Perancangan Extruder Mesin Rapid Prototyping Berbasis Fused Deposition Modeling (FDM) Untuk Material Filament Polylactic Acid (PLA) Diameter 1,75 mm Ayi Ruswandi 1, Mochammad Arsyad Fauzan 2 (1) Dosen Jur. Teknik Perancangan Manufaktur, Politeknik Manufaktur Negeri Bandung, Jl. Kanayakan 21 Bandung 40135 email : aruswandi@yahoo.com (2) Mahasiswa D4 Polman Jur. Teknik Rekayasa dan Pengembangan Produk email : arsyadfauzan93@gmail.com Abstrak Dalam mengikuti perkembangan teknologi industri manufaktur di dunia, saat ini POLMAN Bandung melakukan penelitian terkait teknologi rapid prototyping. Teknologi rapid prototyping yang saat ini dikembangkan oleh POLMAN adalah jenis Fused Deposition Modeling (FDM). Permasalahan yang ditemukan di lapangan, bahan baku filament yang digunakan pada mesin rapid prototyping profesional menggunakan bahan baku yang khusus dan terbilang cukup mahal. Sebagai solusi dari permasalahan tersebut penulis melakukan perancangan extruder mesin rapid prototyping yang menggunakan bahan baku material Polylactic Acid (PLA) dengan diameter filament 1,75 mm yang tersedia di pasaran dengan harga yang murah. Perancangan extruder yang dilakukan pada tugas akhir penulis menggunakan metode VDI 2222. Proses perancangan extruder yang dilakukan mengacu pada karakteristik material filament yang digunakan. Filament yang masuk kedalam extruder didorong kedalam ruang pemanasan menggunakan konstruksi roller pendorong kemudian pada ruang pemanasan filament dilelehkan dan diekstrusi dengan kecepatan dan dengan dimensi lelehan tertentu. Untuk memvalidasi rancangan yang telah dibuat penulis melakukan analisis perpindahan panas yang terjadi pada ruang pemanas dengan menggunakan software SolidWorks, serta melakukan perhitungan gaya dorong dan kecepatan filament yang diperlukan agar dihasilkan proses ekstrusi material yang sesuai dengan tuntutan rancangan. Kata kunci : rapid prototyping, extruder, PLA, perpindahan panas, kecepatan. 1. PENDAHULUAN Sebagai suatu metoda pembuatan prototype dalam waktu singkat pada proses pengembangan produk, teknologi rapid prototyping diperlukan dalam persaingan industri manufaktur terutama pada era produkproduk dengan life cycle yang pendek seperti saat ini. Akan tetapi pada penerapannya, bahan baku material yang digunakan pada mesin rapid prototyping profesional merupakan bahan baku filament plastik dengan jenis material yang khusus dan dengan harga yang terbilang cukup mahal. Sebagai solusi atas permasalahan tersebut, POLMAN Bandung melakukan penelitian terkait teknologi rapid prototyping jenis Fused Deposition Modeling untuk memproses bahan baku filament plastik tertentu yang tersedia dan dapat dengan mudah diperoleh di pasaran, juga dengan harga bahan yang lebih murah. Sehingga perlu dirancang sistem peleleh material (extruder) tertentu agar dicapai fungsi mesin rapid prototyping yang mampu memproses bahan baku filament tersebut. Untuk menghasilkan lelehan material filament jenis tertentu diperlukan extruder yang sesuai dengan karakteristik material filament tersebut. Karakteristik material yang dimaksud antara 1
lain adalah titik leleh material, viskositas, dan geometri filament. Sebagai suatu acuan material yang diperlukan, pada tugas akhir ini penulis mengambil satu jenis filament yang umum digunakan untuk proses ekstrusi material yang tersedia di pasaran yaitu jenis Polylactic Acid (PLA) dengan diameter filament 1,75 mm. Sehingga penelitian yang penulis lakukan pada tugas akhir ini mengacu pada karakteristik material tersebut. Sebagai salah satu fungsi bagian utama pada mesin rapid prototyping berbasis FDM, extruder memegang peranan penting dalam menghasilkan kualitas cetak plastik, yaitu pada proses mengubah bahan baku material plastik (filament) menjadi lelehan plastik yang akan dicetak. Dikarenakan pentingnya peranan extruder pada kualitas hasil cetak, diperlukan pembahasan lebih lanjut mengenai bagaimana fungsi extruder pada mesin rapid prototyping, perancangan, serta analisis yang diperlukan agar dihasilkan rancangan extruder yang dapat berfungsisebagaimana mestinya pada mesin rapid prototyping. Adapun tujuan yang ingin dicapai dari karya tulis ini yaitu menghasilkan rancangan extruder mesin rapid prototyping berbasis FDM untuk material PLA diameter 1,75mm yang dianalisis dengan perhitungan dan menggunakan Computer Aided Engineering (CAE). Kajian yang akan dilakukan dibatasi extruder dirancang untuk diterapkan pada mesin CNC milling High-Z S-400 sehingga dimensi dan operasi extruder yang dirancang disesuaikan dengan kemampuan mesin tersebut. Filament yang digunakan berbahan Polylactic Acid (PLA) diameter 1,75 mm. Analisis yang dikaji adalah analisis perpindahan panas pada ruang pemanas, kecepatan dorong filament, gaya dorong filament serta daya motor yang digunakan untuk menggerakkan filament. 2. PERANCANGAN DAN KAJIAN 2.1 Metode Perancangan Metode perancangan yang digunakan adalah VDI 2222. Metoda VDI 2222 terdiri dari 4 fase ; analisa/merencana, mengkonsep, merancang dan penyelesaian. 2.2 Merencana Mesin rapid prototyping profesional dengan jenis Fused Deposition Modeling (FDM) yang terdapat di Lab Produksi POLMAN Bandung menggunakan filament dengan jenis material khusus yang hanya disediakan oleh perusahaan mesin rapid tersebut, dan harga material tersebut terbilang mahal, oleh karena itu perlu dirancang suatu extruder mesin rapid prototyping dengan jenis FDM yang mampu menggunakan bahan baku filament dengan material tertentu yang umum digunakan dan tersedia di pasaran dan memiliki harga yang terbilang cukup murah. Sebagai suatu acuan material yang diperlukan pada proses perancangan yang dilakukan, penulis mengambil satu jenis filament yang umum digunakan untuk proses ekstrusi material yang tersedia di pasaran yaitu jenis Polylactic Acid (PLA) dengan diameter filament 1,75 mm. Sehingga proses perancangan yang penulis lakukan pada tugas akhir ini mengacu pada karakteristik material tersebut. Gambar 2.1 Gulungan filament PLA diameter 1,75 mm 2.3 Mengkonsep Selain mengacu pada karakteristik filament yang digunakan, dimensi dan operasi extruder menyesuaikan dengan mesin CNC yang akan digunakan. Sehingga diperoleh beberapa tuntutan utama untuk perancangan extruder yang dilakukan Tabel 2-1 DaftarTuntutan Utama 1 Geometri -Diameter filament -Diameter lelehan 2 Kinematik -Kecepatan lelehan plastik 3 Material -Material filament -Titik leleh flament 4 Operasi -Metode operasi 1,75 mm 0,4 mm 25 mm/s PLA 205-220 C FDM 2
Dengan tujuan pencapaian fungsi extruder seperti yang diinginkan,maka diperlukan diagram alir proses yang berlangsung pada extruder dari mula-mula bahan baku filament tersedia hingga filament menjadi lelehan. Untuk mendefinisikan diagram alir proses tersebut digunakan metode blackbox. Dengan metode blackbox bagian proses direncanakan agar tergambar hubungan antara bagian input dan output serta urutan proses yang dibutuhkan pada extruder dapat ditampilkan dengan jelas. Dari tiap-tiap proses yang diperlukan, didefinisikan sub fungsi bagian pada setiap proses untuk menjamin tercapainya fungsi tiap proses yang diperlukan. Dari penguraian fungsi tiap proses yang dilakukan maka diperoleh sub fungsi bagian penyusun extruder sebagai berikut : 1. Sub fungsi pengarah filament 2. Sub fungsi penggerak 3. Sub fungsi transmisi 4. Sub fungsi penggerak filament 5. Sub fungsi ruang pemanas 6. Sub fungsi element pemanas 7. Sub fungsi saluran filament 8. Sub fungsi pengarah lelehan filament 9. Sub fungsi bantalan dudukan 10. Sub fungsi landasan Dari alternatif fungsi bagian yang telah didefinisikan, dilakukan pemilihan alternatif konstruksi pada tiap-tiap fungsi bagian untuk penyusunan alternatif variasi konsep. Dari pemilihan tiap alternatif fungsi bagian yang telah dilakukan, dibentuk 3 alternatif variasi konsep dengan hasil pemilihan alternatif tiap fungsi bagian. Ketiga alternatif variasi konsep diatas dinilai untuk memperoleh alternatif variasi kosep terbaik yang akan dikembangkan lebih lanjut pada tahapan selanjutnya. Penilaian akan memberikan alasan pemilihan suatu konsep rancangan optimal yang didasarkan pada aspek tertentu yang menentukan layak atau tidak layaknya suatu konsep rancangan untuk dikembangkan dan direalisasikan. Aspek tersebut adalah aspek teknik yang tercantum pada daftar tuntutan. Skala Penilaian yang dilakukan berdasarkan kemampuan setiap alternatif variasi konsep untuk mencapai tiap-tiap tuntutan. Dari tabel hasil penilaian yang dilakukan oleh penulis pada tiap alternatif konsep, dipilih alternatif konsep nomor 2 karena dari segi ketercapaian fungsinya terhadap daftar tuntutan, alternatif tersebut memiliki jumlah nilai tertinggi bila dibandingkan dengan alternatif fungsi 1 dan 3. Gambar 2.2 Alternatif variasi konsep terpilih 2.4 Merancang Dari alternatif konsep terpilih, konsep rancangan tersebut disempurnakan dari bagian bagian kritis dan penambahan konstruksi pengikatan yang diperlukan. Kemudian konsep tersebut dituangkan kedalam draft rancangan untuk selanjutnya dilakukan analisis yang dibahas pada bab selanjutnya. 3. PERHITUNGAN DAN ANALISIS Adapun bahasan analisis yang dilakukan penulis pada konsep rancangan yang telah dituangkan pada draft rancangan yang telah dibuat antara lain : 1. Analisis perpindahan panas, 2. Analisis gaya dorong filament dan 3. Analisis kecepatan filament. 3.1 Analisis Perpindahan Panas Perpindahan panas yang terjadi pada extruder berlangsung di blok pemanas dimana energi panas yang dihasilkan oleh catridge heater ( element pemanas) merambat melalui blok pemanas menuju filament dengan temperatur tertentu sehingga energi panas yang merambat pada filament digunakan untuk mengubah wujud filament dari semula padat menjadi lelehan plastik. Untuk menganalisis perpindahan panas yang terjadi pada blok pemanas yang telah dirancang, penulis menggunakan CAE sebagai 3
alat bantu analisis. Software yang digunakan penulis adalah Solidworks Thermal Study. Dengan memasukan model 3D blok pemanas serta variabel dan parameter keputusan yang ada, maka diperoleh hasil analisis sebagai berikut: Gambar 3.2. Clearance pada pemasangan catridge heater Untuk menentukan temperatur heater agar dicapai temperatur sesuai yang diinginkan maka dapat diperoleh dengan mengatur Fit in hole (clearance) antara lubang maksimum (Inner diameter) dikurangi diameter minimum heater (Outer Diameter) dengan toleransi ± 0,05 mm, dimana clearance tersebut diperoleh dengan bantuan grafik : Gambar 3.1 Hasil analisis perpindahan panas menggunakan software Solidworks Thermal Study Untuk mendapatkan temperatur pada posisi heater sebesar 228 C dicari dengan memanfaatkan data yang terdapat pada katalog heater yang digunakan.dari katalog wattlow firerod catridge / insertion heater diperoleh data heater untuk tipe E2A57. Tabel 2.1 Informasi catridge heater Gambar 3.3 Hubungan watt density dan clearance Melalui interpolasi diperoleh holefityang diperlukan untuk mendapatkan temperatur heater 228 C adalah sebesar 0,0118 in atau 0,299 mm Tabel 3.2 Dimensi catridge heater Maka diameter lubang heater yang diperlukan adalah penjumlahan dari besar diameter heateractual dan besar hole fit yaitu 6,599 mm dengan toleransi ±0,05 mm sesuai toleransi diameter heater. 4
3.2 Analisis Gaya Dorong Filament Analisis gaya dorong filament bertujuan untuk mencari besarnya gaya yang diperlukan untuk roller pendorong agar filament dapat mengalir (akibat dorongan) menuju ruang pemanas. yang diperlukan pada blok pemanas dengan menggunakan rumus tekanan ekstrusi: [ ] [ ] Dari besar tekanan pada ruang pemanas yang telah diperoleh kemudian dicari gaya pendorong yang diperlukan dengan menggunakan rumus tekanan. Kemudian untuk mencari besar gaya pendorong yang terjadi pada ruang pemanasan maka persamaan menjadi sebegai berikut: Gambar 3.4 Aliran filament pada extruder Gaya dorong tersebut dicari melalui persamaan umum aliran pada fluida (Hukum Bernoulli). Kemudian untuk mencari aliran yang terjadi pada nozzle maka persamaan menjadi sebegai berikut: Luas penampang pada lubang blok pemanas adalah 1,755 mm sehingga Maka gaya dorong filament yang diperlukan adalah: menunjukan aliran pada nozzle. Kecepatan aliran pada nozzle diperoleh dari daftar tuntutan, kecepatan lelehan pada nozzle yang diperlukan sama besarnya dengan kecepatan pergerakan sumbu X, Y, dan Z pada mesin yaitu sebesar 25. Adapun luas penampang pada nozzle (dari daftar tuntutan, diameter nozzle yang digunakan sebesar 0,4 mm) dihitung dengan rumus: Kemudian untuk mencari besar aliran pada blok pemanas digunakan persamaan aliran: Maka besar aliran pada blok pemanas: 3.3 Analisis Kecepatan Pergerakan Filament Analisis kecepatan pergerakan filament diperlukan untuk menentukan kecepatan pergeseran filament (akibat gaya pendorong dari roller) serta kecepatan putaran motor yang diperlukan agar dihasilkan kecepatan lelehan yang keluar dari nozzle sesuai dengan daftar tuntutan yaitu sebesar 25. Untuk mengetahui kecepatan yang diperlukan pada ruang pemanas digunakan Hukum Bernoulli tentang aliran fluida yang telah disebutkan sebelumnya. Besar aliran yang diperlukan pada ruang pemanas yaitu, maka kecepatan pergeseran filament pada ruang pemanas dapat dicari dengan menggunakan persamaan dibawah: Setelah diketahui besar aliran yang diperlukan, langkah selanjutnya adalah mencari tekanan 5
Gambar 3.5 Mekanisme pergerakan filament Setelah diketahui kecepatan pergeseran filament, maka dengan asumsi tidak terjadi slip pada kontak antara filament plastik dengan profil gigi pada roller, dengan diameter tusuk roller hasil rancangan sebesar 18,25 mm, kecepatan putaran roller dapat dicari dengan rumus berikut: Untuk menghasilkan kecepatan lelehan filament sebesar 25 mm/s maka perlu diatur putaran motor sebesar 5,433 rpm. Kecepatan motor ini dapat dicapai dengan mengatur kecepatan putaran motor pada unit kendali mesin / Machine Control Unit (MCU) sebagaimana pengaturan pada mesin NumericalControl (NC) pada umumnya. Selanjutnya dihitung pula daya motor yang diperlukan untuk menghasilkan pergerakan filament sesuai yang diharapkan. Untuk mencari daya yang terjadi pada motor (Pm) diawali dengan menggambarkan gaya-gaya yang terjadi pada filament : Maka Gambar 3.7 Diagram benda bebas pada filament Gambar 3.6 Transmisi roda gigi pada extruder Sebelum diteruskan ke roller, putaran dari motor direduksi terlebih dahulu dengan menggunakan roda gigi lurus. Dari rancangan yang dihasilkan, jumlah gigi pada roda gigi kecil = 18 dan jumlah gigi pada roda gigi besar = 72. Maka rasio putaran (i) diperoleh dengan menggunakan persamaan rasio: Sehingga kecepatan putaran motor ( diperlukan menjadi: ) yang Gaya tekan yang bekerja pada filament akibat pegas (2Fp) dihitung berdasarkan ketentuan bahwa gaya dorong yang diperlukan untuk mendorong filament harus lebih besar daripada gaya gesek statis yang terjadi akibat gaya tekan pegas tersebut.... (1) Kemudian dengan memperhitungkan tekanan permukaan yang terjadi maka : Dari literatur diketahui bahwa batas kecepatan putaran untuk motor stepper NEMA17 yang diizinkan adalah sehingga kecepatan motor stepper yang diperlukan masih didalam batas yang diizinkan. 6
Dengan efisiensi roda gigi sebesar 85 % maka daya motor menjadi : 4. KESIMPULAN Gambar 3.8 Tekanan permukaan Tekanan permukaan antara filament dan bearing dapat dihitung mensubstitusi persamaan tekanan permukaan sehingga didapatkan besar gaya tekan:... (2) Maka besar gaya tekan akibat pegas harus memenuhi kedua batasan tersebut sehingga dipilih Maka dipilih pegas dengan gaya 20N. Gaya akibat pegas tersebut menghasilkan gaya gesek pada filament. Gaya gesek yang terjadi adalah: Gaya dorong filament (F 1 ) merupakan pengurangan dari gaya roller (Fr) dengan gaya gesek (Fg) = 6,778 + 4 = 10, 778 N Kemudian daya pada motor dapat dicari dengan menggunakan persamaan daya: Dari tahapan perancangan yang telah dilakukan dihasilkan draft rancangan extruder yang pada perancangannya mengacu pada kebutuhan material filament yang akan digunakan yaitu filament dengan bahan Polylactic Acid (PLA) dengan diameter 1,75 mm. Draft yang dihasilkan tersebut kemudian dianalisis dari beberapa bahasan analisis yaitu analisis perpindahan panas, gaya dorong dan kecepatan pergerakan filament. Dari analisis yang telah dilakukan, dihasilkan beberapa kesimpulan antara lain untuk mendapatkan temperatur yang sesuai untuk melelehkan PLA dapat diatur dengan memperbesar diameter lubang penempatan element pemanas besar menjadi 6,599 mm ± 0,05 mm. Kemudian dari analisis gaya dorong dihasilkan besar gaya dorong yang diperlukan pada roller pendorong untuk mendapatkan kecepatanlelehan sebesar 25 mm/s adalah sebesar N. Selain itu melalui perhitungan kecepatan pergerakan filament diketahui bahwa kecepatan motor yang diperlukan masih dalam batas kecepatan yang diizinkan serta daya motor yang diperlukan sebesar 0,016 Watt. 5. DAFTAR PUSTAKA [1] Comb, James W., William R. Priedeman, dan Patrick W. Turley. FDM Technology Process Improvements. 2015: 43-44. [2] Jim, Jose, dan Rajakannu Amuthakkannan. Design, Development and Analysis of FDM based Portable Rapid Prototyping Machine. International Journal of Latest Trends in Engineering and Technology (IJLTET), 2014: 1-10. [3] Kelly, James Floyd, dan Patrick Hood Daniel. Printing in Plastic - Build Your Own 3D Printer. New York: Apress, 2011. [4] Kreith, Frank, dan Arko Prijono. Prinsipprinsip Perpindahan Panas. Jakarta: Penerbit Erlangga, 1997. [5] Wuryani, Sri. Perpindahan Panas. Bandung: Pusat Pengembangan Pendidikan Politeknik, 1995. 7
8