Perpustakaan Universitas Gunadarma BARCODE SURAT KETERANGAN. Nomor: 37/PERPUS/UG/2020

Perpustakaan Universitas Gunadarma BARCODE BUKTI UNGGAH DOKUMEN PENELITIAN PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS GUNADARMA Nomor Pengunggahan SURAT KETERANGAN Nomor: 37/PERPUS/UG/2020 Surat ini menerangkan bahwa: Nama Penulis : IRVAN SEPTYAN MULYANA Nomor Penulis : 140453 Email Penulis : irvansepty@staff.gunadarma.ac.id Alamat Penulis : RT01, RW04 desa. dukuh kec.cibungbulang kab. bogor dengan penulis lainnya sebagai berikut: Penulis ke-2/nomor/email : IRVAN SEPTYAN MULYANA / 140453 / irvansepty@staff.gunadarma.ac.id Telah menyerahkan hasil penelitian/ penulisan untuk disimpan dan dimanfaatkan di Perpustakaan Universitas Gunadarma, dengan rincian sebagai berikut : Nomor Induk : FTI/IC/PENELITIAN/37/2020 Judul Penelitian : PERPINDAHAN PANAS EXTRUDER PADA PRINTER 3D TIPE FDM PRUSA i3 Tanggal Penyerahan : 13 / 07 / 2020 Demikian surat ini dibuat untuk dipergunakan seperlunya dilingkungan Universitas Gunadarma dan Kopertis Wilayah III. Dicetak pada: 19/08/2020 21:18:57 PM, IP:36.79.110.117 Halaman 1/1

PERPINDAHAN PANAS EXTRUDER PADA PRINTER 3D TIPE FDM PRUSA i3 1 Abdullah Raka Okta Pratama 1 Jl. Margonda Raya No.100, Pondok Cina, Depok 16424(oktaraka99@gmail.com.) 2 Irvan Septyan Mulyana. 2 Jl. Margonda Raya No.100, Pondok Cina, Depok 16424(irvansepty@staff.gunadarma.ac.id) ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk mensimulasikan distribusi panas yang terjadi pada nozzle menggunakan software solidworks 2017 dan mengetahui nilai dari perpindahan panas, efisiensi dan efektifitas dari penggunaan sirip yang terjadi pada extruder di dalam mesin 3D Printing. Dari hasil simulasi Solidworks yang telah dilakukan, nilai temperatur yang paling tinggi terdapat pada terdapat pada Hot End Extruder, karena Hot End Extruder terdapat Heater yang menghasilkan panas sehingga suhunya mencapai 195.48 ⁰ C, ditandai dengan warna merah. Sedangkan nilai temperatur yang paling rendah sebesar 36.75 ⁰ C berada di sekitar sisi-sisi frame, ditandai dengan warna biru. Dari hasil dari perhitungan teoritis yang telah dilakukan, ada beberapa nilai kalor yang dihasilkan, berikut beberapa hasil dari perhtiungan yang dilakukan. Hasil dari Q nofin sebesar 18.97 W, Q fin sebesar 3.93 W, dan Q unfin sebesar 0.625 W. Sehingga total nilai kalor yang dikeluarkan sebesar 54.66 Watt dan nilai efektivitas dari adanya sirip keseluruhan yaitu 2.88, di mana angka tersebut sudah cukup efektif dalam penggunaan sirip pada extruder pada printer 3D Prusa i3. Kata Kunci : 3D Printing, Stereolitography, Rapid Prototyping, Konveksi, Heat Transfer. I. PENDAHULUAN Printer 3D tipe FDM adalah salah satu jenis printer 3D yang digunakan untuk mencetak model benda prototype, memiliki mekanisme kerja sebuah objek dibentuk dengan cara melelehkan material lalu di tempatkan lapis demi lapis sehingga membentuk sebuah objek yang di inginkan. Penelitian ini bertujuan untuk mensimulasikan distribusi panas yang terjadi pada nozzle menggunakan software solidworks 2017 dan mengetahui nilai dari perpindahan panas, efisiensi dan efektifitas dari penggunaan sirip yang terjadi pada extruder di dalam mesin 3D Printing. II. LANDASAN TEORI a) 3D Printing 3D Printing atau dikenal juga sebagai Additive Manufacturing adalah proses membuat objek padat 3 dimensi dari model digital. Cara kerjanya objek dicetak dari sejumlah lapisan demi lapisan sesuai model gambar. Rapid Prototyping adalah teknologi yang digunakan membuat model tiga dimensi dari computer-aided design (CAD), awalnya di bangun lapisan demi lapisan tergantung input 3 Dimensinya (Laoui, 2003).

