ELECTROCHEMICAL MACHINING (ECM)

BAB III

ELECTROCHEMICAL MACHINING (ECM)

3.1       Pengertian Electrochemical Machining (ECM)

Electrochemical machine (ECM) adalah suatu mesin perkakas yang digunakan untuk pemakanan atau pemotongan benda kerja dengan menggunakan proses kimia elektrik. Biasanya digunakan untuk produksi massal dan untuk benda kerja yang memilki tingkat kekerasan tinggi atau benda kerja yang sulit dikerjakan oleh mesin – mesin konvensional. Ecm menggunakan bahan conduktif elektrik yang terbatas sehingga cocok semua bahan benda kerja. Ecm dapat memotong sudut yang kecil ataupun rongga yang sangat sulit pada baja yang keras dan batang – batang Eksotis seperti titanium, hastelloy , kovar ,inconel dan karbit. Dibawah ini adalah contoh mesin ECM.

Gambar Electrochemical Machining (ECM)

ECM adalah sebuah proses elektrolityc dan didasarkan pada fenomena elektrolisis sebagai mana hokum faraday (1883). sering diartikan sebagai mesin yang menyepuh dengan listrik dan serupa dengan pengerjaan menggunakan mesin dalam suhu tinggi yang diposisikan seperti elektroda dan benda. Melalui sebuah bahan elektrolit dalam proses pemakanan yang menggunakan katode, elktrolite dan anode sehingga dalam ECM tidak menggunakan pahat. Peralatan potong ecm dikontrol sepanjang alur yang diinginkan dan sangat dengan dekat dengan pengerjaan tetapi tidak sampai menyentuh. Pemakanan bahan yang memiliki tingkat kekerasan tinggi sangat mungkin dilakukan oleh ECM. Sepanjang tidak ada perubahan panas atau tegangan mekanik yang dipindahkan ke benda dan  dimungkinkan pula untuk penyelesaian permukaan.  

(http://firstiawan.student.fkip.uns.ac.id/)

Electro Cimical Machining (ECM) adalah sebuah metode untuk mengolah bentuk logam melalui proses elektrokimia ( proses elektrolisis dan proses volta). Pada ECM proses elektrokimia yang digunakan adalah proses elektrolisis yaitu proses yang dapat mengubah energi lisrik menjadi energi kimia. Proses Elektrolisis Menggunakan Hukum Faraday I Dan II (www.scribd.com).

Gambar Mesin ECM

3.2       Proses ECM

Adanya proses peralutan anodis daripada material benda kerja maka terbentuklah  senyawa metal hidroksida yang bercampur dengan cairan elektrolit semacam lumpur. Cairan yang berlumpur ini kemudian diendapkan dalam bak pengendap. Keluar dari bak pengendap ini, cairan elektrolit tersebut kemudian dijernihkan  dengan mempergunakan centrifuge dan akhirnya baru dialirkan kedalam reservoir elektrolit. Dengan mempergunakan pompa, cairan elektrolit ini dialirkan kedalam celah antara benda kerja dengan pahat.

Pemesinan elektrokimia menciptakan komponen yang tidak dikenakan baik materi termal atau mekanis stres dan rapuh dapat mesin mudah karena tidak ada kontak antara alat dan benda kerja. pemesinan elektrokimia dapat membuat bentuk 3D normal dan halus. Beberapa contoh komponen yang dibuat menggunakan mesin elektrokimia meliputi mati, cetakan, pisau turbin dan kompresor, gigi berlubang, lubang, slot, dll pemesinan elektrokimia dapat memproses sebagian besar jenis bahan dan paduan melakukan. Custom perkakas yang diperlukan dalam bentuk negatif bagian yang diinginkan.

