Simulasi Springback pada Laser Beam Bending dan Rotary Draw Bending untuk Pipa AISI 304L

Transkripsi

1 F108 Simulai Springback pada Laer Beam dan Rotary Draw untuk Pipa AISI 304L Adnan Syadidan, Ma Irfan P. Hidayat, dan Wikan Jatimurti Departemen Teknik Material, Fakulta Teknologi Indutri, Intitut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Abtrak Proe bending tube pada dewaa ini telah mengalami banyak perkembangan. Dua metode diantaranya adalah rotary draw bending yang berifat konvenional erta laer beam bending yang lebih modern. Selain itu, untuk mengoptimalkan proe tube bending diperlukan pengertian lebih mendalam terhadap fenomena pringback, agar hail yang didapatkan lebih preii. Pada penelitian ini dilakukan analii pringback menggunakan Finite Element Method dengan bantuan oftware ANSYS Simulai dilakukan untuk mendapatkan hail pringback dari kedua metode yang nantinya akan dibandingkan. Penelitian pertama dilakukan dengan menimulaikan proe laer beam bending hingga mencapai bata makimum udut bending yang dapat diterima. Selain itu, imulai juga dilakukan pada metode rotary draw bending dengan parameter diameter dan ketebalan tube yang ama eperti ebelumnya namun, dengan udut bending yang berbeda yaitu ebear 60, 120, dan 180 yang akan digunakan ebagai data pendukung nilai pringback. Dari imulai didapatkan bahwa emakin tinggi laer power dan pa number pada laer beam bending, maka akan emakin tinggi pringback yang dihailkan namun, maih angat kecil bila dibangdingkan dengan rotary draw bending. Kata Kunci Springback, 304L, Rotary Draw, Laer Beam, Metode Elemen Hingga. T I. PENDAHULUAN UBE bending merupakan hal yang angat penting dalam indutri manufaktur ebagai contoh pada boiler, mein, heat exchanger, pendingin ruangan, dan pipa maupun tube. Tube dapat dibengkokkan ecara mekani baik dalam keadaan pana (hot bending) maupun dingin (cold bending), walaupun proe bending lebih banyak digunakan dalam keadaan dingin. Cold bending lebih efiien dan menghailkan produk yang lebih rigid, edangkan hot bending lebih euai untuk udut bending yang lebih kecil atau diameter tube yang lebih bear. [1] Laer forming merupakan teknik forming dengan proe beba pringback dan juga tanpa kontak yang dalam dekade belakangan telah banyak dilakukan penelitian tentangnya. Dibandingkan dengan mengaplikaikan gaya ekternal menggunakan tool forming, laer forming lebih diebabkan oleh deformai plati yang dihailkan dari tegangan termal akibat pemanaan laer dan pendinginan yang cepat. Mekipun aal mula dari laer forming dapat diteluuri dari metode flame bending yang telah ada ebelumnya, namun laer forming memiliki teknik yang lebih mulu dan terkendali yang menawarkan banyak kemungkinan aplikai unik. Berbagai kemungkinan aplikai ini dihailkan dari kontrol yang baik pada tranfer energi, akurai tingkat tinggi dan reproduktifita, flekibilita yang tinggi, erta ifat tanpa kontaknya.[2] Rotary draw bending merupakan proe fiik tri-nonlinier dengan efek kopling multifactor dan beberapa kecacatan eperti local wrinkling, over thinning (bahkan crack), dan ditori cro-ection dengan parameter forming yang tidak euai. Bila dibandingkan dengan proe bending yang lain, metode ini merupakan proe kontak dominan dalam multidie contraint dengan menggunakan bend die, clamp die, preure die, wiper die, erta mandrel (dengan mandrel hank dan bola flekibel). [3] Hanya dengan penggunaan yang preii dari alat-alat ini, memungkinkan ketabilan dan ketepatan dari deformai bending dapat dicapai dengan Rd / D, beba wrinkling, derajat deformai dari wall thinning dan cro-ection. Geekkan dari berbagai interface alat memungkinkan untuk memberikan efek yang berbeda-beda dari perilaku deformai bending metode ini.