan yang lain yaitu bahwa

hasil akan lebih jauh mendekati sebenarnya jika meshing dilakukan pada software

casting itu sendiri yaitu Adstefan.

Tabel 4.1 Sifat Baja Cor CA6NM. Pasir Kromit dan Keramik

No

Sifat-Sifat

Baja Cor

Ca6NM

Pasir Kromit

Keramik

1. Densitas (kg/m3) 7,85 x 103 2,75 x 103 4 x 103

2. Konduktivitas termal

(W/m K)

25.09 (1000C)

28.9 (537.770C)

0.58 0.80

3. Panas spesifik (kJ/kg K) 0.5 (0-1000C) 0,80 (326,850C)

0,86(526,850C)

0,94 (926,850C)

0,99 (1326,850C)

0.92

4. Poison Ratio 0.3 0.22 0.3

5. Young Modulus (Gpa) 206 275 200

6. Latent Heat (kJ/Kg) 259.58

7. Dinamic Viscosity (cm2/s) 0.0078

8. Liquidus (0C) 1490.55

9. Solidus (0C) 1465.55

Proses selanjutnya adalah mendefinisikan model cetakan agar bisa

diselesaikan oleh Adstefan sebagai solver. Langkah pertama yaitu mendefinisikan

jenis cetakan, jenis material coran, chill dan kondisi lingkungan. Pada ring dan

cone dipilih jenis cetakan chromite sand sedangkan pada blade dipilih jenis

cetakan keramik. Parameter selanjutnya adalah parameter pengisian cetakan

(Mold Filling) yang meliputi arah aliran logam cair, kecepatan logam cair dalam

cetakan, jumlah frame yang disajikan dalam pengisian, hambatan, output interval,

interface material yang mewakili sambungan antar permukaan, kondisi batas

(boundary condition) dan lain-lain. Berikutnya parameter pemadatan

(Solidification) yang meliputi nilai penyusutan (shrinkage) material logam,

hambatan, output interval, calculation control dan lain-lain. Setelah proses

tersebut selesai maka cetakan dapat mulai disimulasikan. Lama simulasi

tergantung banyaknya meshing produk coran dan geometri produk tersebut. Pada

penelitian ini proses running mold filling dan solidification berlangsung sekitar 4

hingga 5 jam bahkan lebih.

4.2 Penyelesaian (Solver)

Tahap ini adalah tahap running sebuah model cetakan atau proses analisis.

Tahap ini merupakan tahapan membaca semua parameter yang telah didefinisikan

pada tahap awal sehingga simulasi menghasilkan perkiraan pengisian cetakan

(mold filling), pembekuan (sodification) bahkan analisis tegangan thermal bisa

didapatkan.

4.3 Persiapan Akhir (Post Processor)

Semua data dan hasil simulasi didefinisikan di dalam Post Processor dan

disimpan dengan ekstensi data filling (.mat3d, .matt3d, .ftim3d), data pemadatan

(solid3d), cacat shrinkage porosity (vfs3d) data distribusi temperatur coran

(temp3d), kecepatan (vel3d, flw3d), data gradien (grad3d), dan waktu pemadatan

akhir pada fraksi solid (solend3d).

4.4 Hasil Simulasi

4.4.1 Pola Pengisian Cetakan (Mold Filling)

Pola pengisian (filling) adalah suatu simulasi aliran logam cair sampai

100% mengisi rongga cetakan. Aliran logam cair dimulai dari pouring, menuju

saluran turun (sprue), lalu menuju pengalir (runner) sehingga dialirkan menuju

saluran masuk (gate). Dari saluran masuk terlihat aliran logam cair mengisi

rongga cetakan secara baik. Yang perlu dihindari adalah aliran logam cair

turbulen. Aliran turbulen dapat dilihat secara visual apabila ada logam cair yang

bertabrakan dan akan menimbulkan terkikisnya cetakan pasir yang dapat

menimbulkan cacat pada produk. Aliran logam cair tersebut juga harus terlihat

halus (smooth) dari bawah mengisi ke atas rongga cetakan. Pada produk ring,

cone dan blade terlihat secara visual bahwa pola pengisian sudah sesuai yang

diharapkan.

