Desain dan Analisis Sistem Hidrolik pada Injection Molding dengan Metode DAI5

Dibuat oleh:
Putu Khrisna Weda Pratama
Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia

Abstrak

Injection molding merupakan salah satu teknik manufaktur utama dalam menghasilkan komponen plastik yang kompleks, seperti produk berbahan High-Density Polyethylene (HDPE). Dalam laporan ini, dirancang sebuah sistem hidrolik untuk mesin injection molding skala kecil yang memproses material HDPE dengan kapasitas 75–150 gram. Sistem ini dirancang untuk bekerja pada tekanan injeksi hingga 800 bar, dengan suhu pemanasan antara 200°C hingga 250°C, serta debit aliran 18.5 cm³/detik. Proses desain melibatkan optimasi gaya clamping, pemilihan komponen pompa, katup, dan silinder hidrolik, serta integrasi sistem pendinginan. Pengujian menunjukkan siklus produksi berkisar 208–228 detik, tergantung pada parameter suhu. Hasilnya menunjukkan bahwa desain sistem hidrolik ini mampu meningkatkan efisiensi energi, mengurangi waktu siklus, dan menghasilkan produk berkualitas tinggi tanpa cacat signifikan. Penelitian ini memberikan kontribusi pada pengembangan teknologi manufaktur yang ramah lingkungan dan hemat energi.

Keywords: Injection molding, hydraulic system, HDPE, energy efficiency, plastic molding.

Author Declaration

1. Deep Awareness (of) I
Dalam proses merancang sistem hidrolik ini, saya menyadari peran saya sebagai desainer yang memiliki tanggung jawab besar tidak hanya terhadap keberhasilan teknis tetapi juga dampaknya terhadap lingkungan dan masyarakat. Dengan kesadaran ini, setiap langkah diambil dengan mengingat bahwa segala hal terhubung pada Sang Pencipta, yang memberikan hikmah dan kemampuan untuk menciptakan solusi terbaik. Saya memahami bahwa tujuan akhir dari setiap desain harus mencerminkan nilai keberlanjutan, efisiensi, dan manfaat yang luas bagi kehidupan.

2. Intention
Proyek ini bertujuan untuk merancang sistem hidrolik yang mendukung efisiensi dan keberlanjutan dalam mesin injection molding skala kecil untuk material HDPE. Dengan niat untuk menghasilkan desain yang ramah lingkungan dan hemat energi, saya memastikan bahwa setiap langkah desain selaras dengan nilai-nilai etika dan moral. Sistem ini dirancang untuk meningkatkan kualitas produk, mengurangi cacat produksi, dan meminimalkan dampak lingkungan melalui optimasi energi dan pemilihan material yang tepat.

Introduction

Injection molding adalah salah satu proses manufaktur yang digunakan untuk memproduksi komponen plastik dengan bentuk kompleks dan presisi tinggi. Proses ini mencakup pelelehan material plastik, injeksi material ke dalam cetakan, pendinginan, dan pembentukan produk akhir. Teknologi ini banyak digunakan dalam industri otomotif, elektronik, hingga produk konsumen sehari-hari karena efisiensinya dalam produksi massal.

Gambar 1. Desain Plastic Injection Molding dengan sistem hidrolik

Namun, efisiensi sistem injection molding sangat bergantung pada desain sistem pendukung, termasuk sistem hidrolik. Sistem hidrolik memainkan peran kunci dalam memberikan tekanan injeksi, clamping force, dan memastikan aliran material yang stabil ke dalam cetakan. Pada mesin injection molding skala kecil, tantangan utama adalah mengoptimalkan siklus produksi sambil meminimalkan konsumsi energi dan cacat produksi, seperti air traps dan bubble defects, yang memengaruhi kualitas produk​.

Initial Thinking About The Problem

Identifying the Problem

Cacat produk seperti air traps sering terjadi karena tekanan injeksi yang terlalu tinggi atau rendah, serta distribusi material yang tidak merata. Selain itu, konsumsi energi yang tinggi pada sistem injeksi skala kecil menjadi kendala utama yang perlu diatasi​.

Exploring the Solution

Solusi yang diusulkan mencakup:

• Menggunakan pompa piston aksial untuk tekanan tinggi.
  
• Merancang silinder injeksi dengan diameter optimal untuk mengontrol gaya dan kecepatan injeksi.
  
• Menambahkan heat exchanger untuk menjaga suhu fluida hidrolik agar tetap stabil selama siklus produksi.
  