[4] Sedangkan pringback merupakan fenomena train recovery yang diakibatkan pelepaan tegangan ia pada lembaran logam aat dilepakan dari cetakan. Dalam rangka memprediki bear nilai dari pringback, imulai akurat dari tegangan pada dead point dan perilaku tanpa beban dari material angat dibutuhkan. Penelitian pringback ecara teoriti dan ekperimental pada rotary draw telah banyak dilakukan. Hail dari penelitian terebut menunjukkan bahwa udut pringback berbanding luru dengan udut bending pada udut bending yang bear, dan kontrol bend-rebend biaanya mengandung data pringback dan penyeimbangnya. Metode dari kontrol proe dikembangkan untuk mengoptimalkan trategi kontrol ecara keeluruhan. Prediki pringback berdaarkan ekperimen dianggap cukup terpercaya, mengandung data pringback yang hanya berlaku pada tube bending dengan kondii yang ama.[1] II. METODE PENELITIAN A. Peralatan yang Digunakan Peralatan yang digunakan dalam penelitian berupa perangkat lunak (oftware) berbai metode elemen hingga yaitu ANSYS dengan modul Mechanical APDL Releae 17.1 yang digunakan untuk membuat pemodelan pringback dan memodelkan imulai metode rotary draw bending dan laer beam bending. B. Material Tube Pada penelitian ini, material yang digunakan pada proe tube bending adalah AISI 304L. Data material yang ada diperoleh dari North American Stainle dengan

2 F109 menggunakan tandar UNS S30430, EN dan ASM Handbook Vol 1. Kompoii dari AISI 304L dapat dilihat pada Tabel 1 dan untuk properti material AISI 304L dapat dilihat pada Tabel 2 berikut. Tabel 1. Standar Kompoii Kimia AISI 304L (NAS-UNS S30430, EN ) Unur C Mn P S Si Cr Ni Min Max Tabel 2. Properti Material dari AISI 304L Konduktivita (W/m K) 31.7 Specific Heat (J/kg K) 682 Koefiien Konveki (W/m 2 ) 20 Poion ratio 0.3 Modulu Elatiita (Gpa) 196 Denity (kg/m 3 ) 7850 Thermal Expanion (1/K) 2.00E-5 C. Geometri Tube Geometri yang digunakan kedua metode bending pada penelitian ini yaitu tube berpenampang lingkaran. Penampang lingkaran ini memiliki ukuran outer diameter ebear 15mm dengan ketebalan tube 2mm. Kedua metode memiliki panjang yang ama yaitu 800mm. D. Pemodelan Pipa Tipe pemodelan yang digunakan pada penelitian ini untuk kedua metode menggunakan element type SHELL 132 dengan 8 node untuk analia termal dan SHELL281 dengan 8 node untuk analia truktural, dengan atu derajat kebebaan (DOF) temperatur pada maing maing node. Pada metode laer beam bending digunakan dua analia yaitu termal dan truktural. Properti material yang dimaukkan untuk analia termal antara lain konduktivita termal iotropic, pecific heat, denita, erta koefiien konveki, lalu untuk analia tructural antara lain poion ratio, modulu elatiita, erta denita. Adapun pemodelan boundary condition pada laer beam bending untuk analia termal, perpindahan pana yang terjadi adalah konveki, dimana konveki terjadi pada emua permukaan tube kecuali pada daerah yang dikenai laer, konveki yang terjadi merupakan free convection artinya konveki tanpa ada pengaruh dari luar. Proe adiabatik dianggap terjadi pada tube path yang dikenai inar laer. Untuk analia tructural, alah atu ii tube akan dijepit ke egala arah, ehingga dapat dilihat repon mekanik yang terjadi. Sedangkan untuk die pada rotary draw bending dianggap rigid. E. Mehing Mehing yang digunakan pada imulai laer beam bending dan rotary draw bending menggunakan metode free meh dengan elemen egitiga dan martize 1 untuk tube. Elemen egitiga dipilih karena mempermudah