BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Numerical Control (NC)
Numerical Control adalah teknik yang digunakan untuk mengontrol alat
dan proses pada mesin dengan menggunakan perintah kode. NC mengontrol penggunaan instruksi tersebut dan menerjemahkan ke dalam dua tipe sinyal kontrol : sinyal kontrol gerak dan sinyal kontrol berganti-ganti.
Sinyal kontrol gerak adalah barisan dari rangkaian pulsa elektronik yang digunakan untuk mengontrol posisi dan kecepatan meja mesin dan spindel. Setiap pulsa mengaktifkan gerakan dari suatu unit panjang dasar (Basic Length-Unit/BLU) yang menambah ukuran minimum dari sistem kontrol NC yaitu 0,001
inch (atau 0,01 mm), sementara pada kontrol CNC modern, pemecahan penambahan dapat mencapai 0,0001 inch (atau 0,001 mm). Jumlah pulsa yang ditransmisikan pada setiap poros menentukan penambahan posisi dan frekuensi pulsa tersebut mengatur kecepatan poros.
Sinyal kontrol berganti-ganti adalah menyetel sinyal on/off pada perkakas untuk mengontrol kecepatan dan arah dari putaran spindel, kontrol dari sistem pendingin, pemilihan alat potong, penjepitan dan pelepasan otomatis, dan sebagainya.
NC sering ditunjukkan pada generasi lama dari teknologi pengontrolan
angka. Sistem NC kontrol hard-wired yang digunakan adalah implementasi dari perangkat keras elektronik berdasarkan teknologi sirkuit digital. (Rosehan Yahuza ,2010)
2.2 Computer Numerical Control (CNC)
Computer Numerical Control adalah sistem pengontrolan angka sesuai
Programs).
Semua kontrol angka pada mesin buatan pabrik sejak tahun 1970-an merupakan tipe CNC. Sinyal kontrol sistem CNC menggunakan perintah binari. Setiap perintah terdiri dari angka pasti dalam bits, 32 bits atau 64 bits sering digunakan setiap bits dari data terdiri dari satu gerakan BLU dapat diwakilkan 1 sampai 232 = 4.294.967.296 posisi poros yang berbeda. Pada pemecahan sistem, control : BLU = 0,0001 inch, angka ini mewakilkan sampai 429.969 inch. Gerakan yang mungkin yaitu lebih dari cukup untuk semua tipe aplikasi yang digunakan. (Rosehan Yahuza,2010)
2.3 Keuntungan Teknologi CNC
Keuntungan utama dari penggunaan teknologi CNC adalah mengurangi biaya produksi, meningkatkan kualitas produk, dan fasilitas perencanaan dan pengontrolan produksi. Keuntungan tersebut dapat direalisasikan melalui sembilan produksi :
1. Meningkatkan produksi 2. Mengurangi biaya produksi
3. Fasilitas dan operasi mesin yang beragam 4. Membuktikan perencanaan dan kontrol produksi 5. Fasilitas dari otomatis yang fleksibel
6. Ketepatan yang tinggi dan pengulangan 7. Mengurangi biaya operasi tidak langusng 8. Fleksibilitas yang lebih besar
9. Batas rendah kemampuan operator yang dibutuhkan.
Tiga pokok timbal balik dari penggunaan teknologi CNC mencakup : penanaman modal pertama yang tinggi, kebutuhan pemeliharaannya tinggi, dan tidak mengeluarkan biaya efektif untuk pekerjaan produksi rendah.(Rosehan Yahuza,2010)
Dengan menggunakan cara ini, kita hanya cukup menggambar pada komputer sesuai dengan benda yang kita inginkan kemudian disimulasikan prosesnya sesuai dengan urutan kerja dengan menggunakan software CAD (Computer Aided Desain) dan software CAM (Computer Aided Manufacturing) tertentu.(Dalmasius Ganjar Subagio,2008)
Mesin CNC yang dioperasikan secara otomatis mempunyai kelebihan feksibilitas tinggi, lebih akurat, memungkinkan untuk produksi benda kerja yang rumit, tidak dibutuhkan operator yang ahli, produktifitas tinggi dan lebih efisien dalam segi waktu. Kelemahan mesin ini adalah harganya mahal dan perawatan cukup sulit karena diperlukan teknisi khusus, dan dibutuhkan bagian programmer yang terampil.(Erista Budi,2012)
2.4 Mesin CNC
Mesin CNC (Computer Numerical Control) adalah mesin yang proses pengoperasiannya dikendalikan oleh sistem CNC, yaitu suatu sistem kontrol yang proses pengontrolannya dilakukan menggunakan perintah berupa kode-kode huruf dan angka (alpha-numeric-code).(Groover,dkk.1984) Susunan perintah dalam kode huruf dan angka yang tersusun sedemikian rupa dan digunakan untuk mengatur operasi mesin dalam rangka pembuatan suatu produk disebut program CNC.
