PEMILIHAN BAHAN YANG TEPAT DENGAN MODEL OPTIMASI UNTUK PERANCANGAN MESIN

Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi V Program Studi MMT-ITS, Surabaya 3 Pebruari 2007

PEMILIHAN BAHAN YANG TEPAT DENGAN MODEL OPTIMASI UNTUK PERANCANGAN MESIN Sahlan FT-Universitas Krisnadwipayana [email protected]

ABSTRACT The Procedure makes use of materials selection in industry which are a new way of displaying material property data enabling the use of a number of novel optimization procedures. The selection process relies on developing performance indices, a combination of material properties which, if maximized, maximize performance. The charts are designed to present the materials and performance indices in such a way that optimum selection of both material and shape becomes possible. The Cambridge Materials Selector (CMS) is computer package consisting of one or more database of material properties, a management system which recovers and manipulates the data, and a graphical user interface which presents the property data as material selection charts. The approach employs a number of novel features. This include details of the implementation, an intelligent data checking routine, and provision for hierarchy of database. Kata kunci: Model optimasi, pemilihan bahan, perancangan mesin

PENDAHULUAN Harga suatu produk bergantung pada penggunaan bahan, mesin, upah, biaya penjualan, penyimpanan dan biaya overhead. Biaya mesin dan upah berkaitan erat yang tidak bisa dipisahkan satu dengan yang lain, dan harga bahan baku merupakan bagian terbesar dari produksi. Bila bahan dasar telah ditentukan maka proses termasuk mesinnya sudah dapat ditetapkan atau bila dimiliki mesin tertentu, bahan yang mungkin digunakan pun terbatas. Dengan perkataan lain, tujuan produksi ekonomis adalah membuat suatu produk sedemikian rupa dengan menggunakan bahan yang tepat sesuai dengan keadaan lingkungan dan operasi kerja sehingga produk tersebut dalam pengoperasiannya terjamin keamanannya, efisien dan mempunyai nilai ekonomis tinggi. Kinerja dan sinerja komponen rancang bangun dan rekayasa (engineering) dibatasi oleh sifat material yaitu saat dibuat dan dibentuk untuk menjadi bahan teknik yang dapat dipergunakan sesuai dengan peruntukanya. Maka bahan dari logam merupakan bahan teknik yang paling utama dan dipilih dalam industri material untuk komponen rancang bangun dan rekayasa permesinan. Dalam beberapa keadaan, suatu bahan dapat dipilih dan memuaskan karena tingkat kehandalannya dari pada sifat individualnya. Walaupun begitu lebih banyak akan tetapi tidak harus, bahan yang sangat baik hanya dapat dipilih dengan menggunakan model optimasi (optimization design) yaitu moder perancangan (desain) pemilihan bahan yang berdasarkan criteria kemampuan lebih atau kemampuan yang dihandalkannya dari kewajaran (optimal). Sebagai contoh kekakuan spesifik E/ (dimana E adalah modulus Young dan  adalah densitas) menunjukkan kemampuan bahan bergantung pada obyek desainnya.


