CETAKAN MESIN INJEKSI PLASTIK (PLASTIC INJECTION MOLDING MOLD)

Cetakan (mold) merupakan suatu alat / tool yang digunakan untuk membentuk part sesuai dengan desain yang kita inginkan (bentuk & dimensi). Definisi lainnya, cetakan (mold) merupakan suatu rongga yang memiliki bentuk tertentu (sesuai design) agar dapat membuat suatu produk dalam waktu yang cepat dalam satu tahapan dan murah. Karena harga pembuatan mold ini sangat mahal, biasanya pembuatan mold dilakukan untuk suatu produksi masal.
Konstruksi bahan dasar cetakan terdiri dari hardened steel, pre-hardened steel, aluminium & beryllium copper alloy. Tetapi, pemilihan material mold secara garis besar tertuju kepada pertimbangan ekonomis dengan mempertimbangkan umur pemakaian mold tersebut (biasanya dinyatakan dengan "shot").

Secara umum, komponen dari mold dapat digambarkan sebagai berikut :

A. CAVITY & CORE

Cetakan terbentuk dari 2 bagian yaitu cavity dan core. Dalam injection molding, keduanya merupakan satu kesatuan yang tidak dapat dipisahkan, karena gabungan antara cavity dan core inilah yang akan membentuk design dari sebuah komponen. Untuk jelasnya lihat gambar dibawah ini :

Dalam proses manufakturnya, cavity dan core dapat berupa satu kesatuan atau berupa bagian terpisah (ditanamkan / inserting block). Pemilihan proses manufacture-nya tergantung kepada faktor ekonomi dan design dari benda yang akan kita buat.

B. SPRUE, RUNNER & GATE

Ketiga bagian ini, sprue, runner & gate merupakan saluran untuk mengalirkan lelehan plastik yang diinjeksikan dari nozel mesin sampai kedalam cetakan. Mengapa lelehan plastik panas yang keluar dari mulut nozle tidak langsung saja dialirkan ke dalam cetakan ??? Jawabannya adalah untuk menjaga kualitas part (menghindari flushing, jetting, weldline, burnmarks, dll) sehingga didapatkan dimensi dan bentuk part yang diinginkan. Jawaban lain secara ilmu mekanika fluida adalah untuk menjaga agar alirannya tetap laminer sehingga menghindari hal2 seperti (a) terjebaknya udara didalam cetakan (b) erosi pada cetakan akibat letusan uap air yg terjebak di dalam cetakan.

Dalam tahap percobaan produksi, seorang operator mesin harus mampu untuk mengeset tiga parameter seperti tekanan, temperatur (terbatas dari spec material ybs) dan kemudahan alir dari lelehan plastik (berhubungan dengan Viskositas dari material) sehingga didapatkan kualitas part yang diinginkan (sesuai spesifikasi).
Sprue : merupakan saluran penghubung utama yang ditanamkan pada fixed plate dari sebuah cetakan dan langsung bersentuhan dengan nozzle tips. Proses manufakturnya dengan cara ditanamkan didalam blok cetakan.

Bagian ujung sprue akan bersentuhan langsung dengan bagian ujung nozel. Disinilah titik pertama masuknya material plastik yang disemprotkan dari mesin injeksi kedalam cetakan.
Runner : Posisinya tepat berada pada garis pemisah (parting line). merupakan saluran lanjutan setelah sprue dan berfungsi untuk mencegah penurunan temperatur dan tekanan pada saat lelehan plastik memasuki cetakan. Selain itu bentuk, posisi dan jumlah cavity secara langsung akan mempengaruhi penurunan tekanan dan temperatur di dalam cetakan.
- Apabila ukuran / dimensi runner besar, waktu pendinginan akan menjadi lama & akan memperlama injection cycle. Selain itu juga material yg digunakan akan semakin banyak dan harga satuan part akan menjadi mahal.

- Apabila ukuran / dimensi runner diperkecil, kemungkinan terjadinya short shot akibat lack of material filling akan semakin besar dan mempengaruhi kualitas material.