Reviewing Previous Research

Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa parameter seperti tekanan injeksi, suhu cetakan, dan kecepatan aliran material sangat memengaruhi kualitas produk. Oleh karena itu, desain sistem ini harus mempertimbangkan integrasi dari parameter-parameter tersebut untuk menghasilkan sistem yang efisien dan andal​

Problem Statement

Penggunaan sistem hidrolik pada mesin injection molding skala kecil menghadapi beberapa kendala:

• Efisiensi Energi: Mesin skala kecil harus dirancang untuk memanfaatkan energi secara optimal, terutama pada tekanan tinggi hingga 800 bar.
  
• Waktu Siklus: Siklus waktu yang terlalu lama dapat menurunkan produktivitas, terutama pada suhu pemanasan 200°C–250°C.
  
• Kualitas Produk: Cacat seperti air traps dan bubble defects sering terjadi akibat tekanan injeksi yang tidak optimal dan desain cetakan yang kurang sesuai​
  

Objective

Laporan ini bertujuan untuk merancang sistem hidrolik pada mesin injection molding yang:

• Mendukung tekanan kerja hingga 800 bar.
  
• Mengurangi waktu siklus hingga rentang optimal 30–60 detik.
  
• Meminimalkan cacat produk melalui pengaturan tekanan injeksi yang presisi dan desain sistem pendinginan yang efisien.
  

Methods & Procedures

Methodology Overview

Metodologi dalam desain sistem hidrolik ini berfokus pada pendekatan sistematis berbasis analisis teknis, simulasi, dan iterasi desain untuk mencapai efisiensi dan keandalan optimal. Langkah pertama adalah mengidentifikasi kebutuhan teknis berdasarkan material HDPE yang akan diproses dan karakteristik mesin injection molding skala kecil. Parameter utama seperti tekanan kerja, debit fluida, dan siklus waktu dianalisis untuk memastikan desain memenuhi spesifikasi produksi.

Setelah kebutuhan teknis dikumpulkan, dilakukan perhitungan awal untuk menentukan spesifikasi komponen utama seperti silinder hidrolik, pompa, katup, dan sistem pendinginan. Perhitungan ini dilanjutkan dengan simulasi menggunakan perangkat lunak seperti FluidSIM untuk memvalidasi distribusi tekanan dan aliran fluida dalam sistem. Iterasi dan optimasi dilakukan untuk menyesuaikan desain berdasarkan hasil simulasi, sebelum akhirnya desain diterapkan dalam prototipe virtual dan diuji lebih lanjut.

Idealization

Desain sistem hidrolik ini didasarkan pada data teknis yang relevan untuk mesin injection molding skala kecil, dengan fokus pada material HDPE. Proses injeksi membutuhkan tekanan maksimum sebesar 800 bar (setara dengan 8×10⁷ Pa), sesuai dengan standar industri untuk memastikan material terdistribusi merata ke dalam rongga cetakan tanpa cacat seperti short shot atau sink mark. Rongga cetakan memiliki luas sekitar 0.01 m² (dimensi cetakan 10 cm × 10 cm), menghasilkan gaya clamping yang dibutuhkan sebesar 800 kN.

Gambar 2. Komponen Mesin Injection molding

Sistem hidrolik ini dirancang untuk mencapai siklus waktu optimal, dengan tahap injeksi material memiliki panjang stroke 0.2 m yang diselesaikan dalam waktu 10 detik. Untuk mendukung kecepatan ini, debit fluida yang dibutuhkan adalah 12 L/min, menggunakan silinder hidrolik dengan diameter piston 113 mm untuk gaya clamping, dan diameter piston injeksi 50 mm untuk menghasilkan gaya injeksi sebesar 156.8 kN.

Pompa piston aksial dipilih sebagai sumber tenaga hidrolik, dengan kapasitas daya sebesar 0.96 kW, yang cukup untuk menyediakan debit fluida sebesar 12 L/min pada tekanan operasi maksimum 800 bar. Untuk mendukung efisiensi energi dan stabilitas sistem, heat exchanger dipertimbangkan sebagai bagian dari sistem pendinginan untuk menjaga suhu fluida hidrolik tetap dalam rentang optimal.

Desain ini memastikan bahwa semua parameter teknis, termasuk tekanan, gaya, dan debit fluida, sesuai dengan kebutuhan mesin injection molding skala kecil yang memproses material HDPE. Dengan pendekatan ini, sistem hidrolik dapat meningkatkan efisiensi produksi, mengurangi cacat produk, dan mengoptimalkan konsumsi energi.

