PENGEMBANGAN MAGNET PERMANEN BERBASIS FERRITE UNTUK PRODUK METER AIR PT MULTI INSTRUMENTASI, BANDUNG

Transkripsi

1 PENGEMBANGAN MAGNET PERMANEN BERBASIS FERRITE UNTUK PRODUK METER AIR PT MULTI INSTRUMENTASI, BANDUNG Iwan Yusan, 1 * Candra Kurniawan 2, Anggito P. Tetuko 2, dan Priyo Sardjono 2 1 PT Multi Instrumentasi, Metro Soekarno-Hatta Estate, Jl. Venus Barat no. 23 Bandung, * info@linflowmeter.com 2 Pusat Penelitian Fisika LIPI, Gd. 440, kawasan PUSPIPTEK, Tangerang Selatan, Banten, INTISARI Salah satu aplikasi sederhana magnet permanen adalah pada alat ukur aliran air atau meter air yang salah satunya difabrikasi oleh PT. Multi Instrumentasi, Bandung. Tulisan ini membahas mengenai pengembangan magnet permanen berbasis ferrite skala industri untuk aplikasi alat meter air yang dilakukan oleh konsorsium magnet Indonesia. Magnet permanen yang digunakan pada meter air di PT. Multi Instrumentasi Bandung adalah berbasis Ba/Sr-ferrite yang terdiri atas jenis 600 dan 950 Gauss (S600G dan S950G). Uji coba fabrikasi magnet skala industri untuk meteran air dilakukan di PT Sintertech, Cikarang. Proses produksi dilakukan dengan sistem dry press dengan kapasitas 1000 pcs/hari. Proses pembuatan magnet permanen dilakukan dengan mengacu pada standar ukuran magnet dari PT Multi Instrumentasi. Proses pencetakan dilakukan dengan pemberian tekanan sebesar 30 tonf/cm 2 terhadap sampel. Setelah dicetak sampel kemudian disinter pada suhu 1280 o C yang ditahan selama 2 jam. Sampel yang telah mengalami proses sinter kemudian dianalisa sifat fisisnya, seperti densitas sinter dan kekerasan Vickers. Pengukuran sifat magnet dilakukan dengan menggunakan Gaussmeter untuk mengetahui medan magnet permukaan (magnetic flux density). Karaterisasi sifat fisis dan magnet diatas juga dilakukan pada magnet permanen impor (tipe S600G dan S950G). Tujuannya adalah untuk membandingkan hasil penelitian magnet permanen cincin (Ba/Sr-Ferrite) skala industri dengan produk komersil yang telah digunakan di PT Multi Instrumentasi. Kata Kunci : meter air, barium heksa ferrite, densitas sinter, remanensi, koersivitas ABSTRACT One of the simple application of permanent magnet is on flow measurement or water meter which one of it is manufactured by PT. Multi Instrumentasi, Bandung. This paper discusses the industrial scale development of ferrite-based permanent magnet for water meter application conducted by Konsorsium Magnet Indonesia. The Permanent magnet that is used in the water meter at PT. Multi-Instrumentasi is a Ba/Sr-ferrite-based consisting of 600 and 950 Gauss types (S600G and S950G). The industrial trial scale of magnets for water meter are conducted at PT Sintertech, Cikarang. The production process is conducted using a dry press system with a capacity of 1000 pcs/day. The permanent magnet fabrication process is done by refering to the magnet size standard of PT Multi Instrumentasi. The molding process is conducted by giving a pressure of 30 tonf/cm 2 to the sample. The molded samples were sintered at 1280 C which was held for 2 hours. The sintered samples were then analyzed its physical properties,such as the sintered density and the Vickers hardness test. The magnetic properties measurements were done using a Gaussmeter to know the surface magnetic field (magnetic flux