Mesin CNC terdapat driver X, driver Y, power supply, connector, dan USB CNC. Program dari desain pada komputer akan diterjemahkan oleh USB CNC dimana program NC pada intinya akan memberi perintah kepada mesin untuk menggerakan meja mesin sesuai dengan kode untuk axis X dan Y.
2.4.1 Sistem Koordinat Cartesian
Untuk cartesian, atau persegi panjang, sistem koordinatnya dirancang oleh matematikawan Perancis dan seorang filosofi Rene Descartes. Dengan sistem ini, setiap titik tertentu dapat dijelaskan dalam istilah matematika yaitu titik ke titik di sepanjang tiga sumbu tegak lurus. Prinsip ini sesuai dengan mesin perkakas sempurna karena konstruksi mesin umumnya didasarkan pada empat sumbu gerak yaitu sumbu X, Y, Z dan sumbu rotasi. Sederhananya, pada mesin milling vertikal, sumbu X adalah gerakan horisontal (kanan atau kiri) dari meja, sumbu Y adalah gerakan meja melintang (menuju atau menjauh dari kolom), dan sumbu Z gerakan vertikal dari bawah keatas, menekuk atau memanjang. Sistem NC sangat bergantung pada penggunaan empat sisi koordinat karena darisana programmer dapat menemukan setiap titik untuk benda dengan tepat.
Ketika titik – titik pada benda kerja, dua garis berpotongan lurus, satu vertikal dan satu horisontal, digunakan. Garis-garis ini harus membentuk sudut satu sama lain, dan titik di mana titik potong (bersebrangan) disebut titik asal, atau titik nol.
+Y
-Y
+X -X
Axis Y
Axis X
Titik nol
Gambar 2.1 Koordinat axis X dan Y(Allen-Bradley)
+Z
-Z
+Y
-Y
+X -X
Gambar 2.2 Koordinat 3 dimensi axis X,Y dan Z (Steve Krar dan Arthur Gill,1990)
2.4.2 Prinsip Kerja
Mesin perkakas CNC adalah mesin perkakas yang dalam pengoperasiannya dibantu dengan kontrol numerik komputer atau CNC (Computer Numerical Control). Untuk menggerakkan meja kerja pada mesin perkakas CNC disepakati menggunakan sistem koordinat. Sistem koordinat pada mesin bubut CNC (Gambar 2.3) adalah sistem koordinat kartesian dengan tiga sumbu yaitu sumbu X, Y dan Z. Sistem koordinat mesin (MCS=Machine Coordinate System) tersebut bisa dipindah-pindah titik nolnya untuk kepentingan
pelaksanaan seting, pembuatan program CNC dan gerakan meja kerja CNC. Titik- titik nol yang ada pada mesin bubut CNC adalah titik nol Mesin (M), dan titik nol benda kerja (W).( B.Sentot Wijanarka,2011)
Gambar 2.4 Penetapan titik koordinat mesin CNC (X0,Y0) (B.Sentot Wijanarka,2011)
2.5 Bahasa Pemrograman G-Code
Mesin CNC hanya dapat membaca kode standar yang telah disepakati oleh industri yang membuat mesin CNC. Dengan kode standar tersebut, pabrik mesin CNC dapat menggunakan PC sebagai input yang diproduksi sendiri atau yang direkomendasikan. Kode standar pada mesin CNC yaitu : kode G dan M. (Kuspriyanto,2005)
Tabel 2.1 Kode G dan M
No. Kode Keterangan
1. G00 Pindah posisi axis dengan kecepatan penuh 2. G01 Pindah posisi axis secara linear (feed rate) 3. G02 Pindah posisi axis berputar searah jarum jam 4. G03 Pindah posisi axis berputar berlawanan arah jarum jam
5. G04 Waktu tunda
6. G10 Pengaturan sistem koordinat
