Pengaruh Perubahan Kecepatan dan Daya terhadap Lebar Celah Laser pada Mesin Laser Cutting Kapasitas 60 Watt dengan Material Akrilik

Transkripsi

1 Pengaruh Perubahan Kecepatan dan Daya terhadap Lebar Celah Laser pada Mesin Laser Cutting Kapasitas 60 Watt dengan Material Akrilik Fathurahman 1, Gesang Nugroho 2, Heriyanto 3 1) Program Studi Teknik Mesin dan Industri, Pascasarjana, UGM Yogyakarta 2) fatur341@gmail.com ABSTRAK Laser cutting merupakan salah satu proses manufaktur yang cukup populer. Laser cutting gas CO2 untuk material akrilik atau polymethyl methacrylate (PMMA) akan memperoleh kualitas pemotongan yang baik diantaranya dipengaruhi oleh daya laser dan kecepatan pemotongan laser. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui seberapa besar pengaruh perubahan kecepatan pemotongan dan perubahan daya dalam laser cutting dengan kapasitas 60 Watt. Dalam penelitian ini parameter untuk mengetahui kualitas pemotongan adalah dengan mengukur lebar celah yang dihasilkan oleh laser cutting. Metode penelitian yang digunakan adalah dengan membandingkan hasil goresan sinar laser pada 2 jenis ketebalan akrilik yaitu 2mm dan 5mm. Akrilik dengan tebal 2 mm dan 5mm dikenai sinar laser sepanjang 25mm dengan daya bervariasi pada kecepatan konstan dan kecepatan bervariasi pada daya constant. Hasil goresan dari sinar laser diukur dengan menggunakan Stereo Zoom Microscope perbesaran hingga 55x. Dari hasil penelitian diperoleh bahwa semakin besar daya yang digunakan untuk pemotongan, maka semakin besar pula lebar celah yang dihasilkan. Sedangkan untuk kecepatan potong, semakin besar kecepatan potong, celah yang dihasilkan semakin kecil. Kata kunci: Laser Cutting, laser CO2, Acrylic, cutting speed, power laser ABSTRACT Laser cutting is a popular manufacturing process. CO2 laser cutting of acrylic material or polymethyl methacrylate (PMMA) will acquire good quality cuts of which is affected by the laser power and laser cutting speed. This study aims to determine how much influence the cutting speed and laser power changes in the laser cutting with a capacity of 60 Watts. In this study the parameters to determine the quality of the cutting is to measure the gap width produced by laser cutting. The method used is to compare the results of laser beam scratches on 2 types of thickness 2mm and 5mm acrylic. Acrylic with 2 mm and 5 mm thick subjected to a laser beam along the 25mm with varying power at a constant speed and variable speed at constant power. Results scratches from the laser beam is measured by using the Stereo Zoom Microscope magnification up to 55X. From the research that the greater the power used for cutting, the greater the resulting gap width. As for the cutting speed, the greater the cutting speed, the resulting gap is getting smaller. Kata kunci: Laser Cutting, laser CO2, Acrylic, cutting speed, power laser Pendahuluan Perkembangan teknologi manufaktur saat ini semakin pesat. Teknologi pemotongan menggunakan teknik laser cutting merupakan salah satu proses yang cukup populer dalam dunia industri manufaktur. Selain laser cutting untuk logam, aplikasi laser cutting untuk material non logam seperti MDF dan polymer juga mengalami perkembangan yang cukup pesat. SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