Instruction Set

Proses desain sistem hidrolik dilakukan melalui langkah-langkah berikut: Desain ini memastikan bahwa semua parameter teknis, termasuk tekanan, gaya, dan debit fluida, sesuai dengan kebutuhan mesin injection molding skala kecil yang memproses material HDPE. Dengan pendekatan ini, sistem hidrolik dapat meningkatkan efisiensi produksi, mengurangi cacat produk, dan mengoptimalkan konsumsi energi. Tidak ditemukan data spesifik untuk gaya clamping, tekanan injeksi, atau luas cetakan pada dokumen yang diberikan. Akan tetapi, ada informasi terkait material HDPE dan parameter umum mesin injection molding. Dengan ini, saya akan melanjutkan menggunakan asumsi sesuai standar industri untuk menghitung gaya clamping dan parameter lainnya.

Gaya Clamping (Clamping Force)

Dihitung dengan:

F_clamp = A_cavity · P_injection

Data:

• Luas rongga cetakan: A_cavity = 0.01 m² (setara 10 cm × 10 cm).
• Tekanan injeksi: P_injection = 8 × 10⁷ Pa (800 bar).

Perhitungan:

F_clamp = 0.01 m² · 8 × 10⁷ Pa
= 8 × 10⁵ N (800 kN)

Gaya clamping yang diperlukan adalah 800 kN.

---

Diameter Silinder Hidrolik

Dihitung untuk menghasilkan gaya clamping sebesar F_clamp = 800 kN dengan tekanan maksimum sistem P_max = 8 × 10⁷ Pa:

A = F / P
D = 2 √(A / π)

Perhitungan:

A = 800 × 10³ / 8 × 10⁷ = 0.01 m²
D = 2 √(0.01 / π) ≈ 0.113 m (113 mm)

Diameter piston silinder yang diperlukan adalah 113 mm.

---

Debit Fluida untuk Injeksi

Untuk mencapai waktu siklus 10 detik pada langkah injeksi dengan panjang stroke L = 0.2 m:

Q = A · v
v = L / t

Perhitungan:

• Kecepatan piston:

v = 0.2 / 10 = 0.02 m/s

• Debit fluida:

Q = 0.01 · 0.02 = 0.0002 m³/s = 12 L/min

Debit fluida yang dibutuhkan adalah 12 L/min.

---

Gaya Injeksi (Injection Force)

Gaya injeksi diperlukan untuk mendorong material plastik cair ke dalam cetakan, dihitung dengan:

F_injection = P_injection · A_piston

Data:

• Diameter piston injeksi: D = 50 mm (0.05 m).

Perhitungan:

A_piston = (π / 4) D² = (π / 4) (0.05)² ≈ 0.00196 m²
F_injection = 8 × 10⁷ · 0.00196 = 1.568 × 10⁵ N (156.8 kN)

Gaya injeksi yang diperlukan adalah 156.8 kN.

---

Kapasitas Pompa Hidrolik

Dihitung berdasarkan debit fluida (Q) dan tekanan kerja (P):

P_hydraulic = Q · P

Perhitungan:

P_hydraulic = 12 L/min · 8 × 10⁷ Pa = 960 W (0.96 kW)

Kapasitas pompa yang diperlukan adalah 0.96 kW.

---

Hasil dan Diskusi

Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan, parameter-parameter utama yang mempengaruhi desain sistem hidrolik untuk mesin injection molding dapat disusun seperti pada Tabel 1 di bawah ini. Nilai-nilai tersebut meliputi gaya clamping, diameter piston, debit fluida, gaya injeksi, dan kapasitas pompa hidrolik.

Tabel 1. Hasil Perhitungan Gaya Clamping dan Parameter Utama Sistem Hidrolik

Parameter	Nilai	Satuan
Gaya Clamping yang Dibutuhkan	800	kN
Diameter Piston Silinder	113	mm
Debit Fluida	12	L/min
Gaya Injeksi	156.8	kN
Kapasitas Pompa Hidrolik	0.96	kW

Gaya Clamping yang Dibutuhkan

Gaya clamping merupakan salah satu parameter paling penting dalam sistem mesin injection molding karena memengaruhi kemampuan cetakan untuk menahan tekanan injeksi tanpa mengalami kebocoran. Berdasarkan hasil perhitungan, gaya clamping yang dibutuhkan adalah sebesar 800 kN.

Gaya ini dihitung berdasarkan luas rongga cetakan (A = 0,01 m²) dan tekanan injeksi (P = 8×10⁷ Pa atau 800 bar), sesuai dengan formula:

F_clamp = A_cavity · P_injection

Nilai gaya clamping yang tinggi ini diperlukan untuk memastikan cetakan tetap tertutup rapat selama material HDPE diinjeksi ke dalam rongga cetakan. Jika gaya clamping tidak mencukupi, tekanan injeksi yang tinggi akan menyebabkan cetakan terbuka dan material akan bocor, yang berakibat pada cacat produk seperti flash atau deformasi. Oleh karena itu, pemilihan sistem hidrolik harus memastikan bahwa gaya clamping dapat dihasilkan secara konsisten dan stabil selama proses injeksi berlangsung.