b) Fused Deposition Modelling (FDM) Gambar 2.1 Fused Deposition Modeling (FDM) [6] FDM adalah teknologi berbasis filamen di mana suhu nosel dikontrol untuk mengekstrusi lapisan material termoplastik secara berlapis ke platform build. Detail kerja FDM yaitu material termoplastik berbentuk benang (koil) dipanaskan diatas melt point oleh heater kemudian diekstruksi lewat lubang extruder nosel. Heater mempertahankan temperatur tersebut dan mendeformasi material dari solid menjadi semi-solid (liquid) agar mudah diekstruksi. Nosel bergerak mengeluarkan cairan ekstruksi membentuk layer. [6] Tabel 2.1 Spesifikasi Fused Depositioning Modeling (FDM) [6] c) Mekanisme Perpindahan Panas Perpindahan Panas yaitu merupakan salah satu dari disiplin ilmu teknik termal yang juga mempelajari cara menghasilkan panas, menggunakan panas, mengubah panas, dan menukarkan panas di antara sistem fisik. Konduksi termal merupakan pertukaran mikroskopis langsung dari energi kinetik partikel melalui batas antara dua system. (Holman, J.P. 1986) Perpindahan panas (Q) secara konveksi memiliki rumus dasar sebagai berikut : Konveksi : Laju kalor = Q/t = ha (T 2 T 1 ) Dimana Q, Kalor (Watt). h, Koefisien Konveksi (W/m 2. K). A, Luas Permukaan (m 2 ) T 2, Suhu Permukaan (K) T 1, Suhu Fluida (K) d) Konveksi (atau Konveksi dan Radiasi Gabungan) dari Sirip Ujung Sirip ujung, dalam prakteknya, yang terkena lingkungan, dan dengan demikian kondisi properboundary untuk ujung sirip adalah konveksi yang juga mencakup efek dari radiasi. Persamaan sirip masih dapat dipecahkan dalam hal ini dengan menggunakan konveksi di ujung sirip sebagai kondisi batas kedua, tetapi beberapa analisis yang terlibat, dan menghasilkan ekspresi agak panjang untuk distribusi temperatur dan perpindahan panas. Namun, secara umum, daerah ujung sirip adalah sebagian kecil dari total luas permukaan sirip, dan dengan demikian kompleksitas yang terlibat tidak dapat membenarkan perbaikan dalam akurasi.. [11]

Gambar 2.2 panjang sirip L c didefinisikan sedemikian rupa perpindahan panas dari sirip panjang L c dengan ujung terisolasi sama dengan heattransfer dari sirip yang sebenarnya panjang L konveksi di ujung sirip [12] Untuk menentukan nilai dari L c : [11] L c = L + t 2 Dimana L adalah Panjang sirip dan t adalah ketebalan sirip e) Efisiensi Sirip Mempertimbangkan permukaan sebuah dinding bidang pada suhu T b terkena attemperature menengah T panas hilang dari permukaan ke media sekitarnya dengan konveksi dengan perpindahan panas koefisien h. mengabaikan radiasi atau perhitungan untuk kontribusinya dalam koefisien konveksi h, perpindahan panas dari luas permukaan seperti yang dinyatakan sebagai : Q = h (T b T ) Gambar 2.3 Sirip meningkatkan perpindahan panas dari permukaan dengan meningkatkan luas permukaan [12]. Sekarang mari kita pertimbangkan sebuah sirip yang konstan daerah penampang A c = A b dan panjang L yang melekat pada permukaan dengan kontak yang sempurna. Konveksi dari permukaan sirip menyebabkan suhu di setiap penampang turun agak dari bagian tengah menuju permukaan luar. Namun, luas penampang sirip biasanya sangat kecil, dan dengan demikian suhu setiap bagian silang dapat dianggap seragam. Juga, ujung sirip dapat diasumsikan untuk kenyamanan dan kesederhanaan terisolasi dengan menggunakan dikoreksi panjang untuk sirip bukan panjang yang sebenarnya. Dalam kasus membatasi nol resistensi termal atau konduktivitas termal tak terbatas (k ), suhu sirip akan seragam pada nilai dasar T b. Perpindahan panas dari sirip akan menjadi maksimum dalam kasus ini dan dapat diekspresikan sebagai: Q fin,max = ha fin (T b T )