Berbagai teknik industri telah dikembangkan berdasarkan proses termasuk:

·                     Elektrokimia pemotongan

·                     Elektrokimia ECM

·                     Elektrokimia menggerek

·                     Elektrokimia pengeboran

·                     Elektrokimia menghaluskan

Skematik prosesnya seperti sebuah katode yang direaksikan dengan anoda (elektrolite positif). Tekanan elektrolitenya diinjeksikan pada temperature tertentu ke area pemakanan. Tingkat pemekanannya sama pada tingkat pencairan bahan. Ataupun disesuaikan dengan titik lebur dari benda yang akan dibuat.untuk toleransi yang digunakan didalam dan diluarnya adalah 0,03 inci. berikut Skema dari proses ECM

Proses dalam ECM lebih luas digunakan untuk memproduksi bentuk benda yang sudah sangat rumit dan presisi dengan penyelesaian akhir permukaan yang bagus bagi material mesin seperti kipas turbin. Secara lebih luas dan efektive pula digunakan untuk proses deburring. 

Gambar Skema ECM

Dalam proses deburing ,ECM menggunakan teknik seperti yang telah diuraikan diatas yaitu untuk pemakanan logam yang lebih dari proses mesin lain,serta menghaluskan sudut tepi yang tajam.proses ini terjadi sangat cepat dan lebih luarbiasa disbanding cara deburring konvensional biasa yang menggunakan tangan atau proses mesin yang bukan tradisional lain sehinga menghasilkan finishing permukaan yang baik dan tidak merusak bahan karena benar-benar sesuai rencana pengerjaan.

Gambar Skema Proses ECM

Proses produksi dilakukan dengan penggabunggan antara listrik dan kimia yang  disebut elecktrochemical machine.proses. Produksi yang ada bersifat pengurangan atau penambahan dimensi dengan beragam cara. sebagai contoh proses finishing banyak dilakukan dengan pelapisan dengan chrome atau nikel yang lebih umum disebut electroplanting.menurut prisip kerjanya tipe in dibagi menjadi dua yaitu elecktrochemical machining dan elecktrochemical deburring and grinding

Salah satu tipe proses produksi yang mana pengerjaan/pengolahan benda kerja dilakukan dengan elektrolisis dengan energi listrik dan medium elektroliy seperti asam sulphat,coppher sulphat dan lainya. Benda kerja difunsikan sebagi anoda dan bahan yang diuraikan seperti tembaga,chrome sebagai anoda

besar kecilnya penambahan atau pengurangan sesuain hukaum Faraday yaitu “masa yang berpindah merupakan  fungsi dari arus arus (amphere),waktu,jarak ,luas permukaan dan sifat katoda yang terkait dengan “e” atau beda potensial katode-anode maupun resistensi elektrolinya.ECM umumnya digunakan untuk memotong benda logam yang sangat keras dan sulit dimensi atau geometri benda kerja yang rumit.

Dalam ECM, elektrolit berfungsi sebagai konduktor listrik dan hukum Ohm juga berlaku untuk jenis konduktor. Yang resistensi elektrolit dapat berjumlah ratusan ohm.

Akumulasi dalam celah mesin kecil dari logam dan produk gas dari elektrolisis yang tidak diinginkan. Jika dibiarkan akan terjadi pertumbuhan yang tidak terkendali, yang akhirnya akan menyebabkan hubungan pendek antara dua elektroda. Untuk menghindari krisis ini, elektrolit dipompa melalui celah luar elektroda sehingga produk-produk dari elektrolisis terbawa pergi. Gerakan paksa elektrolit juga penting dalam mengurangi efek pemanasan listrik dari kedua elektrolit, yang dihasilkan dari aliran arus dan gas hidrogen, yang masing-masing meningkat dan efektif untuk mengurangi konduktivitas.

Proses ECM ini atau lebih dikenal sebagai electroplating paling banyak digunakan untuk menghasilkan bentuk yang rumit dengan penyelesaian permukaan yang baik, seperti mata pisau turbin. Hal ini juga digunakan secara luas dan efektif dalam proses deburring. Selain itu bisa digunakan juga dalam pengeboran lubang.

(http://firstiawan.student.fkip.uns.ac.id/2010/02/11/3/#more-3)

Prinsip kerja ECM yaitu benda kerja dihubugkan dengan sumber arus searah yang bermuatan positif sedangkan pahat dibuhungkan dengan sumber arus yang bermuatan positif dan cairan elektrolit dialirkan diantara pahat dan benda kerja. Sehingga terjadilah proses pengerjaan material benda kerja karena adanya reaksi elektrokimia dan juga reaski kimia. Electro Chimical Machining (ECM) terdiri dari pahat katoda dan anoda.