7. G12 Pindah posisi axis berputar searah jarum jam 8. G13 Pindah posisi axis berputar berlawanan arah jarum jam 9. G15/G16 Koordinat berpindah pada G00 dan G01
10. G17 Pindah posisi axis X-Y dipakai pada G02 dan G03 11. G18 Pindah posisi axis Y-Z dipakai pada G02 dan G03 12. G19 Pindah posisi axis X-Z dipakai pada G02 dan G03
13. G20/G21 Inch/Milimeter
14. G28 Mengembalikan ke posisi otomatis
15. G28.1 Referensi axis
16. G30 Kembali ke utama
22. G44 Kompensasi panjang arah negatif 23. G49 Pembatalan kompensasi panjang pahat 24. G50 Kembali berpindah dengan 1.0
25. G51 Mengulang data input
26. G52 Koordinat sistem berhenti sementara 27. G53 Koordinat sistem mesin berpindah
28. G54 Sistem koordinat 1
34. G61/G64 Berhenti dengan seksama/kecepatan konstan 35. G68/G69 Rotasi koordinat sistem
36. G73 Berputar untuk bor
37. G80 Membatalkan fixed cycle
38. G81 Fixed cycle untuk pengeboran (drilling) 39. G83 Fixed cycle counter bore dengan waktu tunda 40. G84 Fixed cycle untuk pengetapan (tapping)
41. G85 Fixed cycle reamer
42. G86 Fixed cycle boring
43. G88 Berputar tidak berhenti dengan kecepatan penuh 44. G89 Berhenti berputar dengan kecepatan tertentu
45. G90 Program absolute
46. G91 Program incremental
47. G92 Koordinat referensi benda kerja 48. G92.X Batalkan G92 dan lain-lain 49. G93 Perubahan kecepatan waktu
50. G94 Kecepatan per-menit
51. G95 Kecepatan per-rev
52. G98 Pengembalian pahat pada Z awal
53. G99 Pengembalian pahat pada jarak yang ditentukan (R)
54. M02 Program selesai
55. M03 Spindle berputar searah jarum jam 56. M04 Spindle berputar berlawanan arah jarum jam
57. M05 Spindle stop
58. M06 Pergantian tool
59. M08 Pompa pendingin aktif (coolant on) 60. M09 Pompa pendingin berlawanan mati (coolant off) 61. M30 Akhir program dan mengembalikan posisi tool terakhir
62. M98 Masuk ke subprogram
Secara umum, cara mengoperasikan mesin CNC dengan cara memasukkan perintah numeric melalaui tombol-tombol yang tersedia pada panel instrument di tiap- tiap mesin. Setiap jenis mesin CNC mempunyai karakteristik tersendiri sesuai dengan pabrik yang membuat mesin tersebut. Namun demikian secara garis besar dari karakteristik cara mengoperasikan mesin CNC dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu :
2.5.1. Sistem Absolut
Pada sistem ini titik awal penempatan alat potong yang digunakan sebagai acuan adalah menetapkan titik referensi yang berlaku tetap selama proses operasi mesin berlangsung. Untuk mesin bubut, titik referensinya diletakkan pada sumbu (pusat) benda kerja yang akan dikerjakan pada bagian ujung. Sedangkan pada mesin frais, titik referensinya diletakkan pada pertemuan antara dua sisi pada benda kerja yang akan dikerjakan.
Gambar 2.5 Referensi Absolut.(RosehanYahuza,2010)
Lokasi Program absolut selalu diberikan dari titik nol sebagai titik asal (tetap). Titik nol atau asal mungkin posisi di meja mesin, seperti sudut meja kerja atau pada setiap titik tertentu pada benda kerja. Pada sistem absolute dimensi dan pemrograman, setiap titik atau lokasi pada benda kerja diberikan sebagai jarak tertentu dari nol atau titik referensi.