Aliran logam cair pada ring terlihat cukup seragam karena aliran berasal

dari tengah menuju ke benda. Aliran pertama dari pouring menuju bawah coran

lalu keatas produk dan terakhir menuju saluran penambah. Aliran pada logam

menuju coran tidak mengalami gangguan seperti kebocoran aliran karena logam

cair masih berada didalam coran. Aliran tidak akan sempurna jika logam cair tidak

sempurna mengalir karena salah memasukkan parameter top gate sehingga

kadangkala jika salah memasukkan parameter maka aliran tidak dari pouring

tetapi berawal dari produk seperti pada gambar 4.2.

Gambar 4.2 Mold Filling Ring

Aliran logam pada cone terlihat pada bagian yang menghadap saluran

cetakan mengalami pengisian yang pertama tetapi cenderung pengisian tersebut

seragam dimana semua lini bagian terisi oleh logam cair dan tidak mengalami

kebocoran produk dan alirannya logam secara visual benar dari pouring menuju

coran dan penambah seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.3. Sedangkan pada

blade mempunyai aliran yang cukup berbeda karena mengambil acuan saluran

masuk tidak tegak lurus dengan permukaan blade karena pertimbangan blade

yang memiliki profil yang rumit. Akan tetapi aliran logam yang menuju coran

mengalir sesuai yang diharapkan seperti pada gambar 4.4.

Gambar 4.3 Mold Filling Cone

Gambar 4.4 Mold Filling Blade

4.4.2 Pola Pembekuan (Solidification)

Proses pemadatan atau pembekuan (solidification) menunjukkan proses

awal yang dibutuhkan baja cair untuk berubah dari fasa cair setelah selesai

dituang sampai ke fasa padat (solid). Waktu pemadatan menunjukkan selang

waktu yang dibutuhkan baja cor cair untuk berubah fasa cair menjadi padat.

Proses pemadatan dipengaruhi oleh laju pendinginan selisih antara temperatur

Time = 1.8820E+000 (s)

tuang dengan temperatur padat (selang pembekuan) dan gradien temperatur antara

baja cor dengan cetakan.

Pada bagian ring terdapat proses pemadatan paling awal yaitu pada bagian

tengah coran. Hal ini dikarenakan penampang bagian tengah ring tersebut

mempunyai penampang yang tipis sehingga terlihat ada pemisahan didaerah atas

dan bawah yang mengalami proses pemadatan paling lambat. Proses paling

lambat merupakan faktor terjadi shrinkage porosity tetapi lebih baik jika dilihat

pada simulasi shrinkage prediction. Penambah bagian atas ditempuh oleh

penambah (riser) untuk menyuplai ke bagian yang mengalami proses

keterlambatan akhir seperti pada gambar 4.5.

Gambar 4.5 Pola Pembekuan Ring

Pada bagian cone terdapat proses pemadatan paling akhir yaitu pada

bagian tengah cone yang disebut crown dan pada bagian sisi cone. Bagian tengah

crown menyebabkan kemungkinan besar dapat mengalami cacat rongga

penyusutan. Untuk menghindari terjadinya cacat shrinkage porosity, di bagian

crown diletakkan 2 penambah top. Dan pada bagian sisi cone diletakkan sebanyak

5 penambah samping. Pada simulasi solidification memang terlihat bahwa bagian

crown mengalami proses pemadatan paling lambat seperti pada gambar 4.6.

Gambar 4.6 Pola Pembekuan Cone

Pada bagian blade yang mempunyai 1 saluran masuk mengalami proses

pemadatan yang seragam tetapi ada keterlambatan dibagian tengah dekat saluran

masuk. Berdasarkan bagian yang mengalami proses pemadatan paling akhir ada

kemungkinan terdapat penyusutan di lokasi tersebut tetapi akan lebih terpercaya

jika dilihat pada shrinkage prediction. Proses pemadatan ditunjukkan pada

gambar 4.7.

Gambar 4.7 Pola Pembekuan Blade

4.4.3 Distribusi Temperatur

Pada akhir pengecoran distribusi temperatur coran sama dengan

temperatur cetakan. Pengaruh panas terjadi pada cetakan yang berasal dari panas

Crown

Time = 1.3562E+001 (s) Solidified = 5.5237E+001 (%)

logam cair secara perpindahan menuju ke logam cetakan. Banyaknya panas yang

dipindahkan dari logam ke cetakan tergantung dari temperatur logam cair pada

saat akan dicor. Tergantung dari besarnya benda coran atau massanya benda cor,

mengandung panas tertentu dan sifat bahan cetakan.