Syarat-syarat proses ECM yaitu pahat bermuatan negative dan benda kerha bermuatan positif celah antara pahat dan benda kerja yang berfungsi sebagai aliran cairan elektrolit (sel elektrolit). Sel elektrolit yang terbentuk diantara pahat dengan benda kerja inilah yang membentuk terjadinya reaksi elektrokimia dan reaski kimia.  Fungsi dari cairan elektrolit dalam proses ECM, yaitu:

1.      Sebagai media untuk memungkinkan terjadinya proses pengerjaan material.

2.      Sebagai fluida pendingin selama proses ECM berlangsung

3.      Untuk menghanyutkan bagian-bagian daripada material benda kerja yang telah dikerjakan.

Pemilihan cairan elektrolit berdasarkan beberapa faktor sebagai berikut:

1.        Bersifat sebagai konduktor listrik

2.        Tidak korosif terhadap peralatan

3.        Tidak beracun dan tidak membahayakan operator

4.        Mempunyai sifat kimia yang stabil, sehingga memungkinkan terjadinya reaksi elektro kimia yang stabil selama proses ECM beerlangsung.

            Prinsip dasar dari pada ECM. adapun persyaratan untuk memungkinkan berlangsungnya proses ECM, ialah:

1.        Pahat bermuatan negative dan benda kerja bermuatan positif.

2.        Celah antara pahat dengan benda memungkan aliran cairan elektrolit yang selanjutnya akan berfungsi sebagai suatu sel-elektrolit.

(www.scribd.com)

3.3       Proses Elektro Kimia Dari Pada ECM

            Jenis cairan elektrlit yang dipergunakan adalah Na Cl; Na N0₃; N₂Cl0. Besarnya gap antara pahat dngan benda kerja 50 : 300 jam. Sel elektrolit yang terbentuk diantara pahat dengan benda kerja inilah yang memebentuk terjadinya reaksi elektro-kimia dan reaksi kimia. Bila energi listrik yang dibutuhkan telah cukup(sekitar 6 ev) maka ion metal yang terdapat pada permukaan benda kerja akan tertarik kedalam sel elektrolit. Ion metal yang bermuatan positif ini akan bereaksi dengan non negative dari sel elektrolit dan membentuk senyawa metal hidroksida. Sehingga dengan demikian terjadilah proses pengerjaan material benda kerja secara pelarutan anodis.

Proses ECM bisa dipergunakan untuk segala macam metal, paduan logam dan material bersifat konduktor listrik. Komposisi dan struktur kimia, titik lelah, kekerasan dan sifat-sifat fisik material lainnya tidak mempengaruhi proses pengerjaan ECM. Bentuk permukaanbenda kerja yang kompleks dapat dikerjakan dengan proses ECM sehingga proses ini cocok untuk pembuatan cetakan. Proses pengerjaan dengan ECM meliputi operasi-operasi, diantaranya: finishing, deburring, honing,countouring,deep hole drilling. Proses pengerjaan dengan ECM bebas dari segala bentuk tegangan maupun geramsehingga memungkinkan tidak terjadinya circuit-circuit antara pahat dan benda kerja. Surface finish yang bisa dicapai dalam proses ECM berkisar 0,2-0,8 μ m.

(www.scribd.com)

Dua macam reaksi yang terjadi didalam proses ECM yaitu:

1.        Reaksi elektro kimia pada anoda dan katoda yang meliputi proses-proses sebagai berikut:

a.    Proses larutan pada anoda.

b.    Proses reduksi-oksidasi.

c.    Proses pelapisan pada katoda.

d.   Proses pembentukan gas

2.        Reaksi kimia pada cairan elektrolit terjadi pada lapisan batas antara permukaan bend kerja dengan cairan elektrolit dan perpindahan ion-ion terjadi secara:

a.     Difusi, pergerakan ion karena adanya medan listrik.

b.    Proses konveksi karena aliran elektrolit.

