Pencetakan: Proses Pembentukan Logam Presisi dalam Manufaktur Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Pencetakan adalah proses pembentukan logam presisi yang melibatkan deformasi plastik logam yang terkontrol antara dua cetakan untuk menghasilkan kesan yang detail dengan toleransi yang sangat ketat. Operasi pengerjaan dingin ini menerapkan gaya kompresi yang substansial untuk sepenuhnya mengisi rongga cetakan, menciptakan fitur geometris yang tepat dan penyelesaian permukaan pada komponen logam. Berbeda dengan proses pembentukan lainnya, pencetakan biasanya menggunakan gaya yang melebihi kekuatan luluh material beberapa kali, menghasilkan pengisian cetakan yang lengkap dan akurasi dimensi yang luar biasa.

Dalam ilmu dan teknik material, pencetakan mewakili aplikasi khusus dari prinsip deformasi plastik yang mencapai presisi yang tidak mungkin dicapai dengan teknik pembentukan logam lainnya. Proses ini menciptakan komponen dengan penyelesaian permukaan yang superior, stabilitas dimensi, dan sifat mekanik melalui pengerasan kerja yang terkontrol.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, pencetakan menempati posisi unik antara operasi pembentukan konvensional dan proses penyelesaian presisi. Ini memanfaatkan prinsip dasar plastisitas logam sambil mencapai kemampuan manufaktur bentuk-dekat yang meminimalkan atau menghilangkan operasi sekunder.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mechanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pencetakan menyebabkan deformasi plastik yang parah melalui pergerakan dislokasi dalam kisi kristal logam. Ketika stres yang diterapkan melebihi kekuatan luluh, dislokasi berlipat ganda dan bergerak sepanjang bidang slip, menyebabkan deformasi permanen. Tekanan tinggi dalam pencetakan memaksa dislokasi ini untuk menyebar ke seluruh volume material.

Karakteristik deformasi terkurung dari pencetakan menciptakan keadaan stres yang kompleks yang mendekati kondisi hidrostatik. Keadaan stres ini memungkinkan aliran material ke dalam fitur cetakan yang rumit tanpa patahan atau pengisian yang tidak konsisten yang mungkin terjadi dalam operasi pembentukan lainnya. Deformasi plastik yang parah juga secara signifikan meningkatkan densitas dislokasi, berkontribusi pada pengerasan kerja.

Mechanisme deformasi mikroskopis selama pencetakan termasuk slip, twin, dan gesekan batas butir. Mechanisme ini beroperasi secara bersamaan tetapi dalam proporsi yang bervariasi tergantung pada struktur kristal material, energi kesalahan tumpukan, dan laju regangan yang diterapkan.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan proses pencetakan didasarkan pada teori plastisitas, khususnya teorema batas atas dan batas bawah untuk pembentukan logam. Model-model ini memprediksi pola aliran material dan gaya yang diperlukan dengan menganalisis disipasi energi selama deformasi plastik.

Secara historis, pemahaman tentang pencetakan berkembang dari pengetahuan kerajinan empiris menjadi analisis ilmiah pada awal abad ke-20. Kemajuan signifikan datang dengan kriteria luluh von Mises dan penyempurnaan selanjutnya oleh peneliti seperti Hill dan Hosford, yang mengembangkan kriteria luluh anisotropik yang lebih berlaku untuk operasi pembentukan logam lembar.

Pendekatan modern mencakup model analisis elemen hingga (FEA) yang menggabungkan perilaku material elastis-plastis, pengerasan regangan, sensitivitas laju regangan, dan efek gesekan. Model komputasi ini memberikan prediksi yang lebih akurat dibandingkan pendekatan analitis klasik, terutama untuk geometri yang kompleks.

Dasar Ilmu Material

Kinerja pencetakan secara langsung berkaitan dengan struktur kristal material yang dibentuk. Logam kubik berpusat muka (FCC) seperti tembaga dan perak menunjukkan kemampuan pencetakan yang sangat baik karena banyaknya sistem slip mereka, sementara struktur berkemasan heksagonal (HCP) seperti seng menunjukkan formabilitas yang lebih terbatas.

