BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1

Numerical Control (NC) Numerical Control adalah teknik yang digunakan untuk mengontrol alat

dan proses pada mesin dengan menggunakan perintah kode. NC mengontrol penggunaan instruksi tersebut dan menerjemahkan ke dalam dua tipe sinyal kontrol : sinyal kontrol gerak dan sinyal kontrol berganti-ganti. Sinyal kontrol gerak adalah barisan dari rangkaian pulsa elektronik yang digunakan untuk mengontrol posisi dan kecepatan meja mesin dan spindel. Setiap pulsa mengaktifkan gerakan dari suatu unit panjang dasar (Basic LengthUnit/BLU) yang menambah ukuran minimum dari sistem kontrol NC yaitu 0,001 inch (atau 0,01 mm), sementara pada kontrol CNC modern, pemecahan penambahan dapat mencapai 0,0001 inch (atau 0,001 mm). Jumlah pulsa yang ditransmisikan pada setiap poros menentukan penambahan posisi dan frekuensi pulsa tersebut mengatur kecepatan poros. Sinyal kontrol berganti-ganti adalah menyetel sinyal on/off pada perkakas untuk mengontrol kecepatan dan arah dari putaran spindel, kontrol dari sistem pendingin, pemilihan alat potong, penjepitan dan pelepasan otomatis, dan sebagainya. NC sering ditunjukkan pada generasi lama dari teknologi pengontrolan angka. Sistem NC kontrol hard-wired yang digunakan adalah implementasi dari perangkat keras elektronik berdasarkan teknologi sirkuit digital. (Rosehan Yahuza ,2010)

2.2

Computer Numerical Control (CNC) Computer Numerical Control adalah sistem pengontrolan angka sesuai

dengan keinginan, program yang disediakan telah dimasukkan pada pengontrolan untuk menjalankan fungsi dasar pada sistem soft-wired NC, sebab sering kali fungsi kontrol menggunakan program kontrol perangkat lunak (Control Software

Universitas Sumatera Utara

Programs). Semua kontrol angka pada mesin buatan pabrik sejak tahun 1970-an merupakan tipe CNC. Sinyal kontrol sistem CNC menggunakan perintah binari. Setiap perintah terdiri dari angka pasti dalam bits, 32 bits atau 64 bits sering digunakan setiap bits dari data terdiri dari satu gerakan BLU dapat diwakilkan 1 sampai 232 = 4.294.967.296 posisi poros yang berbeda. Pada pemecahan sistem, control : BLU = 0,0001 inch, angka ini mewakilkan sampai 429.969 inch. Gerakan yang mungkin yaitu lebih dari cukup untuk semua tipe aplikasi yang digunakan. (Rosehan Yahuza,2010)

2.3

Keuntungan Teknologi CNC Keuntungan utama dari penggunaan teknologi CNC adalah mengurangi

biaya produksi, meningkatkan kualitas produk, dan fasilitas perencanaan dan pengontrolan produksi. Keuntungan tersebut dapat direalisasikan melalui sembilan produksi : 1. Meningkatkan produksi 2. Mengurangi biaya produksi 3. Fasilitas dan operasi mesin yang beragam 4. Membuktikan perencanaan dan kontrol produksi 5. Fasilitas dari otomatis yang fleksibel 6. Ketepatan yang tinggi dan pengulangan 7. Mengurangi biaya operasi tidak langusng 8. Fleksibilitas yang lebih besar 9. Batas rendah kemampuan operator yang dibutuhkan. Tiga pokok timbal balik dari penggunaan teknologi CNC mencakup : penanaman modal pertama yang tinggi, kebutuhan pemeliharaannya tinggi, dan tidak mengeluarkan biaya efektif untuk pekerjaan produksi rendah.(Rosehan Yahuza,2010) Pembuatan suatu produk atau proses permesinan dengan menggunakan mesin CNC dapat dilakukan dengan membuat program manual menggunakan kode G dan M, atau penggunaan program otomatis.


Dengan menggunakan cara ini, kita hanya cukup menggambar pada komputer sesuai dengan benda yang kita inginkan kemudian disimulasikan prosesnya sesuai dengan urutan kerja dengan menggunakan software CAD (Computer Aided Desain) dan software CAM (Computer Aided Manufacturing) tertentu.(Dalmasius Ganjar Subagio,2008) Mesin CNC yang dioperasikan secara otomatis mempunyai kelebihan feksibilitas tinggi, lebih akurat, memungkinkan untuk produksi benda kerja yang rumit, tidak dibutuhkan operator yang ahli, produktifitas tinggi dan lebih efisien dalam segi waktu. Kelemahan mesin ini adalah harganya mahal dan perawatan cukup sulit karena diperlukan teknisi khusus, dan dibutuhkan bagian programmer yang terampil.(Erista Budi,2012)

2.4

Mesin CNC Mesin CNC (Computer Numerical Control) adalah mesin yang proses

pengoperasiannya dikendalikan oleh sistem CNC, yaitu suatu sistem kontrol yang proses pengontrolannya dilakukan menggunakan perintah berupa kode-kode huruf dan angka (alpha-numeric-code).(Groover,dkk.1984) Susunan perintah dalam kode huruf dan angka yang tersusun sedemikian rupa dan digunakan untuk mengatur operasi mesin dalam rangka pembuatan suatu produk disebut program CNC. Mesin CNC terdapat driver X, driver Y, power supply, connector, dan USB CNC. Program dari desain pada komputer akan diterjemahkan oleh USB CNC dimana program NC pada intinya akan memberi perintah kepada mesin untuk menggerakan meja mesin sesuai dengan kode untuk axis X dan Y.