2 density). The characterization of Physical and magnetic properties mention above are also performed on the imported permanent magnet (S600G and S950G types). The purpose is to compare the research results of the industrial-scale of a permanent magnet ring (Ba/Sr-Ferrite) to the commercial products that already used at PT Multi Instrumentasi. Keyword : water flow-meter, barium hexaferrite, sintered density, remanence, coercivity 1. PENDAHULUAN Material magnet adalah bagian dari material maju dan merupakan salah satu komponen yang sangat penting untuk aplikasi di bidang otomotif, elektronik dan energi. Secara umum bahan magnet dibagi menjadi dua bagian, yaitu magnet lunak (soft) dan keras (hard) [1]. Di beberapa negara maju, material magnet digunakan antara lain pada alat elektron spin resonance (ESR), levitasi magnet untuk kereta cepat, akselerator partikel, anti brake system (ABS), motor, sensor, microwave shielding, mekatronik dan alat magnetic spin resonance (MRI) [2-5]. Penelitian yang terkait dengan material magnet di Indonesia telah banyak dilakukan dalam skala laboratorium di berbagai institusi Lembaga Pemerintah Non Kementerian (LPNK) dan Universitas namun sampai saat ini belum sampai dalam tahap industrialisasi. Kegiatan penelitian selama ini terfokus pada rekayasa material baru atau metoda baru yang sesuai dengan perkembangan IPTEK. Salah satu aplikasi sederhana magnet permanen adalah pada alat ukur aliran air atau meter air. Indonesia memiliki beberapa perusahaan yang bergerak dalam pembuatan alat meter air ini, salah satunya adalah PT. Multi Instrumentasi yang berada di Ujung Berung, Bandung. Sebagai salah satu perusahaan swasta yang cikal bakalnya berasal dari produk penelitian di Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) berupa alat ukur aliran air berbasis magnet permanen adalah meter air tipe Multijet. Magnet digunakan pertama kali pada Meter air Linflow berdasarkan lisensi dari OKK Corperation-Jepang tahun 1981 umumnya dipakai untuk penggerak magnetik langsung dengan prinsip multi jet. Namun, karena ketiadaan industri yang memproduksi magnet permanen di dalam negeri, selama ini PT. Multi Instrumentasi selalu mengimpor kebutuhan magnet permanennya dari negara China. Pada tahun 2012, antara lembaga penelitian, universitas dan pihak swasta telah membentuk suatu Konsorsium Magnet Indonesia [6] yang bertujuan sebagai pionir dalam menumbuhkan industri magnet permanen nasional. Beberapa anggota konsorsium magnet sebagai perintis, antara lain: Puslit Fisika LIPI, PPET LIPI, PT. BIN BATAN, Universitas

3 Indonesia, dan PT. Sintertech sebagai mitra industri produksi magnet permanen. Melalui kerjasama di bidang alih teknologi fabrikasi magnet permanen dari skala laboratorium hingga skala industri maka dibutuhkan sarana uji coba aplikasi industri yang akan dilakukan pada alat meter air produksi PT Multi Instrumentasi, Bandung. Tulisan ini membahas mengenai proses pembuatan dan pengembangan magnet permanen berbasis ferrite skala industri untuk aplikasi alat meter air produksi PT. Multi Instrumentasi Bandung yang dilakukan oleh konsorsium magnet Indonesia. Selain itu dibahas juga karakterisasi produk magnet permanen ferrite yang meliputi densitas, kekerasan dan sifat magnet. Karakteristik tersebut juga dibahas dan dibandingkan dengan standar kualitas magnet yang digunakan oleh PT. Multi Instrumentasi Bandung. 2. DASAR TEORI Meter air yang dibuat oleh PT. Multi Instrumentasi Bandung adalah bertipe multi jet. Meter tipe ini digerakkan oleh pergerakan turbin didalam rumah meter. Meteran ini bekerja berdasarkan multiple port (lubang) disekitar measuring chamber untuk menghasilkan pancaran air yang berlawanan dengan impeler yang berbanding lurus dengan kecepatan aliran air yang melewati chamber tersebut. Magnet dan roda gigi mengubah jumlah putaran menjadi volume yang ditampilkan dalam display register [7,8]. Meter air tipe multi jet diperlihatkan pada Gambar 2. Gambar 2. Meter air dengan tipe multi jet Meter jenis multi jet adalah jenis meter yang paling banyak digunakan oleh PDAM untuk mengukur konsumsi air di pelanggan perumahan mereka. Kelebihan meter jenis turbin ini adalah biaya produksinya yang cukup murah, akurasi yang sangat baik (untuk tipe single jet), dan stabil dalam pemakaian jangka panjang. Disamping itu meter air ini juga masih menjadi meteran favorit, karena lebih ekonomis dibandingkan meteran kelas C.