2 Polyethylene (PE), polycarbonate (PC),polymethylmethacrylate (PMMA) atau dikenal dengan nama acrylic, polyvinylchloride (PVC) dan thermoset plastics merupakan contoh jenis-jenis polymer yang sering digunakan dalam beberapa industri. Dengan kompleksitas bentuk benda yang sulit dikerjakan dengan sebuah mesin konvensional, tentunya laser cutting ini merupakan alternatif untuk menghasilkan benda kerja dengan lebih cepat, lebihi halus dan lebih presisi. Kemampuan Laser CO2 daya rendah 60W dengan variasi pemotongan pada berbagai macam bahan non metallic telah diteliti oleh Zhou B.H. et al. [3]. Material yang diujicoba acrylic plastic board PMMA, pinewood, particle board, dan rubber dipotong dengan variasi daya laser dan kecepatan pemotongan pada benda kerja yang berbeda-beda. Dalam percobaan intensitas laser divariasikan dari 6-60 W dan kecepatan potong divariasi mulai dari 1, mm/s. Model teori dikenalkan untuk menghitung kedalaman pemotongan pada beberapa material dengan sifat yang berbeda dalam berbagai kecepatan. Laser cutting CO2 pada 3 jenis polymer: polypropylene (PP), polycarbonate (PC) dan polymethyl methacrylate (PMMA) telah diteliti oleh Choudury I.A. et al. [1] dengan parameter inputnya adalah daya laser, kecepatan pemotongan dan tekanan udara yang dikompresikan. Mesin laser yang digunakan adalah laser CO2 dengan kapasitas 500 W. Material yang digunakan untuk penelitian adalah PP, PC dan PMMA semua mempunyai ketebalan 3 mm. Variasi parameter yang diberikan adalah daya laser 200 W, 300 W dan 400 W, cutting speed 0,2 m/min, 0,3 m/min dan 0,4m/min serta tekanan udara 2,5 bar, 3 bar dan3,5 bar. Kualitas karakteristik output dihitung berdasarkan Heat Affected Zone (HAZ), kekasaran permukaan (surface roughness) dan akurasi dimensi. Dari analisa percobaan didapat bahwa PMMA memiliki HAZ yang lebih kecil daripada PC dan PP. Untuk kekasaran permukaan PMMA mempunyai kualitas permukaan potong yang lebih baik dari pada PP dan PC. Laser CO2 daya rendah digunakan untuk micromachine dalam sebuah saluran mikro pada substrat polikarbonat telah diteliti oleh Heng Q., et al. [2]. Pengaruh parameter proses meliputi daya laser, kecepatan gerak laser dan waktu scanning terhadap kualitas micromachining (kedalaman, lebar dan perbandingan keduanya). Laser yang digunakan kapasitas 30W. Variasi daya laser dibuat antara 1,5 sampai 30 W dan kecepatan laser antara 25,4 sampai 254 mm/s. Kedalaman dan lebar saluran mikro akan meningkat seiring dengan peningkatan daya laser dan penurunan kecepatan sinar laser. Ketika daya laser meningkat dan kecepatan menurun permukaan polycarbonate yang terkena laser CO2 akan lebih panas untuk waktu yang lebih lama sehingga titik cair yang terbentuk lebih dalam dan lebih lebar. Metode Penelitian Mesin laser yang digunakan adalah Trotec Speedy 300, mempunyai kapasitas 60 Watt dengan gas CO2 yang ada di dalam laser tube. Area kerja 726 x 432 mm yang digunakan untuk memotong lembaran material non logam yang dapat dilihat pada Gambar 1. Alat ukur yang digunakan untuk mengukur lebar celah pemotongan adalah Stereo Zoom Microscope. Microscope ini mempunyai kemampuan perbesaran 55x. Alat ukur ini bisa dilihat pada Gambar 2. Gambar 1. Mesin laser cutting Trotec speedy 300 SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

3 Gambar 2. Stereo zoom microscope Material yang digunakan dalam penelitian kali ini adalah Polymethyl methacrylate (PMMA) atau lebih dikenal dengan acrylic. Polymethyl methacrylate adalah thermoplastik transparan yang sering digunakan sebagai material alternatif pengganti kaca. Polymethyl methacrylate memiliki kelebihan yaitu lebih ringan dan lebih tahan benturan dibanding dengan kaca. Material ini akan berubah menjadi elastic bila dikenai temperatur 60 C, sehingga dapat memudahkan jika memerlukan pembentukan suatu produk. Akrilik dengan ketebalan 2mm dan 5mm dipotong menggunakan mesin laser cutting dengan ukuran seperti pada Gambar 3. Gambar 3. Geometri specimen Perubahan variasi kecepatan dan daya laser cutting dapat diubah melalui mesin laser cutting. Nilai yang dimasukkan untuk kecepatan adalah 0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,4; 0,45 dan nilai yang dimasukkan untuk daya adalah 95%, 85%, 75%, 65%, 55%, 45%. Setelah dikonversi nilai kecepatan dan daya, maka diperoleh kecepatan dalam satuan mm/dt dan daya dalam satuan watt seperti tercantum pada Table 1. Tabel 1. Variasi parameter penelitian Parameter Input Material Akrilik tebal 2 dan 5 (mm) Cutting Speed 6,45;8;9,52;10,53;12,5;13,33 (mm/s) Power Laser 57, 51, 45, 39, 33, 27 (Watt) Hasil dan Pembahasan Akrilik bening dengan ketebalan 2 mm dan 5 mm dipotong dengan ukuran 75 x 35 mm masingmasing 2 specimen untuk setiap ketebalan. Pertama, akrilik dengan ketebalan 2 mm dikenai sinar laser SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