2.4.1

Sistem Koordinat Cartesian Gerakan mesin perkakas yang digunakan dalam memproduksi suatu

produk terdiri dari dua tipe dasar : titik ke titik (gerakan garis lurus) dan gerakan continue (gerakan contouring).


Untuk cartesian, atau persegi panjang, sistem koordinatnya dirancang oleh matematikawan Perancis dan seorang filosofi Rene Descartes. Dengan sistem ini, setiap titik tertentu dapat dijelaskan dalam istilah matematika yaitu titik ke titik di sepanjang tiga sumbu tegak lurus. Prinsip ini sesuai dengan mesin perkakas sempurna karena konstruksi mesin umumnya didasarkan pada empat sumbu gerak yaitu sumbu X, Y, Z dan sumbu rotasi. Sederhananya, pada mesin milling vertikal, sumbu X adalah gerakan horisontal (kanan atau kiri) dari meja, sumbu Y adalah gerakan meja melintang (menuju atau menjauh dari kolom), dan sumbu Z gerakan vertikal dari bawah keatas, menekuk atau memanjang. Sistem NC sangat bergantung pada penggunaan empat sisi koordinat karena darisana programmer dapat menemukan setiap titik untuk benda dengan tepat. Ketika titik – titik pada benda kerja, dua garis berpotongan lurus, satu vertikal dan satu horisontal, digunakan. Garis-garis ini harus membentuk sudut satu sama lain, dan titik di mana titik potong (bersebrangan) disebut titik asal, atau titik nol.

Axis Y

+Y

Axis X

-X

+X

Titik nol

-Y

Gambar 2.1 Koordinat axis X dan Y(Allen-Bradley) Sistem koordinat tiga dimensi yang ditampilkan (gambar 2.2). Axis X dan Y adalah axis yang bergerak secara horisontal, gerakan meja mendekati atau menjauhi titik nol. Axis Z adalah axis yang bergerak secara vertikal, keatas atau kebawah.


+Z +Y

-X +X

-Y -Z

Gambar 2.2 Koordinat 3 dimensi axis X,Y dan Z (Steve Krar dan Arthur Gill,1990)

2.4.2

Prinsip Kerja Mesin

perkakas

CNC

adalah

mesin

perkakas

yang

dalam

pengoperasiannya dibantu dengan kontrol numerik komputer atau CNC (Computer Numerical Control). Untuk menggerakkan meja kerja pada mesin perkakas CNC disepakati menggunakan sistem koordinat. Sistem koordinat pada mesin bubut CNC (Gambar 2.3) adalah sistem koordinat kartesian dengan tiga sumbu yaitu sumbu X, Y dan Z. Sistem koordinat mesin (MCS=Machine Coordinate System) tersebut bisa dipindah-pindah titik nolnya untuk kepentingan pelaksanaan seting, pembuatan program CNC dan gerakan meja kerja CNC. Titiktitik nol yang ada pada mesin bubut CNC adalah titik nol Mesin (M), dan titik nol benda kerja (W).( B.Sentot Wijanarka,2011)

Gambar 2.3 Sistem koordinat pada mesin CNC


Gambar 2.4 Penetapan titik koordinat mesin CNC (X0,Y0) (B.Sentot Wijanarka,2011)

2.5

Bahasa Pemrograman G-Code Mesin CNC hanya dapat membaca kode standar yang telah disepakati oleh

industri yang membuat mesin CNC. Dengan kode standar tersebut, pabrik mesin CNC dapat menggunakan PC sebagai input yang diproduksi sendiri atau yang direkomendasikan. Kode standar pada mesin CNC yaitu : kode G dan M. (Kuspriyanto,2005) Tabel 2.1 Kode G dan M No. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21.

Kode G00 G01 G02 G03 G04 G10 G12 G13 G15/G16 G17 G18 G19 G20/G21 G28 G28.1 G30 G32 G40 G41 G42 G43

Keterangan Pindah posisi axis dengan kecepatan penuh Pindah posisi axis secara linear (feed rate) Pindah posisi axis berputar searah jarum jam Pindah posisi axis berputar berlawanan arah jarum jam Waktu tunda Pengaturan sistem koordinat Pindah posisi axis berputar searah jarum jam Pindah posisi axis berputar berlawanan arah jarum jam Koordinat berpindah pada G00 dan G01 Pindah posisi axis X-Y dipakai pada G02 dan G03 Pindah posisi axis Y-Z dipakai pada G02 dan G03 Pindah posisi axis X-Z dipakai pada G02 dan G03 Inch/Milimeter Mengembalikan ke posisi otomatis Referensi axis Kembali ke utama Membuat ulir pada mesin CNC Pembatalan Kompensasi diameter pahat Kompensasi diameter pahat kiri Kompensasi diameter pahat kanan Kompensasi panjang arah positif


22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62. 63.