Bagian yang tebal pada ring mengalami temperatur yang paling besar

yaitu pada bagian atas dan bagian ring serta penambah yaitu pada dalam waktu

56.97 detik sekitar 1450º C yang ditunjukkan pada gambar 4.8. Sedangkan pada

cone, temperatur paling besar pada saat 617.36 detik setelah penuangan terjadi di

bagian crown sekitar 1300º C yang ditunjukkan pada gambar 4.9. Bagian tengah

blade mengalami temperatur yang cukup signifikan dibandingkan dengan bagian

yang lain sehingga mungkin terjadi tegangan akibat temperatur atau yang disebut

thermal stress yang ditunjukkan pada gambar 4.10.

Gambar 4.8 Distribusi Temperatur Ring

Gambar 4.9 Distribusi Temperatur Cone

Gambar 4.10 Distribusi Temperatur Blade

4.4.4 Distribusi Kecepatan

Kecepatan dalam rongga cetakan beragam. Setiap bagian mempunyai

kecepatan yang berbeda-beda. Kecepatan yang dihindari adalah jika logam cair

tersebut bertabrakan menyebabkan kecepatan membelah sehingga timbul aliran

turbulen dan berdampak terkikisnya pasir dari cetakan dan dapat menyebabkan

gas terperangkap sehingga menimbulkan cacat rongga. Pola kecepatan ring

ditunjukkan pada gambar 4.11 sedangkan pola kecepatan cone ditunjukkan pada

gambar 4.12. dan pola kecepatan blade ditunjukkan pada gambar 4.13.

Time = 1.8626+001 (s)

Gambar 4.11 Pola Kecepatan Ring

Gambar 4.12 Pola Kecepatan Cone

Gambar 4.13 Pola Kecepatan Blade

4.4.5 Prediksi Cacat Penyusutan (Shrinkage Porosity)

Proses prediksi merupakan sangat penting dalam simulasi ini. Sebuah

produk coran akan dilanjutkan ke proses produksi apabila bebas dari cacat rongga

penyusutan. Cacat rongga shrinkage adalah suatu cacat yang terjadi akibat

penyusutan logam tersebut. Besar nilai shrinkage beragam sedangkan pada baja

cor CA6NM ini mempunyai shrinkage sekitar 1.8%. Cacat rongga akibat

penyusutan terlihat menyerupai rongga-rongga akibat pola pembekuan yang

mengalami keterlambatan. Prediksi cacat rongga telihat secara visual pada

software ini yaitu warna biru menunjukkan bahwa coran tersebut bernilai baik

atau rongga cetakan terisi sempurna oleh logam cair sedangkan gradasi warna lain

menunjukkan prosentasi terisinya logam cair ke cetakan.

Pada ring terlihat bahwa terdapat gradien warna biru muda sampai merah

pada bagian atas ring dan bagian bawah ring yang mempunyai ketebalan yang

lebih besar dibandingkan bagian tengah. Cacat rongga penyusutan sudah

dipastikan karena pola pembekuan pada lokasi bagian atas dan bawah mengalami

pembekuan terakhir. Cacat rongga itu juga akibat fungsi penambah (riser) tidak

sempurna menyuplai logam cair. Oleh karena itu perlu redesign dan analisis

cetakan lagi sebelum diproduksi. Lokasi pertama timbul cacat rongga di sekeliling

ring yaitu diantara penambah yang ditandai oleh warna biru muda dan merah.

Pada lokasi kedua terjadi di bagian bawah ring mengalami cacat karena suplai

Time = 2.7501E+000 (s)

logam cair tidak terdistribusi sampai ke bawah sehingga terdapat cacat rongga

yang ditunjukkan pada gambar 4.13 (b).