(www.scribd.com)

           

3.4       Kelebihan dan Kekurangan ECM

Adapun kelebihan dari penggunaan mesin ECM (electrochemical machining) yaitu:

1.      Tidak ada alat yang dipakai selama pemesinan elektrokimia.

2.      Non-kaku dan membuka lembar kerja dapat mesin dengan mudah karena tidak ada kontak antara alat dan benda kerja.

3.      Bentuk geometris yang kompleks dapat mesin berulang-ulang dan akurat

4.      Pemesinan elektrokimia adalah proses hemat waktu bila dibandingkan dengan mesin konvensional

5.      Selama pengeboran, lubang dapat dibuat atau beberapa lubang sekaligus.

6.      ECM debur dapat deburring sulit untuk mengakses bagian wilayah

7.      Bagian yang rapuh tidak bisa mengambil lebih banyak dan juga rapuh bahan yang cenderung untuk mengembangkan retakan pada mesin mesin dapat dengan mudah melalui ECM

8.      Permukaan selesai dari 25 μ masuk dapat dicapai selama pemesinan elektrokimia

Adapun kelebihan dari penggunaan mesin ECM (electrochemical machining) yaitu:

1.      Alat yang lebih sulit untuk merancang

2.      Perlengkapan khusus diperlukan untuk menahan aliran elektrolit yang tinggi.

3.      Biaya peralatan dasar beberapa kali bahwa untuk EDM.

4.      Elektrolit yang paling umum, natrium klorida, adalah korosif terhadap peralatan, perkakas, perlengkapan, dan bahan kerja.

(http://firstiawan.student.fkip.uns.ac.id)

3.5       Pemodelan tingkat removal material

Material removal rate (MRR) merupakan ciri penting untuk mengevaluasi efisiensi suatu non-tradisional proses pemesinan. Dalam ECM, removal material terjadi karena larutnya atom bahan kerja. Elektrokimia pembubaran diatur oleh itu hukum Faraday. Undang-undang pertama yang jumlah pembubaran atau deposisi elektrokimia adalah sebanding dengan jumlah biaya melewati sel elektrokimia, yang mungkin diekspresikan sebagai:

Q m α , dimana m = massa bahan dibubarkan atau didepositkan

Q = jumlah biaya berlalu

Hukum kedua menyatakan bahwa jumlah bahan disimpan atau dilarutkan lebih lanjut tergantung pada Elektrokimia Equivalence (PADU) dari materi yang lagi rasio atom berat dan valensi.

Elektrolisa

Gambar. 1. Elektrolisis larutan tembaga sulfat.

            Elektrolisis adalah nama yang diberikan untuk proses kimia yang terjadi, misalnya, ketika sebuah arus listrik dilewatkan antara dua konduktor dicelupkan ke dalam larutan cair. Contoh tipikal adalah bahwa dari dua kawat tembaga dihubungkan ke sumber dari arus searah dan direndam dalam larutan tembaga sulfat dalam air, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Sebuah ammeter , ditempatkan di dalam rangkaian, akan mendaftarkan aliran arus, dari indikasi ini, sirkuit listrik dapat disimpulkan menjadi lengkap. Sebuah kesimpulan penting yang dapat dibuat dari eksperimen semacam ini adalah bahwa solusi sulfat tembaga jelas memiliki sifat bahwa hal itu bisa menghantarkan listrik. solusi tersebut disebut sebagai elektrolit . Kabel disebut elektroda , yang satu dengan positif polaritas sebagai anoda , dan satu dengan polaritas negatif katoda . Sistem elektroda dan elektrolit disebut sebagai sel elektrolitik , sedangkan reaksi kimia yang terjadi pada elektroda disebut atau reaksi katodik anodik atau proses (http://electrochem.cwru.edu/encycl/art-m03-machining.htm).

Gambar Elektrolitik pembubaran besi.