Gambar 2.4 Ideal dan aktual distribusi suhu di sirip [12]. Namun, pada kenyataannya, suhu sirip akan turun sepanjang sirip, dan dengan demikian perpindahan panas dari sirip akan kurang karena perbedaan suhu menurun T(x) - T menuju ujung sirip. Untuk memperhitungkan efek penurunan suhu pada perpindahan panas, dapat definisikan efisiensi sirip sebagai : η fin = Q fin Q fin,max = Laju transfer panas aktual dari sirip Laju transfer panas ideal dari sirip Jika seluruh sirip berada pada suhu dasar Q fin = η fin Q fin,max = η fin ha fin (T b T ) di mana sirip adalah luas permukaan total sirip. Hubungan ini memungkinkan kita untuk menentukan perpindahan panas dari sirip ketika efisiensinya diketahui. f) Efektifitas Sirip Efektivitas sirip ε fin < 1 menunjukkan bahwa sirip sebenarnya bertindak sebagai isolasi, memperlambat perpindahan panas dari permukaan. Situasi ini dapat terjadi ketika sirip yang terbuat dari bahan konduktivitas termal rendah digunakan. Efektivitas sirip ε fin > 1 menunjukkan bahwa sirip meningkatkan perpindahan panas dari permukaan, sebagaimana mestinya. Namun, penggunaan sirip tidak dapat dibenarkan kecuali ε fin sirip cukup lebih besar dari 1. Permukaan bersirip dirancang atas dasar memaksimalkan efektivitas untuk biaya tertentu atau meminimalkan biaya untuk efektivitas yang diinginkan. Perhatikan bahwa baik efisiensi sirip dan efektivitas sirip terkait dengan kinerja sirip, tetapi mereka adalah jumlah yang berbeda. Namun, mereka berhubungan satu sama lain dengan: ε Q fin Q fin fin= = Q no fin ha b (T b T ) =η fin ha fin (T b T ) = A fin η ha b (T b T ) A fin b Oleh karena itu, efektivitas Fin dapat ditentukan dengan mudah ketika efisiensi Fin dikenal, atau sebaliknya. Ketika menentukan laju perpindahan panas dari permukaan bersirip, kita harus mempertimbangkan bagian permukaan yang tidak bersirip serta sirip. Oleh karena itu, termal transfer untuk permukaan yang mengandung n sirip dapat dinyatakan sebagai : Q total,fin = n(q fin + Q unfin ) = ha unfin (T b T ) + η fin ha fin (T b T ) Kita juga dapat mendefinisikan efektivitas keseluruhan untuk permukaan bersirip sebagai rasio transfer panas total dari permukaan bersirip ke perpindahan panas dari permukaan yang sama jika tidak ada sirip,

ε fin,overall = Q h(a total,fin unfin + ηfin A fin )(T b T ) = Q total,no fin ha nofin (T b T ) Dimana A no fin adalah area permukaan ketika tidak ada sirip, sirip adalah luas permukaan total dari semua sirip di permukaan, dan A unfin adalah daerah yang tidak bersirip bagian dari permukaan. Perhatikan bahwa efektivitas sirip keseluruhan tergantung pada kepadatan sirip (jumlah sirip per panjang unit) serta efektivitas sirip individu. III. METODE PENELITIAN Metode penelitian ini gabungan antara mensimulasikan analysis heat transfer pada nozzle di mesin printer 3D menggunakan software Solidworks 2017 dan mengetahui nilai dari perpindahan panas, efisiensi serta efektifitas dari penggunaan sirip yang terjadi pada extruder di dalam mesin 3D Printing. Tahapan yang akan dilakukan dalam penelitian ini adalah: Mulai Studi Pustaka Persiapan Alat dan Bahan: Printer 3D FDM Filament PLA/ABS Termometer Uji Coba Pengambilan Data Perhitungan Tidak Simulasi Analisa Ya Kesimpulan Selesai Gambar 3.1 Flowchart Metodologi Penelitian

