Simulasi Pengaruh Tipe Gating System Terhadap Karakteristik Aliran Logam Material Aluminium A356 Menggunakan Metode Computational Fluid Dynamics

SIMULASI PENGARUH TIPE GATING SYSTEM TERHADAP
KARAKTERISTIK ALIRAN LOGAM CAIR ALUMINIUM A356
MENGGUNAKAN METODE COMPUTATIONAL FLUID
DYNAMICS

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

RAMA SANJAYA
100401067

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2015

RAMA SA

ABSTRAK

Dalam rangka meningkatkan kualitas hasil pengecoran, sistem saluran masuk
divariasikan dengan tujuan untuk melihat karakteristik logam cair. Analisa aliran
dilakukan dengan cara mengamati proses pengisian rongga cetak. Penelitian ini
bertujuan untuk mengetahui efek dari posisi ingate terhadap cacat permukaan
kecepatan aliran, temperatur, tekanan dan turbulensi cairan dari paduan
aluminium dalam casting dengan menggunakan cetakan pasir. Bahan baku dari
penelitian ini adalah paduan aluminium silikon A356. Penelitian ini akan
dibedakan atas saluran masuk top gating system, parting-line gating system &
bottom

gating system. Pengujian cacat permukaan juga dilakukan dengan

membandingkan hasil simulasi dengan hasil eksperimental.

Proses simulasi

dilakukan dengan menggunakan software berbasis CFD. Hasil penelitian
menunjukkan top gating system memiliki kecepatan fluida tertinggi yaitu ±263
cm/s sedangkan kecepatan fluida terendah terjadi pada model saluran parting-line
dengan ±178 cm/s. Konsentrasi tertinggi cacat permukaan ditemukan dalam

sistem model saluran parting-line gating system dengan persentase ±0,32%.
Sementara konsentrasi cacat terendah adalah pada top gating system dengan
±0,15%. Tekanan tertinggi terjadi pada parting-line gating system yaitu sebesar
±11,65 kPa sementara tekanan terendah ditemukan di top gating system sebesar
±11,14 kPa. Model saluran dengan rata-rata suhu tertinggi terdapat pada partingline gating system dengan ±729,67 oC sedangkan bottom gating system memiliki

suhu rata-rata terendah dengan ±729,11 oC.
Kata kunci: computational fluid dynamics, sistem saluran masuk, karakteristic
aliran, aluminium

ABSTRACT
In order to improve the quality of the castings produced, the gating system was
changed with the intention to see the characteristics of molten metal. Flow
analysis of the component is done in order to visibly analyse the cavity filling
process. This study aims to determine the effects of ingate position to surface
defect, fluid velocity, pressure, temperature and fluid turbulence of aluminum
alloys in casting by using sand molds. The raw material of this study is A356
aluminium alloy. This research will beassessed position of ingate in top, middle
and bottom. Surface defect testing also conducted by comparing simulation result
to experimental works. Simulation process is conducted by using CFD based

analysis software. The results showed top gating system has the highest fluid
velocity that is ±263

cm

/s while the lowest fluid velocity occur on parting-line

gating system with ±178

cm

/s. The highest concentration of surface defects found

in the model system of parting-line gating system that is ±0,32%. While the
lowest defect concentration is on top gating system with only ±0,15%. The
highest pressure occurs in parting-line gating system that is equal to ±11,65 kPa
while the lowest pressure found in top gating system that is ±11,14 kPa. Gating
system with highest average temperatur obtained at the parting-line gating system
with ±729,67 oC while bottom gating system has the lowest average temperature
with ±729,11 oC.

Keywords: computational fluid dynamics, gating system, flow characteritics,
aluminium

KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan ke hadirat Allah SWT atas segala karunia
dan rahmat-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapat
menyelesaikan skripsi ini.
Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana
Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera
Utara. Adapun judul skripsi ini adalah “Simulasi Pengaruh Tipe Gating System
Terhadap Karakteristik Aliran Logam Material Aluminium A356 Menggunakan
Metode Computational Fluid Dynamics”.
Selama penulisan skripsi ini penulis banyak mendapat bimbingan dan
bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis
menyampaikan banyak terima kasih kepada:
1. Orang tua saya tercinta, Ayahanda Syaiful dan Ibunda Jusmiarti serta kakak –
kakak saya (Silvia dan Shinta Veroza) dan juga abang – abang saya (Heru Joni
Aldi dan Roni Anto) yang telah membesarkan penulis, membimbing,
memberikan kasih sayang, memberikan nasehat memberikan perhatian baik
spiritual maupun material serta semangat yang begitu besar kepada penulis

mulai awal kuliah hingga penyelesaian skripsi ini.
2. Bapak Suprianto, ST. MT selaku dosen pembimbing skripsi yang telah
meluangkan waktu dan pikiran serta kesabaran dalam membimbing dan
mengajar penulis untuk menyelesaikan skripsi ini.
3. Bapak Ir. Tugiman, MT selaku Koordinator Skripsi dan Kepala Laboratorium
Metalurgi.
4. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri sebagai Ketua Departemen Teknik Mesin
USU dan Bapak Ir. M Syahril Gultom, MT. sebagai Sekretaris Departemen
Teknik Mesin USU.
5. Seluruh Staf Pengajar DTM FT USU yang telah memberikan bekal
pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi selesai, dan seluruh pegawai
administrasi DTM FT USU, juga kepada staf Fakultas Teknik.

i

6. Teman satu tim (Abdul Rahman) yang telah memberikan kesempatan kepada
penulis untuk bergabung dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
7. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin USU angkatan
2010, khususnya (Nursuci Adek, Chandra Andrika, Fadel Muhammad
Harahap & Aji Pajar Prastia) yang banyak memberikan motivasi kepada

penulis dalam menyusun skripsi ini, atas masukan dan bantuannya dalam
menyelesaikan skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini belum sempurna, baik dari segi teknik
maupun dari segi materi. Oleh sebab itu, demi penyempurnaan skripsi ini kritik
dan saran sangat penulis harapkan.
Akhir kata, penulis berharap agar laporan ini bermanfaat bagi pembaca
pada umumnya dan penulis sendiri pada khususnya.

Medan,

September 2015

Penulis,

Rama Sanjaya
NIM : 100401067

ii

DAFTAR ISI

Halaman
KATA PENGANTAR .......................................................................................i

DAFTAR ISI................. .....................................................................................iii

DAFTAR GAMBAR .........................................................................................vi

DAFTAR TABEL .............................................................................................ix

DAFTAR NOTASI ............................................................................................x

BAB 1 PENDAHULUAN ................................................................................1
1.1 Latar Belakang .....................................................................................1
1.2 Perumusan Masalah .............................................................................3
1.3 Tujuan Penelitian .................................................................................3
1.3.1 Tujuan Umum .........................................................................3
1.3.2 Tujuan Khusus.........................................................................3
1.4 Batasan Masalah ..................................................................................4
1.5 Sistematika Penulisan ..........................................................................4

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................5
2.1 Aluminium ...........................................................................................4
2.1.1. Aluminium - Silicon Alloy......................................................5
2.1.2. Aluminium A356....................................................................8
2.2 Pengecoran Cetakan Pasir....................................................................9
2.3 Sistem Saluran Masuk .........................................................................12
2.4 Dinamika Fluida ..................................................................................16
2.4.1 Aliran Fluida Berdasarkan Gerak... .........................................16
2.4.2 Aliran Fluida Berdasarkan Gaya Yang Bekerja.... ..................17
2.4.3 Aliran Fluida Berdasarkan Bisa Tidaknya Dikompres... ........19

iii

2.5 Cacat Rongga Udara (Blowhole) .........................................................19
2.6 CFD (Computational Fluid Dinamics) ..............................................20
2.6.1 Proses Simulasi CFD...............................................................21
2.6.2 Persamaan Pembentuk Aliran... ..............................................22
2.7 Stir Casting ..........................................................................................26

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN ..........................................................29
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ..............................................................29
3.2 Alat dan Bahan Penelitian ...................................................................29
3.2.1 Alat Penelitian .........................................................................29
3.2.2 Bahan Penelitian ......................................................................30
3.3 Variabel Penelitian...............................................................................31
3.3.1 Variabel Terikat.......................................................................32
3.3.2 Variabel Bebas ........................................................................32
3.4 Cara Pelaksanaan Penelitian ................................................................31
3.5 Diagram Alir Penelitian .......................................................................33
3.6 Set-up Pengujian............. .....................................................................34
3.6.1 Proses Simulasi .......................................................................34
3.6.1.1 Tahap Pre-processing... ................................................34
3.6.1.2 Tahap Post Processing... ..............................................40
3.6.1.3 Menjalankan Simulasi.. ................................................40
3.6.1.4 Diagram Alir Simulasi... ..............................................41
3.6.2 Proses Pengecoran... ................................................................42