G44 G49 G50 G51 G52 G53 G54 G55 G56 G57 G58 G59 G61/G64 G68/G69 G73 G80 G81 G83 G84 G85 G86 G88 G89 G90 G91 G92 G92.X G93 G94 G95 G98 G99 M02 M03 M04 M05 M06 M08 M09 M30 M98 M99

Kompensasi panjang arah negatif Pembatalan kompensasi panjang pahat Kembali berpindah dengan 1.0 Mengulang data input Koordinat sistem berhenti sementara Koordinat sistem mesin berpindah Sistem koordinat 1 Sistem koordinat 2 Sistem koordinat 3 Sistem koordinat 4 Sistem koordinat 5 Sistem koordinat 6 Berhenti dengan seksama/kecepatan konstan Rotasi koordinat sistem Berputar untuk bor Membatalkan fixed cycle Fixed cycle untuk pengeboran (drilling) Fixed cycle counter bore dengan waktu tunda Fixed cycle untuk pengetapan (tapping) Fixed cycle reamer Fixed cycle boring Berputar tidak berhenti dengan kecepatan penuh Berhenti berputar dengan kecepatan tertentu Program absolute Program incremental Koordinat referensi benda kerja Batalkan G92 dan lain-lain Perubahan kecepatan waktu Kecepatan per-menit Kecepatan per-rev Pengembalian pahat pada Z awal Pengembalian pahat pada jarak yang ditentukan (R) Program selesai Spindle berputar searah jarum jam Spindle berputar berlawanan arah jarum jam Spindle stop Pergantian tool Pompa pendingin aktif (coolant on) Pompa pendingin berlawanan mati (coolant off) Akhir program dan mengembalikan posisi tool terakhir Masuk ke subprogram Keluar ke subprogram


Secara umum, cara mengoperasikan mesin CNC dengan cara memasukkan perintah numeric melalaui tombol-tombol yang tersedia pada panel instrument di tiap- tiap mesin. Setiap jenis mesin CNC mempunyai karakteristik tersendiri sesuai dengan pabrik yang membuat mesin tersebut. Namun demikian secara garis besar dari karakteristik cara mengoperasikan mesin CNC dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu :

2.5.1. Sistem Absolut Pada sistem ini titik awal penempatan alat potong yang digunakan sebagai acuan adalah menetapkan titik referensi yang berlaku tetap selama proses operasi mesin berlangsung. Untuk mesin bubut, titik referensinya diletakkan pada sumbu (pusat) benda kerja yang akan dikerjakan pada bagian ujung. Sedangkan pada mesin frais, titik referensinya diletakkan pada pertemuan antara dua sisi pada benda kerja yang akan dikerjakan.

Gambar 2.5 Referensi Absolut.(RosehanYahuza,2010) Lokasi Program absolut selalu diberikan dari titik nol sebagai titik asal (tetap). Titik nol atau asal mungkin posisi di meja mesin, seperti sudut meja kerja atau pada setiap titik tertentu pada benda kerja. Pada sistem absolute dimensi dan pemrograman, setiap titik atau lokasi pada benda kerja diberikan sebagai jarak tertentu dari nol atau titik referensi. -

A plus X (+ X) perintah akan menyebabkan alat pemotong untuk berada di sebelah kanan nol atau asal titik


-

A minus X (X) perintah akan menyebabkan alat pemotong untuk berada di sebelah kiri nol atau asal titik

-

A plus Y (+ Y) perintah akan menyebabkan alat pemotong yang berlokasi menuju kolom

-

A minus Y (Y) perintah akan menyebabkan alat pemotong untuk berada jauh dari kolom Dalam pemrograman absolut, perintah G90 menunjukkan ke komputer dan

MCU bahwa pemrograman adalah untuk berada dalam mode absolut.(Steve Krar dan Arthur Gill,1990)

2.5.2. Sistem Incremental Pada sistem ini titik awal penempatan yang digunakan sebagai acuan adalah selalu berpindah sesuai dengan titik actual yang dinyatakan terakhir. Untuk mesin bubut maupun mesin frais diberlakukan cara yang sama. Setiap kali suatu gerakan pada proses pengerjaan benda kerja berakhir, maka titik akhir dari gerakan alat potong itu dianggap sebagai titik awal gerakan alat potong pada tahap berikutnya.

Gambar 2.6 Referensi Inkremental.(Rosehan Yahuza,2010) Lokasi Program Incremental selalu diberikan sebagai jarak dan arah dari titik sebelumnya menuju titik selanjutnya. Kode perintah yang memberitahu mesin untuk memindahkan meja, spindle, dan lutut yang dijelaskan di sini menggunakan mesin milling vertikal seperti berikut :


-

A plus X (+ X) perintah akan menyebabkan alat pemotong untuk berada di sebelah kanan titik terakhir

-

A minus X (X) perintah akan menyebabkan alat pemotong untuk berada di sebelah kiri titik terakhir

-

A plus Y (+ Y) perintah akan menyebabkan alat pemotong yang berlokasi menuju kolom

-

A minus Y (Y) akan menyebabkan alat pemotong untuk berada jauh dari kolom

-

A plus Z (+ Z) perintah akan menyebabkan alat pemotong atau spindle untuk bergerak ke atas atau jauh dari benda kerja

-

A minus Z (Z) bergerak alat pemotong bawah atau ke benda kerja Dalam pemrograman incremental, perintah G91 akan menunjukkan

kepada komputer dan MCU bahwa pemrograman adalah untuk berada dalam mode incremental.(Steve Krar dan Arthur Gill,1990)

2.6

Jenis Mesin Di masa lampau, mesin perkakas dibuat sesederhana mungkin untuk

menjaga biaya rendah. Karena dapat meningkatkan upah tenaga kerja, mesin perkakas yang baik, lengkap dengan kontrol elektronik, yang dikembangkan oleh industri dapat menghasilkan barang yang lebih banyak dan lebih baik, dengan harga yang kompetitif dengan orang-orang dari industri lepas pantai. NC (numerically controlled) adalah program yang digunakan semua jenis mesin perkakas, dari yang paling sederhana sampai yang paling kompleks. Alat mesin yang paling umum adalah mesin bor spindle tunggal, mesin bubut, mesin milling, dan mesin putaran pusat.

