Teknik Analisa Kerusakan (Failure Analysis) pada Komponen Plastik

Oleh Chandra Liza

Analisa kerusakan merupakan salah satu teknik analisa yang saat ini berkembang. Tujuan analisa ini adalah untuk mengetahui penyebab terjadinya kerusakan yang spesifik dari peralatan, perlengkapan, proses dan material baku yang digunakan serta untuk menentukan tindakan pencegahan agar kerusakan tidak terulang. Untuk jangka pendek diharapkan dapat memperbaiki design dan memperbaiki proses serta metoda fabrikasi, sedangkan untuk jangka panjangnya dapat dipakai pengembangan material dan sebagai metoda mutakhir untuk evaluasi dan memprediksi performance material serta untuk memperbaiki sistem pemeliharaan. Kegagalan pembuatan part plastik pada umumnya disebabkan oleh 4 faktor berikut : 1. Seleksi Material2. Disain3. Proses4. Kondisi service1. SELEKSI MATERIALKegagalan yang terjadi karena seleksi material yang terburu-buru, merupakan hal yang sering terjadi pada plastik atau industri lainnya. Pada aplikasi yang membutuhkan ketahanan impak yang tinggi, diperlukan material dengan ketahanan impak tinggi. Jika material yang digunakan untuk aplikasi di luar ruang dalam jangka waktu yang lama, diperlukan material dengan ketahanan UV. Untuk mendapatkan seleksi material yang tepat memerlukan perencanaan yang baik, pemahaman material plastik yang cermat dan pengujian prototipe sesuai persyaratan. Pemilihan material sebaiknya tidak hanya berdasarkan biaya. Dalam proses pemilihan material ini diperlukan pendekatan yang sistematik untuk aplikasi yang berbeda. Teknik pemilihan material yang tepat termasuk menentukan persyaratan aplikasi, seperti: sifat mekanik, termal, lingkungan, elektrik dan kimia. Pada kebanyakan industri, termasuk supplier material sudah mengembangkan software untuk membantu melakukan seleksi material dengan mudah melalui seleksi persyaratan aplikasi sebagai hal utama.2. DISAINHanya melakukan pemilihan material yang tepat tidak cukup untuk mencegah kegagalan produk. Pada saat mendisain produk, disainer harus menggunakan aturan dasar dan pedoman yang diberikan supplier material untuk disain part khusus. Pada saat disain part plastik perlu diingat beberapa aturan dasar, dengan pengecualian bahwa kriteria disain berubah pada setiap material dan setiap aplikasi. Pada saat ini, kegagalan karena disain merupakan hal yang sering terjadi. 3. PROSESSetelah dilakukan pemilihan material dan disain yang tepat, permasalahan selanjutnya ada pada pemrosesan plastik. Disain yang inovatif dan pemilihan material yang selektif tidak cukup untuk menghasilkan produk yang baik dengan proses yang jelek. Stress, void, weld lines dan kelembaban pada hasil molding merupakan penyebab kegagalan prematur yang sering terjadi. Pencatatan parameter proses merupakan hal yang penting untuk melakukan analisa pada kegagalan produk. Proses lanjutan dan perakitan part juga harus dievaluasi untuk mencegah kegagalan prematur. Kegagalan pada produk sering kali disebabkan oleh stress cracking, drilled holes dan welded joints.4. KONDISI SERVICE Meskipun sudah ada label peringatan mengenai keamanan dan instruksi penggunaan, kegagalan karena kondisi service seringkali terjadi pada produk plastik. Lima kategori kondisi service yang tidak disengaja antara lain :a) Pemakaian produk yang tidak tepat. b) Penggunaan produk melebihi masa penggunaan (life time). c) Kegagalan produk karena kondisi service yang tidak stabil.d) Kegagalan karena kondisi service melebihi penggunaan yang sesuai. e) Aplikasi simultan dari stress yang sinergi. Stress pada produk merupakan faktor dominan yang sangat menentukan kualitas produk tersebut, yang dibagi dalam kategori : termal, kimia fisik, biologi mekanik dan elektrik.MENGENAL TIPE KEGAGALAN PADA PRODUK PLASTIKKEGAGALAN MEKANIKKegagalan mekanik disebabkan adanya gaya eksternal pada material. Jika gaya tersebut melebihi yield strength material, maka dapat menjadi penyebab kerusakan (berubah bentuk, retak atau patah