4 sepanjang 25 mm dengan kecepatan bervariasi mulai dari 6,45 mm/s ; 8mm/s ; 9,52 mm/s ; 10,53 mm/s ; 12,5 mm/s ; dan 13,33 mm/s dan daya laser dibuat konstant pada 57 Watt. Spesimen yang kedua, akrilik dengan ketebalan 2mm dikenai sinar laser sepanjang 25 mm dengan daya bervariasi mulai dari 57 W, 51 W, 45 W, 33 W dan 27 W pada kecepatan konstan 6,45 mm/s. Dengan proses yang sama akrilik dengan ketebalan 5mm dikenai laser sepanjang 25 mm dengan variasi kecepatan dan daya seperti yang sudah dilakukan pada akrilik dengan ketebalan 2mm. Contoh gambar akrilik setelah dipotong dan digores dengan mesin laser cutting dapat dilihat pada Gambar 4. Gambar 4. Specimen setelah dipotong dan dikenai sinar laser dengan variasi kecepatan Setelah proses laser cutting dengan variasi kecepatan dan daya selesai, berikutnya adalah pengukuran dengan Stereo zoom microscope. Perbesaran maksimal yang bisa dilakukan oleh alat ini adalah perbesaran 55x. Pada Gambar 5 bisa dilihat contoh foto yang diperoleh dari perbesaran Stereo zoom microscope. Gambar 5. Contoh hasil goresan laser cutting dilihat dengan Stereo zoom microscope perbesaran 55x untuk ketebalan akrilik 2mm, daya laser 57 Watt dan kecepatan potong 6,45 mm/s. Dari hasil pengukuran specimen pertama, untuk ketebalan 2mm dengan variasi kecepatan diperoleh hasil seperti terlihat pada Tabel 2. Tabel 2. Pengaruh kecepatan pemotongan terhadap lebar celah untuk ketebalan akrilik 2mm No. Spesimen Kecepatan (mm/s) Lebar celah (mm) Keterangan 1 6,45 0,14 Tembus 2 8 0,14 Tembus 3 9,52 0,135 Tembus 4 10,53 0,13 Tembus 5 12,5 0,125 Tembus 6 13,33 0,12 Tidak tembus Dari Tabel 2 dapat dibuat menjadi grafik seperti yang terlihat pada Gambar 6. SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

5 Gambar 6. Pengaruh kecepatan pemotongan terhadap lebar celah untuk akrilik tebal 2mm dengan P = 57 Watt Dengan melihat Tabel 2 dan Gambar 6, diketahui bahwa semakin besar kecepatan potong yang diberikan, maka semakin kecil lebar celah yang dihasilkan. Pada kasus ini pada saat kecepatan potong laser yang diberikan 13,33 mm/s, sinar laser tidak bisa menembus akrilik dengan tebal 2mm. Sehingga kecepatan potong maksimal untuk daya 57 Watt pada akrilik tebal 2mm agar tembus adalah 12,5 mm/dt dengan lebar celah yang dapat dihasilkan 0,125 mm. Dari hasil pengukuran specimen kedua, untuk ketebalan 2mm dengan variasi daya diperoleh hasil seperti terlihat pada Tabel 3. Tabel 3. Pengaruh daya laser terhadap lebar celah untuk ketebalan akrilik 2mm No. Spesimen Daya (Watt) Lebar celah (mm) Keterangan 1 57,00 0,135 Tembus 2 51,00 0,135 Tembus 3 45,00 0,13 Tembus 4 39,00 0,12 Tembus 5 33,00 0,12 Tembus 6 27,00 0,11 Tidak tembus Gambar 7. Pengaruh daya laser terhadap lebar celah untuk akrilik tebal 2mm dengan v = 6,45 mm/dt Dengan melihat Tabel 3 dan Gambar 7, diketahui bahwa semakin kecil daya laser yang diberikan, maka semakin kecil pula lebar celah yang dihasilkan. Pada kasus ini saat daya laser yang diberikan 27 Watt, sinar laser tidak bisa menembus akrilik dengan tebal 2mm. Sehingga daya minimal agar tembus adalah 33 Watt dengan lebar celah yang bisa dihasilkan 0,12 mm. SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