memperoleh konvergeni namun diperlukan mehing dengan ukuran yang cukup halu F. Tipe Pembebanan Pembebanan pada penelitian kali ini dibagi berdaarkan tipe pembebanan untuk maing-maing metode. Untuk tipe pembebanan metode laer beam bending yaitu pembebanan termal. Pada proe termal, tube akan diberi pana yang beraal dari laer dalam bentuk heatflux, melintang pada tengah ii kiri tube elama 10 detik. Setelah proe pemanaan eleai, maka dilakukan proe pendinginan dengan free convection elama 180 detik. Proe pemanaan dan pendinginan ini dilakukan elama dua kali () untuk mendapatkan hail ditribui temperatur. Nilai ditribui temperature ini kemudian akan menjadi pembebanan truktural yang akan ditambahkan dengan beban diplacement pada ii kanan tube ebear 0 ebagai boundary condition. Langkah ini akan diulang kembali untuk jumlah pa erta laer power lainnya. Sedangkan tipe pembebanan pada metode rotary draw bending, menggunakan diplacement ke arah umbu Z (ROTZ) dengan menggunakan pilot node pada bend die, dan preure pada tube dengan nilai internal preure = 5. Pembebanan pada metode laer beam bending dilakukan hingga mencapai udut tertentu yang merupakan bata makimal kemampuannya bila tanpa adanya external preure. Hal ini dikarenakan metode laer beam bending memiliki keterbataan udut bending yang bearannya akan dicari pada percobaan kali ini. Hail analia truktur dari metode laer beam bending ini nantinya akan dibandingkan dengan metode rotary draw bending. Seluruh variai pembebanan akan dijelakan di dalam Tabel 3 di bawah ini. Laer Power (W) G. Tipe Analia Tabel 3. Variai Pembebanan pada Percobaan Pa Number Proe analia yang digunakan untuk kedua metode adalah analia pringback, yang didapat dari nilai diplacement. Selain itu, analia tegangan Von Mie juga dapat digunakan untuk menganalia ada tidaknya pelepaan tegangan ebagai tanda akan terjadinya pringback. Adapun perbandingan maing-maing metode bending pada percobaan ini dijelakan dalam Tabel 4 di bawah ini. Tabel 4. Perbandingan Metode Proe Penelitian Metode Pembebanan Analia Laer Beam Rotary Draw Termal Diplacement dan preure Sudut bending dan pringback Springback

3 F110 III. HASIL DAN DISKUSI Untuk menentukan jumlah pringback, maka imulai tegangan yang akurat dilakukan dengan memberikan uatu beban dalam jangka waktu tertentu kemudian mengamati perilaku unloading dari logam terebut. Analia pringback pada penelitian laer beam bending kali ini dilakukan dengan cara mengamati perubahan diplacement dan juga von mie tre pada aat proe pelepaan beban terakhir untuk etiap pa. Adapun untuk analia pringback pada metode rotary draw bending diamati pada aat proe pelepaan beban etelah bending. Pemodelan analia pringback untuk metode laer beam bending dimulai dengan membuat deain tube. Pada tube kemudian diberikan heatflux. Setelah melakukan pengaturan pada oftware yang digunakan maka dilakukan proe olving. Hail yang didapat dari imulai adalah perpindahan yang terjadi erta nilai von mie tre-nya. Hail ini belum memperlihatkan pringback yang muncul. Untuk mendapatkan pringback-nya dilakukan proe penghilangan beban dari benda kerja dengan cara pendinginan menggunakan konveki. Mekanime pendinginan inilah yang memunculkan pringback pada proe ini. A. Pengamatan Hail Pemodelan Laer Beam Berdaarkan penelitian yang telah dilakukan di ata maka, dapat dilihat bahwa udut bending makimum yang dapat dicapai menggunakan metode laer beam bending bila dilakukan tanpa adanya beban truktural dari luar adalah ebear 0,01221 o erta terjadi pada variai laer power ebear 1500 W dengan pa number ebanyak. Hal ini menjelakan