- A minus X (X) perintah akan menyebabkan alat pemotong untuk berada di sebelah kiri nol atau asal titik
- A plus Y (+ Y) perintah akan menyebabkan alat pemotong yang berlokasi menuju kolom
- A minus Y (Y) perintah akan menyebabkan alat pemotong untuk berada jauh dari kolom
Dalam pemrograman absolut, perintah G90 menunjukkan ke komputer dan MCU bahwa pemrograman adalah untuk berada dalam mode absolut.(Steve Krar dan Arthur Gill,1990)
2.5.2. Sistem Incremental
Pada sistem ini titik awal penempatan yang digunakan sebagai acuan adalah selalu berpindah sesuai dengan titik actual yang dinyatakan terakhir. Untuk mesin bubut maupun mesin frais diberlakukan cara yang sama. Setiap kali suatu gerakan pada proses pengerjaan benda kerja berakhir, maka titik akhir dari gerakan alat potong itu dianggap sebagai titik awal gerakan alat potong pada tahap berikutnya.
Gambar 2.6 Referensi Inkremental.(Rosehan Yahuza,2010)
- A plus X (+ X) perintah akan menyebabkan alat pemotong untuk berada di sebelah kanan titik terakhir
- A minus X (X) perintah akan menyebabkan alat pemotong untuk berada di sebelah kiri titik terakhir
- A plus Y (+ Y) perintah akan menyebabkan alat pemotong yang berlokasi menuju kolom
- A minus Y (Y) akan menyebabkan alat pemotong untuk berada jauh dari kolom
- A plus Z (+ Z) perintah akan menyebabkan alat pemotong atau spindle untuk bergerak ke atas atau jauh dari benda kerja
- A minus Z (Z) bergerak alat pemotong bawah atau ke benda kerja
Dalam pemrograman incremental, perintah G91 akan menunjukkan kepada komputer dan MCU bahwa pemrograman adalah untuk berada dalam mode incremental.(Steve Krar dan Arthur Gill,1990)
2.6 Jenis Mesin
Di masa lampau, mesin perkakas dibuat sesederhana mungkin untuk menjaga biaya rendah. Karena dapat meningkatkan upah tenaga kerja, mesin perkakas yang baik, lengkap dengan kontrol elektronik, yang dikembangkan oleh industri dapat menghasilkan barang yang lebih banyak dan lebih baik, dengan harga yang kompetitif dengan orang-orang dari industri lepas pantai. NC (numerically controlled) adalah program yang digunakan semua jenis mesin perkakas, dari yang paling sederhana sampai yang paling kompleks. Alat mesin yang paling umum adalah mesin bor spindle tunggal, mesin bubut, mesin milling, dan mesin putaran pusat.
2.6.1 Mesin Bor Spindle – Tunggal
a. Axis X mengontrol pergerakan meja ke kanan dan b.
kiri
Axis Y mengontrol pergerakan meja menuju atau menjauh dari c.
kolom Axis Z mengontrol pergerakan poros spindle kebawah atau keatas, untuk melakukan pengeboran dengan kedalaman tertentu.
2.6.2 Mesin Bubut
Mesin bubut, salah satu mesin yang paling produktif, selalu menjadi sarana yang sangat efisien memproduksi bagian benda bentuk lingkaran. Sebagian besar mesin bubut diprogram pada dua axis, yaitu
a.
:
Axis X mengontrol lintas gerak melintang (masuk atau keluar) dari alat
b.
pemotong
Axis Z mengontrol pergerakan pemotong menuju atau menjauh dari headstock.
2.6.3 Mesin Milling
Mesin milling adalah salah satu mesin paling serbaguna yang digunakan dalam industri. Dioperasikan untuk milling (penggilingan), contouring, pemotongan roda gigi, pengeboran, penggurdian, dan reaming hanya beberapa dari banyak operasi yang dapat dilakukan pada mesin milling. Mesin milling dapat diprogram pada tiga axis, yaitu :
a. Axis X mengontrol pergerakan meja ke kiri atau kanan
b. Axis Y mengontrol pergerakan meja menuju atau menjauh dari kolom c. Axis Z mengontrol secara vertikal (atas atau bawah) gerakan menekuk
atau memanjang.
2.6.4 Mesin Putaran Pusat
numerik, memiliki akurasi yang lebih besar dan tingkat produksi yang lebih tinggi daripada mesin bubut
a.