(a)

(b)

Gambar 4.14 Shrikage prediction Ring (a) Lokasi 1 (b) Lokasi 2

Pada bagian cone tedapat cacat rongga pada bagian crown. Bagian tersebut

agak sulit ditempuh oleh riser karena berada ditengah-tengah produk sehingga

fungsi riser tidak optimal. Pada bagian ini harus dipertimbangkan karena posisi

sangatlah berperan aktif dalam fungsi runner secara keseluruhan. Cacat rongga

akan dapat menurunkan kekuatan dari runner itu sendiri. Cacat rongga penyusutan

Cacat Shrinkage

pada cone ditunjukkan pada gambar 4.14 (b). Warna biru menunjukkan bahwa

tidak ada shrinkage sedangkan gradasi warna lain menunjukkan adanya cacat

rongga penyusutan.

(a)

(b)

Gambar 4.15 Shrikage prediction Cone (a) Lokasi 1 (b) Lokasi 2

Pada bagian blade atau sudu menunjukkan adanya cacat shrinkage

meskipun kecil. Gradasi warna biru terlihat merata pada semua layer blade pada

lokasi 1 tetapi ada sedikit warna biru muda pada penampang blade yang terpotong

seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.15 yaitu terjadi cacat penyusutan. Pada

lokasi 2 yang berwarna merah menunjukkan bahwa rongga penyusutan terjadi

pada pouring bukan pada blade. Jenis pengecoran blade berbeda dengan ring dan

cone. Pada blade digunakan cetakan keramik yang tergolong cetakan kuat

Cacat Shrinkage

sehingga hal ini menjadi salah satu alasan mengapa blade tidak mengalami cacat

shrinkage yang cukup besar.

(a)

(b)

Gambar 4.16 Shrikage prediction Blade (a) Lokasi 1 (b) Lokasi 2

4.5 Analisis

Runner yang dibagi oleh 3 komponen yaitu ring, cone dan blade tidaklah

sesuai yang diharapkan karena pada bagian ring, cone dan blade mengalami cacat

shrinkage porosity karena penambah (riser) tidaklah berfungsi dengan optimal

yang terlihat pada pola pembekuan dan dinyatakan dengan cacat rongga yang

terlihat pada shrinkade prediction. Oleh karena itu perlu dilakukan perancangan

ulang cetakan.

Cacat Shrinkage

Perancangan ulang tersebut dilakukan dengan mengubah rancangan

penambah pada ring dengan menambah diameter penambah yang otomatis

mengubah volume penambah. Sedangkan pada cone, penambah yang diletakkan

di atas crown belum mampu mengompensasi rongga penyusutan yang terjadi

ketika proses pemadatan dan pendinginan berlangsung sehingga perlu adanya

perubahan desain model coran dengan mengisi rongga menjadi bentuk solid. Pada

blade juga perlu adanya perancangan ulang mengenai luas saluran turun dan

volume penambah yang menyatu dengan runner dan pouring.

4.5.1 Ring

Pada ring diameter penambah tersebut diperbesar menjadi 110 mm, dan

tinggi penambah diubah menjadi 160 mm. Dengan perubahan rancangan

penambah ini berarti massa ring menjadi lebih besar sehingga sistem saluran yang

digunakan untuk mengantarkan baja cor cair ke rongga cetakan juga harus

disesuaikan. Hasil perubahan rancangan ini kemudian dimodelkan dengan

Pro/Engineer dan dianalisis. Hasil analisis dengan Pro/Engineer menunjukkan

bahwa model cetakan memiliki rongga dengan volume 2.01e7 mm3 dan massa

158.5 kg. Akan tetapi, hasilnya kurang memuaskan karena masih terdapat

shrinkage porosity di setiap sisi atas dan bawah sehingga perlu model baru lagi.

Untuk menangani permasalahan shrinkage maka pada sisi atas ring masih dipakai

penambah yang sama besarnya tetapi ditambah dengan pemberian chill untuk

mempercepat pembekuan pada daerah yang lambat pola pembekuannya. Tidak

hanya itu temperatur tuang untuk ring harus diatur sedemikian rupa agar sesuai.

Temperatur tuang yang terlalu tinggi mengakibatkan laju pembekuan yang lambat

sehingga mengakibatkan terjadinya porosity shrinkage. Pada penelitian ini hal

tersebut telah diatur dengan cara mengurangi asumsi temperatur puoring dari

1540º C menjadi 1510º C. Untuk mengatasi cacat shrinkage pada bagian bawah

dilakukan penambahan daging pada ring agar riser top berfungsi dengan baik dan

terdistribusi sampai kebawah coran meskipun setelah dicor akan dilakukan proses

pemesinan.