Bentuk komponen juga sangat penting untuk dipertimbangkan. Balok turbular yang berlubang/berongga (hollow) lebih ringan dibandingkan yang pejal untuk menerima beban kekakuan bengkok yang sama atau dengan memilih balok dengan profil I lebih baik Hal yang sangat serasi untuk menguraikan bentuk profil suatu balok yang ramping sangat ditentukan oleh factor bentuknya, (). Batas phisik  bergantung pada tekukan local komponen. Faktor bentuk maksimum atau optimum dapat dipertimbangkan untuk menentukan sifat bahan dan keuntungan yang dipakai dalam pemilihan bahan. Ada dua metoda yang dipergunakan dalam prosedur pemilihan yaitu penunjukkan kemampuan dan kehandalannya yang berbanding terhadap sifat bahan dan peta pemilihan maksimalis, kemampuan dan kehandalannya. MODEL OPTIMASI Desain komponen permesinan yang dicirikan oleh kebutuhan fungsional (ini dibutuhkan untuk meneruskan atau menyebarkan beban, perpindahan panas dan sebagainya), geometri dan sifat bahan yang akan dibuat. Kemampuan atau kehandalan () komponen dapat diuraikan sebagai berikut: =[(prsyaratan fungsi spesifik, F),(parameter geometri, G), (Sifat bahan, M)] ……..(1) dimana  adalah masaa atau volume atau biaya atau umur pakai, dan f artinya fungsi desain optimasi yang dapat dipertimbangkan sebagai pemilihan bahan dan geometri yaitu untuk  pada minimalis atau maksimalis. Model Optimasi adalah suatu cara untuk menentukan suatu subyek (dalam hal ini adalah amterial yang dipergunakan untuk komoponen mesin/alat kerja) yang menjadi perhatian terutama terhadap sifat-sifat bahan yang dipilih berdasarkan karena kehandalannya untuk model optimasi perancangan permesinan. Ada tiga kelompok parameter dalam persamaan (1) yang dapat dikatakan terpisah bila mana persamaannya ditulis: P=f1(F),f2(G),f3(M) …………………………. (2) Dimana f1(F), f2(G) dan f3(M) adalah fungsi. Bila mana ke tiga kelompok dipisahkan, pemilihan optimasi bahan menjadi bebas terhadap detail desain, ini juga mempunyai kemiripan untuk semua geometri G dan semua harga fungsional memerlukan F. Bahan optimum kemudian dapat dicirikan tanpa jawaban problem desain yang lengkap atau diketahui semua detail F dan G. Kemudahan ini perbolehkan untuk dilakukan. Kemampuan untuk semua F dan G dimaksimalis dengan cara memaksimalkan f3(M) yang selanjutnya disebut indek kemampuan (Performance index), dari beberapa pengalaman menunjukkan bahwa kelompok parameter harus dipisahkan dari pemakaiannya. Suatu perancangan engineering, bahan yang dibutuhkan untuk balok ringan dan kaku, maka balok yang mempunyai panjang L dan penampang melintang A dan pejal (Gambar 1a), diperlukan besarnya massa balok: m = AL ………………. (3) Lendutan balok statis tertentu dengan beban ada ditenga-tengah: FL3 = ……………………………(4) C1 EI dengan C1 = 48. Pada tumpuan lainnya atau distribusi beban lainnya, C1 berubah.

ISBN : 979-99735-2-X A-28-2


Gambar 1: Balok dengan statistis tertentu

a. balok bujursangkar mendapat beban bengkok b. struktur profil I mendapat beban bengkok Kekakuan S didefinisikan oleh: S

F C1 EI  3 ……………………. (5)  L

Pada awalnya diasumsikan bahwa balok mempunyai penampang bujursangkar dengan sisi-sisinya b:

I

b 4 A2  ……………………. (6) 12 12

Kekakuan S dan panjang L merupakan pembatas sebelum sebuah perancangan dimulai. A adalah penampang luasan yang merupakan variable bebas. A dipilih untuk meminimsasi berat beban. Substitusi untuk I dalam persamaan (5) dan menghilangkan A pada persamaan (4) memberikan persamaan untuk massa:

 12S     1 2( L) 5 2  1 2  ……………. (7) m   E   C1  Dalam kurung pertama merupakan fungsi F dan kurung kedua merupakan geometri G yang mana keduanya merupakan besaran yang ada dalam desain. Dalam kurung ketiga merupakan sifat bahan M. Ini dapat sdudah diperoleh dalam persamaan 8 yang merupakan penjabaran dari persamaan 2. Berat balok (beam) dapat diminimisasi dan kemampuan maksimasi mencari bahan dengan harga terbesar:

M1 

E1 2 ………………….. (8) 

