Simulasi injection molding telah berkembang menjadi salah satu alat penting dalam perancangan produk, mold, dan proses produksi. Dengan simulasi, kondisi yang terjadi selama proses injection molding dapat diprediksi sebelum produk benar-benar diproduksi.
Analisis yang umum dilakukan meliputi filling dan packing, cooling, fiber orientation, serta warpage. Selain itu, perkembangan teknologi pemodelan juga memungkinkan penggunaan automatic midplane generation, Dual Domain Finite Element Analysis (DD/FEA), dan Three-Dimensional Finite Element Analysis (3D/FEA).
Filling dan Packing Analysis
Pada simulasi injection molding, tahap filling dan packing merupakan bagian yang sangat penting karena kondisi yang terjadi pada kedua tahap ini sangat memengaruhi kualitas akhir produk.
Untuk produk berdinding tipis, umumnya digunakan pendekatan Hele-Shaw. Pendekatan ini didasarkan pada asumsi bahwa variasi tekanan pada arah ketebalan produk dapat diabaikan. Karena sebagian besar produk hasil injection molding memiliki dinding yang relatif tipis, pendekatan ini dapat digunakan untuk menyederhanakan perhitungan dan memungkinkan simulasi dilakukan dalam waktu yang relatif singkat.
Pada tahap filling, material plastik cair (melt) mengalir dari injection point menuju seluruh bagian cavity. Simulasi dapat digunakan untuk memprediksi pola dan waktu pengisian, tekanan, temperatur, kecepatan flow front, serta lokasi potensi masalah seperti weld line, air trap, atau pengisian yang tidak seimbang.
Pada tahap *packing, cavity telah terisi dan tekanan diberikan untuk mengompensasi penyusutan material selama pendinginan. Riwayat tekanan dan temperatur pada tahap ini sangat memengaruhi densitas, berat, dimensi, shrinkage, dan warpage produk.
Oleh karena itu, analisis filling dan packing menjadi dasar penting bagi analisis kualitas produk secara keseluruhan.
Cooling Analysis
Cooling system merupakan salah satu faktor utama yang menentukan efisiensi produksi dan kualitas produk. Namun, dalam praktiknya, sistem pendinginan terkadang mendapatkan perhatian yang lebih rendah dibandingkan komponen mold lainnya.
Padahal, desain cooling system yang baik dapat mengurangi cycle time, meningkatkan produktivitas mesin dan mold, serta mengurangi masalah kualitas akibat ketidakseragaman temperatur.
Secara umum, analisis cooling terdiri dari dua bagian utama:
- Analisis aliran coolant di dalam cooling channel.
- Analisis perpindahan panas dari plastik ke mold dan kemudian ke coolant.
Aliran coolant dapat dianalisis menggunakan teori hidraulika konvensional. Beberapa hasil yang dapat diperoleh antara lain flow rate, pressure requirement, dan Reynolds number.
Reynolds number menunjukkan tingkat turbulensi aliran. Pada umumnya, aliran turbulen dapat meningkatkan perpindahan panas dari mold ke coolant. Namun, setelah mencapai tingkat tertentu, peningkatan perpindahan panas menjadi relatif kecil sementara kebutuhan daya pompa meningkat secara signifikan. Karena itu, kapasitas pompa yang terlalu besar tidak selalu menghasilkan cooling yang lebih efisien.
Perpindahan panas dari plastik ke mold dapat dihitung menggunakan metode finite difference untuk produk berdinding tipis atau metode finite element untuk analisis tiga dimensi. Sementara itu, perpindahan panas melalui mold umumnya dapat dianalisis menggunakan Boundary Element Method (BEM).
Keunggulan BEM adalah analisis perpindahan panas pada mold tiga dimensi dapat dilakukan menggunakan surface mesh, sehingga tidak perlu melakukan meshing pada seluruh bagian dalam material mold. Hal ini membuat proses pemodelan menjadi lebih sederhana.
Hasil analisis cooling memberikan distribusi temperatur pada permukaan mold selama siklus molding. Informasi tersebut dapat digunakan untuk menentukan posisi cooling channel agar variasi temperatur pada permukaan mold dapat diminimalkan.