. Pengoperasian mesin ini berdasarkan pada dua axis, yaitu :
Axis X mengontrol lintas gerakan kepala b.
menara
Axis Z mengontrol pergerakan memanjang (menuju atau jauh dari headstock) dari kepala rotasi. (Steve Krar dan Arthur Gill,1990)
2.7 Spektrum Elektromagnetik
Cahaya merupakan sebuah gelombang dan partikel.(Mark Csele,2005) Cahaya elektromagnetik dapat dipertimbangkan sebagai bentuk energi cahaya sebagai transfer gelombang. Bentuk sederhana dari cahaya elektromagnetik dapat dilihat dalam Gambar 2.7 berikut.
Gambar 2.7 Gerakan gelombang cahaya elektromagnetik
Panjang gelombang (λ) merupakan jarak antara dua gunung/lembah yang berdampingan dari gelombang itu. Banyaknya gelombang lengkap yang melewati suatu fisik yang diam persatuan waktu diberi istilah frekuensi (v). Hubungan antara panjang gelombang dan frekuensi adalah
λ = c / v (2.1)
dengan λ adalah panjang gelombang (cm), v adalah frekuensi (dt-1 atau Hz), c adalah kecepatan cahaya (3 x 1010 cm dt-1). Bilangan gelombang merupakan kebalikan dari panjang gelombang, dinyatakan sebagai ῡ (cm-1
ῡ = 1/ λ (2.2)
) yaitu :
Panjang gelombang cahaya elektromagnetik bervariasi dari beberapa Å sampai beberapa meter. Unit-unit yang digunakan untuk melukiskan panjang gelombang adalah sebagai berikut :
nm = nanometer = 10-9 meter = 10 angstrom = 10-3 µm = mikrometer = 10
mikrometer -6
meter = 104
Untuk radiasi UV dan tampak (visible) digunakan satuan angstrom dan nanometer. Sedangkan mikrometer digunakan untuk daerah IR (infra merah). Hubungan antara energi dan panjang gelombang (λ) dituliskan sebagai :
angstrom
E = h c / λ (2.3)
Dengan E = energi cahaya (erg), h = konstanta Planck(6,62 x 10-27 erg det). Spektrum elektromagnetik menyeluruh dikelompokkan seperti Gambar 2.8.
Gambar 2.8 Spektrum Elektromagnetik
Daerah tampak (visible) sangat kecil panjang gelombang yang dikaitkan dengan cahaya tampak itu mampu mempengaruhi selaput pelangi pada manusia, dan karenanya menimbulkan kesan subyektif akan ketampakan (vision). Panjang gelombang daerah tampak dari 400 nm – sekitar 750 nm (Susila Kristianingrum), dengan frekuensi 7,5x1014 – 4x1014, dan bilangan gelombang (ῡ) 25000 – 13000 cm-1-.(Ibnu Gholib,2007)
2.8 Laser
Laser adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, yang berarti penguatan cahaya melalui pancaran radiasi yang
atom mengeluarkan cahaya secara bersamaan. Jika cahaya tersebut dipantulkan oleh cermin – cermin khusus, lama kelamaan intensitasnya menjadi lebih tinggi sehingga mampu menembus cermin dan terbentuklah sinar laser.(Siegmans,1986).
Sifat yang terjadi akibat kesamaan frekuensi adalah monokromatisme dan sifat yang terjadi akibat kesamaan fase adalah koherensi. Jadi syarat terbentuknya laser adalah sumber cahaya yang monokromatis dan koheren. (Fafat Reynaldo,2001)
Panjang gelombang λ dan osilasi frekuensi adalah korelasi dari kecepatan cahaya � dengan :
�= � .� (2.4)
Kecepatan cahaya memiliki nilai sebesar 3 × 108 ms-1. Sejak cahaya tampak berada pada range panjang gelombang λ = 400 nm (biru) – 800 nm (merah), osilasi frekuensi cahaya tampak bervariasi dari 7.5 × 1014 Hz sampai 3.75 × 1014
� =ℎ� (2.5)
Hz. Pemahaman cahaya sebagai sebuah gelombang elektromagnetik cukup digambarkan pada proses refraksi dan difraksi ketika sebuah berkas cahaya menyebar melalui beberapa material berbeda. Sekarang, cahaya dapat digambarkan sebagai fluks sebuah foton. Setiap foton diuraikan dengan kecepatan cahaya dan megandung energi sebesar :
Dimana adalah frekuensi dan h adalah konstanta Planck (h = 6.675 × 10-31
Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monokromatik dan sangat lurus. Cara kerjanya mencakup optika dan elektronika. Sifat – sifat monokromatik, kolimasi, dan koherensi dari laser telah dikembangkan dalam berbagai aplikasi di beberapa bidang, seperti industri, biomedis, dll.(www.science4heritage.org)
Js). (Hans – Jochen Forth, 2008)
Laser dapat beroperasi pada :
2. Laser pulsa dapat dihasilkan dengan teknik Q-switching, mode terkunci (mode locking) atau gain switching. Laser dalam bentuk pulsa dapat menghasilkan daya yang sangat besar, kemudian berkas laser yang dihasilkan berubah terhadap waktu secara bolak – balik dengan mode on dan off. Laser pulsa biasanya dibuat dengan tujuan untuk menghasilkan power laser yang sangat besar dengan waktu radiasi yang singkat. (David
R.Whitehouse,1993)
Laser dapat diklasifikasikan berdasarkan medium aktif : 1. Laser zat padat meliputi laser Nd:YAG, ruby
2. Laser zat cair atau dye laser
3. Laser gas meliputi laser CO2, HeNe
2.8.1 Proses Terjadinya Laser
Pada tahun 1917, Albert Einstein mempostulatkan pancaran imbas pada peristiwa radiasi agar dapat menjelaskan kesetimbangan termal suatu gas yang sedang menyerap dan memancarkan radiasi. Menurut Albert Einstein ada 3 proses yang terlibat dalam kesetimbangan itu, yaitu : serapan (absorbtion), emisi spontan (fluorensi) dan emisi terstimulasi (atau lasing, artinya memancarkan laser). (Perdana,Buyung,2008)
Ketika sebuah partikel secara spontan berpindah dari tingkat energi lebih tinggi E2 ke tingkat energi lebih rendah E1
�12 = �1−�ℎ 2 (2.6)
yang ditunjukkan pada Gambar 2.3 (b), foton yang dipancarkan memiliki frekuensi :
(a) (b) (c)
Gambar 2.9 (a) Absorbsi, (b) emisi spontan, dan (c) emisi terstimulasi (Hans – Jochen Foth, 2008)
Pada umumnya, ketika sebuah elektron berada dalam keadaan energi tereksitasi, elektron tersebut akan kekurangan energi karena melepaskan sebuah foton radiasi mengalami transisi menuju keadaan dasarnya dan memancarkan foton. Kejadian ini disebut emisi spontan (spontaneous emission) dan foton yang dipancarkan dalam arah dan fase yang acak.
Disisi lain, jika sebuah elektron berada pada tingkat energi E2 dan mengalami peluruhan energi sampai pada tingkat energi E1, tetapi sebelumnya elektron tersebut memiliki kesempatan untuk meluruh secara spontan, maka sebuah foton yang dihasilkan dengan energi sebesar E2 – E1 akan memiliki panjang, arah dan fase gelombang yang persis sama dengan gelombang elektron tadi sehingga memperkuat energi cahaya yang datang. Proses ini disebut emisi terstimulasi. (Hans-Jochen Foth, 2008)
2.8.2 Komponen Laser
osilasi. Karena osilasi foton – foton yang terus menerus sehingga mengeluarkan foton yang sangat kuat yang menjadi cahaya keluaran laser.(Siegmans,1986)
Gambar 2.10 Komponen Laser.(Siegmans,1986)
2.9 Interaksi laser dengan material
Dalam proses interaksi laser dengan material, terdapat beberapa macam
proses yang terjadi, yaitu :
Gambar 2.11 Mekanisme interaksi laser dengan material
2.9.1 Mekanisme Penyerapan Energi (Absorbtion)
Mekanisme penyerapan terjadi akan tergantung pada jenis bahan. Secara
umum, foton akan bergerak ke arah sumbu yang tepat atau sumber getaran dalam
materi tergantung pada energi foton. Dalam isolator dan semikonduktor,
penyerapan sinar laser terutama terjadi melalui resonansi. Eksitasi seperti transisi
elektron pita valensi ke pita konduksi (interband transisi) atau pita dalam
Sedangkan pada bagian tereksitasi dapat mentransfer energi pada foton.
Foton dengan energi di bawah dalam pita bahan itu tidak akan diserap. Pada
isolator energi biasanya berada dibawah frekuensi cahaya ultraviolet dan
semikonduktor terlihat spektrum inframerah. Namun, pada beberapa penelitian
tinggi resonansi frekuensipada foton optik berada mendekati daerah inframerah.
2.9.2 Konduktivitas Panas (Heat Conduction)
Pemanasan laser yang mengalir dapat mengaktifkan beragam suhu, proses
tergantung dalam bahan padat. Ketika terdapat perbedaan temperature pada suatu
medium atau antar medium, maka transfer panas akan muncul. Salah satu
mekanisme transfer panas yang terjadi pada suatu medium, khususnya padatan
adalah melalui konduksi. Transfer energi secara konduksi berkaitan dengan
aktivitas atomic dan molekuler penyusun bahan tersebut.
2.9.3 Pelelehan (Melting)
Proses melting adalah proses peleburan material (ingot) dengan cara
memanaskannya hingga mencapai titik cair material yang dilebur, berjalan di dalam sebuah unit yang disebut melting furnace.
2.9.4 Penguapan (Evaporation)
Pada saat terjadinya interaksi laser dengan material, maka material akan
mengalami pengurangan massa akibat terevaporasi. Kondisi terevaporasi adalah
kondisi dimana cairan yang seharusnya berubah ke fase gas sebelum ke fase
padatan, hal ini akan menyebabkan terjadinya jumlah massa terevaporasi.
2.9.5 Melt Expulsion
Melt expultion terjadi ketika tekanan uap diterapkan pada permukaan
mencapai melt expulsion halus, pola aliran lelehan perlu diprediksi dengan tepat,
terutama kecepatan aliran lelehan di pinggir lubang itu.
2.10 Laser Nd:YAG
Pada 1972, pertama Nd:YAG laser muncul di dunia industri. Komponen utama dari laser solid state adalah medium aktif, sumber pemompa dan resonator. Umumnya medium aktif dalam bentuk batang panjang dengan ujung datar dan sejajar, pemompa menyediakan satu atau dua lampu linear yang memancar dan dua cermin dielektrik membentuk resonator dengan batang di sumbunya. (
Tipe laser ini merupakan laser yang paling populer. Sebagai bahan aktif digunakan kristal Y
N.U Wetter dan W.de Rossi,2000)
3Al5O12 (Yttrium Aluminium Garnet, YAG) dimana beberapa ion Y3+ diganti oleh ion Nd3+. Konsentrasi umum doping ion Nd3+ adalah sekitar 1% atomik.(Hanif,dkk.2012) YAG (Y3Al5O12
Laser Nd:YAG dapat beroperasi pada kontinu dan pulsa. Laser ini banyak digunakan untuk berbagai aplikasi, seperti : pemrosesan material (drilling dan welding), aplikasi medis (laser Nd:YAG kontinu dengan daya 50 Watt digunakan
untuk evaporasi jaringan dan koagulasi), aplikasi scientific, paint stripping dan militer. (Hanif,dkk.2012)
) yang di doping dengan Neodymium (Nd), menghasilkan kristal dengan kekuatan dan kekerasan cukup tinggi, secara optik kristal ini merupakan kristal isotropik dengan struktur kubik, memiliki fluorescent linewidth yang sempit, menghasilkan penguatan yang tinggi, dan ambang yang rendah untuk operasi laser.(Muchiar,2007)
2.10.1
Gambar 2.12 Sistem laser zat padat
Komponen laser Nd:YAG : a. Batang laser Nd:YAG
Kristal Nd:YAG dikembangkan dengan metode czochralski, hasilnya kristal itu dikembangkan dengan diameter 6 sampai 8 cm dan panjangnya mencapai 20 cm. Setelah pemeriksaan, hasil pengembangan itu diproses untuk diekstrak ke batang laser, dengan penampang rata dan sejajar. Arah pertumbuhan dan dengan demikian sumbu batang laser umumnya adalah “(1)”.
b. Flashlamp
Kebanyakan laser solid state menggunakan lampu linier sebagai sumber pompa optik untuk eksitasi ion aktif. Lampu ini adalah tabung gas debit tinggi kuat kuarsa, biasanya diisi dengan Xe atau Kr dan dirancang untuk memancarkan radiasi kecerahan tinggi dalam rezim berdenyut/pulsa atau kontinu.