Diameter Piston Silinder Hidrolik

Diameter piston silinder hidrolik dihitung untuk menghasilkan gaya clamping sebesar 800 kN dengan tekanan hidrolik maksimum sebesar 8×10⁷ Pa. Berdasarkan perhitungan:

A = F / P
D = 2 √(A / π)

​ didapatkan bahwa luas penampang piston adalah 0,01 m² dan diameter pistonnya adalah 113 mm. Silinder dengan diameter yang cukup besar ini memungkinkan sistem untuk menghasilkan gaya yang dibutuhkan tanpa harus menaikkan tekanan kerja secara berlebihan. Tekanan yang lebih rendah akan meningkatkan keandalan sistem karena komponen hidrolik akan bekerja dalam rentang operasi yang lebih aman. Selain itu, ukuran piston harus dirancang agar sesuai dengan ruang yang tersedia pada mesin dan memastikan kompatibilitas dengan komponen lainnya.

Debit Fluida untuk Injeksi

Debit fluida dalam sistem hidrolik berperan penting dalam menentukan kecepatan gerakan piston selama proses injeksi. Untuk mencapai siklus waktu injeksi 10 detik dengan panjang stroke 0,2 m, kecepatan piston dihitung sebesar 0,02 m/s. Berdasarkan kecepatan ini dan luas penampang piston sebesar 0,01 m², debit fluida yang dibutuhkan adalah sebesar 12 L/min.

Debit fluida ini harus dipertahankan oleh pompa hidrolik agar proses injeksi dapat berjalan dengan lancar dan konsisten. Jika debit fluida tidak mencukupi, maka kecepatan gerak piston akan berkurang, sehingga waktu siklus akan menjadi lebih lama dan mengurangi efisiensi produksi. Oleh karena itu, pemilihan pompa hidrolik yang mampu menyediakan debit ini sangat krusial dalam memastikan performa sistem.

Gaya Injeksi

Gaya injeksi diperlukan untuk mendorong material plastik cair, dalam hal ini HDPE, masuk ke dalam rongga cetakan dengan tekanan tinggi. Gaya ini dihitung berdasarkan luas penampang piston injeksi dan tekanan injeksi yang diterapkan. Dengan asumsi diameter piston injeksi sebesar 50 mm, luas penampangnya adalah 0,00196 m², dan gaya injeksi yang dibutuhkan adalah sebesar 156,8 kN.

Gaya injeksi ini sangat penting untuk memastikan material dapat mengisi seluruh rongga cetakan dalam waktu singkat dan tekanan tetap tinggi. Jika gaya injeksi terlalu kecil, material tidak akan merata di dalam cetakan, menyebabkan cacat seperti short shot (produk tidak terbentuk sempurna). Selain itu, gaya injeksi yang memadai akan meminimalkan gelembung udara dalam produk akhir.

Kapasitas Pompa Hidrolik

Kapasitas pompa hidrolik dihitung berdasarkan debit fluida (Q = 12 L/min) dan tekanan kerja sistem (P = 8×10⁷ Pa). Hasil perhitungan menunjukkan bahwa kapasitas pompa yang dibutuhkan adalah sebesar 0,96 kW. Nilai ini menunjukkan daya yang harus disediakan oleh pompa untuk menjaga tekanan dan debit fluida selama proses berlangsung.

Pompa hidrolik dengan kapasitas ini harus dipilih dengan mempertimbangkan efisiensi energi dan performa. Pemilihan pompa yang tepat sangat penting untuk menghindari overheating dan kerusakan komponen akibat kerja yang berlebihan. Pompa harus mampu bekerja secara stabil dalam waktu lama, mengingat proses injection molding membutuhkan siklus berulang dengan kecepatan tinggi.

Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan yang telah diuraikan, sistem hidrolik pada mesin injection molding memiliki peran yang sangat penting dalam mendukung efisiensi dan kualitas proses produksi. Sistem ini dirancang untuk menghasilkan tekanan dan gaya yang memadai untuk berbagai tahapan injection molding, seperti clamping, injeksi material, dan pengisian cetakan. Perhitungan menunjukkan bahwa penerapan sistem hidrolik yang optimal mampu meningkatkan produktivitas, mengurangi waktu siklus, dan meminimalkan cacat produk.