Perbedaan temperatur antara satu sisi mold dengan sisi lainnya perlu diperhatikan karena dapat menyebabkan shrinkage yang tidak seragam dan akhirnya menghasilkan warpage.
Selain itu, temperatur yang diperoleh dari cooling analysis dapat digunakan sebagai boundary condition untuk flow analysis. Dengan menggabungkan analisis flow dan cooling, kondisi proses yang disimulasikan akan lebih mendekati kondisi nyata.
Fiber Orientation Analysis
Pada berbagai aplikasi engineering, short glass fiber ditambahkan ke material plastik untuk meningkatkan kekuatan dan modulus material.
Namun, ketika material yang mengandung serat mengalir masuk ke dalam mold, serat tidak selalu mempertahankan orientasi awalnya. Gerakan material, deformasi aliran, serta interaksi antarserat menyebabkan serat berubah orientasi selama proses filling.
Orientasi akhir serat sangat dipengaruhi oleh processing history dan dapat menyebabkan material memiliki sifat anisotropik, yaitu sifat mekanis yang berbeda tergantung arah pengukuran.
Secara sederhana, serat cenderung:
- mengikuti arah aliran pada daerah aliran yang konvergen;
- memiliki orientasi yang lebih melintang terhadap arah aliran pada daerah aliran yang divergen.
Pada produk dengan banyak injection point atau geometri yang kompleks, distribusi orientasi serat dapat menjadi sangat rumit.
Simulasi fiber orientation digunakan untuk memprediksi orientasi akhir serat. Data tersebut kemudian dapat digunakan untuk menentukan sifat termomekanis material, seperti:
- modulus elastisitas;
- Poisson’s ratio;
- koefisien muai linear;
- sifat mekanis berdasarkan arah.
Informasi tersebut selanjutnya dapat digunakan untuk structural analysis, serta membantu memprediksi shrinkage dan warpage.
Untuk material komposit yang diperkuat serat, model material isotropik sederhana tidak cukup karena orientasi serat dapat menghasilkan anisotropi yang signifikan. Oleh karena itu, diperlukan model yang mampu memperhitungkan hubungan antara aliran material dan orientasi serat.
Berbagai teori suspensi serat dan metode numerik telah dikembangkan untuk memprediksi pergerakan serat selama proses aliran. Beberapa pendekatan penting antara lain teori yang dikembangkan oleh Folgar dan Tucker serta Fan.
Warpage Analysis
Warpage merupakan salah satu masalah umum dalam injection molding. Warpage terjadi ketika produk mengalami deformasi sehingga bentuknya berubah dari desain yang diinginkan. Akibatnya, produk dapat sulit dirakit atau bahkan tidak dapat digunakan sesuai fungsinya.
Warpage merupakan fenomena yang kompleks karena dipengaruhi oleh berbagai kondisi selama proses molding. Salah satu penyebab utamanya adalah perbedaan shrinkage pada produk.
Secara umum, variasi shrinkage dapat dibagi menjadi tiga jenis.
- Variasi shrinkage dari satu titik ke titik lainnya
Perbedaan ini dapat terjadi akibat variasi densitas material. Densitas tersebut dipengaruhi oleh pressure-temperature history yang berbeda pada setiap lokasi produk.
- Variasi shrinkage berdasarkan arah
Shrinkage dapat berbeda antara satu arah dengan arah lainnya. Kondisi ini disebut anisotropic shrinkage dan dapat disebabkan oleh orientasi molekul maupun orientasi serat.
Masalah ini menjadi semakin signifikan pada material yang diperkuat fiber karena orientasi fiber dapat menghasilkan anisotropi yang cukup besar pada sifat termomekanis material.
- Variasi shrinkage antara satu sisi produk dan sisi lainnya
Kondisi ini biasanya disebabkan oleh ketidakseimbangan flow field dan temperature field. Salah satu penyebab yang paling umum adalah perbedaan temperatur antara kedua sisi mold.
Untuk menganalisis warpage, terdapat dua pendekatan utama:
Strain-based method
Metode ini memprediksi shrinkage strain yang dialami material. Nilai strain tersebut kemudian digunakan sebagai input untuk analisis struktur guna menghitung penyusutan dan deformasi produk.
Residual stress method
Metode ini memprediksi distribusi residual stress yang terbentuk pada material selama berada di dalam mold. Distribusi tegangan tersebut kemudian digunakan dalam analisis struktur untuk menentukan deformasi produk.
Metode residual stress lebih dekat dengan fenomena fisik sebenarnya, tetapi membutuhkan karakterisasi material yang lebih akurat.
Pada awalnya, analisis residual stress hanya mempertimbangkan tegangan termal akibat pendinginan material. Selanjutnya, model dikembangkan dengan memperhitungkan thermal stress sekaligus tegangan yang dihasilkan oleh tekanan melt terhadap material yang telah membeku.
Apa pun metode yang digunakan, prediksi warpage yang baik membutuhkan prediksi yang akurat terhadap filling, packing, dan cooling.
Hasil simulasi warpage dapat berupa:
- bentuk produk setelah deformasi;
- nilai shrinkage;
- defleksi pada arah X, Y, dan Z;
- residual stress;
- residual strain.
Optimasi Proses
Salah satu manfaat paling menarik dari simulasi adalah kemampuannya untuk melakukan optimasi desain produk dan proses manufaktur.
Simulasi sebenarnya telah lama digunakan untuk membantu memperbaiki desain produk. Namun, dalam konteks optimasi modern, optimasi berarti menggunakan prosedur otomatis untuk mendapatkan desain atau kondisi proses yang paling optimal berdasarkan parameter dan batasan tertentu.
Optimasi Runner
Salah satu penerapan awal optimasi adalah menentukan ukuran runner pada family mold dan multicavity mold.
Beberapa simulasi flow dilakukan dengan target agar seluruh cavity dapat terisi pada waktu yang sama. Algoritma kemudian mengubah diameter runner dalam rentang yang telah ditentukan hingga diperoleh kondisi pengisian yang seimbang.
Optimasi Filling
Pada tahap filling, salah satu permasalahan yang dapat menyebabkan cacat permukaan adalah perubahan kecepatan flow front yang terlalu tiba-tiba.
Karena itu, salah satu tujuan optimasi adalah mendapatkan flow-front velocity yang relatif konstan.
Namun, optimasi juga harus memastikan:
- shear stress material tidak melebihi batas;
- temperatur material tetap berada dalam batas yang diperbolehkan;
- kondisi proses tetap sesuai dengan kemampuan mesin.
Hasil optimasi dapat berupa ram velocity profile yang kemudian dapat diterapkan pada mesin injection molding.
Keunggulan utama simulasi adalah memungkinkan engineer mengetahui bagaimana material bergerak di dalam mold tanpa harus melihat proses tersebut secara langsung.
Optimasi Packing
Tahap packing sangat berpengaruh terhadap:
- berat produk;
- dimensi dan toleransi;
- shrinkage;
Selama packing, material berada pada tekanan tinggi sambil mengalami pendinginan. Kombinasi tekanan dan temperatur tersebut menentukan densitas akhir material.
Oleh karena itu, salah satu tujuan optimasi adalah meminimalkan variasi densitas di seluruh produk. Alternatif lainnya adalah meminimalkan variasi linear shrinkage pada arah sejajar maupun melintang terhadap arah aliran.
Hasil optimasi dapat berupa pressure profile terhadap waktu, misalnya menentukan:
- tekanan pack awal;
- waktu penerapan tekanan;
- tingkat penurunan tekanan;
- waktu hingga tekanan mencapai nol;
- cooling time.
Profil tekanan yang optimal dapat memberikan peningkatan kualitas produk yang signifikan dan sulit diperoleh hanya berdasarkan trial and error di mesin.
Pemodelan untuk Analisis CAE
Sebagian besar metode CAE konvensional untuk produk plastik didasarkan pada asumsi thin-wall geometry.
Pada pendekatan Hele-Shaw, tekanan dianggap tidak bergantung pada arah ketebalan (z direction). Oleh karena itu, elemen FEA yang digunakan untuk menghitung tekanan tidak perlu memiliki ketebalan dan dapat direpresentasikan sebagai plane shell, biasanya berbentuk segitiga atau segi empat.