a) Printer 3D FDM adalah Printer 3D yang memiliki teknologi berbasis solid material, menggunakan bahan filament, dimana suhu nosel dikontrol untuk mengekstrusi lapisan material termoplastik secara berlapis ke platform build sampai membentuk benda kerja yang sesuai dengan desain yang di print. Gambar 3.2 Bodi Printer 3D FDM UG 3D Tabel 3.1 Spesifikasi Printer 3D FDM UG 3D Nama Jenis Printer Akurasi Kecepatan Ukuran Volume Printing Besar Keterangan Prusa i3 FDM Printer - Open Source 0.1 mm 0.4 mm 100 mm/s 20 cm x 20 cm x 20 cm Board Arduino Mega 2560 Ramps 1.4 Step motor LG Nema 17 Hot Bed Nozzle Nozzle Diameter Filament Filament Diameter File Format Slice Up Software Save Format Connection Aluminium plate Single 0.4 mm PLA, ABS, Wood, PETG, HIPS 1.75 mm.stl/.obj/.dae/.amf Cura/ Repetier-Host G Code SD Card/ USB Frame T-Slot Aluminium Kossel 2020 Body kit Cast acrylic Berikut adalah dimensi bodi yang digunakan untuk printer 3D tipe FDM UG 3D :

Gambar 3.3 Dimensi Bodi Printer 3D Gambar 3.4 Printer 3D FDM Setelah Bodi Dipasang b) Hasil Pengukuran Suhu Pada Extruder Berikut adalah hasil pengukuran suhu pada extruder menggunakan alat ukur termometer digital : Tabel 3.2 Hasil Pengukuran Pada Extruder Nama Komponen Extruder Nilai 195.48 C 130.15 C 70.27 C 42.01 C

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN a) Hasil Simulasi dan Cut Plot Heat Transfer Pada Extruder Berikut ini merupakan tampilan hasil heat transfer dari hasil simulasi dan cut plot heat transfer simulation : Gambar 4.1 Hasil Cut Plot Heat Transfer Simulation pada Extruder dan Nozzle Berdasarkan hasil simulasi tersebut heat transfer yang terjadi pada extruder sampai nozzle, hasil minimum heat transfer diberi tanda warna biru kehijauan dengan nilai sebesar 42.01 C dan nilai maksimum von mises stress diberi tanda berwarna merah dengan nilai 195.48 C. Dari gambar hasil simulasi, nilai suhu yang paling tinggi terdapat pada ujung nozzle, karena disitulah titik rambatan panas dari komponen extruder ditandai dengan warna merah. Sedangkan suhu yang paling rendah berada di sekitar sisi atas dari extruder ditandai dengan warna biru. b) Analisis Hasil Simulasi Thermal Analisys Heat Transfer Dengan Perhitungan Teoritis Pada Extruder 3D Printer Untuk mengetahui nilai distribusi panas yang dihasilkan, efisiensi serta efektifitas penggunaan sirip pada extruder, diperlukan untuk dilakukannya perhitungan sebagai berikut : Tabel 4.1 Tipe Fluida serta Nilai Koefisien Konveksinya 1. Perhitungan Teoritis Pada Extruder Berikut ini merupakan data data yang akan digunakan untuk mendapatkan nilai kalor yang dihasilkan (Q) :