4 Dari sisi teknis, meteran jenis ini juga memiliki kelebihan diantaranya cenderung stabil pada perubahan tekanan, resistan terhadap kotoran, memiliki ketahanan terhadap nilai daya magnet > 2500 gauss. Pada meteran tipe multijet, aliran air akan memutar magnet permanen sehingga akan dihasilkan perubahan fluks magnet sesuai dengan hukum Faraday yang dideteksi sebagai sinyal listrik induksi yang digunakan pada prinsip sensor meter air yang ditampilkan pada persamaan 1 [9]. Perubahan fluks magnet ( ) terhadap waktu inilah yang akan menghasilkan tegangan listrik (ε) untuk memutar angka penunjuk pada meter air sehingga dapat diketahui besar jumlah pemakaian air. Besarnya fluks magnet sangatlah dipengaruhi oleh luas permukaan (A) dan medan magnet permukaan (B) dari magnet permanen yang diperlihatkan pada persamaan 2 [9]. ε = / t [1] dengan diketahui, = B. A [2] Pada penelitian sebelumnya telah dibuat magnet permanen Barium Hexaferrite dengan beberapa metode, antara lain solid-solid mixing dan koopresipitasi [10]. Berdasarkan hasil magnet skala lab tersebut telah dihasilkan magnet permanen dengan spesifikasi remanensi magnet (Br) sebesar 2,67 kgauss, koersivitas 89,4 ka/m, dengan densitas magnet yang mencapai 4,34 g/cm 3. Dengan demikian proses alih produksi dari skala lab menjadi skala industri diharapkan dapat mencapai spesifikasi yang dihasilkan dalam laboratorium. 3. METODOLOGI Magnet permanen yang digunakan pada meter air di PT. Multi Instrument Bandung adalah berbasis Ba/Sr-ferrite dengan dua jenis kualitas medan magnet 600 dan 950 Gauss (selanjutnya disebut S600G dan S950G). Oleh karena itu, konsorsium magnet sebagai pengembang magnet permanen produksi dalam negeri melakukan uji coba fabrikasi magnet untuk meteran air skala industri yang dilakukan di PT Sintertech, Cikarang. Bahan baku yang digunakan dalam proses pembuatan magnet berbasis ferrite tersebut adalah serbuk magnet strontium hexaferrite tipe YXC C3 yang berasal dari YuXiang, China. Proses produksi dilakukan dengan sistem dry press dengan kapasitas 1000 pcs/hari. Proses pembuatan magnet permanen dilakukan dengan mengacu pada standar ukuran magnet dari PT Multi Instrumentasi seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Ukuran standar magnet untuk meteran