Batas butir dalam logam bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi selama pencetakan. Struktur butir yang lebih halus biasanya memerlukan tekanan pencetakan yang lebih tinggi tetapi menghasilkan deformasi yang lebih konsisten dan penyelesaian permukaan yang superior. Deformasi parah selama pencetakan juga dapat memperhalus struktur butir melalui rekristalisasi dinamis di bawah kondisi tertentu.

Prinsip dasar ilmu material yang mengatur pencetakan termasuk pengerasan kerja, pengembangan tekstur, dan fenomena rekristalisasi. Proses ini memanfaatkan kapasitas deformasi plastik logam sambil mengelola konsekuensi dari pengerasan regangan melalui desain cetakan yang tepat dan pemilihan parameter proses.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan dasar untuk menghitung gaya pencetakan yang diperlukan adalah:

$$F = p \times A$$

Di mana:
- $F$ = total gaya pencetakan (N)
- $p$ = tekanan pencetakan spesifik (MPa)
- $A$ = area proyeksi bagian (mm²)

Formula Perhitungan Terkait

Tekanan pencetakan spesifik dapat diperkirakan menggunakan:

$$p = K \times \sigma_y \times \ln\left(\frac{h_0}{h_f}\right)$$

Di mana:
- $K$ = konstanta material (biasanya 2.5-4.0)
- $\sigma_y$ = kekuatan luluh material (MPa)
- $h_0$ = ketebalan awal benda kerja (mm)
- $h_f$ = ketebalan akhir setelah pencetakan (mm)

Pengerasan kerja selama pencetakan dapat dijelaskan oleh persamaan Hollomon:

$$\sigma = K\varepsilon^n$$

Di mana:
- $\sigma$ = stres aliran (MPa)
- $K$ = koefisien kekuatan (MPa)
- $\varepsilon$ = regangan sejati
- $n$ = eksponen pengerasan regangan

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk operasi pencetakan dingin di mana efek suhu pada sifat material dapat diabaikan. Mereka mengasumsikan deformasi yang seragam di seluruh benda kerja, yang mungkin tidak berlaku untuk geometri kompleks dengan ketebalan yang bervariasi.

Model memiliki batasan saat berhadapan dengan gradien regangan yang parah atau ketika anisotropi material secara signifikan mempengaruhi perilaku aliran. Selain itu, formula ini biasanya mengabaikan sensitivitas laju regangan, yang menjadi penting pada operasi pencetakan kecepatan tinggi.

Perhitungan mengasumsikan kondisi pelumasan yang tepat dan kekakuan alat. Penyimpangan dari asumsi ini dapat mempengaruhi akurasi prediksi gaya dan dimensi bagian akhir secara signifikan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E9: Metode Uji Standar Pengujian Kompresi Material Logam pada Suhu Ruang - mencakup pengujian kompresi dasar yang relevan untuk penentuan gaya pencetakan.
• ISO 6892-1: Material logam - Pengujian tarik - Metode uji pada suhu ruang - menyediakan data sifat material yang diperlukan untuk perhitungan pencetakan.
• ASTM B946: Metode Uji Standar untuk Penyelesaian Permukaan Produk Metalurgi Serbuk - berlaku untuk mengevaluasi kualitas permukaan bagian PM yang dicetak.
• ISO 4287: Spesifikasi Produk Geometris (GPS) - Tekstur permukaan - Metode profil - Istilah, definisi dan parameter tekstur permukaan - digunakan untuk mengukur penyelesaian permukaan dari permukaan yang dicetak.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Peralatan umum untuk evaluasi proses pencetakan termasuk press hidrolik atau mekanik presisi dengan sel beban untuk pengukuran gaya. Sistem ini biasanya menggabungkan transduser perpindahan untuk memantau aliran material selama kompresi.

Profilometer permukaan dan sistem pengukuran optik mengevaluasi akurasi dimensi dan penyelesaian permukaan komponen yang dicetak. Instrumen ini menggunakan kontak stylus atau teknik optik untuk mengukur topografi permukaan pada tingkat mikron.

Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM) dengan difraksi elektron backscatter (EBSD) untuk menganalisis perubahan mikrostruktur yang diinduksi oleh pencetakan, terutama pemurnian butir dan pengembangan tekst