Pengolahan Kaca (Glassworking)

Produk kaca diproduksi secara komersial dalam berbagai bentuk yang hampir tidak terbatas. Beberapa produk kaca yang diproduksi dalam jumlah yang sangat banyak, antara lain: bola lampu, botol minuman, dan kaca jendela.

Kaca adalah salah satu dari tiga tipe dasar keramik. Kaca memiliki struktur non-kristalin (vitreous), sedangkan bahan keramik lainnya memiliki struktur kristal. Dalam pengerjaan kaca, bahan utama awal adalah silika (SiO₂). Silika biasanya dikombinasikan dengan keramik oksida lainnya, yang membentuk kaca. Bahan awal dipanaskan supaya mengubahnya dari benda padat menjadi cairan kental. Cairan kental tersebut kemudian dibentuk menjadi geometri yang diinginkan. Saat didinginkan dan keras, material tetap dalam keadaan seperti kaca (tidak mengkristal).

Pembentukan kaca dilakukan dengan berbagai proses, antara lain: pengecoran, pressing dan blowing (untuk menghasilkan botol dan wadah lainnya), dan pengerolan (untuk membuat pelat kaca). Langkah finishing juga diperlukan untuk produk tertentu.

Bahan Baku dan Peleburan Kaca

Komponen utama di hampir semua kaca adalah silika, yang sumber utamanya adalah kuarsa alami dalam pasir. Pasir harus dicuci dan diklasifikasikan. Pencucian menghilangkan kotoran seperti tanah liat dan mineral tertentu yang dapat menyebabkan pewarnaan kaca yang tidak diinginkan. Mengklasifikasikan pasir berarti mengelompokkan butiran menurut ukurannya. Ukuran partikel yang paling cocok untuk pembuatan kaca adalah 0,1 sampai 0,6 mm. Berbagai komponen lainnya, seperti: soda ash, batu gamping, aluminium oksida, kalium (potash), dan mineral lain ditambahkan dalam jumlah yang tepat untuk mencapai komposisi yang diinginkan. Pencampuran dilakukan dalam jumlah yang sesuai dengan kapasitas tungku peleburan yang tersedia.

Pada praktik modern, kaca daur ulang biasanya ditambahkan ke dalam campuran. Selain melestarikan lingkungan, kaca daur ulang memudahkan peleburan. Tergantung pada jumlah kaca limbah yang tersedia dan spesifikasi komposisi akhir, pemakaian kaca daur ulang dapat mencapai 100 %.

Macam-macam Tungku Peleburan

Tungku peleburan kaca dapat dibagi menjadi beberapa jenis, antara lain sebagai berikut:
Tungku pot
Tungku pot adalah pot keramik dengan kapasitas terbatas, di mana peleburan terjadi dengan memanaskan dinding pot.

Day tank
Day tank adalah bejana berkapasitas lebih besar, di mana pemanasan dilakukan dengan membakar bahan bakar di atas muatan.

Tungku tangki kontinu
Tungku tangki kontinu adalah tungku panjang, di mana bahan baku dimasukkan ke salah satu ujungnya dan dilebur saat bahan tersebut pindah ke ujung lainnya di mana kaca cair ditarik keluar untuk produksi tinggi.

Tungku listrik
Tungku energi listrik dengan berbagai tingkat produksi.

Peleburan kaca umumnya dilakukan pada suhu sekitar 1500-1600 ⁰C. Siklus peleburan untuk muatan biasa membutuhkan waktu 24-48 jam. Waktu tersebut adalah waktu yang diperlukan untuk semua butiran pasir menjadi cairan bening. Kaca cair dimurnikan dan didinginkan hingga suhu yang sesuai untuk bekerja. Kaca cair adalah cairan kental, viskositasnya berbanding terbalik dengan suhu.

Proses Pembentukan Produk-produk Kaca

Kategori utama produk kaca diidentifikasi sebagai: kaca jendela, wadah, bola lampu, gelas laboratorium, serat kaca, dan kaca optik. Proses pembentukan untuk membuat produk tersebut dapat dikelompokkan menjadi tiga kategori:

• Proses pembuatan untuk barang pecah belah seperti: botol, bola lampu, dan barang-barang individual lainnya.
• Proses berkelanjutan untuk membuat kaca lembaran dan tabung.
• Proses pembuatan serat untuk menghasilkan serat untuk insulasi, material komposit fiberglass, dan serat optik.

Pembentukan Barang Pecah Belah

Metode kerajinan tangan masih digunakan sampai sekarang untuk membuat barang pecah belah yang bernilai tinggi dalam jumlah kecil. Selain kerajinan tangan, teknologi mekanis juga dipakai untuk menghasilkan produk dalam jumlah tinggi.

Spinning
Spinning kaca mirip dengan pengecoran logam sentrifugal. Spinning digunakan untuk menghasilkan komponen berbentuk corong. Pada proses ini, kaca cair dimasukkan ke cetakan berbentuk kerucut yang terbuat dari baja. Cetakan diputar sehingga gaya sentrifugal menyebabkan kaca mengalir ke atas dan menyebar dengan sendirinya pada permukaan cetakan.

Gambar 1. Spinning.
(Sumber: M. P. Groover, 2010, Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, edisi 4.)

Pressing
Pressing adalah proses yang banyak digunakan untuk membuat produk kaca secara massal seperti piring, alat pemanggang, lensa lampu, dan barang serupa yang relatif datar.