Jadi design runner harus disesuaikan dengan design part, jenis material dan jumlah cavity dari cetakan.

Gate : Gate merupakan saluran terakhir yang langsung bersentuhan dengan material. fungsinya : mengontrol arah dan aliran material, mempermudah proses finishing material (gate hrs dipisahkan / dipotong dari produk jadi) dan mencegah aliran balik (counterflow) dari cetakan kedalam nozel pada saat pendinginan.

Gambar disamping kiri ini merupatan contoh salah satu design gate yg banyak digunakan (submarine gate).

Letak dan design dari gate juga akan mempengaruhi kualitas part. Kemungkinan timbulnya flushing, short shot, atau weldline juga dipengaruhi oleh design dan posisi gate yg tidak tepat. Biasanya seorang mold designer menggunakan program "mold flow" untuk mengetahui posisi & design gate seperti apa yang tepat untuk diterapkan pada suatu komponen.

Valve Gate : kelebihan dari gate jenis ini karena mempunyai mekanisme buka tutup valve gate (hydraulic/ electric) yg dapat di kontrol oleh mesin injection. Jadi aliran lelehan plastik dapat dikontrol sesuai keinginan kita.

Secara visual, karena valve gate ada yg digerakkan oleh system hydraulic, maka akan terlihat ada penambahan inlet/outlet valve (selain inlet/outlet valve untuk air pendingin) untuk oli hydraulic. Atau apabila menggunakan penggerak electric, penambahan electric conector box untuk motor listrik.

Gambar disamping kiri ini merupakan gambar valve gate dengan menggunakan hot runner. Ujung gate langsung bersentukan dengan part, sehingga tidak perlu proses finishing untuk pemotongan gate.

Selain gambar disamping, ada pula valve gate yang menggunakan hot runner, tetapi setelah valve gate masih menggunakan sprue, runner dan gate untuk mengontrol aliran materialnya (menjaga agar aliran tetap laminer). Biasanya system ini dipakai untuk produk2 yg besar seperti pada cetakan untuk membuat doortrim mobil.

C. UNDERCUT
Merupakan faktor penting dalam suatu perancangan cetakan. Banyaknya undercut pada suatu part juga akan memperumit design dari mold itu sendiri dan yang lebih penting lagi akan menaikkan harga cetakan yang juga akan diikuti oleh kenaikan harga satuan part yang akan dibuat. Apa yang dimaksud dengan undercut ??? lihat gambar dibawah ini :

Seperti yang anda lihat pada gambar disamping kiri, molded part (warna ungu) tidak dapat dikeluarkan dari cetakan akibat tersangkut (karena ada bagian part yang cekung kedalam). Bagian ini disebut dengan UNDERCUT, yaitu bagian part yang tidak dapat dikeluarkan dari cetakan (tersangkut) yang searah dengan arah buka tutup cetakan.
Penanganan undercut dengan menggunakan slide core dan angular pin seperti pada gambar diatas, penggunannya terbatas untuk undercut yang terdapat pada bagian luar part.

Perhitungan dimensi undercut yg akan dibuat dapat dicari dengan menggunakan persamaan dibawah ini :

S = Panjang Undercut

S1 = Slide Stroke

alpha = Kemiringan Slide Core

Betha = Kemiringan Angular Pin

S = S1 + 5mm atau lebih
Alpha = Betha + (2'～5`)

Betha < atau =" 2">

Selain menggunakan slide core, apabila posisi bagian undercut berada di luar (pada sisi cavity) atau pada sisi fixed plate dan atau dikarenakan dimensi dari mold yg tidak memungkinkan untuk membuat slide core & angular pin pada cetakan, bisa saja digunakan silinder hidrolik sebagai mekanisme pengganti slide core & angular pin untuk menggerakkan slide core block.. Lihat gambar dibawah ini :

Ada lagi cara lain untuk menangani undercut yang terdapat pada bagian dalam dan sekaligus berfungsi sebagai ejector pin. Lihat gambar dibawah ini :

Karena kemiringannya, dorongan dari ejector plate akan menggerakkan slide rod dan karena kemiringan dari slide rod, pada saat mendorong part, bagian dalam part akan terbebas dan part dapat dikeluarkan tanpa tersangkut.