Pola pengisian agak berbeda karena sistem saluran dirubah rancangannya

tetapi secara prinsip sama. Aliran logam tidak mengalami gangguan dari pouring

menuju produk coran yang ditunjukkan pada gambar 4.16. Pola pembekuan

rancangan pertama berbeda dengan rancangan yang kedua. Pada rancangan

terakhir diketahui bahwa pada bagian atas ring diantara riser mengalami

pembekuan yang cepat karena di lokasi tersebut dipasang sebuah cill untuk

mempercepat pembekuan yang ditunjukkan pada gambar 4.17.

Gambar 4.17 Pola Pengisian Ring Design ke-2

Gambar 4.18 Pola Pembekuan Ring Design ke-2

Time = 9.3004E+000 (s)

Time = 1.1755E+002 (s) Solidified = 4.4004E+001 (%)

Pada penelitian ini dapat diamati bahwa ancangan yang kedua mempunyai

pola kecepatan sama dengan rancangan pertama yang ditunjukkan pada gambar

4.18. Akan tetapi distribusi temperatur berbeda dengan desiain yang pertama.

Keberadaan chill mempengaruhi perbedaan temperatur. Temperatur pada chill

pada gambar 4.19 sekitar 1200º C sedangkan pada coran sekitar 1350º C. Hal ini

dapat pula menyebabkan kekuatan disekitar chill akan berbeda dengan

disekitarnya. Kekerasan coran sekitar chill mengalami pendinginan cepat yang

mengakibatkan coran sekitar chill mempunyai kekerasan yang lebih besar. Oleh

karena itu perlu perlakuan panas (heat treatment) setelah pengecoran selesai.

Gambar 4.19 Pola Kecepatan Ring Design ke-2

Time = 1.3592E+001 (s)

Gambar 4.20 Distribusi Temperatur Ring Design ke-2

Cacat rongga penyusutan yang terjadi pada ring bisa dikatakan bebas cacat

karena tidak terlihat gradasi warna pada selain warna biru. Pada bagian atas ring

yaitu lokasi 1 tidak terdapat cacat karena pengaruh akibat pembesaran penambah

dan pemasangan chill. Sedangkan pada bagian bawah atau lokasi 2 tidak terdapat

cacat karena penambahan daging pada sehingga bagian tengah tidak mengalami

proses pembekuan awal sehingga suplai logam cair dari penambah dapat optimal

terdistribusikan.

(a)

Time = 1.7643E+002 (s)

(b)

Gambar 4.21 Shrinkage Prediction Design ke-2 (a) Lokasi 1 dan (b) Lokasi 2

4.5.2 Cone

Pada cone, rongga pada cetakan dibuat solid untuk mengantisipasi cacat

pada bagian crown. Perubahan rongga pada cetakan membuat volume dan massa

menjadi lebih besar yang akan menyebabkan biaya lebih mahal karena lebih

banyak garam pada proses pemesinan yang harus dibuang. Oleh karena itu

dirancang semi-solid yaitu hanya sebagian rongga saja yang dibuat solid.

Diameter penambah pun disesuaikan melebihi perhitungan sekitar 1.5 kali dan

hanya 1 top riser. diameter top riser menjadi 220 mm dan tinggi penambah

diubah menjadi 200 mm sedangkan 5 penambah samping diameter 70 mm dan

110 mm tinggi penambah. Perubahan rancangan penambah ini sudah barang tentu

membuat massa cone menjadi lebih besar sehingga sistem saluran yang

digunakan untuk mengantarkan baja cor cair ke rongga cetakan juga harus

disesuaikan.. Hasil analisis dengan Pro/Engineer menunjukkan bahwa, model

cetakan memiliki rongga dengan volume 2.52e7 mm3 dan massa sebesar 197.7 kg.

Langkah berikutnya model cetakan baru ini dilakukan simulasi pengecoran

dengan Adstefan yang ditunjukkan pada gambar 4.20..

Pola pengisian pada cone sama saja dengan desiai awal bahwa tidak terjadi

sesuatu yang diluar harapan yang ditunjukkan pada gambar 4.22. Sebaliknya pola

pembekuan mengalami perubahan baik. Penambah top yang berjumlah 1 terbukti

bisa menyuplai logam cair kedalam produk coran. Lima penambah samping bisa

menyuplai logam cair kedalam sisi pada cone dapat mengurangi penyusutan

seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.23.