6 Gambar 8. Perbandingan pengaruh kecepatan dan daya terhadap lebar celah untuk akrilik tebal 2mm Gambar 8 menunjukkan perbandingan variasi kecepatan dan variasi daya terhadap lebar celah untuk ketebalan akrilik 2mm. Lebar celah laser akan semakin kecil apabila kecepatan diperbesar atau daya diperkecil. Mulai kecepatan dan daya tertentu sinar laser tidak bisa menembus ketebalan akrilik. Dari hasil pengukuran specimen ketiga, untuk ketebalan 5mm dengan variasi kecepatan diperoleh hasil seperti terlihat pada Tabel 4. Tabel 4. Pengaruh kecepatan pemotongan terhadap lebar celah untuk ketebalan akrilik 5mm No. Spesimen Kecepatan (mm/s ) Lebar celah (mm) Keterangan 1 6,45 0,14 Tembus 2 8 0,135 Tembus 3 9,52 0,135 Tembus 4 10,53 0,13 Tembus 5 12,5 0,13 tidak tembus 6 13,33 0,125 tidak tembus Gambar 9. Pengaruh kecepatan pemotongan terhadap lebar celah untuk akrilik tebal 5mm dengan P = 57 Watt Dengan melihat Tabel 4 dan Gambar 9, diketahui bahwa semakin besar kecepatan potong yang diberikan, maka semakin kecil lebar celah yang dihasilkan. Pada kasus ini pada saat kecepatan potong laser yang diberikan 12,5 dan 13,33 mm/s, sinar laser tidak bisa menembus akrilik dengan tebal 5mm. Sehingga kecepatan potong maksimal untuk daya 57 Watt pada akrilik tebal 5mm agar tembus adalah 10,53 mm/dt dengan lebar celah yang dapat dihasilkan 0,13 mm. SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

7 Dari hasil pengukuran specimen keempat, untuk ketebalan 5mm dengan variasi daya diperoleh hasil seperti terlihat pada Tabel 5. Tabel 5. Pengaruh daya laser terhadap lebar celah untuk ketebalan akrilik 5mm Lebar celah No. Spesimen Daya (Watt ) Keterangan (mm) 1 57,00 0,145 tembus 2 51,00 0,135 tembus 3 45,00 0,13 tembus 4 39,00 0,125 tembus 5 33,00 0,115 tidak tembus 6 27,00 0,115 tidak tembus Gambar 10. Pengaruh daya laser terhadap lebar celah untuk akrilik tebal 5mm dengan v = 6,45 mm/dt Dengan melihat Tabel 5 dan Gambar 10, diketahui bahwa semakin besar daya laser yang diberikan, maka semakin besar pula lebar celah yang dihasilkan. Pada kasus ini saat daya laser yang diberikan 27 Watt dan 33 Watt, sinar laser tidak bisa menembus akrilik dengan tebal 5mm. Sehingga daya minimal agar tembus adalah 39 Watt dengan lebar celah yang bisa dihasilkan 0,125 mm. Gambar 11. Perbandingan pengaruh kecepatan dan daya terhadap lebar celah untuk akrilik tebal 5mm SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

8 Gambar 11 menunjukkan perbandingan variasi kecepatan dan variasi daya terhadap lebar celah untuk ketebalan akrilik 5mm. Lebar celah laser akan semakin kecil apabila kecepatan diperbesar atau daya diperkecil. Mulai kecepatan dan daya tertentu sinar laser tidak bisa menembus ketebalan akrilik. Kesimpulan Dengan mempertimbangkan hasil data dari tabel dan gambar grafik disimpulkan bahwa semakin besar kecepatan potong laser yang diberikan, maka semakin kecil lebar celah yang dihasilkan. Sedangkan semakin besar daya laser yang diberikan, maka semakin besar pula lebar celah yang dihasilkan. Pada ketebalan 2mm dan daya laser 57 Watt, kecepatan potong optimal adalah 12,5 mm/s. Sedangkan pada ketebalan 2mm dan kecepatan 6,45 mm/s diperoleh daya optimal adalah 33 Watt. Pada ketebalan 5mm dan daya laser 57 Watt, kecepatan potong optimal adalah 10,53 mm/s. Sedangkan pada ketebalan 5mm dan kecepatan 6,45 mm/s diperoleh daya optimal adalah 39 Watt. Daftar Pustaka 1. Choudhury I.A., Shirley S., 2009, Laser Cutting of Polymeric Materials: An Experimental Investigation 2. Heng Q., Chen T., Yao L., Zuo T., 2009, Micromachining of Microchannel on the Polycarbonate Substrate with CO2 Laser Direct-Writing Ablation 3. Zhou B. H., Mahdavian S.M., 2004, Experimental and Theoretical Analyses of Cutting Nonmetallic Materials by Low Power CO2-Laser SENATEK 2015 Malang, 17 Januari