5 air di PT Multi Instrumentasi adalah diameter dalam 4 mm, diameter luar 8 mm, dan tebal 3,5 mm. Gambar 4. Desain magnet meteran air yang digunakan di PT Multi Instrumentasi, Bandung. Tahapan proses dilakukan dengan mencetak sampel magnet dengan dies berbentuk cincin dengan ukuran diameter dalam 5 mm dan diameter luar 11 cm. Hal ini dilakukan dengan mempertimbangkan terjadinya penyusutan (shrinkage) selama proses pembakaran (sintering) untuk mendapatkan ukuran magnet yang sesuai dengan meter air di PT Multi Instrumentasi. Pencetakan dilakukan tampa medan magnet sehingga magnet permanen yang dibuat merupakan magnet isotropi. Proses pencetakan dilakukan dengan pemberian tekanan sebesar 30 tonf/cm 2. Setelah pencetakan proses selanjutnya adalah pembakaran (sintering) dengan suhu 1280 o C yang ditahan selama 2 jam. Sampel yang telah mengalami proses sinter kemudian dianalisa sifat fisisnya, yaitu densitas magnet sinter dan kekerasan Vickers. Untuk mengetahui sifat magnetnya maka sampel magnet sinter tersebut dilakukan proses magnetisasi dengan alat Alpha Systron Donner Model 4501 dari Alpha Scientific Inc. dalam medan magnet sebesar 1,23 Tesla. Pengukuran sifat magnet dilakukan dengan menggunakan Gaussmeter dari Huatec Co. tipe HGS10A untuk mengetahui medan magnet permukaan (magnetic flux density). Magnet permanen yang akan diaplikasikan pada meteran air dengan tipe multi jet ini dirancang berbentuk ring dan bentuk hasil cetak dan setelah sinter dengan permukaan yang halus diperlihatkan pada Gambar 5. Karaterisasi sifat fisis dan magnet diatas juga dilakukan pada magnet permanen impor langsung dari China untuk tipe S600G dan S950G untuk membandingkan hasil pengembangan penelitian magnet permanen cincin jenis Ba/Sr-Ferrite

6 skala industri dengan produk komersil yang telah digunakan di PT Multi Instrumentasi. Setiap karaterisasi diulang sebanyak 3 kali ulangan untuk vervikasi hasil eksperimen yang dilakukan. Gambar 5. Perbandingan hasil cetak (pre-sintered) dan setelah sinter pada magnet permanen berbentuk ring untuk meteran air di PT. Multi Instrumentasi. 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Bagan alat meter air yang diproduksi PT Multi Instrumentasi ditunjukkan pada Gambar 6. Dari penampang melintang tersebut tampak posisi turbin yang digunakan sebagai rotor yang dialiri air. Kecepatan putar turbin tersebut bergantung pada kecepatan aliran air (debit). Posisi magnet permanen juga diperlihatkan berada diatas turbin yang disusun menyambung dengan magnet permanen pada fix gear untuk menghasilkan tegangan listrik yang digunakan sebagai sensor debit aliran air sesuai dengan hukum Faraday. Semakin cepat debit air yang melewati meter air tersebut maka tegangan yang dihasilkan akan semakin tinggi dan memutar skala ukur air lebih cepat. Oleh karena itu, kekuatan magnet permanen pada meter air jenis multijet ini menjadi sangat penting. Gambar 6. Meter air, tipe multi jet PT Multi Instrumentasi, penampang melintang dan posisi peletakan magnet permanen.

7 Hasil pengukuran densitas dan kekerasan Vickers produk magnet impor dan produk magnet dari Konsorsium Magnet ditunjukkan pada Tabel 1. Pengukuran densitas tersebut dilakukan menggunakan metode Archimedes dengan menghitung perbandingan massa saat ditimbang di udara dengan selisih massa saat ditimbang dalam air. Tabel 1. Hasil pengukuran sifat fisis magnet permanen untuk meter-air (produk konsorsium dan impor) HV No Tipe Magnet ρ (g/cm 3 ) (kgf/mm 2 ) 1 Presintered (Konsorsium) 4,00 2 Sintered 1280 o C (Konsorsium) 4,47 513,77 3 S600G (impor) 4,52 521,70 4 S950G (impor) 4,53 623,07 Pada magnet yang dibuat uji skala industri oleh Konsorsium Magnet tampak bahwa terjadi peningkatan yang cukup besar antara sampel sebelum dibakar (sinter) dibandingkan dengan yang sudah disinter. Hal ini menunjukkan bahwa proses densifikasi pada tahap sintering telah berhasil dilakukan dan menghasilkan peningkatan densitas produk magnet sampai sebesar 11,75% hingga menghasilkan ukuran magnet yang sesuai dengan spesifikasi dalam alat meter air. Dibandingkan dengan magnet permanen impor langsung dari China, tampak bahwa densitas produk magnet yang dihasilkan dari uji skala industri konsorsium magnet ini masih lebih rendah dibandingkan magnet komersil impor. Densitas yang masih lebih rendah tersebut menunjukkan bahwa proses densifikasi masih belum optimal. Analisa kekerasan produk magnet permanen menunjukkan bahwa magnet permanen impor jenis S950G memiliki nilai kekerasan tertinggi dibandingkan dengan magnet jenis S600G maupun magnet dari uji skala industri oleh konsorsium magnet. Nilai kekerasan Vickers ini menjelaskan tingkat ketahanan material terhadap deformasi plastis. Dengan demikian besarnya kekerasan vickers produk magnet berbanding lurus dengan densitas dari masing-masing produk magnet tersebut. Semakin tinggi densitas magnet permanen maka kekerasan vickersnya pun juga semakin tinggi, yang artinya semakin berat magnet tersebut maka semakin tahan terhadap deformasi plastis atas pemberian tekanan pada uji kekerasan. Analisa selanjutnya adalah pada pengukuran sifat magnet dari produk magnet permanen dari uji skala industri konsorsium magnet dibandingkan produk magnet permanen komersil impor. Pengujian pertema menggunakan Gaussmeter untuk mengukur medan magnet permukaan