Pemilihan ini bebas untuk besaran S, panjang L dan detail beban yang diterima dalam C1. Memilih dengan bahan sama berdasarkan pada teori optimasi untuk semua balok berpenampang persegi yang mendapat beban bengkok. Bentuk potongan melintang balok (seperti penampang I pada Gambar 1b) dapat digolongkan dalam indek performasi oleh permulaan dimensi yang tidak berbentuk dengan factor , didefinisikan sebagai: 

4I ……………………. (9) A2

Faktor bentuk lain dapat ditentukan untuk desain luluh yang yang menyebabkan awal retak/patah (sebagai pengganti keuletan) dan untuk poros danggap sama dengan

ISBN : 979-99735-2-X A-28-3


balok. Untuk mudahnya dapat dilihat bahwa untuk balok dengan bentuk potongan melintang yang berubah-ubah maka indek performasi menjadi:

M2 

(E )1 2 ……………… (10) 

Pemilihan dapat dibuat dengan menentukan bahan dengan harga tinggi M 1 dan kemudian memodifikasikan indek performasi dengan menggunakan harga  untuk setiap bahan. Walaupun begitu, untuk lebih baiknya penggambaran peta pemilihan bahan dengan E 1 2  sebagai satu sumbu dan  bentuk lainnya. Ini dapat dilakukan otomatis dengan implemnetasi perangkat lunak (software) pada komputer untuk prosedur pemilihan bahan. PETA SIFAT BAHAN Performasi selalu bergantung pada dua atau lebih sifat bahan seperti yang ditampilkan oleh penggambaran satu sifat material (atau kombinasi matematik sifat bahan ) seperti pada setiap sumbu peta pemilihan bahan. Pada Gambar 2, menunjukkan peta pendek yang sederhana untuk model pemilihan berdasarkan atas modulus elastisitas (Young) dan densitas volume/masa,.

Gambar 2: Peta pemilihan bahan, menggunakan skala logarithma untuk performasi yang mengidetifikasikan pemetaan sebagai garis lurus.

Bilamana data untuk kelas bahan yang diberikan seperti loham yang dipetakan pada sumbu ini, ini dapat diperoleh bahwa beban yang bekerja diupamakan seperti balon yang menerima beban tertutup dan merata. Bahan keramik juga dapat dilakukan dengan cara yang sama dan juga untuk bahan polimer, elastomer, komposit dan lainnya. Untuk dasar permukaan yang salingsilang (overlap) akan tetapi tidak mempunyai jarak atau menempel. Selalu pada kebanyakan, informasi lebih jauh dapat dipetakan kedalam diagram. Kecepatan gelombang longitudinal 1 (kecepatan longitudinal suara dalam bahan) dipetakan pada Gambar 2. E ……………. (11) 1   dapat diamati, sebabkan oleh skala logaritmik, garis kecepatan gelombang rata membentuk kelompok garis sejajar pada kemiringan 1. Garis ini dapat membantu dalam pemilihan bahan untuk getaran natural rendah. Lebih lengkapnya peta E- terlihat pada Gambar 3, menunjukkan bahan tunggal atau individual atau (sub-classes) seperti baja atau polipropelin memperlihatkan sebagai gelembung kecil yang mana untuk menentukan batas perilaku atau sifat bahan. Semua

ISBN : 979-99735-2-X A-28-4


gelembung untuk satu kelas bahan yang tertutup dalam balon: balon logam, balon polimer, dan sebagainya. Peta yang pendek sederhana yaitu dengan menggunakan peta dengan sumbu dari gabungan sifat atau perilaku sesamanya (sumbu E  dan f/, untuk perhitungan cepat dimana f adalah tegangan patah) atau mengukur ketahanan korosi relative atau ketahanan pakai dapat banyak membantu. Ini dapat dipetakan oleh implementasi perangkat lunak pada komputer seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya.

Gambar 3: Peta pemilihan bahan berdasarkan modulus Young terhadap densitas volume/massa

Peta pemilihan bahan dengan E dan  pada orientasi sumbu dapat dengan cepat dipergunakan untuk mengidentifikasikan subset bahan dengan harga paling tinggi M1=E1/2/. Konstruksi seperti pada Gambar 3 yaitu bahan dari kayu, komposit dan bahan keramik sangat baik untuk memilih balok liat ringan dengan penampang melintang persegi. Bila potongan melintang digolongkan dalam kriteria pemilihan (seperti pada persamaan 9) maka untuk bahan kayu menjadi pertimbangan yang kurang baik, sebab tidak dapat dibuat atau diolah dalam penampang yang tipis dengan namun dengan factor bentuk yang besar seperti pada logam. PERANGKAT LUNAK CMS (The Cambridge Materials Selector) adalah paket perangkat lunak computer yang berisikan satu atau lebih database sifat-sifat bahan, system manajemen akan menelusuri dan memanipulasi data dari intersisi (interface) yang dapat menampilkan data sifat bahan sebagai pemetaan pemilihan bahan yang tepat dan akurasi. Pendekatan dengan mempergunakan banyaknya keistimewaan yang terbarukan (novel feature) yang mencakup detail dari pada implementasi rutin pengecekan data inteljensi dan ketetapan untuk hirarki database. Penyimpanan program hasil setiap tingkat pemilihan bahan dapat diuji setiap saat. Hal yang layak untuk modifikasi setiap tingkat pemilihan maka dilakukan pemilihan kriteria yang dapat menguatkan sampai pemilihan bahan yang tepat diperoleh. Ringkasnya dengan SMS dapat disimpan dalam file piringan penyimpan data (disk) dan dibaca dalam paket selama proses pemilihan data. Ini memungkinkan digunkanan untuk kelangsungan atau modifikasi pemilihan bahan dari awal hingga evaluasi ulang kriteria pemilihan dari yang yang mudah/sederhana hingga pada informasi desain yang rumit. Ringkasnya, file juga menentukan sampai dengan interface derajat paling tinggi dan ini juga dipergunakan oleh program lain untuk mengkomunikasikan kebutuhan funsional komponen ke CMS. Jenis perbedaan data yang disimpan dalam database: - data numerical, seperti berat jenis

ISBN : 979-99735-2-X A-28-5


- data yang mempunyai ciri khas tertentu (discrete) seperti ciri-ciri bahan - data teks seperti ciri-ciri penggunaan Dua data, yaitu jenis data diskrit dan numerical dapat dipetakan secara otomatis. Ada tiga jenis bahan untuk pemetaan pemilihan bahan sesuai dengan kombinasi sifat diskrit dan numerical yang digunakan untuk sumbu gambar: - peta dengan dua sumbu numerical yang digambar sama peta gambar tangan (Gambar 3) - peta dengan satu sumbu numerical dan satu sumbu diskrit dalam peta batang - peta dengan dua sifat diskrit yaitu tabel dengan setiap bahan berkaitan dengan satu atau lebih sel dalam tabel. Arus database generik dalam CMS berisikan ranges data untuk kebanyakan semua bahan teknik. Sebagai contoh kuningan, dipergunakan sebagai bahan generik tunggal dengan range harga modulus, range harga berat jenis, dan sebagainya yang menentukan bentangan batang tembaga yang dapat dipergunakan. Data ini berisikan hanya 150 material, akan tetapi penampilan proporsional yang luas adalah 8.000 bahan teknik yang ditawarkan bagi perancangan teknik. Ini terutama dipergunakan dalam konseptual dan fasa perwujudan proses desain, bilamana perancang membutuhkan data untuk semua bahan akan tetapi untuk level presisi yang rendah. Dalam masa mendatang, banyaknya database dengan spesifik khusus akan ditempatkan dibawah data base generic, yang setiap database berisikan range yang sedikit bahan pada level detail terbesarnya. Database untuk baja akan berisi data untuk beberapa baja individual, database untuk polimer akan membedakan beberapa grade polietilin, untuk bahan keramik akan berisikan beberapa aluminat dan sebagainya. Secara alamiah data akan diadaptasikan dalam kelas : database baja akan berisikan informasi spesifikasi baja, seperti perlakuan panas (heat treatment) dan batas tegangan pengerolan dan sebagianya. MODEL Satu perangkat bersikan loop gaya, actuator dan sensor dipergunakan memilih bahan untuk loop gaya. Ini artinya, secara umum, pendukung sumber panas atau komponen elektrik sebagai panas yang terbangkitkan. Indek yang layak (the merit index) pada distorsi panas dapat diperoleh dengan mempertimbangkan hal yang sederhana terhadap terobosan aliran panas satu dimensi pada suatu batang yang diisolasi merata kecuali pada kedua ujungnya. Satu ujung batang berada pada keadaan udara lingkungan dan ujung lainnya disambungkan dengan sumber panas. Dalam keadaan siap (steady state), hukum Fourier: dT ………… (12) q   dX dimana q adalah panas masuk setiap satuan luas,  adalah konduktifitas panas dan dT/dX adalah gradient temperatur yang dihasilkan. Peregangan thermal berbanding terhadap temperature:    (To  T ) ……….. (13) dimana  adalah koefisien muai panas dan To suhu lingkungan, dari persamaan (12) dan (13), diperpoleh: d dT    q ………….(14) dX dX  Jadi geometri yang diberikan panas masuk, distorsi d/dX dan diminimalkan oleh pemilihan bahan dengan harga terbesar dari pada indek meritnya:

ISBN : 979-99735-2-X A-28-6


 ……………………. (15)  bilamana perpindahan panasnya adalah sementara (transient), ini dapat dilihat bahwa indeks menjadi : a M 4  …………………….. (16)  dimana a   / C dan merupakan difusitas panas material dan C panas jenis. Persoalan lain dan getaran mekanis, kepekaan terhadap pengaruh gaya luar diminimalis oleh dibangkitkannya frekuensi alamiah peralatan sebagai hal yang sangat mungkin. Frekuensi terendah dapat dianggap sebagai getaran flesibel. Untuk mencirikan kekakuan flesibel, frekuensi proporsional sebagai: M 1  E 1 2 /  …………….. (17) harga tertinggi untuk indek yang pantas dapat diminimalis dalam problemnya. Terakhir tentunya peralatan yang didesain tentunya dapat dijangkau harga jualnya. M3 

BAHAN DASAR Sejarah telah membuktikan bahwa pengetahuan mekanisme metalurgi menunjukkan pada arah kemasa depan, peningkatan sifat-sifat beban bantalan (bearing) pada bahan mempunyai hubungan korelasi terhadap modulus elastisitas/kekuatan tarik. Keadaan kerja pada suhu rendah (seperti halnya perlunya perhatian terhadap ketangguhan bahan) sangat relevan sampai kini. Walaupun begitu, pada skala yang besar kebutuhan bahan selama abad 20 perangkat kerja yang dipergunakan untuk mencairkan dan memisahkan udara atmosfir seperti pada instalasi helium dan hydrogen cair menunjukkan bahwa persyaratan ketangguhan bahan menjadi pertimbangan yang utama terhadap kekuatan yang diperlukan. Pengalaman menunjukkan bahwa banyak keputusan pemilihan bahan teknik diprioritaskan terhadap ketahanan bahan untuk menghadapi keadaan pada pembebanan yang lebih (overloud) agar tetap aman dan tidak terjadi kecelakaan maka perlu adanya pengukuran atau pengujian terhadap ketahan bahan terhadap control kualitas benturan. Ini satu cara pengukuran uji yang sederhana untuk mengetahui ketangguhan suatu bahan teknik. Banyak jalan yang umum dilakukan untuk membuktikan alat control kualitas yang sangat baik untuk mengukur karakteristik benturan maka dilakukan metoda uji takikan-V Charphy (the Chraphy V-notch test). Pengaruh pada ketangguhan takikan dari pada meningkatnya kandungan nikel pada baja dapat dilihat pada Gambar 4 yang menunjukkan pengaruh kandungan nikel pada suhu transisi benturan atau impact transition temperature (ITT). Oleh meningkatnya kandungan nikel pada baja karbon rendah dari 0 – 5%, suhu transisi benturan yang jatuh dari -30 ke terendah -150oC. Ketangguhan dapat juga diukur oleh luasan dibawah kurva pengujian konvensional parameter regangan-tegangan yang dihasilkan selama uji tarik. Parameter ini sering ditunjukkan sebagai retak akibat operasi kerja, dan selalu mengukur ketangguhan dibawah keadaan pembebanan batas harga (rate) regangan yang tinggi. Dengan meningkatnya permintaan untuk kemapuan hasil yang lebih besar, terutama seperti meningkatnya kekuatan bahan, pengatahuan dasar pada mekanime retak/patah harus dievaluasi. Parameter yang diketahui pada ketangguhan terhadap patah sekarang tetap dilakukan, dipergunakan dan ini tidak sama seperti yang pengetahuan yang terdahulu, tetap bahannya, tidak terika benda ujinya atau bentuk geometri takikannya.

ISBN : 979-99735-2-X A-28-7


Gambar 4: Pengaruh kandungan nikel terhadap ITT pada baja paduan mikro karbon rendah

Pendekatan patah mekanis diusahakan untuk menentukan besaran tegangan yang dibutuhkan pada satu komponen yang mana diindentifikasikan sebagai awal perambatan terutama jenis retak. Sebab itu, pengetahuan ketangguhan patah bahan berarti bahwa tegangan kerja dapat dijaga dibawah beban kerja maksimum yang disyaratkan untuk mencegah kejadian terjadi kerusakan retak atau patah, yang mana selalu dalam pengamatan uji tidak merusak atau NDT (Non destructive test). Ada lima parameter utama yang dapat dipergunakan untuk meningkatkan kekuatan bahan. Pada keadaan yang tidak menguntungkan,semua parameter terkecuali ukuran butiran, d, pengaruh merugikan pada ketangguhan bahan seperti halnya ada pada kekuatan yang dapat menurun. Seperti pada butiran kristal yang diperkecil dari 100 – 2,5 m, kemudian tegangan luluhnya meningkat dari kisaran 150 hingga sekitar 425 MNm-2 dengan turunnya secara dramatis suhu transisi benturannya dari 30 sampai dengan -170oC. KESIMPULAN Dalam beberapa keadaan, suatu bahan dapat dipilih dan memuaskan karena tingkat kehandalannya dari pada sifat individualnya. Walaupun begitu lebih banyak akan tetapi tidak harus, bahan yang sangat baik hanya dapat dipilih dengan menggunakan model optimasi (optimization design) yaitu model perancangan (desain) pemilihan bahan yang berdasarkan criteria kemampuan lebih (optimal) Faktor bentuk maksimum atau optimum dapat dipertimbangkan untuk menentukan sifat bahan dan keuntungan yang dipakai dalam pemilihan bahan. Ada dua metoda yang dipergunakan dalam prosedur pemilihan yaitu penunjukkan kemampuan dan kehandalannya yang berbanding terhadap sifat bahan dan peta pemilihan maksimalis, kemampuan dan kehandalannya. CMS (The Cambridge Materials Selector) adalah paket perangkat lunak computer yang berisikan satu atau lebih database sifat-sifat bahan, system manajemen akan menelusuri dan memanipulasi data dari intersisi (interface) yang dapat menampilkan data sifat bahan sebagai pemetaan pemilihan bahan yang tepat dan akurasi. DAFTAR PUSTAKA M.F.Ashly, Materials and shape, Acta Metal, hal 39, 1999 H.J. Frost and M.F. Ashly, Deformation mechanism maps, Bab 18, Pergamon Press, 2001 R.S. Irani, Encyclopedia of materials science and engineering, Vol.2, 2000

ISBN : 979-99735-2-X A-28-8


ISBN : 979-99735-2-X A-28-9

PEMILIHAN BAHAN YANG TEPAT DENGAN MODEL OPTIMASI UNTUK PERANCANGAN MESIN

Recommend Documents