Proses Electrochemical Machining

Gambar 1. Reaksi elektrochemical ECM ketika memproses besi

Electrochemical machining (ECM) adalah proses permesinan modern dimana proses penghilangan atom benda kerja dilakukan dengan menggunakan electrochemical dissolution (ECD) sesuai dengan prinsip Faraday (1833). Gusseff mengajukan paten pertamanya mengenai ECM pada tahun 1929, dan perkembangan yang sangat signifikan dari ECM terjadi pada tahun 1950-an ketika proses ini digunakan untuk melakukan permesinan pada logam dengan kekuatan tinggi dan logam tahan panas.

Elektrolisis terjadi ketika arus listrik melewati dua elektroda yang dimasukkan ke dalam larutan elektrolit. Sistem yang terdiri dari elektroda dan elektrolit dinamakan electrolytic cell. Reaksi kimia yang terjadi pada elektroda dinamakan reaksi anodic atau cathodic.

Electrochemical machining (ECM) menggunakan arus DC (direct current) dengan densityyang tinggi (0,5 hingga 5 A/mm^2) dan tegangan yang rendah (10 hingga 30V). Arus pemesinan lewat di antara larutan elektrolit yang mengisi celah di antara anodic benda kerja dan cathodic tool. Elektrolit dipaksa untuk mengalir di antara celah elektroda dengan kecepatan tinggi, yang biasanya lebih dari 5 m/s. Elektrolit menghilangkan hasil pelarutan seperti metal hydroxides, panas dan gas bubbles yang dihasilkan pada celah interelectrode. Gambar 1 memperlihatkan relasi pelarutan dari besi (iron) dengan menggunakan sodium chloride (NaCl) sebagai elektrolit.

Gambar 2 memperlihatkan komponen utama dari mesin ECM yaitu feed control system, electrolyte supply system, power supply unit dan workpiece holding device. Sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 3, the feed control system berfungsi untuk feeding tooldengan constant rate. Power supply menyediakan arus permesinan dengan tegangan DC yang stabil dan konstan. Electrolyte-feeding unit berfungsi untuk menyalurkan larutan elektrolit.

Gambar 2. Komponen-komponen electrochemical milling (ECM)

Gambar 3. ECM system components

DC power supply untuk ECM memiliki fitur sebagaimana berikut:

• Besar tegangan 2 hingga 30 volts (pulsed atau continous)
• Rentang tegangan berkisar antara 50 hingga 10.000 amperes (A) yang memungkinkan current densities 5 hingga 500 A/cm^2
• Pengaturan yang terus menerus celah (gap) tegangan
• Mengontrol arus permesinan dalam kasus emergensi
• Perlindungan terhadap short circuit dalam hal 0,001 detik
• High power, high efficiency, ukurannya kecil dan ringan serta murah

Fungsi utama dari elektrolit pada ECM adalah untuk:

• Membuat kondisi untuk anodic dissolution (pelarutan anodic) material benda kerja
• Menghilangkan debris yang merupakan hasil dari reaksi elektrokimia dari gap 
• Menurunkan panas yang dihasilkan dari proses permesinan
• Menjaga temperatur pada daerah permesinan supaya senantiasa konstan

Larutan elektrolit yang banyak digunakan untuk ECM adalah sodium chloride (NaCl), sodium nitrate (NaNO3) dan sodium hydroxide. Pencampuran larutan elektrolit mungkin juga dilakukan untuk kebutuhan khusus. Pemilihan elektrolit ECM tergantung dari material benda kerja, besar toleransi yang diinginkan, surface finish yang dibutuhkan dan produktivitas permesinan.

Tabel 1. Electrolytes and machining rates for ECM

Gambar 4. Pengaruh current density terhadap current efficiency pada ECM

Sebagaimana terlihat pada Gambar 4, larutan sodium nitrate lebih direkomendasikan dikarenakan local metal removal rate tinggi pada gap yang kecil dan current density serta current efficiency tinggi.