2.6.1

Mesin Bor Spindle – Tunggal Salah satu mesin yang dikontrol secara numerik dengan poros spindle

tunggal untuk pengeboran. Sebagian besar mesin bor diprogram dalam 3 axis, diantaranya :


a. Axis X mengontrol pergerakan meja ke kanan dan kiri b. Axis Y mengontrol pergerakan meja menuju atau menjauh dari kolom c. Axis Z mengontrol pergerakan poros spindle kebawah atau keatas, untuk melakukan pengeboran dengan kedalaman tertentu.

2.6.2

Mesin Bubut Mesin bubut, salah satu mesin yang paling produktif, selalu menjadi

sarana yang sangat efisien memproduksi bagian benda bentuk lingkaran. Sebagian besar mesin bubut diprogram pada dua axis, yaitu : a. Axis X mengontrol lintas gerak melintang (masuk atau keluar) dari alat pemotong b. Axis Z mengontrol pergerakan pemotong menuju atau menjauh dari headstock.

2.6.3

Mesin Milling Mesin milling adalah salah satu mesin paling serbaguna yang digunakan

dalam

industri.

Dioperasikan

untuk

milling

(penggilingan),

contouring,

pemotongan roda gigi, pengeboran, penggurdian, dan reaming hanya beberapa dari banyak operasi yang dapat dilakukan pada mesin milling. Mesin milling dapat diprogram pada tiga axis, yaitu : a. Axis X mengontrol pergerakan meja ke kiri atau kanan b. Axis Y mengontrol pergerakan meja menuju atau menjauh dari kolom c. Axis Z mengontrol secara vertikal (atas atau bawah) gerakan menekuk atau memanjang.

2.6.4

Mesin Putaran Pusat Mesin Putaran yang berpusat dikembangkan pada pertengahan 1960-an

setelah studi menunjukkan bahwa sekitar 40 persen dari semua operasi pemotongan logam yang dilakukan pada mesin bubut. Mesin ini dikontrol secara


numerik, memiliki akurasi yang lebih besar dan tingkat produksi yang lebih tinggi daripada mesin bubut. Pengoperasian mesin ini berdasarkan pada dua axis, yaitu : a. Axis X mengontrol lintas gerakan kepala menara b. Axis Z mengontrol pergerakan memanjang (menuju atau jauh dari headstock) dari kepala rotasi. (Steve Krar dan Arthur Gill,1990)

2.7

Spektrum Elektromagnetik Cahaya merupakan sebuah gelombang dan partikel.(Mark Csele,2005)

Cahaya elektromagnetik dapat dipertimbangkan sebagai bentuk energi cahaya sebagai transfer gelombang. Bentuk sederhana dari cahaya elektromagnetik dapat dilihat dalam Gambar 2.7 berikut.

Gambar 2.7 Gerakan gelombang cahaya elektromagnetik Panjang gelombang (λ) merupakan jarak antara dua gunung/lembah yang berdampingan dari gelombang itu. Banyaknya gelombang lengkap yang melewati suatu fisik yang diam persatuan waktu diberi istilah frekuensi (v). Hubungan antara panjang gelombang dan frekuensi adalah λ= c/v

(2.1)

dengan λ adalah panjang gelombang (cm), v adalah frekuensi (dt-1 atau Hz), c adalah kecepatan cahaya (3 x 1010 cm dt-1). Bilangan gelombang merupakan kebalikan dari panjang gelombang, dinyatakan sebagai ῡ (cm-1) yaitu : ῡ = 1/ λ

(2.2)

Panjang gelombang cahaya elektromagnetik bervariasi dari beberapa Å sampai beberapa meter. Unit-unit yang digunakan untuk melukiskan panjang gelombang adalah sebagai berikut : Å = Angstrom = 10-10 meter = 10-8 cm = 10-4 mikrometer


nm = nanometer = 10-9 meter = 10 angstrom = 10-3 mikrometer µm = mikrometer = 10-6 meter = 104 angstrom Untuk radiasi UV dan tampak (visible) digunakan satuan angstrom dan nanometer. Sedangkan mikrometer digunakan untuk daerah IR (infra merah). Hubungan antara energi dan panjang gelombang (λ) dituliskan sebagai : E=hc/λ

(2.3)

Dengan E = energi cahaya (erg), h = konstanta Planck(6,62 x 10-27 erg det). Spektrum elektromagnetik menyeluruh dikelompokkan seperti Gambar 2.8.

Gambar 2.8 Spektrum Elektromagnetik Daerah tampak (visible) sangat kecil panjang gelombang yang dikaitkan dengan cahaya tampak itu mampu mempengaruhi selaput pelangi pada manusia, dan karenanya menimbulkan kesan subyektif akan ketampakan (vision). Panjang gelombang daerah tampak dari 400 nm – sekitar 750 nm (Susila Kristianingrum), dengan frekuensi 7,5x1014 – 4x1014, dan bilangan gelombang (ῡ) 25000 – 13000 cm-1-.(Ibnu Gholib,2007)