T b : 195.48 C T : 32 C D 1 : 14mm D 2 : 24mm Jarak Antar Fin/S : 1.50mm Ketebalan Fin/ : 2mm Jumlah Fin/ : 12 h : 60 W/m2. K Material : Aluminium 3003 alloy Konduktifitas Thermal :170 W/m. K L :45.5 mm Bentuk penampang yang dianalisis berbentuk silinder dengan diameter 14 mm, maka untuk mencari Q digunakan rumus persamaan berikut : A. Perhitungan Silinder Tanpa Sirip/Fin 1. Perhitungan luas daerah /penampang dari silinder tanpa sirip A nofin = πd 1 L A nofin = π(0.014)(0.0455) A nofin = 2.001 10 3 Berdasarkan dari perhitungan yang dilakukan, didapat hasil sebesar 2.001 10 3. 2. Perhitungan laju kalor dari silinder tanpa sirip Perpindahan panas pada silinder tanpa sirip akan menjadi maksimum dan dapat diekspresikan dengan rumus sebagai berikut : Q nofin = ha nofin (T b T ) Q nofin = (60)(2.001 10 3 )(195.48 32) Q nofin = 19.63 W Berdasarkan dari perhitungan yang dilakukan, didapat hasil laju kalor silinder ( ekstruder ) sebesar 19.63 W. B. Perhitungan Silinder (extruder) dengan Sirip/Fin 1. Perhitungan Panjang Sirip pada Extruder L = 1 (D 2 2 D 1 ) = 1 (0.024 0.014) = 5 10 3 2 r 2c = r 2 + t 2 r 2c = 0.012 + 0.002 2 r 2c = 0.013 m Panjang sirip L c didefinisikan sedemikian rupa perpindahan panas dari sirip panjang L c dengan ujung terisolasi sama dengan heattransfer dari sirip yang sebenarnya panjang L konveksi di ujung sirip : L c = L + t 2 L c = (5 10 3 ) + 0.002 = 6 10 3 m 2 Berdasarkan dari perhitungan yang dilakukan, didapat hasil sebesar 6 10 3 m. 2. Perhitungan luas daerah / penampang sirip dari extruder

Untuk mencari luas penampang dari sirip, bias diekspresikan dengan rumus sebagai berikut : A p = L c t A p = (6 10 3 )(0.002) = 1.2 10 5 m 2 Berdasarkan dari perhitungan yang dilakukan, didapat hasil sebesar 1.2 10 5 m 2 3. Perhitungan efisiensi dari sirip pada extruder r 2c = 0.013 = 1.86 r 1 0.007 L C 3 2 h KA p (6 10 3 3 2 ) 60 (170) (1.2 10 5 ) = 1.03 Gambar 4.2 Efisiensi Sirip Melingkar Panjang L dan Ketebalan Konstant [12] Setelah menghitung dengan perhitungan di atas, maka nilai efisiensi dari sirip yang berada pada extruder sebagai berikut : Ƞ fin = 0.55 4. Perhitungan luas daerah / penampang silinder dengan sirip (extruder) Untuk mencari luas penampang dari sirip, bias diekspresikan dengan rumus sebagai berikut : 7.54 10 4. A fin = 2π(r 2c 2 r 12 ) A fin = 2π[(0.013) 2 (0.007) 2 ] = 7.54 10 4 Berdasarkan dari perhitungan yang dilakukan, didapat hasil sebesar 5. Perhitungan laju kalor silinder dengan sirip (extruder) Untuk memperhitungkan efek penurunan suhu pada perpindahan panas dan jika keadaan seluruh sirip berada pada suhu dasar, dapat definisikan efisiensi sirip sebagai berikut : Q fin = Ƞ fin ha fin (T b - T ) = 0.55(60)(7.54 x 10-4 )(195.48-32) = 4.07 W