menjadi beberapa bagian). Gaya yang terjadi dapat berupa gaya tarik, kompresi atau impak untuk jangka waktu pendek atau lama pada temperatur dan humiditi yang berbeda.KEGAGALAN TERMALKegagalan termal terjadi karena produk terkena panas atau dingin yang berlebihan dari lingkungan. Pada temperatur tinggi yang abnormal, produk akan mengalami pengkerutan, twist, melt bahkan bisa sampai terbakar. Pada umumnya plastik menjadi getas pada temperatur rendah. Jika produk dalam kondisi ini mendapat gaya yang kecil sekalipun, akan dengan mudah mengalami retak bahkan patah.KEGAGALAN KIMIAHanya beberapa plastik yang total tahan terhadap semua bahan kimia. Kegagalan yang terjadi karena produk terkena bahan kimia tertentu seringkali terjadi. Residu atau molded stress, temperatur yang tinggi dan beban eksternal cenderung untuk mempercepat kerusakan.KEGAGALAN LINGKUNGANPlastik yang digunakan untuk aplikasi di luar ruang akan terkena banyak faktor penyebab kerusakan. Sinar Ultra violet, kelembaban, mikro organisme, ozone, panas dan polusi merupakan faktor lingkungan yang banyak berpengaruh pada plastik. Efek dari hal tersebut dapat berupa warna yang pudar, slight crazing dan retak kecil hingga terjadinya kerusakan pada struktur polimer.LANGKAH ANALISA KERUSAKAN (FAILURE ANALYSIS)Langkah pertama dalam melakukan analisa pada setiap kegagalan adalah menentukan penyebabnya. Sebelum melakukan uji keseluruhan, beberapa informasi dasar mengenai produk harus sudah didapat. Jika produk berasal dari fabrikasi, harus didapat informasi dasar seperti, tanggal pemesanan, tanggal instalasi, tanggal pertama kali kegagalan diketahui, kondisi geografis dari lokasi, bahan kimia yang digunakan untuk, atau di sekitar produk. Tak kalah penting adalah informasi apakah produk digunakan untuk aplikasi di dalam atau di luar ruang. Semua informasi ini sangat penting untuk menganalisa penyebab kerusakan pada produk. Sebagai contoh, jika catatan dari fabrikasi dan produk gagal mengindikasikan digunakannya bahan kimia tertentu pada produk, maka dengan mudah dapat dilakukan uji kompatibilitas bahan kimia terhadap produk atau lebih lanjut lagi lakukan simulasi kompatibilitas bahan kimia dengan produk sesuai kondisi di lapangan menggunakan bahan kimia yang sama. Catatan mengenai produk juga akan mempermudah analisa kegagalan produk. Kode tanggal atau identifikasi nomor cavity akan mempermudah penelusuran. Banyak tipe dan bentuk check list yang sudah dikembangkan untuk dapat membantu melakukan analisa kegagalan produk. Tujuh metoda dasar untuk melakukan analisa kerusakan adalah :1. Pengamatan visual2. Analisa Identifikasi3. Analisa stress4. Microtoming5. Uji Mekanik6. Analisa Termal7. Teknik Nondestructive Testing (NDT)Dengan mengetahui secara akurat tipe kegagalan, akan mempermudah memilih metoda analisa kegagalan yang tepat. Berikut ini diuraikan poin-poin dari metode dasar analisa kerusakan yang sering terjadi.Pengamatan VisualPengamatan visual yang teliti terhadap produk gagal akan mendapatkan informasi yang banyak. Banyaknya splay marks menunjukan bahwa proses pengeringan material tidak cukup sebelum dilakukan pemrosesan. Kesalahan pada saat proses pengeringan pada material yang higroskopik dapat menurunkan sifat fisik produk dan pada beberapa kasus dapat menyebabkan menjadi getas. Adanya material lain dan kontaminan juga merusak dan produk menjadi gagal. Burn mark pada produk hasil Injection Molding mudah diketahui, biasanya berupa bercak (spot) coklat atau hitam. Tanda ini menunjukan kemungkinan material terdegradasi yang disebabkan struktur molekul rusak dan dapat mengakibatkan penurunan sifat fisik. Sink mark dan weld lines, dapat langsung terlihat pada produk hasil Injection Molding, disebabkan oleh pemrosesan yang tidak baik dan dapat mengakibatkan kegagalan produk.Pengamatan visual yang teliti juga dapat mengetahui kasalahan pada penanganan produk. Adanya bahan kimia yang tidak lazim seperti grease, pipe dope dan material lain