Current efficiency pada ECM tergantung dari material anodic dan elektrolit. Tergantung dari bentuk tool dan jenis operasi permesinan, beberapa metode digunakan untuk menyalurkan elektrolit menuju machining gap sebagaimana terlihat pada Gambar 5. Pemilihan metode penyaluran elektrolit tergantung dari geometri part, metode permesinan, keakuratan yang dibutuhkan serta surface finish. Kondisi elektrolit pada ECM biasanya berada pada temperatur 22 hingga 45 derajat Calcius, tekanan berkisar antara 100 hingga 200 kPa dan kecepatan aliran 24 hingga 50 m/s.

Gambar 5. Metode penyaluran elektrolit pada ECM

Merancang tool yang cocok untuk digunakan pada ECM dengan bentuk yang sesuai dengan hasil akhir benda kerja merupakan permasalahan umum. Bentuk benda kerja diestimasi lebih besar dibandingkan ukuran tool disebabkan oversize. Dalam menentukan geometri tool yang akan digunakan, banyak variabel yang harus dipertimbangkan seperti gap voltage, tool feed rate, konduktivitas larutan elektrolit dan polarisasi anoda tegangan anoda dan katoda. Dengan adanya computer integrated manufacturing, katoda bisa dibuat dengan biaya yang lebih murah dan keakuratan yang lebih tinggi. Computer aided design pertama kali digunakan untuk merancang cathodic tool. Hasil perancangan ini kemu-dian digunakan sebagai program untuk CNC millingatau CNC turning.

ECM telah banyak digunakan diberbagai industri. Kemampuan ECM melakukan proses permesinan pada material high-strength alloy dan hardened steel merupakan aplikasi yang sangat baik untuk menghemat biaya produksi.

Gambar 6. Contoh komponen yang dihasilkan dari penggunaan ECM

Keuntungan dari penggunaan ECM

• Tidak ada keausan tool dikarenakan tidak ada kontak antara tool dan benda kerja
• Proses pemesinan dilakukan pada tegangan yang rendah (low voltage) dengan metal removal rates yang tinggi
• Bisa memproduksi material yang sangat kecil hingga dimensi 0,05 mm
• Bentuk part yang rumit bisa diproduksi hanya dalam satu kali operasi
• Karena proses permesinan dilakukan pada temperatur yang rendah maka tidak ada kerusakan yang terjadi pada struktur benda kerja yang disebabkan oleh panas
• Material konduktor yang keras bisa diproses dengan menggunakan ECM
• Surface finish bisa dicapai hingga 0,1 sampai 1,25 µm Ra
• Disebabkan biaya peralatan ECM tinggi (high capital cost), ECM hanya cocok untuk produksi massal.
• Kebutuhan akan operator ECM rendah

Kelemahan ECM

• Dibutuhkan konsumsi energi yang tinggi (sekitar 100 kali lebih tinggi dibandingkan turning atau drilling steel)
• Metal removal rates rendah dibandingkan metode permesinan konvensional
• ECM hanya bisa digunakan untuk material benda kerja yang bersifat konduktor
• Sulit untuk tidak terpapar gas hidrogen yang dihasilkan ketika melakukan proses permesinan dimana gas tersebut bersifat eksplosif 
• Benda kerja butuh untuk segera dibersihkan dan diberi oli setelah proses selesai dilakukan
• Ada kesulitan untuk menangani dan menyimpan larutan elektrolit

Bahaya kesehatan bagi pekerja pada ECM sangat minimal jika ECM dioperasikan pada kondisi yang tepat. Percikan elektrolit, kontaminasi pada mata dan kulit serta uap beracun harus dicegah. Pengaruh yang sangat krusial terhadap lingkungan berasal dari elektrolit ECM.

Referensi

mhasanalbana, Abdel, Hassan & El-Hofy, Gawad., Advanced Machining Processes, McGraw-Hill, 2005.

Share this post