bahwa ketika ingin menambah kemampuan udut bending pada laer beam bending dapat dilakukan dengan cara menambah jumlah laer power dari metode terebut. Adapun nilai eliih udut bending pada untuk etiap laer power adalah 0, o untuk laer power antara 1200 W dengan 900 W erta 0, o untuk laer power antara 1500 W dengan 1200 W. Sedangkan, nilai hail pringback mencapai angka terbear untuk metode laer beam bending adalah pada aat laer power 1500 W ebear 0, o. Adapun nilai eliih pringbak pada untuk etiap laer power adalah 0, o untuk laer power antara 1200 W dengan 900 W erta 0, o untuk laer power antara 1500 W dengan 1200 W. Hal ini menunjukkan, emakin tinggi input dari laer power maka akan emakin tinggi pula udut bending erta pringback yang dapat dicapai pada metode laer beam bending ini. Namun, anomali terjadi pada aat variai laer dilakukan di mana pringback yang muncul tidaklah menuju ke arah negatif bending namun, menuju ke arah poitif dari udut bending awal yang dicapai. Anomali ini pun terjadi pada aat kondii penghilangan beban termal terjadi atau pada aat cooling condition. Adapun perbandingan hail udut bending dan pringback berdaarkan tiap power laer dan pa number dijelakan pada Gambar 1 dan Gambar 2 berikut. Sudut ( o ) 0, W 1200 W 900 W 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 0,000 2 pa 3 pa 4 pa 1500 W 0,0008 0,0122 0, W 0,0008 0,0097 0, W 0,0006 0,0073 0,0061 Gambar 1. Grafik Perbandingan Hail Sudut untuk Setiap Laer Power dan Pa Number Sudut ( o ) 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000-0,001-0, W 1200 W 900 W 1500 W 0, , , W 0, , , W 0, , , Gambar 2. Grafik Perbandingan Hail Springback untuk Setiap Laer Power dan Pa Number B. Hail Pengujian Struktur Mikro pada Hammer Cruher Perbedaan yang muncul dari hail penelitian ini terhadap kedua metode diantaranya adalah kemampuan udut bending, radiu bending, profil bending, pringback yang dihailkan, erta perubahan energi yang terjadi. Telah ditunjukkan pada analia data di ata bahwa metode rotary draw bending memiliki kemampuan udut bending yang lebih bear dan baik bila dibandingkan dengan metode laer beam bending. Hal ini dapat dilihat pada Tabel 5 yang merupakan perbandingan kemampuan udut bending untuk metode laer beam bending dan rotery draw bending. Perbandingan yang digunakan untuk metode laer beam bending hanya pada kemampuan udut makimum berdaarkan penelitian ini yaitu proe bending pada untuk etiap laer power.

4 F111 Tabel 5. Perbandingan Kemampuan Sudut Penelitian pada Metode Laer Beam dan Rotary Draw Laer Beam Rotary Draw 0,1221 o 0, o 0, o 180 o Begitupun dengan radiu bending yang dapat dicapai oleh metode laer beam bending yang memiliki keterbataan bila dibandingan dengan metode rotary draw bending. Profil bending pada metode rotary draw bending pun terlihat lebih halu bila dibandingkan dengan metode laer beam bending. Namun, pringback yang dihailkan oleh metode laer beam bending angat jauh lebih kecil dibandingkan dengan metode rotary draw bending. Hal ini lah yang menjadi kelebihan dari metode laer beam bending ehingga kedepannya metode ini angat banyak mengalami pengembangan eperti penggunaan die dan external force untuk menanggulangi kekurangan-kekurangan yang telah dijelakan. Adapun perbandingan pringback yang muncul pada kedua metode akan dijelakan pada Tabel 6 dan Tabel 7 berikut. Tabel 6. Perbandingan Hail Springback Penelitian pada Metode Laer Beam Laer Beam Sudut 6,48E-4 o 8,66E-4 o 8,6E-4 o 1,34E-4 o 1,78E-4 o 2,24E-4 o Sudut 7,34E-3 o 9,75E-3 o 1,22E-2 o 3,83E-3 o 5,07E-3 o 6,36E-3 o Sudut 6,14E-3 o 9,46E-3 o 