Elektrolit berbeda dari logam konduktor listrik dalam arus dilakukan bukan dengan elektron tetapi dengan atom , atau kelompok atom, yang telah hilang atau diperoleh elektron, sehingga memperoleh baik positif atau negatif biaya . atom seperti ini disebut ion . Ion yang membawa muatan bergerak positif melalui elektrolit ke arah arus positif, yaitu, menuju katoda, dan disebut kation .

Demikian pula, ion bermuatan negatif perjalanan menuju anoda dan disebut anion . Pergerakan ion disertai oleh aliran elektron, dalam arti yang berlawanan dengan arus positif dalam elektrolit, di luar sel, seperti yang ditunjukkan juga pada Gambar 2 dan kedua reaksi adalah konsekuensi dari yang diterapkan potensi perbedaan, yaitu, tegangan , dari sumber listrik . Sebuah kation mencapai katoda dinetralkan , atau dibuang , oleh elektron negatif terhadap katoda. Karena kation biasanya dibebankan atom positif dari logam, hasil reaksi ini adalah pengendapan logam atom.      Untuk menjaga reaksi katodik, elektron yang diperlukan untuk lulus sekitar sirkuit eksternal. Ini diperoleh dari atom anoda logam, dan atom-atom ini dengan demikian menjadi kation bermuatan positif yang masuk ke dalam larutan. Dalam hal ini, reaksi adalah kebalikan dari reaksi katodik (http://electrochem.cwru.edu/encycl/art-m03-machining.htm).

Elektrolit dalam jumlah besar yang harus netral, yaitu harus ada jumlah yang sama berlawanan biaya di dalamnya, dan dengan demikian harus ada jumlah yang sama dari reaksi pada kedua elektroda. Oleh karena itu, dalam elektrolisis larutan tembaga sulfat dengan elektroda tembaga, reaksi sel secara keseluruhan hanyalah transfer logam tembaga dari anoda ke katoda. Bila kabel yang berbobot pada akhir percobaan, kawat anodik akan ditemukan telah kehilangan berat badan, sedangkan kawat katodik akan meningkat dalam berat badan dengan jumlah yang sama dengan yang hilang dengan kawat lain. Beberapa contoh reaksi yang terjadi dalam proses ini akan ditampilkan dalam Lampiran .

Hasil ini diwujudkan dalam dua Faraday hukum elektrolisis:

1.        Jumlah zat terlarut atau disimpan berbanding lurus dengan jumlah listrik yang mengalir.

2.        Jumlah zat yang berbeda disimpan atau dilarutkan oleh kuantitas listrik yang sama sebanding dengan mereka setara berat kimia .

Sebuah aplikasi populer elektrolisis adalah electroplating proses di mana lapisan logam yang disimpan pada permukaan logam polarisasi katodik. Contoh operasi pembubaran anodik adalah electropolishing . Di sini, item yang akan dipoles adalah membuat anoda dalam sel elektrolitik. Penyimpangan di permukaannya dilarutkan preferentially sehingga, pada penghapusan mereka, permukaan menjadi rata dan dipoles.

ECM mirip dengan electropolishing karena juga adalah proses pelarutan anodik. Tetapi tingkat logam penghapusan yang ditawarkan oleh proses polishing yang jauh kurang dari yang dibutuhkan dalam praktek logam mesin.

Beberapa pengamatan relevan untuk ECM dapat dilakukan:

1.        Karena logam anoda larut elektrokimia, laju pembubaran hanya bergantung pada berat atom dan muatan ion, arus yang dilewatkan, dan waktu yang berlalu saat ini. Tingkat disolusi tidak dipengaruhi oleh kekerasan atau karakteristik lain dari logam.

2.        Karena hanya gas hidrogen yang berkembang di katoda, bentuk yang elektroda tetap tidak berubah selama elektrolisis tersebut. Fitur ini mungkin yang paling relevan dalam penggunaan ECM sebagai proses pembentukan logam.