B = Panjang Undercut
Alpha = Kemiringan slide
slope
A = B + 3~5 mm

D. PENGELUARAN PART DARI CETAKAN

Setelah mengalami proses pendinginan dan lelehan plastik yang membeku ini membentuk suatu produk yang diinginkan, sekarang kita harus memikirkan bagaimana caranya untuk mengeluarkan part dari cetakan. Salah satu caranya adalah dengan menggunakan ejector pin (ada juga yg menggunakan tiupan udara, ulir, dll). Bentuk & dimensinya bermacam-macam disesuaikan dengan kebutuhan. Mekanisme penggeraknya umumnya digerakkan oleh ejector pin yg dipasangkan pada mesin injection, kemudian ejector pin mesin ini akan mendorong ejector plate dan kerena ejector pin pada cetakan ini di pasang diatas ejector plate, maka otomatis akan bergerak sesuai gerakan ejector plate. Selain berfungsi sebagai ejector, kadang kala kepala ejector pin berbentuk slide slope, sehingga merupakan bagian dari core sebagai pembentuk part sebagai ekonomisasi atau bisa juga sebagai cara untuk mengatasi undercut sekaligus untuk ekonomisasi.

E. PENDINGINAN CETAKAN
Pengaturan temperatur pada cetakan memainkan peranan yang penting dalam proses injection molding. Misalnya, apabila temperatur cetakan terlalu rendah, lelehan plastik akan membeku di dalam sprue, runner & gate sehingga lelehan plastik tidak dapat mengalir kedalam cetakan. Apabila temperaturnya ditinggikan, cycle mesin secara keseluruhan akan menjadi lama & menjadi tidak ekonomis. Jadi dapat disimpulkan ada 3 faktor utama dari alasan pengontrolan temperatur di dalam cetakan, yaitu :

(1) Mengatur waktu pendinginan yang berdampak kepada pengaturan cycle secara keseluruhan

(2) Menjamin kualitas dari produk yang dibuat (bentuk & dimensi)

(3) Mencegah terjadinya warpage dan shringkage akibat dari perbedaan ketebalan produk yg dibentuk sehingga timbul perbedaan tegangan dalam (internal stress) pada produk.

Posisi dari lubang pendinginan pada cetakan

Untuk meng-efektifkan pendinginan cetakan, seorang designer cetakan harus memperhatikan hal2 dibawah ini :

A. Dari pada membuat 1 buah lubang saluran pendinginan yang besar lebih baik membuat lubang saluran pendinginan yang kecil, tetapi jumlahnya banyak.

B. Bagian yg sulit didinginkan seperti inserting block, slide core, bagian produk yg memiliki ketebalan, slide slope harus mendapatkan pendinginan yang lebih dari daerah lain.

C. Pakailah material cetakan yang memiliki perpindahan panas konduksi yang baik.

Pendinginan pada CAVITY

Prinsip dasar pendinginan pada daerah ini adalah dari daerah yang panas (dekat gate) ke daerah yang dingin (jauh dari gate). Lihat Gambar disamping ini
Daerah yg panas (dekat gate) didinginkan terlebih dahulu, sehingga

pendinginannya akan merata.

Pendinginan pada CORE

1. Apabila dimensi bagian belakang core tidak mungkin dibuat lubang untuk air pendinginan, tanamkan material yang memiliki perpindahan panas induksi yang baik pada core dan salat satu bagian ujungnya bersentuhan dengan aliran air pendingin untuk melepas panas.

2. Apabila dimensi bagian belakang core memungkinkan untuk dibuat lubang, tanamkan pipa pada luban core seperti pada gambar disamping dan aliran air dari dalam pipa akan mengenai dinding core sehingga terjadi proses perpindahan panas induksi dari dinding core ke air.