dapat dijadikan petunjuk. Goresan, tanda cekungan merupakan tanda terjadinya gaya eksternal yang berlebihan.Produk gagal juga harus dibelah menggunakan alat pemotong yang tajam, untuk melihat void yang disebabkan gas yang terjebak dan shrinkage (kerutan) yang berlebihan, terutama pada produk yang tebal pada proses Injection Molding. Pengurangan ketebalan produk yang terdapat void dapat menyebabkan produk tidak cukup kuat terhadap gaya kompresi atau tarik, atau terhadap beban impak dan dapat menyebabkan kegagalan produk. Terakhir, jika kegagalan produk disebabkan oleh akibat terkena paparan sinar UV dan faktor lingkungan lainnya, akan menimbulkan efek sebagai berikut: chalking, retak mikroskopik, retak yang dapat terlihat atau warna yang memudar.Analisa IdentifikasiSalah satu alasan utama kegagalan produk biasanya adalah penggunaan material yang tidak tepat. Jika ada produk gagal yang dikembalikan, pengujian identifikasi material harus dilakukan untuk memastikan jenis material yang digunakan, meskipun spesifikasi material sudah tertera pada product drawing. Akan tetapi, identifikasi jenis material tidaklah cukup. Sementara itu, material plastik diproduksi dalam beragam grade dengan rentang sifat yang cukup lebar, sehingga grade dari material tersebut juga harus diketahui. Teknik sederhana seperti uji Melt Index (MFR) dapat menentukan grade dari materialyang digunakan. Persentase material regrind yang dicampur dengan material virgin mempunyai efek yang signifikan terhadap sifat fisik. Umumnya semakin banyak material regrind yang digunakan, akan semakin rendah sifat fisik produk tersebut. Jika pada saat pemrosesan dilakukan pada temperatur lebih tinggi dan waktu tinggal lebih lama dari yang direkomendasikan, kemungkinan material akan terdegradasi. Material yang terdegradasi jika di-regrind dan dicampur dengan material virgin akan menyebabkan penurunan yang cukup signifikan pada keseluruhan sifatnya.Kegagalan produk karena pengotor dan kontaminan pada material virgin seringkali terjadi. Kontaminan pada material biasanya terjadi selama pemrosesan. Beragam material untuk purging digunakan untuk menghilangkan material sebelumnya dari barrel ekstruder, sebelum menggunakan material baru. Tidak semua material untuk purging compatible. Incompatibility dapat menyebabkan penurunan sifat, kegetasan (brittleness), dan delaminasi. Pada pembuatan kompon vinil, kegagalan terjadi pada penambahan aditif, seperti impak modifier yang dapat menyebabkan kegagalan prematur pada part.Teknik uji sederhana tidak dapat mengidentifikasi impuritis, komtaminan atau adanya aditif. Untuk itu dapat digunakan teknik yang lebih expand, seperti Fourier Transform infrared (FT-IR), Gas Chromatography (GC) dan High Performance Liquid Chromathography (HPLC). Metoda ini digunakan dengan perlakuan awal, yaitu pemisahan aditif dengan material dasar.Analisa StressJika kegagalan produk disebabkan proses molding yang tidak bagus atau menggunakan material yang tidak tepat berdasarkan pengamatan visual, dan mengenyampingkan identifikasi material, langkah selanjutnya adalah melakukan percobaan analisa stress. Percobaan analisa stress merupakan metoda yang mudah dilakukan untuk analisa kegalan produk karena hal tersebut diatas. Pada part bisa terdapat stress eksternal atau stress residu atau molded-in stress. Stress eksternal atau molded-in stress atau kombinasi keduanya dapat menyebabkan kegagalan prematur pada part. Analisa stress merupakan hal yang penting dalam identifikasi kegagalan produk. Mengetahui residu stress mempunyai arti yang berbeda dengan mengevaluasi stress karena adanya gaya. Kegagalan produk dimungkinkan karena disain yang kurang baik, atau mengabaikan gaya. Kesalahan ini biasanya diketahui dari uji ketahanan atau pada awal produksi. Residual stresses adalah hal yang berbeda : proses molding dapat menimbulkan residual stress pada bagian mana saja dan kapan saja. Lima metoda dasar yang digunakan untuk menentukan analisa