2.8

Laser Laser adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation, yang berarti penguatan cahaya melalui pancaran radiasi yang terstimulasi. Ketika suatu atom berada pada tingkat eksitasi, kemudian disinari dengan foton yang sesuai maka atom pada tingkat tereksitasi ini akan turun ke tingkat energi yang lebih rendah dengan memancarkan foton. Jika cahaya ini mengenai atom lain yang berdekatan, maka akan lebih banyak lagi cahaya yang dilepaskan. Kemudian akan terjadi reaksi berantai terus menerus sehingga atom –


atom mengeluarkan cahaya secara bersamaan. Jika cahaya tersebut dipantulkan oleh cermin – cermin khusus, lama kelamaan intensitasnya menjadi lebih tinggi sehingga mampu menembus cermin dan terbentuklah sinar laser.(Siegmans,1986). Sifat yang terjadi akibat kesamaan frekuensi adalah monokromatisme dan sifat yang terjadi akibat kesamaan fase adalah koherensi. Jadi syarat terbentuknya laser adalah sumber cahaya yang monokromatis dan koheren. (Fafat Reynaldo,2001) Panjang gelombang λ dan osilasi frekuensi adalah korelasi dari kecepatan cahaya 𝑐𝑐 dengan : 𝑐𝑐 = 𝜆𝜆 . 𝜐𝜐

(2.4)

Kecepatan cahaya memiliki nilai sebesar 3 × 108 ms-1. Sejak cahaya tampak berada pada range panjang gelombang λ = 400 nm (biru) – 800 nm (merah), osilasi frekuensi cahaya tampak bervariasi dari 7.5 × 1014 Hz sampai 3.75 × 1014 Hz. Pemahaman cahaya sebagai sebuah gelombang elektromagnetik cukup digambarkan pada proses refraksi dan difraksi ketika sebuah berkas cahaya menyebar melalui beberapa material berbeda. Sekarang, cahaya dapat digambarkan sebagai fluks sebuah foton. Setiap foton diuraikan dengan kecepatan cahaya dan megandung energi sebesar : 𝐸𝐸 = ℎ𝜐𝜐

(2.5)

Dimana adalah frekuensi dan h adalah konstanta Planck (h = 6.675 × 10-31 Js). (Hans – Jochen Forth, 2008) Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monokromatik dan sangat lurus. Cara kerjanya mencakup optika dan elektronika. Sifat – sifat monokromatik, kolimasi, dan koherensi dari laser telah dikembangkan dalam berbagai

aplikasi

di

beberapa

bidang,

seperti

industri,

biomedis,

dll.(www.science4heritage.org) Laser dapat beroperasi pada : 1.

Mode kontinu (continuous wave) dengan amplitudo keluaran konstan. Dalam mode operasi kontinu, berkas laser yang dihasilkan relatif konstan terhadap waktu. Proses tersebut dihasilkan dari populasi inversi yang berlangsung terus – menerus menggunakan sumber pemompa energi yang stabil.


2.

Laser pulsa dapat dihasilkan dengan teknik Q-switching, mode terkunci (mode locking) atau gain switching. Laser dalam bentuk pulsa dapat menghasilkan daya yang sangat besar, kemudian berkas laser yang dihasilkan berubah terhadap waktu secara bolak – balik dengan mode on dan off. Laser pulsa biasanya dibuat dengan tujuan untuk menghasilkan power laser yang sangat besar dengan waktu radiasi yang singkat. (David R.Whitehouse,1993)

Laser dapat diklasifikasikan berdasarkan medium aktif : 1.

Laser zat padat meliputi laser Nd:YAG, ruby

2.

Laser zat cair atau dye laser

3.

Laser gas meliputi laser CO 2 , HeNe

2.8.1

Proses Terjadinya Laser Pada tahun 1917, Albert Einstein mempostulatkan pancaran imbas pada

peristiwa radiasi agar dapat menjelaskan kesetimbangan termal suatu gas yang sedang menyerap dan memancarkan radiasi. Menurut Albert Einstein ada 3 proses yang terlibat dalam kesetimbangan itu, yaitu : serapan (absorbtion), emisi spontan (fluorensi) dan emisi terstimulasi (atau lasing, artinya memancarkan laser). (Perdana,Buyung,2008) Ketika sebuah partikel secara spontan berpindah dari tingkat energi lebih tinggi E 2 ke tingkat energi lebih rendah E 1 yang ditunjukkan pada Gambar 2.3 (b), foton yang dipancarkan memiliki frekuensi : 𝜐𝜐12 =

𝐸𝐸1 −𝐸𝐸2 ℎ

(2.6)

Foton ini dipancarkan pada sebuah arah yang acak dengan polarisasi yang berubah-ubah (kecuali pada medan magnet). Foton membawa pergi momentum h/λ = h/c dan partikel yang dipancarkan (atom, molekul atau ion) mundur dalam arah yang berlawanan.


(a)

(b)

(c)

Gambar 2.9 (a) Absorbsi, (b) emisi spontan, dan (c) emisi terstimulasi (Hans – Jochen Foth, 2008) Pada umumnya, ketika sebuah elektron berada dalam keadaan energi tereksitasi, elektron tersebut akan kekurangan energi karena melepaskan sebuah foton radiasi mengalami transisi menuju keadaan dasarnya dan memancarkan foton. Kejadian ini disebut emisi spontan (spontaneous emission) dan foton yang dipancarkan dalam arah dan fase yang acak. Disisi lain, jika sebuah elektron berada pada tingkat energi E 2 dan mengalami peluruhan energi sampai pada tingkat energi E 1 , tetapi sebelumnya elektron tersebut memiliki kesempatan untuk meluruh secara spontan, maka sebuah foton yang dihasilkan dengan energi sebesar E 2 – E 1 akan memiliki panjang, arah dan fase gelombang yang persis sama dengan gelombang elektron tadi sehingga memperkuat energi cahaya yang datang. Proses ini disebut emisi terstimulasi. (Hans-Jochen Foth, 2008)