Gambar 4.22 Pola Pengisian Cone Design ke-2

Gambar 4.23 Pola Pembekuan Cone design ke-2

Distribusi temperatur terpusat pada bagian tengah karena mempunyai

ketebalan yang besar dan di lokasi tersebut terdapat penambah yang besar juga.

Pada gambar 4.24, pada saat waktu menunjukkan 1162 detik temperatur ditengah

cone atau disekitar bagian crown senilai 1400º C. Lokasi yang lama laju

pembekuannya atau temperaturnya tinggi diprediksi akan timbul penyusutan

didaerah tersebut. Pola kecepatan pada cone dinilai baik karena terlihat secara

Time = 9.7110E+000 (s)

visual tidak ada pola yang bertabrakan sehingga pasir yang terkikis atau gas yang

terperangkap pada kasus desain kedua ini tidak ada. Pola kecepatan desain kedua

ditunjukka pada gambar 4.25.

Gambar 4.24 Distribusi Temperatur Cone Design ke-2

Gambar 4.25 Pola Kecepatan Cone Design ke-2

Setelah perubahan semua aspek parameter maka dilihat tidak adanya

shrinkage pada cone. Shrinkage hanya terdapat penambah yang berwarna merah.

Penambah yang mengalami penyusutan akan dibuang fetling (pembersihan produk

coran dari penambah dan sistem saluran) atau dipergunakan lagi dengan cara

dilebur menjadi logam cair. Pada lokasi 1 terlihat bahwa bagian crown yang

rentan terhadap penyusutan berwarna biru yang berarti tidak terdapat caat

penyusutan dan daerah samping tidak terdapat cacat shrinkage hanya terdapat

pada penambah samping saja yang ditunjukkan pada gambar 4.26.

Time = 1.5449E+001 (s)

(a)

(b)

(c)

Gambar 4.26 Shrinkage Prediction Cone Design ke-2

(a) Lokasi 1 (b) Lokasi 2 dan (c) Lokasi 3

4.5.3 Blade

Pada blade ditemukan shrinkage porosity walau kecil tetapi karena pada

pola pembekuan ada bagian blade yang mengalami laju pembekuan yang lambat

sehingga terjadi penyusutan. Penyusutan yang besar terjadi pada saluran turun

sehingga logam cair pada penambah (pengalir-runner dan pouring) tidak bekerja

secara optimal karena sudah mengalami pembekuan lebih awal. Oleh karena itu

perlu redesign awal yaitu dengan mengubah diameter dan memperbesar diameter

saluran turun dan masuk agar fungsi penambah dapat mengisi besar penyusutan.

Hasil perubahan rancangan ini kemudian dimodelkan dengan Pro/Engineer dan

dianalisis. Hasil analisis dengan Pro/Engineer menunjukkan bahwa model cetakan

memiliki rongga dengan volume 1.66 e6 mm3 dan massa 13.1 kg

Pola pengisian pada blade yang ditunjukkan pada gambar 4.27 tidak

mengalami masalah karena pola pengisian cenderung seperti desain awal yaitu

aliran logam berasal dari pouring sampai dengan produk coran blade. Pola

pembekuan pada desain kedua ini terlihat bahwa suplai logam cair bisa

terdistribusi dengan baik sehingga penyusutan dapat diperkirakan hanya terjadi

pada penambah saja. Lihat gambar 4.28.

Gambar 4.27 Pola Pengisian Design ke-2

Time = 3.2455E+000 (s)

Gambar 4.28 Pola Pembekuan Design ke-2

Distribusi temperatur terpusat pada blade pada bagian tengah karena

mempunyai ketebalan yang besar dan di lokasi tersebut terdapat penambah yang

besar juga yang ditunjukkan pada gambar 4.29. Pola kecepatan pada blade dinilai

baik karena terlihat secara visual tidak ada pola yang bertabrakan. Walaupun ada

yang yang bertabrakan cetakn keramik tergolong cetakan kuat sehingga jarang

terjadi terkikisnya dinding cetakan karena aliran logam cair. Pola kecepatan

desain kedua ditunjukkan pada gambar 4.30.