Pada masa lalu, hal ini tidak terlalu menjadi masalah karena sistem CAD umumnya menggunakan surface modeling atau wireframe modeling. Ketebalan produk tidak selalu direpresentasikan secara eksplisit sehingga model CAD relatif mudah dikonversi menjadi model FEA.
Namun, perkembangan solid modeling membuat representasi produk menjadi jauh lebih lengkap. Seluruh detail geometri dapat direpresentasikan dalam satu model solid.
Solid modeling kemudian menjadi semakin umum karena model tersebut dapat digunakan tidak hanya untuk desain, tetapi juga untuk proses lanjutan seperti:
- rapid prototyping;
- assembly analysis;
- tolerancing analysis;
- mold making.
Namun, penggunaan solid model menimbulkan masalah bagi CAE plastik karena analisis berbasis Hele-Shaw membutuhkan model tanpa ketebalan.
Untuk mengatasi masalah tersebut, dikembangkan tiga teknologi utama:
- Midplane Generation
Metode ini mengubah solid model menjadi midplane model secara otomatis dan kemudian menghasilkan mesh pada bidang tengah tersebut.
Keuntungannya adalah proses pembuatan model menjadi jauh lebih cepat dibandingkan membuat midplane secara manual.
Namun, pembuatan midplane secara otomatis tidak selalu sempurna. Pada beberapa kasus, model yang dihasilkan masih memerlukan cleanup atau perbaikan mesh sebelum digunakan untuk analisis.
- Dual Domain FEA (DD/FEA)
Dual Domain FEA memungkinkan analisis dilakukan langsung menggunakan solid model.
Metode ini menggunakan surface mesh pada geometri solid, kemudian menambahkan elemen penghubung (connector elements) pada lokasi tertentu agar pola aliran yang dihasilkan tetap masuk akal secara fisik.
Sebagai contoh, jika hanya menggunakan surface mesh pada sebuah pelat dengan titik injeksi di satu sisi, material dapat diprediksi mengalir ke permukaan atas, turun melalui sisi pelat, kemudian mengalir di permukaan bawah. Pola tersebut tidak sesuai dengan kondisi aliran sebenarnya.
Dengan menambahkan elemen penghubung dari titik injeksi melalui ketebalan menuju sisi lainnya, pola aliran dapat direpresentasikan dengan lebih benar menggunakan solver berbasis Hele-Shaw.
Pada geometri yang lebih kompleks, connector element tambahan diperlukan, terutama pada area seperti rib dan lokasi perubahan geometri.
Disebut Dual Domain karena pada dasarnya analisis dilakukan pada dua permukaan komponen.
- Three-Dimensional FEA
3D/FEA menghilangkan asumsi bahwa produk harus berdinding tipis.
Dengan metode ini, simulasi dapat dilakukan pada produk yang:
- memiliki dinding tebal;
- memiliki geometri kompleks;
- tidak memiliki midplane yang jelas;
- memiliki insert;
- sulit dianalisis menggunakan shell-based analysis.
Salah satu keunggulan 3D/FEA adalah model analisis dapat merepresentasikan geometri produk sebenarnya secara langsung, sehingga sangat sesuai dengan solid modeling.
Berbeda dengan pendekatan Hele-Shaw, 3D/FEA memperhitungkan pressure gradient pada arah ketebalan. Metode ini juga dapat menghitung perpindahan melt dari bagian tengah aliran menuju dinding pada flow front.
Dengan demikian, fenomena fountain flow dapat diperhitungkan secara lebih eksplisit.
3D/FEA juga sangat berguna untuk area yang memiliki geometri kompleks, misalnya gate region dengan kombinasi runner berbentuk lingkaran dan saluran berbentuk kerucut menuju gate dengan penampang persegi. Geometri seperti ini sulit direpresentasikan secara akurat menggunakan model shell dan beam, tetapi dapat dimodelkan dengan lebih baik menggunakan analisis tiga dimensi. (by : niginashq) #plasticpallet #plasticrecycle #bumimulia #paletplastik #blowmolding #injectionmolding #injectionstretchblowmolding #molding #extrusion #extrusionprocess #thermoset
Source : Modern Plastic Handbook (Charles A. Harper)