2.8.2

Komponen Laser Proses pembentukan laser dimulai dengan proses pemompaan (pumping)

yang menyebabkan inversi polulasi pada eksitasi atom – atom (molekul, ion-ion, elektron-elektron semikonduktor) yang ada di dalam medium laser dari tingkat energi rendah menuju ke tingkat energi tinggi (level energi mekanika kuantum). Setelah itu atom – atom akan kembali menuju tingkat energi semula dengan memancarkan foton. Kemudian foton – foton tersebut bergerak ke kanan dan dipantulkan oleh cermin (R=100%) kemudian bergerak ke kiri dan dipantulkan kembali oleh cermin (R=80%), begitu seterusnya berjalan bolak-balik membentuk


osilasi. Karena osilasi foton – foton yang terus menerus sehingga mengeluarkan foton yang sangat kuat yang menjadi cahaya keluaran laser.(Siegmans,1986)

Gambar 2.10 Komponen Laser.(Siegmans,1986)

2.9

Interaksi laser dengan material Dalam proses interaksi laser dengan material, terdapat beberapa macam

proses yang terjadi, yaitu :

Gambar 2.11 Mekanisme interaksi laser dengan material

2.9.1

Mekanisme Penyerapan Energi (Absorbtion) Mekanisme penyerapan terjadi akan tergantung pada jenis bahan. Secara

umum, foton akan bergerak ke arah sumbu yang tepat atau sumber getaran dalam materi tergantung pada energi foton. Dalam

isolator dan semikonduktor,

penyerapan sinar laser terutama terjadi melalui resonansi. Eksitasi seperti transisi elektron pita valensi ke pita konduksi (interband transisi) atau pita dalam (intersubband transisi).


Sedangkan pada bagian tereksitasi dapat mentransfer energi pada foton. Foton dengan energi di bawah dalam pita bahan itu tidak akan diserap. Pada isolator energi biasanya berada dibawah frekuensi cahaya ultraviolet dan semikonduktor terlihat spektrum inframerah. Namun, pada beberapa penelitian tinggi resonansi frekuensi pada foton optik berada mendekati daerah inframerah.

2.9.2

Konduktivitas Panas (Heat Conduction) Pemanasan laser yang mengalir dapat mengaktifkan beragam suhu, proses

tergantung dalam bahan padat. Ketika terdapat perbedaan temperature pada suatu medium atau antar medium, maka transfer panas akan muncul. Salah satu mekanisme transfer panas yang terjadi pada suatu medium, khususnya padatan adalah melalui konduksi. Transfer energi secara konduksi berkaitan dengan aktivitas atomic dan molekuler penyusun bahan tersebut.

2.9.3

Pelelehan (Melting) Proses melting adalah proses peleburan material (ingot) dengan cara

memanaskannya hingga mencapai titik cair material yang dilebur, berjalan di dalam sebuah unit yang disebut melting furnace.

2.9.4

Penguapan (Evaporation) Pada saat terjadinya interaksi laser dengan material, maka material akan

mengalami pengurangan massa akibat terevaporasi. Kondisi terevaporasi adalah kondisi dimana cairan yang seharusnya berubah ke fase gas sebelum ke fase padatan, hal ini akan menyebabkan terjadinya jumlah massa terevaporasi.

2.9.5

Melt Expulsion Melt expultion terjadi ketika tekanan uap diterapkan pada permukaan

bebas cairan yang pada gilirannya mendorong mencair dalam arah radial. Untuk


mencapai melt expulsion halus, pola aliran lelehan perlu diprediksi dengan tepat, terutama kecepatan aliran lelehan di pinggir lubang itu.

2.10

Laser Nd:YAG Pada 1972, pertama Nd:YAG laser muncul di dunia industri. Komponen

utama dari laser solid state adalah medium aktif, sumber pemompa dan resonator. Umumnya medium aktif dalam bentuk batang panjang dengan ujung datar dan sejajar, pemompa menyediakan satu atau dua lampu linear yang memancar dan dua cermin dielektrik membentuk resonator dengan batang di sumbunya. (N.U Wetter dan W.de Rossi,2000) Tipe laser ini merupakan laser yang paling populer. Sebagai bahan aktif digunakan kristal Y 3 Al 5 O 12 (Yttrium Aluminium Garnet, YAG) dimana beberapa ion Y3+ diganti oleh ion Nd3+. Konsentrasi umum doping ion Nd3+ adalah sekitar 1% atomik.(Hanif,dkk.2012) YAG (Y 3 Al 5 O 12 ) yang di doping dengan Neodymium (Nd), menghasilkan kristal dengan kekuatan dan kekerasan cukup tinggi, secara optik kristal ini merupakan kristal isotropik dengan struktur kubik, memiliki fluorescent linewidth yang sempit, menghasilkan penguatan yang tinggi, dan ambang yang rendah untuk operasi laser.(Muchiar,2007) Laser Nd:YAG dapat beroperasi pada kontinu dan pulsa. Laser ini banyak digunakan untuk berbagai aplikasi, seperti : pemrosesan material (drilling dan welding), aplikasi medis (laser Nd:YAG kontinu dengan daya 50 Watt digunakan untuk evaporasi jaringan dan koagulasi), aplikasi scientific, paint stripping dan militer. (Hanif,dkk.2012) Laser Q-switch memiliki keunikan yaitu pancaran laser dengan kekuatan yang tinggi dalam pulsa pendek. Tinggi dan rendahnya puncak kekuatan pulsa telah mengembangkan banyak aplikasi dari laser. Istilah "Q-switch" berasal dari fakta bahwa sinar laser "berhenti" sejenak sementara daya dimampatkan, kemudian dilepaskan. Dengan kombinasi kekuatan tinggi dan panjang gelombang pendek, laser Q-switch sering digunakan untuk mencairkan logam, menguapkan dan

mengikis

material

dengan

mengurangi

terjadinya

pemanasan.(Jay

Eastman,2014)


2.10.1 Komponen Laser Nd:YAG Cooling system Laser rod

Q-switcher

Pumping cavity

Rear mirror

Output laser beam

Output mirror Pumping lamp Power supply

Gambar 2.12 Sistem laser zat padat Komponen laser Nd:YAG : a.