1,18E-2 o -9,8E-4 o -1,26E-3 o -1,54E-3 o Tabel 7. Perbandingan Hail Springback Penelitian pada Metode Rotary Draw Rotary Draw Sudut bending 60 o 120 o 180 o Springback 1,54 o 2,469 o 3,11 o Adapun perubahan energi yang terjadi pada aat loading maupun unloading untuk kedua metode mengalami perbedaan. Perbedaan pertama yaitu berupa bearnya energi yang muncul. Pada metode laer beam bending dapat terlihat energi terbear yang muncul hanya mencapai angka 0,4366 MPa. angka ini angatlah kecil bila dibandingkan dengan metode rotary draw bending yang mampu menghailkan energi makimum hingga mencapai 397 MPa. Hal ini membuktikan bahwa metode leer beam bending memiliki efiieni penghematan energi yang lebih baik untuk dapat digunakan kedepannya. Perbedaan kedua yaitu mengenai energi yang muncul pada aat unloading. Seperti yang diketahui berama bahwa pringback merupakan uatu kejadian yang mengindikaikan tre relief yang muncul pada aat unloading dari proe bending. Teori ini terbukti pada metode rotary draw bending ebagai mana terlihat di ata. Namun, hal ini tidaklah terjadi pada metode laer beam bending. Pada metode laer beam bending, pringback yang terjadi malah menghailkan penambahan energi yang muncul pada daerah bending dari tube, terutama pada daerah buckling dari tube itu endiri etelah unloading. Hal ini dapat terjadi dikarenakan pringback yang muncul pada metode laer beam bending didaari oleh mekanime pemuaian dan penyuutan ecara pengamatan macro di mana, apabila diamati ecara micro maka mekanime ini diebabkan oleh perubahan faa yang terjadi elama pemanaan dan pendinginan. Perubahan faa yang terjadi juga menyebabkan perubahan bentuk dan truktur krital penyuunnya ehingga menimbulkan perubahan dilokai. Perubahan dilokai ini lah yang akhirnya menciptakan reidual tre terpuat yang memunculkan indikai peningkatan energi pada pringback dan bukan memunculkan tre relief. Berikut adalah Tabel 8 dan Tabel 9 mengenai perbandingan energi yang muncul pada aat kondii loading dan unloading. Tabel 8. Perbandingan Energi pada Kondii Loading Laer Beam 24820,4 Pa 33093,8 Pa 41367,3 Pa Pa Pa Pa Pa Pa Pa Rotary Draw 60 o 120 o 180 o 395x10 6 Pa 395x10 6 Pa 397x10 6 Pa Tabel 9. Perbandingan Energi pada Kondii Unloading Laer Beam 25393,2 Pa 33857,6 Pa Pa Pa Pa Pa Pa Pa Pa Rotary Draw 60 o 120 o 180 o 209x10 6 Pa 208x10 6 Pa 206x10 6 Pa IV. KESIMPULAN 1. Semakin bear laer power yang diberikan pada metode laer beam bending maka emakin tinggi pula pringback yang dihailkan untuk tube berpenampang lingkaran dengan OD 15 mm dan tebal 2 mm material SS304L. 2. Semakin banyak pa number yang diberikan pada metode laer beam bending maka emakin tinggi pula pringback yang dihailkan untuk tube berpenampang lingkaran dengan OD 15 mm dan tebal 2 mm material SS304L. 3. Springback yang dihailkan oleh proe bending untuk tube berpenampang lingkaran dengan OD 15 mm

5 F112 dan tebal 2 mm material SS304L menggunakan metode laer beam bending lebih kecil bila dibandingkan dengan proe bending bila dilakukan menggunakan metode rotary draw bending. UCAPAN TERIMA KASIH Penuli mengucapkan terima kaih eluruh pihak yang telah mendukung penelitian kali ini. DAFTAR PUSTAKA [1] S. et al Sumikawa, Improvement of Springback Prediction Accuracy by Conidering Nonlinear Elatoplatic Behavior After Stre Reveral, [2] L. Hao, N. dan Li, An Analytical Model For Laer Tube, [3] S. Thorat, Finite Element Analyi and Mathematical Calculation of Springback in Rotary Draw Tube, [4] dan M. Z. Yang, H., H. Li, Friction Role in Behavior of Thin-Walled Tube in Rotary-Draw- Under Small Radii, 2010.