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN .............................................................43
4.1 SimulasiHasil Konsentrasi Cacat Permukaan......................................43

4.1.1 Perbandingan antara Konsentrasi Cacat Permukaan Hasil
Simulasi dan Hasil Pengecoran Eksperimental............ ..........48
4.2 Analisa Simulasi Hasil Distribusi kecepatan .......................................50
4.3 Simulasi Hasil Distribusi Temperatur........... ......................................54
4.1.2 Pengaruh Distribusi Temperatur Terhadap Kekerasan
Hasil Coran Aluminium Alloy................................................57

iv

4.5 Simulasi Hasil Distribusi Tekanan ......................................................60

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................63
5.1 Kesimpulan ..........................................................................................63
5.2 Saran.............. ......................................................................................64

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................65

v

DAFTAR GAMBAR

Halaman
Gambar 2.1

Diagram Fasa Al-Si ...................................................................6

Gambar 2.2

Daerah Diagram Fasa Al-Si.......................................................6

Gambar 2.3

Struktur mikro hypoeutectic, eutectic & hypereutectic.... .......7

Gambar 2.4

Proses Pembuatan Cetakan ......................................................11

Gambar 2.5

Elemen Dasar pada Sistem Saluran Masuk .............................13

Gambar 2.6

Klasifikasi Saluran Masuk Berdasarkan Bidang Pembagi ......13

Gambar 2.7

Klasifikasi Saluran Masuk Berdasarkan Ketinggian ... ...........14

Gambar 2.8

Rasio Luas Area Sprue Exit, Runner dan Ingate .....................15

Gambar 2.9

Distribusi Kecepatan Aliran Laminar pada Pipa Tertutup ......18

Gambar 2.10 Distribusi Kecepatan Aliran Turbulen Dalam Pipa Tertutup
pada Arah Aksial... ..................................................................19
Gambar 2.11 Cacat Rongga Udara (Blowholes) ...........................................20
Gambar 2.12 Hukum Kekekalan Massa pada Elemen Fluida 3 Dimensi... ..23
Gambar 2.13 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah
Elemen Fluida 3 Dimensi............ ............................................24
Gambar 2.14 Kerja yang Dikenakan pada Elemen Arah Sumbu-x.... ...........25
Gambar 2.15 Fluks Panas yang melintasi permukaan sebuah elemen..... .....25
Gambar 2.16 Skema Eksperimental Mesin Stir Casting......... ......................27
Gambar 3.1

Cetakan Pasir Tampak Dari Atas Dan Tengah ........................30

Gambar 3.2

Mesin Stir Casting......... ..........................................................30

Gambar 3.3

Diagram Alir Penelitian ...........................................................34

Gambar 3.4

Dimensi Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Top
Gating System....................... ...................................................34

Gambar 3.5

Dimensi Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk
Parting-line Gating System...... ...............................................35

Gambar 3.6

Dimensi Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk
Bottom Gating System........... ..................................................35

Gambar 3.7

Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Top Gating
System............. .........................................................................36

vi

Gambar 3.8

Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Parting-Line
Gating System............ ..............................................................36

Gambar 3.9

Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Bottom
Gating System.................. ........................................................37

Gambar 3.10 Bentuk Mesh ............................................................................38
Gambar 3.11 Penentuan Parameter Dasar............ .........................................38
Gambar 3.12 Penentuan Sifat – Sifat Fisika dan Gaya pada Percobaan..... ..39
Gambar 3.13 Penentuan Jenis Fluida............. ...............................................39
Gambar 3.14 Penentuan Material Cetakan........ ............................................40
Gambar 3.15 Diagram Alir Simulasi............................................. ................41
Gambar 4.1

Kontur Distribusi Kecepatan Magnitudo pada Model Saluran
Masuk Top Gating System................. ......................................44

Gambar 4.2

Kontur Distribusi Kecepatan pada Model Saluran Masuk
Parting-line Gating System................. ....................................44

Gambar 4.3

Kontur Distribusi Kecepatan pada Model Saluran Masuk
Bottom Gating System........................ .....................................45

Gambar 4.4

Grafik Kecepatan Magnitudo vs. Tipe Saluran Masuk ...........46

Gambar 4.5

Kontur Distribusi Temperatur pada Model Saluran Masuk Top
Gating System............... ...........................................................47

Gambar 4.6

Kontur Distribusi Temperatur pada Model Saluran Masuk
Parting-line Gating System............. ........................................48

Gambar 4.7

Kontur Distribusi Temperatur pada Model Saluran Masuk
Bottom Gating System................ .............................................48

Gambar 4.8

Grafik Temperatur vs. Tipe Saluran Masuk................... .........49

Gambar 4.9

Grafik Nilai Kekerasan Rata – Rata vs Tipe Gating System...51

Gambar 4.10 Perbandingan Persebaran Temperatur Terhadap Nilai
Kekerasan Model Sistem Saluran Masuk Top Gating System
(Tipe A).... ...............................................................................51
Gambar 4.11 Perbandingan Persebaran Temperatur Terhadap Nilai
Kekerasan Model Sistem Saluran Masuk Parting-line Gating
System (Tipe B).... ...................................................................52

vii

Gambar 4.12 Perbandingan Persebaran Temperatur Terhadap Nilai
Kekerasan Model Sistem Saluran Masuk Bottom Gating
System (Type C)....... ...............................................................52

Gambar 4.13 Kontur Distribusi Tekanan pada Model Saluran Masuk Top
Gating System.............. ............................................................53

Gambar 4.14 Kontur Distribusi Tekanan pada Model Saluran Masuk
Parting-line Gating System............. ........................................53

Gambar 4.15 Kontur Distribusi Tekanan pada Model Saluran Masuk Bottom
Gating System.... ......................................................................54

Gambar 4.16 Grafik Tekanan vs. Tipe Saluran Masuk... ..............................55
Gambar 4.17 Fase Terbentuknya Cacat Permukaan pada Model Saluran
Masuk Top Gating System................ .......................................56
Gambar 4.18 Fase Terbentuknya Cacat Permukaan pada Model Saluran
Masuk Parting-line Gating System............... ..........................57
Gambar 4.19 Fase Terbentuknya Cacat Permukaan pada Model Saluran
Masuk Bottom Gating System................. ................................58
Gambar 4.20 Kontur Konsentrasi Cacat Permukaan Hasil Simulasi &
Eksperimen Top Gating System................... ...........................60
Gambar 4.21 Kontur Konsentrasi Cacat Permukaan Hasil Simulasi &
Eksperimen Parting-line Gating System................. ................60
Gambar 4.22 Kontur Konsentrasi Cacat Permukaan Hasil Simulasi &
Eksperimen Parting-line Gating System.................... .............61
Gambar 4.23 Grafik Konsentrasi Cacat Permukaan Pada 3 Model Saluran
Masuk........................ ..............................................................62

viii

DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Kandungan Si Terhadap Temperatur Titik Beku Paduan
Aluminium.............. ..........................................................................8
Tabel 2.2. Spesifikasi Fluida........ .....................................................................9
Tabel 2.3 Elemen Penyusun Aluminium Alloy A356.......................................9
Tabel 4.1 Konsentrasi Cacat Permukaan Maksimum........ .............................48
Tabel 4.2 Distribusi

Kecepatan

Magnitudo

Berdasarkan

Titik

Pengukuran.......... ...........................................................................54
Tabel 4.3 Distribusi Temperatur Pada Pada 9 Titik Pengukuran...... .............57
Tabel 4.4 Data hasil pengujian kekerasan......... .............................................58
Tabel 4.5 Tekanan Maksimum................ .......................................................62

ix

DAFTAR NOTASI

Simbol

Definisi

Satuan

τ

tegangan geser pada fluida

N/m2

μ

viskositas dinamik fluida

N.s/m2

du/dy

gradient kecepatan

1/s

ṁ

laju aliran massa

kg/s

t

waktu

s

ρ

massa jenis fluida

kg/m3

F

gaya

N

T

temperatur

o

m

massa

kg

a

percepatan

m/s2

P

tekanan

N

W

daya

joule

Q

kalor

joule

C

x