Batang laser Nd:YAG Kristal Nd:YAG dikembangkan dengan metode czochralski, hasilnya

kristal itu dikembangkan dengan diameter 6 sampai 8 cm dan panjangnya mencapai 20 cm. Setelah pemeriksaan, hasil pengembangan itu diproses untuk diekstrak ke batang laser, dengan penampang rata dan sejajar. Arah pertumbuhan dan dengan demikian sumbu batang laser umumnya adalah “(1)”.

b.

Flashlamp Kebanyakan laser solid state menggunakan lampu linier sebagai sumber

pompa optik untuk eksitasi ion aktif. Lampu ini adalah tabung gas debit tinggi kuat kuarsa, biasanya diisi dengan Xe atau Kr dan dirancang untuk memancarkan radiasi kecerahan tinggi dalam rezim berdenyut/pulsa atau kontinu.

c.

Rongga pompa Pada batang laser dan lampu pemompaan yang tertutup dalam kotak, dua

cermin yang berhadapan merefleksikan sebanyak mungkin cahaya memompa ke dalam medium aktif. Bagian cermin ini disebut rongga pompa.


d.

Head Laser Head laser adalah nama dari kumpulan yang menggabungkan semua

elemen optik juga dengan proses mekanik dan listrik. Umumnya terdapat rongga pompa dengan batang laser (atau lembaran) dan flashlamp, resonator laser yang termasuk struktur mekanik dan semua bagian input dan output yang diperlukan untuk sumber daya listrik, cairan pendingin dan sinar laser.

e.

Power supply Kunci utama dalam keberhasilan menggunakan Nd: YAG laser sebagai

perangkat pengolahan bahan adalah kemampuan untuk beroperasi di banyak rezim yang berbeda. Hal ini dapat berjalan baik secara continue atau pulsa dengan tingkat repitition dari tembakan single hingga kHz dan bentuk tempo dan panjang output pulsa berikut dilakukan oleh sumber pemompa (pumping). Adanya arus yang mengalir pada lampu pompa karena ini adalah parameter yang dikontrol pada power supply laser. Dengan kemajuan teknologi dan komponen, telah dirancang dengan baik power supply yang mampu bekerja selang waktu yang lama (thousands of hours) tanpa ada masalah (troubling). Tipe power supply switch, masukan arus AC melewati lonjakan arus dibatasi rangkaian ke rectifier dan filter, dimana disini arus akan diubah ke DC dan melangkah ke tegangan yang lebih tinggi. Ini kemudian mengalir ke trafo, terutama melalui transistor utama diswicth, pada bagian ini arus DC menuju arus AC frekuensi tinggi (30 sampai 50 kHz) yang akan diterapkan untuk trafo. Energi ditransfer melalui trafo untuk tegangan rangkaian multiplier yang menimbulkan tegangan sekunder trafo adalah yang diperlukan untuk operasi laser. Hal ini juga mengubah kembali ke DC. Selama operasi, saat laser beroperasi dan dikirim kembali melalui rangkaian kontrol menuju transistor lalu diswitch di mana hubungan yang tepat antara waktu dipertahankan. Ini untuk mengontrol jumlah arus yang mengalir ke laser.

f.

Sistem Cooling Pendinginan laser solid state sering kali diperlukan karena hanya sebagian

kecil dari input energi listrik diubah menjadi radiasi laser. Karena sebagian besar


masukan energi ini diubah menjadi panas yang disimpan di batang laser sebagai penyimpanan utama, lalu menuju flashlamp dan pompa rongga. Dalam rangka untuk menghilangkan panas ini, hampir semua menggunakan desain deionisasi air (pertukaran ion) dengan resistivitas tingkat tinggi (10 Megaohm-cm). Melalui penggunaan tabung aliran, cairan pendingin dipaksa sepanjang diameter luar flashlamps dan batang laser. Umumnya sistem menggunakan sirkuit lingkaran tertutup, termasuk udara sederhana untuk air atau air untuk penukar panas air dan pendingin (pendingin air). Menarik kembali udara dari udara untuk sistem air ketergantungan mereka pada suhu udara ambien. Sebaliknya, air untuk sistem air (yang tergantung pada suhu air pendingin) yang lebih efektif. Penggunaan salah satu sistem tertutup untuk memastikan kontrol kualitas air juga menyediakan aliran konstan dan tekanan untuk kepala laser yang penting untuk daya output konstan. Untuk daya tinggi laser industri, sistem yang terbaik adalah didinginkan dengan pendingin atau air chiller karena secara otomatis dapat mengontrol semua variabel penting dari rangkaian laser pendingin. Unit ini menggunakan pendingin mekanik untuk mempertahankan suhu yang tepat dan termasuk waduk dan pompa untuk menyediakan kondisi aliran dan tekanan yang stabil.( N.U Wetter dan W.de Rossi,2000)

2.11

Lens Pemfocus Salah satu lensa yang sederhana adalah lensa bundar tebal yang terbuat

dari material yang transparant, biasanya terbuat dari gelas, bagian lensa yang paling tebal adalah bagian tengahnya dibandingkan bagian pinggirnya. Lensa mempunyai sifat mirip dengan prisma dimana dapat menyimpangkan cahaya yang melewatinya. Perhatikan berkas – berkas yang paralel dengan sumbu pada lensa cembung ganda yang diperlihatkan pada gambar 2.13. kita anggap lensa terbuat dari kaca atau plastik transparan, sehingga indeks biasnya lebih besar dari udara luar. Sumbu lensa merupakan garis lurus yang melewati pusat lensa dan tegak lurus terhadap kedua permukaan.