Berdasarkan dari perhitungan yang dilakukan, didapat hasil sebesar 4.07 W. C. Laju kalor dari bagian tabung atau body nozzle tidak bersirip yaitu: 1. Perhitungan luas daerah / penampang dari extruder pada bagian tidak bersirip. Untuk mencari luas penampang dari sirip, bias diekspresikan dengan rumus sebagai berikut : 6.60 10 5. A unfin = πd 1 S A unfin = π(0.014)(0.0015) = 6.60 10 5 Berdasarkan dari perhitungan yang dilakukan, didapat hasil sebesar 2. Perhitungan laju kalor dari extruder pada bagian tidak bersirip Perpindahan panas dari bagian yang tidak sirip akan menjadi maksimum dalam kasus ini dan dapat diekspresikan sebagai : Q unfin = ha unfin (T b T ) Q unfin = (60)(6.60 10 5 )(195.48 32) Q unfin = 0.647 W Berdasarkan dari perhitungan yang dilakukan, didapat hasil sebesar 0.647 W. 3. Perhitungan laju kalor total extruder termal transfer untuk permukaan yang mengandung n sirip dapat dinyatakan sebagai : Q total,fin = n(q fin + Q unfin ) Q total,fin = 12(4.07 + 0.647) Q total,fin = 56.60 W Berdasarkan dari perhitungan yang dilakukan, didapat hasil sebesar 56.60 W. 2. Perhitungan efektivitas dari sirip pada extruder printer 3D : Berikut adalah perhitungan akhir untuk mengetahui angka efektivitas sirip pada ekstruder, dapat kita definisikan sebagai efektivitas keseluruhan untuk permukaan bersirip sebagai rasio transfer panas total dari permukaan bersirip ke perpindahan panas dari permukaan yang sama jika tidak ada sirip sebagai berikut : ε fin,overall= Q total,fin Q total,no fin ε fin,overall= 56.60 19.63 ε fin,overall = 2.88

Berdasarkan dari perhitungan yang dilakukan, didapat hasil angka efektivitas dari adanya fin/sirip yang ada pada extruder tersebut sebesar 2,88. V. KESIMPULAN Berdasarkan dari hasil simulasi rambatan panas (Heat Transfer) pada printer 3D FDM. Maka didapatkan beberapa kesimpulan sebegai berikut: Tahapan proses analisis perpindahan panas menggunakan software solidworks 2017 yaitu dengan memakai tools Heat Transfer Simulation kemudian menentukan Analysis Type. Setelah itu dilakukan pemberian Heat Source sebesar 200 W pada Heater Extruder, kemudian run simulation. Dalam simulasi perpindahan panas (Heat Transfer) yang telah dilakukan, nilai temperatur yang paling tinggi terdapat pada Hot End Extruder, karena Hot End Extruder terdapat Heater yang menghasilkan panas sehingga suhunya mencapai 195.48 ⁰C, ditandai dengan warna merah. Sedangkan nilai temperatur yang paling rendah sebesar 36.75 ⁰C berada di sekitar sisi-sisi frame, ditandai dengan warna biru. Dari hasil dari perhitungan teoritis yang telah dilakukan, ada beberapa nilai kalor yang dihasilkan, berikut beberapa hasil dari perhtiungan yang dilakukan. Hasil dari Q nofin sebesar 19.63 Watt, Q fin sebesar 4.07 Watt, dan Q unfin sebesar 0.647 Watt. Sehingga total nilai kalor yang dikeluarkan sebesar 56.60 Watt dan efektivitas dari adanya sirip keseluruhan yaitu 2.88, di mana angka tersebut sudah cukup efektif dalam penggunaan sirip pada extruder pada printer 3D Prusa i3. DAFTAR PUSTAKA Patil, N. R., Kulkarni, R. R., Mane, B. R., & Malve, S. H., 2014, Static analysis of Go-Kart Chassis frame by Analytical and SolidWorks Simulation. International Journal of Scientific Engineering and Technology Dede Sumantri, 2012 Peningkatan Kinerja Mesin Rapid Prototyping Berbasis Fused Deposition Modelling Skripsi. Depok: Universitas Indonesia. Michael molitch-hou.2014.usa's Chuck Hull Nominated For European Inventor Award For 3d Printing. From https://3dprintingindustry.com/news/usas-chuck-hullnominated-european-inventor-award-3d-printing-27074/ diakses 24 Januari 2020 Holman, J.P., Heat Transfer, sixth edition, McGraw Hill, Ltd., New York, 1986. Cengel, Yunus A., Heat Transfer : A Practical Approach, 2nd edition, McGraw Hill, Ltd., Boston, 2003.