3. Mendirikan baffle plate pada tiap lubang untuk mengarahkan aliran di dalam lubang core. System aliran seperti ini paling banyak digunakan pada designer karena design-nya yang sederhana dan ekonomis.

4. Menggunakan pipa bersirip, dimana aliran yang keluar dari pipa akan dialirkan kembali melalui sirip-sirip yang terdapat pada pinggir pipa sebelum mengalir kembali ke saluran pendinginan utama.

5. Apabila variasi saluran air pendingin seperti no. 1 ~ 4 tidak bisa diterapkan karena design dari core yang tidak memungkinkan, maka bisa disiasati agar bagian core-nya menggunakan inserting block dari material yang memiliki perpindahan panas konduksi yang baik seperti beryllium.

Karena sifat perpindahan panas konduksi yang baik, walaupun jarak saluran pendingin jauh dari sisi part yang bersentuhan dengan bagian core, perpindahan panasnya akan tercukupi.

F. SALURAN PELEPASAN GAS DI DALAM CETAKAN

Mesin Pembentuk Plastik dengan Metoda Injeksi (Plastic Injection Moulding)

Mesin plastic injection molding (PIM) sesuai dengan namanya merupakan salah satu mesin yang berfungsi untuk proses manufaktur plastik dari raw material (berupa butiran pelet plastik) sampai menjadi suatu produk plastik sesuai dengan bentuk yang kita inginkan [sesuai dengan bentuk cetakannya (mold)].

Ukuran mesin plastic injection ini biasanya dinyatakan dalam satuan TON FORCE atau biasa disebut dengan sebutan TON oleh para praktisi di lapangan. Kapasitas mesin injection bervariasi mulai dari yang kecil (sekitar 50 Ton) sampai dengan yang besar (sekitar 3000 Ton). Apabila kita telah mengetahui ukuran part yang akan dibuat, ukuran mesin injection dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut :

F = A x P x S ........ Ton Force

Dimana :

F : Gaya tahanan yang diperlukan pada saat cetakan tertutup. (Kgf)

A : Luas proyeksi permukaan part yang akan dibuat (cm2)

P : Tekanan rata2 didalam cetakan (Kgf/cm2)

S : Safety factor (dgn mempertimbangkan bentuk part yang akan dibuat)

Secara sederhana, dasar prinsip kerja dari mesin ini dibagi menjadi beberapa tahap :

1. Tahap Pelelehan Material (pelet plastik).

2. Tahap Pengaliran Material Ke Cetakan.

3. Tahap Pembentukan & Pengerasan Material di dalam cetakan.

Proses 1 & 2 terjadi di dalam mesin injection dan proses 3 terjadi pada mold (cetakan) yang dipasangkan pada mesin injection untuk mendapatkan bentuk yang kita inginkan.

Untuk memahami cara kerja mesin injection molding tidaklah sulit, jika anda lihat gambar diatas dan bayangkan kalau diri anda berubah menjadi sebuah "pelet plastik" (dalam hal ini diasumsikan untuk material thermosetting). Pertama2 anda akan dimasukkan ke dalam hopper, lalu jatuh ke dalam screw, dialirkan oleh screw sesuai arah putaran poros. Dalam perjalanan dari hopper sampai ke nozzle, anda akan mengalami pemanasan di dalam barrel, kemudian dengan tekanan screw anda akan ditekan melalui sebuah lubang kecil yang dinamakan nozzle. Setelah melewati nozzle, akibat tekanan screw, anda akan mengalir mengisi rongga2 cetakan (mold) sampai pada kondisi anda tidak mendapatkan tekanan lagi, Setelah itu anda akan mengalami pendinginan di dalam cetakan (mold), sehingga anda akan mengeras dan berubah menjadi fase padat. Setelah anda dingin, anda dikeluarkan dari mold (bisa secara manual / dengan tangan, ataupun secara otomatis / dgn robot) dan jadilah anda sesuai dengan bentuk cetakan.