Gambar 4.29 Distribusi Temperatur Design ke-2

Time = 1.8646E+001 (s) Solidified = 3.2062E+001 (%)

Time = 2.5046E+001 (s)

Gambar 4.30 Distribusi Kecepatan Design ke-2

Cacat shrinkage akibat tidak berfungsinya penambah pada design ke-2 ini

tidak terlihat sehingga hasilnya dipastikan bahwa tidak ada cacat shrinkage. Pada

gambar 4.31 menunjukkan gradasi warna biru yang menunjukkan blade ini bebas

dari cacat. Untuk mengantisipasi cacat penyusutan adalah dengan cara

memeperbesar saluran turun sehingga logam cair dari penambah akan optimal

mengisi rongga yang memerlukan logam yang menyusut.

(a)

Time = 3.2455E+000 (s)

(b)

Gambar 4.31 Prediksi Cacat Penyusutan (a) Lokasi 1 (b) Lokasi 2

4.6 Solusi

Cacat rongga penyusutan terjadi di bagian penambah yang diletakkan pada

ring dan cone (bagian crown). Cacat rongga penyusutan yang terjadi pada

penambah tidak menjadi masalah, karena bagian ini akan dibuang saat proses

fettling yaitu proses pembersihan produk coran. Cacat yang terjadi pada crown,

ring bagian atas dan bawah harus dihindari, karena dapat menurunkan kualitas

runner turbin francis, terutama dari segi kekuatan. Cacat pada ring dan blade juga

harus dihindari karena fungsi blade yang berhadapan langsung dengan momentum

air. Berdasarkan simulasi dan rancang ulang pada ring, cone dan blade maka cacat

porosity shrinkage dapat ditempuh dengan cara yaitu:

� Mengatur temperatur pouring seoptimal mungkin

Pada penelitian ini pouring temperatur diturunkan dari 1540º C

menjadi 1510º C sehingga shrinkage dapat dihindari. Temperatur

penuangan yang tinggi menyebabkan penyusutan dan kelengkungan

bentuk cetakan yang dapat mengarah pada ketidak-akuratan dimensi. Hal

ini juga dapat menyebabkan adanya variasi komposisi logam coran jika

logam menguap pada temperatur penuangan yang tinggi. Temperatur

penuangan yang tinggi juga mengurangi waktu pembekuan (yang

selanjutnya akan menurunkan laju produksi). Temperatur yang rendah

tidak baik karena temperatur penuangan lebih rendah daripada temperatur

optimumnya, lubang cetakan tidak akan terisi, saluran masuk (jika

digunakan) tidak akan terikat, bagian coran yang tipis akan lebih cepat

membeku dan akan menghambat arah pembekuan. Temperatur penuangan

yang rendah juga akan membawa akibat porositas, serta pengecoran yang

tidak sempurna. Besarnya temperatur penuangan disesuaikan dengan

temperatur lebur logam coran. Temperatur penuangan harus lebih tinggi

dibandingkan temperatur lebur. Hal ini dikarenakan adanya temperatur

drop pada saat penuangan sehingga logam cair membeku lebih cepat.

� Merancang diameter volume sistem penambah dan sistem saluran yang

lebih besar dari perhitungan

Dalam simulasi dapat terlihat bahwa hasil perhitungan cetakan

rancangan belum tentu sesuai yang diharapkan karena pola pembekuan

yang berbeda pada setiap sisi produk sehingga perlu tambahan volume

riser. Hal ini biasa terjadi dalam industri pengecoran tetapi apabila hasil

perhitungan rancangan berbeda jauh maka perlu peninjauan ulang dengan

cara pengubahan penambah.

� Menambah cil (chill) pada bagian yang tebal.

. Cil adalah benda (logam) yang diletakkan di bagian cetakan untuk

mendinginkan coran secara cepat. Cil luar yang diletakkan pada

permukaan bagian atas ring membawa dampak yang besar untuk turut

serta mendinginkan secara cepat. Cil pada ring tersebut diletakkan diantara

riser. Posisinya harus jauh dari riser karena fungsi riser dan cil kurang

lebih sama sehingga apabila cil terlalu dekat riser maka fungsi riser dapat

tidak optimal yaitu tidak dapat menyuplai logam cair ke bagian

penyusutan.