3.6       Akurasi dan kontrol dimensi

Seleksi elektrolit memainkan peran penting dalam ECM. Natrium klorida, misalnya, menghasilkan banyak komponen kurang akurat dibandingkan natrium nitrat. Elektrolit terakhir memiliki dimensi kontrol yang lebih baik jauh karena nya efisiensi saat ini - karakteristik densitas arus. Menggunakan elektrolit natrium nitrat, efisiensi saat ini terbesar di kepadatan tertinggi saat ini. Dalam lubang pengeboran kepadatan yang tinggi saat ini terjadi antara tepi terkemuka alat pengeboran dan benda kerja. Di sisi kesenjangan tidak ada gerakan langsung antara permukaan alat dan benda kerja, sehingga kesenjangan melebar dan kepadatan saat ini lebih rendah.

Efisiensi saat ini sehingga lebih rendah di sisi kesenjangan dan kurang logam banyak dari yang diperkirakan dari Teman-hukum Faraday akan dihapus. Jadi overcut di sisi kesenjangan berkurang dengan jenis elektrolit. Jika ada elektrolit seperti larutan natrium klorida digunakan sebagai gantinya, maka overcut bisa jauh lebih besar. Menggunakan solusi natrium klorida, efisiensi saat ini tetap stabil di hampir 100% untuk berbagai rapat arus. Jadi, bahkan di celah sisi, hasil penghapusan logam pada tingkat yang terutama ditentukan oleh rapat arus, sesuai dengan hukum Faraday. Sebuah overcut lebih luas kemudian terjadi kemudian.

Membentuk

logam-membentuk Kebanyakan operasi di ECM memanfaatkan fitur yang melekat sama proses dimana satu elektroda , umumnya katoda alat, digerakkan ke arah yang lain dengan laju yang konstan ketika tetap tegangan diterapkan di antara mereka. Dengan kondisi tersebut, lebar kesenjangan antara alat dan benda kerja menjadi konstan. Tingkat gerak maju antara alat dan benda kerja menjadi konstan. Tingkat gerak maju dari alat ini cocok dengan laju resesi dari permukaan benda kerja yang dihasilkan dari pembubaran elektrokimia

(http://electrochem.cwru.edu/encycl/art-m03-machining.htm).

Tiga kasus praktis yang menarik dalam mempertimbangkan beberapa persamaan yang diturunkan untuk variasi lebar celah interelectrode:

1.        Ketika tidak ada gerakan alat, lebar kesenjangan meningkat tanpa batas dengan akar kuadrat dari waktu pemesinan. Kondisi ini sering digunakan dalam menghaluskan oleh ECM ketika penyimpangan permukaan dikeluarkan dari komponen dalam beberapa detik, tanpa memerlukan gerakan mekanis elektroda.

2.        Ketika alat ini bergerak secara mekanis pada tingkat bunga tetap terhadap benda kerja, kesenjangan lebar cenderung ke nilai stabil. Fitur yang melekat pada ECM, dimana lebar celah keseimbangan diperoleh, digunakan secara luas di ECM untuk mereproduksi bentuk alat katoda pada benda yang dikerjakan.

3.        Dalam kondisi hubungan arus pendek lebar celah pergi ke nol. Jika kondisi beberapa proses, seperti lebar celah keseimbangan terlalu kecil disebabkan oleh gerakan terlalu tinggi alat terhadap benda kerja, terjadi, kontak antara kedua terjadi kemudian elektroda. Hal ini menyebabkan hubungan pendek antara elektroda dan pengakhiran dini maka pemotongan.

Kesenjangan kesetimbangan diterapkan secara luas dalam proses pembentukan. Studi dari ECM membentuk biasanya berkaitan dengan tiga masalah yang berbeda:

1.        Desain dari katoda bentuk alat yang dibutuhkan untuk menghasilkan geometri profil diharuskan dari anoda benda kerja.

2.        Untuk bentuk katoda diberikan alat, prediksi geometri benda kerja yang dihasilkan anoda, misalnya, lubang pengeboran oleh ECM.

3.        Spesifikasi bentuk benda kerja anoda, sebagai hasil mesin. Hal ini paling mudah diprediksi untuk merapikan permukaan, meskipun untuk sebenarnya membentuk komponen oleh ECM, perkiraan waktu mesin sebagai bentuk mengembangkan memberikan informasi yang berguna tentang proses (http://electrochem.cwru.edu/encycl/art-m03-machining.htm).