Dari hukum snell, kita dapat melihat bahwa setiap permukaan untuk berkas yang atas, kita dapat melihat bahwa setiap benda pada gambar 2.13 dibelokkan menuju sumbu pada kedua permukaan lensa. Jika berkas – berkas yang paralel dengan sumbu jatuh pada lensa tipis, mereka akan difokuskan pada satu titik yang disebut titik fokus, F.

F

Sumbu

f

Gambar 2.13 Berkas – berkas paralel difokuskan oleh lensa konvergen Jarak titik fokus dari pusat lensa disebut jarak fokus, f. Titik diluar jarak fokus disebut titik defokus. Lensa dapat diputar sehingga cahaya dapat melewatinya dari sisi yang lain.(Giancoli,1998)

Gambar 2.14 (a)cahaya yang lewat lensa pada titik fokus, (b)cahaya yang lewat lensa pada titik defokus

2.12

Keuntungan Mesin Laser CNC Mesin laser cnc sama halnya dengan fungsi mesin CNC, hanya mata bor

yang biasa dipakai untuk melakukan pemotongan, pengeboran, dan lainnya, disini diganti dengan laser. Keuntungan dari penggunaan laser dialokasikan pada mesin CNC ini. laser dapat melakukan pemotongan, pengelasan, pengeboran dan


lainnya. Mesin laser CNC yang menjadi 1 alat yang baru, berarti juga memberi fungsi – fungsi yang baru. Mesin CNC adalah mesin yang dikontrol oleh bahasa pemrograman G-Code, secara langsung dari komputer kemudian diinstruksikan ke mesin CNC untuk dilaksanakan. Dengan CNC, maka dapat membuat pola kerja CNC dengan beranekaragam bentuk dari pola yang mudah sampai pola yang tingkat kesulitannya tinggi, dan memiliki detail pola yang rumit. Dengan menggunakan laser, maka segala kesulitan pada pola kerja benda uji dapat teratasi. Laser memiliki sinar koheren, tentu ini menjadi keuntungan terbesar dalam mesin laser CNC. Laser dapat ditembakan ke target yang pola kerjanya sempit, atau menyelubungi ruang benda uji sebagai target. Karena sinar laser dapat dibelokkan, dapat memvariasikan energi, beam laser, beam hotspot dan panjang gelombang.

2.13

Pengupasan Cat Pengupasan cat adalah proses membersihkan cat dari benda uji. Benda uji

yang dikupas memiliki tingkat kesulitan dari tekstur dan warna cat. Dengan mengabaikan penyerapan benda uji terhadap radiasi panjang gelombang laser, melainkan penyerapan warna cat dengan panjang gelombang laser. Warna cat yang digunakan memiliki panjang gelombang : hijau 490 – 570 nm dan merah 650 – 750 nm. Semakin besar panjang gelombang maka akan semakin besar puladaya serap cat terhadap beam laser. Keuntungan ganda dari metode ini adalah penembakan laser hanya menguapkan sebagian kecil dari permukaan target, diikuti eksitasi atom-atom target yang telah terevaporasi, sehingga analisis dapat dilakukan hanya pada sebagian kecil dari bahan uji dan spektrum bebas dari kontaminasi oleh elektroda bantu.(Irwanuddin H. Kulla,2004) Cahaya tampak pada pnjang gelombang 380 – 750 nm, semakin besar panjang gelombang maka semakin besar pula absorbsi warna tersebut. Pada pengupasan cat ini ada perbedaan warna yang digunakan yaitu warna merah dan hijau, tentu telah kita ketahui daya serap warna ini berbanding terbalik. Hubungan


panjang gelombang warna cat dengan panjang gelombang laser. Semakin besar panjang gelombang warna cat, maka membutuhkan panjang gelombang laser yang besar pula untuk mengupas. Artinya panjang gelombang laser dengan panjang gelombang warna cat harus disesuaikan. Menggunakan laser untuk mengupas cat dapat dimaksimalkan dan meminimalkan kerusakan benda uji.

Dari percobaan yang telah dilakukan

sebelumnya menggunakan laser CO 2 bahwa permukaan benda uji lebih bersih dan sangat cocok untuk membersihkan komposit dari pada metode lainnya.

Gambar 2.15 Paint stripping pada pesawat by Joe Ermalovich at Aero Pro(Katy Wolf,2009)

Keuntungan pengupasan cat berbasis laser adalah lebih efektif, harga terjangkau, minimalis tenaga kerja, aplikasi cepat, dapat memakai sistem scanner poligon atau galvo. Laser mampu mencapai daerah – daerah sempit dan membersihkan korosi yang terdapat pada benda uji dengan memberi perlakuan khusus. Efisiensi laser pulsa untuk pengupasan cat ditentukan oleh energi dalam durasi dan bentuk pulsa, sedangkan laser continue lebih kepada konsistensi.(Jay Eastman.2014) Pengupasan cat menggunakan laser ini lebih baik dibanding menggunakan media ledakan plastik (PMB), yaitu dapat menghasilkan limbah dan polutan udara yang berbahaya.


BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents