Rancang Bangun Mesin Emboss Logo pada Peralatan Masak Rumah Tangga Untuk Bahan Stainless Steel dengan Tebal 0,3 mm
YUSUF ALDILA PRADANA DAN JEFRY ANANG CAHYADI Program Studi D III Jurusan Mesin Produksi Disnakertransduk Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Submited and Received July 25, 2012 Abstract. At the home industry to make cook equipment commonly using simple method, especially on embossing process in the outside of the sheet metal. One of alternative to upgrade efficiency and productivity is create press machine with a onetime embossing press process. Design of the press machine must be able to make embossed logo with high quality in every sheet of staniless steel plate that used as a basic material to make cook eqipment. Begins of the calculation start from calculating the embossing forces also the embossing work and then find of force on shafts, keys, belts, pulley, power of motor, and transmission of gear. From the calculation resulted forming force 740, 84 kgf, power of motor 1,31 HP, final rotation of the bevel gear 60 rpm and engine capacity 540 product/hour. Key word: embossing methode, sistem control, stainless steel
1. Pendahuluan Embossing atau pengecapan banyak kita jumpai diberbagai tempat. Proses embossing digunakan untuk memberikan identitas atau merk dari sebuah produk, proses ini digunakan karena umur atau tingkat keawetannya tergolong sangat lama. Beberapa contoh penerapan proses embossing adalah pada jok mobil, helm, plat baja, dan juga pembuatan aksesoris buatan seperti daun tiruan untuk pembuatan bunga hias. Beberapa dari proses embossing tersebut membutuhkan proses pemanasan, yang sering disebut hotpress, untuk mendapatkan hasil yang sesuai. Proses hotpress banyak digunakan untuk embossing pada kulit imitasi (cover jok mobil), Helm, daun tiruan, dan juga sandal. Pembuatan perangkat penanak nasi khususnya proses pengecapan atau
embossing pada industri rumah tangga masih menggunakan cara konvensional dengan meletakkan plat diantara punch dan die kemudian dipukul beberapa kali. Pada segi efisiensi dan kualitas masih terbilang rendah, karena proses produksinya yang masih sederhana sehingga hasil embossing yang didapat tidak bagus. Dengan alasan itu kita memerlukan suatu mesin untuk pengecapan atau embossing yang mampu membuat logo pada perangkat penanak nasi dengan kualitas yang lebih baik. Dalam proses pembuatan produk ini, kami mencoba merancang bangun suatu mesin dengan sistem tekan untuk mempermudah proses embossing pada perangkat penanak nasi. Pada tugas akhir ini akan dilakukan “Rancang Bangun Mesin Emboss Logo Pada Perangkat Penanak Nasi Untuk Bahan Stainless 1
Steel“, Sistem ini akan melakukan pengecapan logo pada perangkat penanak nasi. Berdasarkan latar belakang yang ada, terlihat bahwa permasalahan yang dapat diambil sebagai berikut : 1. Perancangan desain alat dengan sistem tekan. 2. Perhitungan gaya pembentukan. 3. Perencanaan sistem tekan yang sesuai dengan kekuatan plat yang akan diemboss. Untuk mencapai tujuan perancangan dan memperjelas ruang lingkup permasalahan yang akan dibahas, maka perlu ditentukan batasan-batasan masalah dalam penulisan ini. Dalam hal ini batasan atau asumsi yang dipakai adalah: 1. Pada proses produksi diasumsikan bahwa rangka mampu menahan segala gaya yang terjadi, dan tidak terjadi deformasi pada komponen rangka sehingga perhitungan sambungan konstruksi dianggap aman. 2. Tidak membahas material dan konstruksi mesin. 3. Untuk berbagai tambahan accesoris tidak di bahas 4. Pembahasan terhadap sistem transmisi pada proses embossing logo. 5. Plat yang diemboss adalah stainless steel dengan ketebalan 0,3 mm 6. Bentuk dari logo embossing yang kami gunakan adalah oval. Tujuan yang ingin dicapai pada tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Mendesain suatu mesin pembentukan (merancang bangun) “Rancang Bangun Mesin Emboss Logo Pada Perangkat Penanak Nasi Untuk Bahan Stainless Steel“. 2. Mengetahui gaya pembentukan yang dibutuhkan untuk mengemboss lembaran plat stainless sehingga
didapatkan logo perusahaan dengan hasil yang baik. 3. Mampu merencanakan sistem tekan yang sesuai dengan kekuatan plat yang akan diemboss. 2. Metodologi Pada bab ini akan dibahas secara detail mengenai perencanaan dan pembuatan alat, secara keseluruhan proses pembuatan dan penyelesaian Tugas Akhir ini digambarkan dalam diagram alir atau flow chart di bawah ini.
Gambar 1. Flow Chart Metodologi Perencanaan Proses dalam menyelesaikan pembuatan Mesin Emboss ini melalui beberapa tahap sebagai berikut: 1. Observasi
Observasi atau studi lapangan ini dilakukan dengan survei langsung. Hal ini dilakukan dalam rangka pencarian data
2
yang nantinya dapat menunjang penyelesaian tugas akhir ini. 2. Studi literatur Pada studi literatur meliputi mencari dan mempelajari bahan pustaka yang berkaitan dengan segala permasalahan mengenai perencanaan mesin tekan ini yang diperoleh dari berbagai sumber antara lain buku, publikasi-publikasi ilmiah, dan survey mengenai komponen-komponen di pasaran. 3. Data lapangan Dari lapangan didapat data bahwa proses pembuatan logo masih menggunakan mekanisme manual, yang relatif membutuhkan waktu yang lama, ketepatan atau kualitas cap yang tidak bagus, dan tenaga manusia yang dibutuhkan sangat besar untuk produksi masal. 4. Perencanaan dan perhitungan Perencanaan dan perhitungan ini bertujuan untuk mendapatkan desain dan mekanisme yang optimal dengan memperhatikan data yang telah didapat dari studi literatur dan observasi langsung. Rencana mesin yang akan di rancang ini adalah mesin emboss logo pada perangkat penanak nasi untuk bahan stainless steel 5. Penyiapan komponen peralatan Penyiapan komponen ini meliputi beberapa alat antara lain: Motor AC 1420 rpm (3Hp), Reducer (1:20), Hypoid Gear (1:3) elemen mesin (Bantalan, Poros, Power Screw, Pulley dan Belt), kerangka mesin dst. 6. Pembuatan mesin Dari hasil perhitungan dan perencanaan dapat diketahui spesifikasi dari bahan maupun dimensi dari komponen yang akan diperlukan untuk pembuatan alat. Dari komponen yang diperoleh kemudian dilakukan perakitan untuk membuat alat yang sesuai dengan desain yang telah dibuat. 7. Uji peralatan Setelah alat selesai dibuat lalu dilakukan pengujian dengan mengoperasikan alat tersebut. Dalam
pengujian nanti akan dicatat dan dibandingkan waktu yang diperlukan dalam pembuatan logo pada dinding perangkat penanak nasi. 8. Pembuatan laporan Tahap ini merupakan ujung dari pembuatan mesin tekan ini, dengan menarik kesimpulan yang didapat dari hasil pengujian yang telah dilakukan. Setelah mesin tekan selesai dirancang bangun, maka dilakukan proses embossing logo pada dinding perangkat penanak nasi dengan langkah-langkah sebagai berikut : 1. Benda kerja berupa lembaran plat stainless steel dipotong bentuk persegi panjang dengan dimensi sesuai kapasitasnya yaitu mulai kapasitas ½ kg sampai 6 kg. 2. Benda kerja diletakkan di atas dies 3. Menjalankan mesin untuk embossing benda kerja (tekan). 4. Setelah selesai, mengambil benda kerja yang telah terbentuk. 5. Selesai.
Gambar 2. Rancang Bangun Mesin Emboss Keterangan : 1. Motor Listrik 2. Speed reducer (gearbox) 3. Ulir penggerak 4. Pinion dan Roda gigi bevel 5. Plat alas untuk Die embossing 6. Punch dan Die embossing 3
7. Pulley 3. Hasil dan Pembahasan Metal Forming Proses pembentukan logam dengan mempergunakan gaya tekan untuk mengubah bentuk dan atau ukuran dari logam yang dikerjakan. Sasaran utama dari proses pembentukan logam adalah memperkirakan besar deformasi dari logam dan besarnya beban yang diperlukan. Dalam industri saat ini hal ini sering diabaikan dan hanya didasarkan bagaimana dapat melakukan perubahan bentuk yang diinginkan tanpa mau mengetahui tegangan dan regangan didalam material. Tujuan dari perkiraan beban kerja dan evaluasi akibat perubahanperubahan dari parameter dalam proses seperti embossing dan lain-lain adalah untuk memanfaatkan secara tepat kemampuan mesin agar dapat dicapai produktivitas maksimum ataupun untuk mandapatkan ukuran besarnya mesin yang diperlukan.
Gambar 3.Embossing, a) posisi awal sbelum penekanan, b) posisi setelah penekanan (Ref 11 hal 212) Aplikasi dari proses embossing banyak digunakan pada industry manufaktur pada segala macam jenis plat baja: a) Melekukkan, membuat manikmanik, dan penonjolan local guna menguatkan permukaan plat. b) Pembuatan begde dari plat yang tipis. c) Perhiasan. d) Perataan dan pelurusan
Embossing a. Definisi Embossing adalah sebuah proeses pembentukan dimana permukaan dari benda kerja berubah dibawah pengaruh tekanan tinggi. Terdapat sebuah perbedaan antara embossing dan stamping, bergantung dari deformasi yang digunakan. Pada proses embossing, ketebalan material yang diemboss masih tetap pada saat setelah proses embossing. Sebuah tekanan diberikan pada salah satu sisi dienya kemudian ditahan oleh die yang menonjol pada sisi lainnya dari benda kerja.
Gambar 4. Manik-manik untuk mengeraskan plat lembaran (Ref 11 hal 212)
Gambar 5. Bedge hasil embossing (Ref 11 hal 212) Proses perataan berada pada proses antara embossing dan stamping. Proses ini 4
digunakan untuk meluruskan bagianbagian yang terbelit atau melengkung akibat proses stamping dan shearing. Terkadang, proses pelurusan dilakukan diantara plat parallel.
Gambar 7. Embossing, s adalah ketebalan material (Ref 11 hal 213) Gambar 6. Pola kisi-kisi dari die straightening (Ref 11 hal 213) b. Material Material yang umum digunakan pada proses embossing adalah: Alumunium Kuningan Baja pengerolan dingin Tembaga Baja galvanis Baja pengerolan panas Baja (semua campuran) Seng c. Perhitungan gaya dan kerja mekanik Gaya embossing Pada proses embossing, terdapat perbedaan yang bergantung pada gaya embossing. a) Pengaruh terjadinya spring back pada material sangatlah mungkin, walaupun dengan nilai yang kecil. Apabila tidak memperhitungkan dimensi dari bagian yang diemboss. Punch sesuai dengan die dengan adanya jarak.
b) Pengaruh spring back tidak akan terjadi apabila telah dilakukan observasi pada toleransi yang dibutuhkan. Pada proses ini, jarak ruangan tidak diizinkan antara punch, die, dan material yang dibentuk. Punch harus sesuai dengan die. a+2.s≥b Pada batasan ini, material yang deforming akan mengalami peregangan pada bagia batasnya. Untuk alas an semacam ini, denga suaian longgar dan sesak pada punch dan die maka perbedaan deformasi akan muncul dan perbedaan ini adalah kr. Resistansis deformasi (Kr) Hasil perhitungan pada tabel 2.2 bergantung pada proses kendali penekanan saat engsel atau poros engkol digunakan, dapat diketahui bahwa 50% lebih gaya dibutuhkan untuk efek tumbukan yang lunak dibandingkan dengan tumbukan yang keras dari proses kendalinya. Tabel 1. Nilai Kr untuk Embossing 2 (N/mm ) (Ref 11 hal 214)
b>a+2.s
5
Resistansi deformasi bergantung pada: a) Material yang akan dibentuk. b) Permukaan dari material dan die. c) Pelumasan pada permukaan gesek. d) Bentuk dari benda kerja dan cetakan. e) Tegangan rata-rata dan juga penggunaan mesin. Luasan dari punch (Ae)
Gambar 8. Dimensi dasar selama proses embossing (Ref 11 hal 215) Kerja embossing (W) Kerja dari pada embossing dapat ditentukan dari persamaan berikut:
W = Fm . h
Ae = w. l Dimana:
Ae : Proyeksi bentuk luasan sebenarnya
yang akan dicetak dengan die (mm2)
(Ref 11 hal 215)
Dimana: W : Kerja embossing Fm : Rata-rata kerja embossing efektif sepanjang lintasan deformasi h
: lintasan deformasi
(Ref 11 hal 215) Gaya embossing maksimal (Fe)
Fe = kr. Ae
(Ref 11 hal 215 )
Dimana: Fe : Gaya embossing kr : Resistansi deformasi Ae : Proyeksi bentuk luasan sebenarnya yang akan dicetak dengan die (mm2)
Gambar 9. Diagram perpindahan gaya selama proses embossing (Ref 11 hal 215) Pada embossing, deformasi yang terjadi pada bagian h adalah sama dengan kedalaman indentasi. Tenaga utama Fm berasal dari diagram perpindahan gaya yang secara garis besar merupakan area segitiga dari proses embossing. Daerah segitiga tebentuk oleh kurva perpindahan 6
gaya dari sumbu x dan garis-garis sejajar dengan sumbu y pada jarak h adalah pengerjaan embossing. 𝑊
𝐹𝑒 ℎ
Menentukan luasan daerah yang berupa tulisan diasumsikan berbentuk oval Luasan oval 1
Dengan kata lain, untuk kerja energi regangan embossing (W) dapat juga dirumuskan sebagai berikut:
W = x . Fe . h
(Ref 11 hal 215)
W : Kerja deformasi (N m) Fe : Gaya embossing maksimal ( N ) Fm : Gaya embossing rata-rata ( N ) h : Lintasan deformasi ( m ) x : Faktor proses, x=Fm/Fmax ≈ 0.5 x ditentukan dari diagram kerja Untuk membuat logo pada peralatan masak rumah tangga diambil sebuah contoh logo berbentuk oval dengan diameter 85 mm dan 35 mm. Oleh karena itu perlu diketahui berapa besar gaya yang dibutuhkan pada proses pembuatan logo itu sendiri dan gaya tekan dapat dihitung dengan rumus:
Luasan oval 2
Jadi luasan untuk tulisan adalah: A= =1422,55mm2 Untuk luasan yang bergambar gajah diasumsikan berbentuk persegi panjang
Gambar 11. Luasan dari profil gajah A=PxL A3=40x25=1000 mm2 Jadi luasan yang diembos adalah luasan tulisan ditambah dengan luasan gajah Gambar 10. Luasan yang akan di emboss Menetukan luasan yang diembos A = Luas oval (mm2)
ATotal=A+A3=1422,55+1000=2422,55mm2 Gaya yang digunakan untuk mengembos plat: Kr = 3000 N/mm (Ref11tabel17.1 hal214) Fe = kr. Ae (Ref 11 hal 215) 2 Fe = 3000N/mm x2422,55mm2 Fe = 7267,65 N Fe = 740,84 Kgf 7
Didapat gaya untuk mengembos plat stainless steel dengan tebal 0,3 mm dan luasan sebesar 2336,56mm2 dibutuhkan gaya sebesar 740,84 kgf. Kerja embossing yang dibutuhkan adalah: W = Fm . h = 1/2 . Fe . h = 1/2 . 740,84 . 3 = 1111, 26 N Jarak naik dan turun ulir penggerak masing-masing sejauh 10mm, putaran ulir penggerak = 60rpm, dan 1 putaran = 1pitch = 3mm maka kapasitas mesin adalah sebagai berikut : Dimana: n = putaran yang direncanakan 60rpm t = waktu yang dibutuhkan untuk proses naik dan turun S = jarak naik dan turun P = pitch (jarak aksial antar satu elemen ulir dengan elemen ulir berikutnya)
1. Dari perencanaan gaya maksimal untuk membentuk logo membutuhkan gaya 740,84 kgf. 2. Motor yang digunakan adalah motor listrik 3 phase dengan daya 3 HP dan putaran sebesar 1420 rpm. 3. Jumlah putaran yang digunakan untuk memutar ulir penggerak adalah 60 rpm. 4. Speed reducer yang digunakan mempunyai rasio 1/20. 5. Ukuran diameter pulley adalah : Diameter pulley 1 = 180mm Diameter pulley 2 = 90mm 6. Belt yang dipakai adalah type A dengan solid wofen cotton, panjang belt 1200 mm. 7. Poros yang digunakan dari bahan baja AISI 1050 CD, dengan diameter 35 mm dan panjang 170mm 8. Bearing yang digunakan pada sistem kerja poros adalah pillow block type single row deep groove dengan diameter dalam 35 mm. 9. Kapasitas mesin menghasilkan 540 produk/jam 5. Saran
⁄
Q 539,7 produk
jam
540 produk
jam
Jadi mesin ini dapat menghasilkan 540 produk dalam waktu 1 jam. 4. Kesimpulan
1. Pemasangan die sebaiknya lebih presisis agar mendapatkan pola yang sesuai dengan yang ingin dicetak. 2. Dari segi konstruksi sebaiknya rangka mesin dibuat lebih kuat dan kokoh untuk mengurangi besarnya tekanan dan getaran yang ditimbulkan oleh putaran roda gigi. 3. Stabilizer agar punch dan die dapat bergerak dengan sempurna perlu diperhitungkan kembali dari segi efektifitasnya. 4. Sebaiknya diberi tambahan plat sejajar dengan tebal die, untuk mencegah terjadinya penekanan yang berlebih.
Dari perencanaan dan perhitungan pada mesin embos logo peralatan masak rumah tangga, diperoleh data-data sebagai berikut: 8
6. Daftar Pustaka 1) Advantage Fabricated Metals. A Division of Corrugated Metals, Inc.
. 2) A.Schey, John. Introduction To Manufacturing Processes, Third Edition. 3) Deutchman, Aaron D. 1975. Machine Design : Theory and Practice. New York: Macmilan Publishing Co, Inc. 4) Dobrovolsky. V. Machine Elements. Russian Second Edition. 5) Mott, Robert L. Machine Elements in Mechanical Design, Fourth Edition.2004.
6) Norton, Robert L. Machine Design : An Integrated Approach, Prentice Hall International Edition.1996. 7) Serope Kalpakjian,1997, Manufacturing Processes for Engineering Materials 3th edition. 8) Suhariyanto.2006.Diktat Elemen Mesin I.Surabaya: Jurusan D3 Teknik Mesin FTI-ITS. 9) Sularso, Kiyoto Suga. Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, Cetakan ke tiga. 10) Syamsul Hadi dan Suhariyanto. Diktat Elemen Mesin II. Surabaya: Jurusan D3 Teknik Mesin FTI-ITS. 11) Tschaetsch, Heinz. 2006. Metal Forming Practise. Berlin. Springer.
9