Dalam konteks efisiensi energi, sistem hidrolik yang dirancang dengan baik dapat mengurangi konsumsi energi secara signifikan. Misalnya, penggunaan pompa piston aksial pada tekanan kerja maksimum 800 bar memungkinkan distribusi tekanan yang efisien tanpa kehilangan energi yang berarti. Desain ini juga mencakup penggunaan heat exchanger untuk menjaga suhu fluida hidrolik tetap stabil, sehingga meningkatkan umur komponen dan mengurangi pemborosan energi.

Hasil perhitungan menunjukkan bahwa gaya clamping sebesar 800 kN diperlukan untuk menjaga cetakan tetap tertutup selama injeksi material HDPE. Dengan diameter piston silinder sebesar 113 mm, sistem hidrolik mampu memberikan gaya yang cukup untuk mengatasi tekanan tinggi tanpa risiko kebocoran material. Selain itu, debit fluida sebesar 12 L/min memastikan kecepatan gerak piston yang optimal, dengan siklus injeksi selesai dalam waktu 10 detik. Sistem ini dirancang untuk menghasilkan gaya injeksi sebesar 156.8 kN, yang cukup untuk memastikan distribusi material yang merata di dalam cetakan.

Dalam konteks lingkungan, sistem hidrolik yang dirancang dengan efisiensi tinggi mampu mendukung keberlanjutan. Dengan mengurangi pemborosan energi, emisi karbon dari proses manufaktur dapat diminimalkan. Selain itu, pendekatan ini mendukung produksi material HDPE yang ramah lingkungan, dengan meminimalkan cacat seperti air traps dan bubble defects yang dapat menyebabkan pemborosan material.

Rekomendasi

• Optimalisasi Desain Sistem Hidrolik: Desain komponen seperti pompa, silinder, dan katup perlu terus dioptimalkan untuk memastikan efisiensi energi dan kinerja maksimal, terutama pada tekanan tinggi hingga 800 bar.

• Integrasi Teknologi IoT: Penggunaan sensor dan teknologi IoT dalam sistem hidrolik dapat memberikan pemantauan real-time terhadap tekanan, suhu, dan aliran fluida, sehingga meningkatkan akurasi kontrol dan efisiensi.

• Pengurangan Dampak Lingkungan: Sistem pendinginan seperti heat exchanger perlu diintegrasikan lebih lanjut untuk mengurangi risiko overheating dan memastikan penggunaan energi yang efisien.

• Peningkatan Sumber Daya Manusia: Pelatihan teknisi untuk memahami desain dan operasional sistem hidrolik menjadi kunci keberhasilan implementasi di industri.

• Penelitian Lanjutan: Diperlukan penelitian lebih lanjut untuk meningkatkan efisiensi energi pada sistem hidrolik melalui inovasi teknologi baru, seperti pompa dengan variabel kecepatan atau penggunaan material ramah lingkungan dalam desain komponen.

Penutup

Sistem hidrolik pada mesin injection molding memegang peranan vital dalam keberhasilan proses manufaktur, terutama dalam menghasilkan produk berkualitas tinggi secara efisien. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa desain sistem hidrolik yang dirancang dengan optimal dapat mendukung produktivitas sekaligus mengurangi dampak lingkungan. Dengan memanfaatkan teknologi terbaru, seperti IoT dan heat exchanger, efisiensi energi dapat ditingkatkan lebih jauh, mendukung keberlanjutan industri secara keseluruhan.

Dengan demikian, penerapan sistem hidrolik yang efisien dan berkelanjutan tidak hanya meningkatkan daya saing industri, tetapi juga memberikan dampak positif bagi lingkungan. Langkah kolaboratif antara peneliti, praktisi, dan pembuat kebijakan diperlukan untuk terus mengembangkan teknologi ini agar sesuai dengan kebutuhan masa depan.

Referensi

Mulyana, I. S. (2024). ANALISA PENGARUH CACAT PRODUK AIR TRAPS PADA SIMULASI INJECTION MOLDING. Jurnal Ilmiah Teknik, 3(1), 74–80. https://doi.org/10.56127/juit.v3i1.1164
Arohman, N. a. W., Agus, N. M., Solahhudin, N., & Agustin, N. D. (2023). Analisis preventive maintenance pada mesin injection molding dengan metode mean time between failure dan mean time to repair di PT. XZY. Jurnal Serambi Engineering, 9(1), 7623–7630. https://doi.org/10.32672/jse.v9i1.720
Sadighi, H., & Ziaei-Rad, S. (2014). Hydraulic and Pneumatic System Design. Journal of Mechanical Engineering.