stress :1. Photoelastic 2. Brittle coatings 3. Strain gauge 4. Chemical 5. Heat reversion MicrotomingMicrotoming adalah teknik pemotong produk yang sangat tipis untuk melakukan pengujian mikroskopik. Ilmuwan biologi dan metalurgi telah menggunakan teknik ini selama bertahun-tahun, tetapi hanya baru beberapa dekade. Teknik ini juga digunakan sebagai tools yang sangat membantu untuk analisa kegagalan.Proses analisa: mula-mula dilakukan pemotongan bagian part sepanjang ± 8 – 10 mm, kemudian potongan tersebut diletakan pada kaca preparat. Potongan ini kemudian diamati menggunakan light transmission microscope polarizer untuk analisa photoelastic. Dengan perbesaran 1000 x dapat diamati struktur sampel berwarna. Dengan melakukan pengamatan mikrostruktur material, akan didapat banyak informasi. Sebagai contoh: pengamatan mikrostruktur material dari part yang terlalu getas dapat mengindikasikan temperatur leleh yang tidak uniform atau terlalu rendah. Adanya partikel yang tidak leleh merupakan tanda yang biasa terdapat untuk kasus seperti ini. Hal-lain yang sering terjadi pada injection molding part adalah karena waktu tinggal dan tekanan yang berlebih, sehingga terjadi pendinginan material pada gate. Pada bagian tengah part akan terbentuk void wall shrinkage. Void cenderung akan menurunkan kemampuan load bearing dan toughness pada part karena stress yang terkonsentrasi pada area tersebut. Kontaminan diindikasikan dengan ketidak normalan pada mikrostruktur. Kontaminan yang disebabkan karena tercampur dengan polimer yang berbeda dapat diketahui dengan analisa mikrostruktur. Seringkali, pendispersian warna yang tidak bagus dapat menyebabkan part menjadi getas. Hal ini dapat terlihat dengan teknik microtoming. Untuk mendapatkan produk dengan sifat-sifat yang optimum, aditif dan filler seperti serat gelas harus terdispersi dengan baik. Teknik microtoming pada part plastik dengan penguat serat gelas dapat memperlihatkan ikatan yang terbentuk antara matrik resin dengan serat gelas, pendipersian dan orientasi dari serat gelas tersebut. Molded in stress dan juga stress yang disebabkan beban eksternal dapat diamati dengan cross-polarized light dengan adanya perubahan pada birefringence jika struktur molekul mengalami kerusakan. Mechanical TestingProduk yang dikembalikan seringkali dilakukan uji mekanik untuk melihat kualitas produk secara keseluruhan. Ada dua metoda dasar yang digunakan, pertama adalah uji mekanik seperti uji tarik, impak atau kompresi pada part aktual atau sampel yang diambil dari produk jadi. Hasil uji kemudian dibandingkan dengan hasil uji yang didapat dari produk yang dikembalikan. Metoda kedua adalah dengan melakukan grinding pada produk gagal dan membuat standard spesimen uji baik dengan kompresi maupun injection molding, lalu dilakukan uji mekanik. Hasil tes dibandingkan dengan data dari material virgin. Jumlah material yang ada seringkali tidak cukup untuk pembuatan spesimen uji dengan injection molding, maka data uji diperoleh dengan spesimen yang dipesiapkan dari compression-mold, Hasil ini umumnya lebih rendah dibandingkan specimen menggunakan injection molding. Uji fatique seperti flexural fatique atau tensile fatique dapat digunakan untuk mengetahui kagagalan prematur dari cycling loading. Thermal AnalysisTeknik analisa termal yang biasa digunakan antara lain : Differential Scanning Calorimetri (DSC) digunakan untuk menentukan Temperatur glas transisi (Tg) dan Melting Point (Tm). Sebagai contoh, untuk menentukan kopolimer polipropilen dengan polietilen dari hasil termogram DSC akan terlihat apakah material tersebut adalah kopolimer, yaitu ditunjukkan dengan adanya dua puncak pada temperatur leleh dari PP dan PE. Thermo Mechanical Analysis (TMA) digunakan untuk menentukan ekspansi termal dan kesusutan dari sampel yang disertai dengan perubahan dimensi. Sedangkan Thermo Gravimetry Ananlysis (TGA) untuk melihat komposisi matriks dan filler dari sampel secara kuantitatif. [CLH]