8 (magnetic flux density) masing-masing magnet. Karena magnet berbentuk cincin, maka proses pengukuran dilakukan pada 4 titik sepanjang lingkaran permukaan kutub magnet seperti ditunjukkan pada Gambar 7. No Gambar 7. Posisi pengukuran medan magnet permukaan pada magnet permanen untuk meter air. Tabel 2. Hasil pengukuran medan magnet permanen untuk meter air (produk Konsorsium dan Impor) Tipe Magnet Medan Magnet (Gauss) StDev 1 Presintered (PT Sintertech) 2 Sintered 1280 oc (PT Sintertech) ,1 3 S600G (impor) ,2 4 S950G (impor) ,0 Hasil pengukuran medan magnet permukaan produk magnet permanen ditunjukkan pada Tabel 2. Pengukuran medan magnet luar produk magnet dari uji skala industri konsorsium magnet hanya dilakukan pada magnet hasil sinter 1280 o C. Berdasarkan uji medan magnet dengan Gaussmeter ditunjukkan bahwa nilai medan magnet produk uji industri konsorsium masih belum mencapai tingkat yang diinginkan sesuai spesifikasi produk magnet impor. Dibandingkan dengan magnet komersil S600G dengan nilai medan magnet rata-rata sebesar 532 Gauss masih lebih tinggi dibandingkan magnet konsorsium dengan nilai medan magnet rata-rata 457,5 Gauss. Sedangkan magnet S950G memiliki nilai medan magnet rata-rata sebesar 811 Gauss. Namun demikian, hasil analisis distribusi medan magnet pada Tabel 2 juga menunjukkan bahwa produk magnet komersil memiliki distribusi medan magnet yang kurang seragam sepanjang cincin, diketahui melalui deviasi rata-rata medan magnet komersil pada magnet S600G dan S950G berturut-turut sebesar 145,2 dan 136 Gauss. Dibandingkan dengan magnet uji industri konsorsium magnet yang cukup seragam dengan deviasi medan magnet hanya 19,1 Gauss sepanjang permukaan cincin.