1. TAHAP PEMASUKAN MATERIAL KE DALAM MACHINE HOPPER
Pertama2 material dikeringkan didalam dryer, tujuannya untuk menguapkan uap air yg terdapat didalam pellet (menghindari cacat pada material dan cacat pada cetakan akibat pemanasan dan tekanan yg tinggi pada saat memasuki cetakan) dan mempercepat proses pelelehan material dengan menaikkan temperatur pellet sebelum dimasukkan kedalam screw. Proses transport material dari kantong penyimpanan kedalam dryer, lalu dilanjutkan dari dryer ke machine hopper dilakukan dengan bantuan JET LOADER.

Apabila part menggunakan warna (colorant), maka sebelum machine hopper biasanya dipasangkan color mixer yang berfungsi untuk mengatur perbandingan antara material inti & colorant.

Tujuan utama dari penggunaan dryer sangat terkait dengan kelembaban material yg dipengaruhi oleh kelembaban ruangan tempat produksi berlangsung. Untuk beberapa material, contoh: PP material, ada yang mengandung "talc". "Talc" ini berfungsi sebagai pengering (menolak uap air), sehingga menjaga material agar tetap kering. Apabila material dasar telah mengandung "talc", biasanya tidak memerlukan dryer untuk mengeringkan material.
Point penting pada tahap ini adalah :
(1). Kelembaban Material, menentukan perlu tidaknya material dipanaskan dengan menggunakan dryer.

(2). Apabila material mengandung "talc", biasanya tidak perlu pre heating.

(3). Volume produksi, menentukan perlu tidaknya menggunakan jet loader dan color mixer. Untuk volume produksi rendah biasanya menggunakan ember / gelas takar untuk menentukan jumlah material yg akan dimasukkan dan perbandingan material inti dan colorant ke dalam machine hopper.
(4). Untuk keperluan Otomatisasi (berhubungan juga dengan volume produksi yang tiggi) di dalam proses produksi, ada kalanya material dryer, jet loader & installasi yg digunakan disesuaikan dengan kebutuhan otomatisasi.

2. TAHAP PELELEHAN DAN INJEKSI MATERIAL
Setelah memasuki screw material bergerak dan terbawa oleh perputaran gigi2 screw sampai ke arah nozzle. Pada saat melewati BARREL (tungku pemanas), material dipanaskan secara bertahap sampai mencapai temperatur lelehnya (bisa dilihat pada tabel untuk material ybs). Akibat putaran screw yg terus membawa lelehan material sehingga menumpuk di INJECTION CHAMBER (ruang kosong antara ujung screw dengan nozel. Biasanya dikenal dengan "metering stroke"). Pada suatu saat material akan ditekan oleh screw untuk di supply masuk ke dalam cetakan. Banyaknya material yg ditembakkan harus > atau = volume cavity dari cetakan + faktor penyusutan (suatu angka untuk mengantisipasi penyusutan material, sehingga didapat dimensi material yang diinginkan). Pada saat di injeksikan kedalam cetakan, temperatur material masih tinggi, sehingga perlu didinginkan didalam cetakan dan screw akan terus menekan material yg masuk kedalam cetakan sampai material dingin (biasanya sampai temperatur 40 derajat celcius) dan kembali ke proses penekanan & pelelehan material selanjutnya.

3. PROSES PENDINGINAN & PENGERASAN MATERIAL (PEMBENTUKAN / MOLDING)
Proses ini terjadi di dalam cetakan (mold) yg merupakan unit terpisah dari mesin PIM. Cetakan dipasangkan pada platen (pelat vertikal yg terdapat pada mesin injeksi / fixed & movable plat) dan dikencangkan dengan baut atau bisa juga dengan hydraulic clamp. Cetakan inilah yang akan menghasilkan bentuk produk plastik yang kita inginkan. Karena material akan menyusut pada saat proses pendinginan, maka :

Volume cetakan = volume material + faktor penyusutan.
Penyusutan material pada saat pendinginan tidak dapat kita hindari, tetapi dapat kita prediksi dan kita kendalikan sehingga kita mendapatkan produk plastik sesuai dengan ukuran yang diinginkan.