Gambar 2. Pressing.
(Sumber: M. P. Groover, 2010, Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, edisi 4.)

Blowing
Proses blowing dilakukan dengan peralatan otomatis. Blowing adalah proses meniup kaca untuk membuat toples, botol minuman, penutup bola lampu pijar, dan geometri serupa lainnya.

Gambar 3. Blowing.
(Sumber: M. P. Groover, 2010, Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, edisi 4.)

Pengecoran
Jika cairan kaca cukup cair, kaca tersebut bisa dituang ke dalam cetakan. Objek yang relatif besar, seperti lensa dan cermin astronomi, dibuat dengan metode pengecoran. Coran harus didinginkan dengan sangat lambat untuk menghindari tegangan internal dan retak. Setelah pendinginan dan pemadatan, kaca cor tersebut harus diselesaikan dengan cara dipoles. Pengecoran tidak banyak digunakan dalam pengerjaan kaca kecuali untuk jenis pekerjaan khusus.

Pembentukan Pelat dan Tabung Kaca

Pada pengolahan kaca terdapat metode untuk membuat pelat kaca dan metode untuk memproduksi tabung kaca. Berikut proses pengolahan kaca tersebut.

Pengerolan pelat datar
Pelat kaca dapat diproduksi dengan cara mengerol. Kaca dari tungku dalam kondisi plastis ditekan melalui rol yang berlawanan, di mana celah antara rol menentukan ketebalan lembaran kaca. Lembaran kaca kemudian harus dipoles supaya paralel dan halus.

Gambar 4. Pengerolan.
(Sumber: M. P. Groover, 2010, Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, edisi 4.)

Proses float
Proses float dikembangkan pada akhir 1950-an. Keuntungan proses ini adalah memperoleh permukaan halus yang tidak memerlukan finishing.

Gambar 5. Proses Float.
(Sumber: M. P. Groover, 2010, Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, edisi 4.)

Drawing tabung kaca
Tabung kaca dibuat dengan proses drawing. Kaca cair mengalir di sekitar mandrel berongga yang berputar di mana udara dihembuskan saat kaca ditarik.

Gambar 6. Drawing Tabung Kaca.
(Sumber: M. P. Groover, 2010, Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, edisi 4.)

Pembentukan Serat Kaca

Serat kaca digunakan pada aplikasi mulai dari wol isolasi hingga jalur komunikasi serat optik. Berikut macam-macam proses untuk membuat serat kaca.

Penyemprotan sentrifugal
Penyemprotan sentrifugal dilakukan dengan mengalirkan kaca cair ke dalam mangkuk dengan banyak lubang kecil di sekelilingnya. Mangkuk tersebut selanjutnya diputar. Gaya sentrifugal menyebabkan kaca mengalir melalui lubang dan menjadi serat yang cocok untuk isolasi termal dan akustik.

Drawing filamen kontinu
Drawing filamen kontinu adalah proses di mana serat kaca kontinu dengan diameter kecil diproduksi dengan menarik kaca cair melalui lubang kecil pada pelat paduan platinum yang dipanaskan. Pelat mungkin memiliki beberapa ratus lubang, masing-masing membuat satu serat. Serat individu dikumpulkan menjadi untaian dengan menggulungnya ke gulungan.

Gambar 7. Drawing Filamen Kontinu.
(Sumber: M. P. Groover, 2010, Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, edisi 4.)

Perlakuan Panas pada Kaca

Perlakuan panas pada kaca antara lain: annealing dan tempering. Annealing dilakukan untuk menghilangkan tegangan internal. Tegangan internal terjadi setelah kaca dibentuk. Tegangan tersebut bisa mengurangi kekuatan kaca. Annealing merupakan proses pemanasan kaca hingga suhu tinggi dan menahannya selama jangka waktu tertentu, kemudian perlahan-lahan mendinginkan kaca tersebut. Di sisi lain, pola tegangan internal yang menguntungkan dapat dikembangkan dalam produk kaca dengan perlakuan panas yang dikenal sebagai tempering. Tempering meningkatkan ketangguhan kaca.

Finishing pada Kaca

Proses finishing terkadang diperlukan untuk produk barang pecah belah. Proses ini meliputi penggerindaan, pemolesan, dan pemotongan. Selain itu, proses dekoratif dan permukaan dilakukan pada produk barang pecah belah tertentu. Proses tersebut yaitu sandblasting dan pelapisan.

Pertimbangan Desain Produk

Kaca memiliki sifat khusus yang membuatnya cocok dalam aplikasi tertentu. Berikut rekomendasi desain dari kaca:

• Kaca transparan dan memiliki sifat optik tertentu. Cocok untuk aplikasi yang membutuhkan transparansi, transmisi cahaya, pembesaran, dan sifat optik serupa.
• Kaca beberapa kali lebih kuat terhadap tekanan daripada tarikan. Produk kaca harus dirancang sedemikian rupa sehingga mengalami tegangan tekan, bukan tegangan tarik.
• Keramik, termasuk kaca, bersifat rapuh. Kaca tidak boleh digunakan pada aplikasi yang melibatkan beban benturan atau tegangan tinggi.
• Komposisi kaca tertentu memiliki koefisien muai panas yang sangat rendah.
• Ulir kasar dapat diterapkan pada kaca.

Referensi

M. P. Groover, 2010, Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, edisi 4.