9 Berdasarkan pengujian sifat fisis dan sifat magnet masing-masing jenis produk magnet tersebut tampak bahwa diperlukan penelitian lanjutan untuk proses fabrikasi magnet permanen yang dilakukan oleh konsorsium magnet. Dengan demikian diharapkan dapat menghasilkan produk magnet permanen dengan kualitas yang lebih optimal dan segera dapat menjadi pioneer dalam pengembangan industri magnet permanen di Indonesia agar dapat mengurangi ketergantungan industri lokal terhadap produk-produk magnet permanen impor. 5. KESIMPULAN Berdasarkan hasil analisa produk-produk magnet permanen komersil impor dengan magnet permanen hasil uji industri dari Konsorsium Magnet dapat disimpulkan beberapa hal. Pertama dinyatakan bahwa telah berhasil dilakukan fabrikasi magnet permanen skala industri dari pengembangan laboratorium oleh konsorsium magnet untuk diaplikasi pada alat meter air produksi PT Multi Instrumentasi. Namun dari analisis sifat fisis maupun sifat magnet masih terdapat kelemahan yang perlu ditingkatkan untuk mendapatkan kualitas magnet optimum sesuai standar alat meter air. Dari data analisis ditunjukkan bahwa medan magnet yang dihasilkan konsorsium lebih homogen dibandingkan magnet komersil impor dengan deviasi sebesar 19 Gauss dibandingkan magnet impor yang memiliki deviasi medan sampai lebih besar dari 100 Gauss. Melalui analisis densitas dan kekerasan tampak bahwa pada magnet yang memiliki densitas lebih tinggi menghasilkan nilai kekerasan yang lebih tinggi juga. Seperti pada densitas magnet konsorsium 4,47 g/cm 3 dibandingkan densitas magnet impor 4,52 g/cm 3 memiliki nilai kekerasan masing-masing sebesar 513,77 dan 521,70 kgf/ mm 2 sehingga terjadi peningkatan sebesasr 7,93 kgf/mm 2. Dengan demikian, diharapkan percepatan pengembangan industri magnet permanen di Indonesia agar dapat mengurangi ketergantungan industri lokal terhadap produk-produk magnet permanen impor sehingga memperlancar proses alih teknologi magnet dari Litbang ke Industri dan PT Multi Instrumentasi sebagai konsumen. 6. UCAPAN TERIMA KASIH Pada kesempatan ini diucapkan terima kasih kepada kelompok Konsorsium Magnet yang telah melakukan kegiatan riset pengembangan material magnet untuk sensor meter air yang nantinya diharapkan produknya dapat menggantikan produk magnet impor sebagai subsitusi

10 untuk memenuhi kebutuhan komponen magnet pada alat meter air produksi PT Muli Instrumentasi Bandung. Tak lupa ucapan terima kasih kepada Prof. Perdamean Sebayang (PPF- LIPI) atas masukan-masukan yang telah diberikan dalam penulisan makalah ini. 7. DAFTAR PUSTAKA [1] Hernando A., and Gonzales JM. Soft and Hard Nanostructured Magnetic Materials, Hyperfine Interactions, Vol. 130, No. 1-4 (2000), , DOI: / A: [2] Jeong-Min Jo, Young-Jae Han, Chang-Young Lee. Design of the Miniature Maglev using Hybrid Magnets in Magnetic Levitation System. World Academy of Science, Engineering and Technology Vol. 62 (2012), [3] Hua Pang, Mei Fan,Zhifu He. A method for analyzing the microwave absorption properties of magnetic materials. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 324 (2012) [4] J.B. Kortright, D.D. Awschalom, J. Stohr, S.D. Bader, Y.U. Idzerda, S.S.P. Parkin, Ivan K. Schuller &, H.-C. Siegmann. Research frontiers in magnetic materials at soft X-ray synchrotron radiation facilities. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 207 (1999) [5] H. Lesani, A. Darabi, Z. Nasiri Gheidari and F. Tootoonchian. Very Fast Field Oriented Control for Permanent Magnet Hysteresis Synchronous Motor. Iranian Journal of Electrical & Electronic Engineering, Vol. 2, No. 1, (Jan. 2006), [6] Prijo Sardjono, Inovasi Pembuatan Teknologi Magnet Permanen, Insentif Riset Sinergi Nasional, Kementrian Riset dan Teknologi RI, [7] Water Meter, Dasar-dasar dan Teknologi Meter air, diakses tanggal 25 September [8] L. Stedman, Motivations for metering, Water 21, The Magazine of the International Water Association, (April 2006), [9] D.J. Griffiths, Introduction to Electrodynamics (Third Edition), Upper Saddle River NJ: Prentice Hall (1999), pp [10] P.Sebayang, Muljadi, Masbah R T Siregar, dan Tomi Budi Walyo. Ferrite-based material as a permanent magnet for components of electrical generators. Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 2 (2011) (5pp)