c. Rongga pompa
d. Head Laser
Head laser adalah nama dari kumpulan yang menggabungkan semua elemen optik juga dengan proses mekanik dan listrik. Umumnya terdapat rongga pompa dengan batang laser (atau lembaran) dan flashlamp, resonator laser yang termasuk struktur mekanik dan semua bagian input dan output yang diperlukan untuk sumber daya listrik, cairan pendingin dan sinar laser.
e. Power supply
Kunci utama dalam keberhasilan menggunakan Nd: YAG laser sebagai perangkat pengolahan bahan adalah kemampuan untuk beroperasi di banyak rezim yang berbeda. Hal ini dapat berjalan baik secara continue atau pulsa dengan tingkat repitition dari tembakan single hingga kHz dan bentuk tempo dan panjang output pulsa berikut dilakukan oleh sumber pemompa (pumping). Adanya arus yang mengalir pada lampu pompa karena ini adalah parameter yang dikontrol pada power supply laser. Dengan kemajuan teknologi dan komponen, telah dirancang dengan baik power supply yang mampu bekerja selang waktu yang lama (thousands of hours) tanpa ada masalah (troubling).
Tipe power supply switch, masukan arus AC melewati lonjakan arus dibatasi rangkaian ke rectifier dan filter, dimana disini arus akan diubah ke DC dan melangkah ke tegangan yang lebih tinggi. Ini kemudian mengalir ke trafo, terutama melalui transistor utama diswicth, pada bagian ini arus DC menuju arus AC frekuensi tinggi (30 sampai 50 kHz) yang akan diterapkan untuk trafo. Energi ditransfer melalui trafo untuk tegangan rangkaian multiplier yang menimbulkan tegangan sekunder trafo adalah yang diperlukan untuk operasi laser. Hal ini juga mengubah kembali ke DC. Selama operasi, saat laser beroperasi dan dikirim kembali melalui rangkaian kontrol menuju transistor lalu diswitch di mana hubungan yang tepat antara waktu dipertahankan. Ini untuk mengontrol jumlah arus yang mengalir ke laser.
f. Sistem Cooling
masukan energi ini diubah menjadi panas yang disimpan di batang laser sebagai penyimpanan utama, lalu menuju flashlamp dan pompa rongga. Dalam rangka untuk menghilangkan panas ini, hampir semua menggunakan desain deionisasi air (pertukaran ion) dengan resistivitas tingkat tinggi (10 Megaohm-cm). Melalui penggunaan tabung aliran, cairan pendingin dipaksa sepanjang diameter luar flashlamps dan batang laser.
Umumnya sistem menggunakan sirkuit lingkaran tertutup, termasuk udara sederhana untuk air atau air untuk penukar panas air dan pendingin (pendingin air). Menarik kembali udara dari udara untuk sistem air ketergantungan mereka pada suhu udara ambien. Sebaliknya, air untuk sistem air (yang tergantung pada suhu air pendingin) yang lebih efektif.
Penggunaan salah satu sistem tertutup untuk memastikan kontrol kualitas air juga menyediakan aliran konstan dan tekanan untuk kepala laser yang penting untuk daya output konstan. Untuk daya tinggi laser industri, sistem yang terbaik adalah didinginkan dengan pendingin atau air chiller karena secara otomatis dapat mengontrol semua variabel penting dari rangkaian laser pendingin. Unit ini menggunakan pendingin mekanik untuk mempertahankan suhu yang tepat dan termasuk waduk dan pompa untuk menyediakan kondisi aliran dan tekanan yang stabil.( N.U Wetter dan W.de Rossi,2000)
2.11 Lens Pemfocus
Salah satu lensa yang sederhana adalah lensa bundar tebal yang terbuat dari material yang transparant, biasanya terbuat dari gelas, bagian lensa yang paling tebal adalah bagian tengahnya dibandingkan bagian pinggirnya. Lensa mempunyai sifat mirip dengan prisma dimana dapat menyimpangkan cahaya yang melewatinya.
Dari hukum snell, kita dapat melihat bahwa setiap permukaan untuk berkas yang atas, kita dapat melihat bahwa setiap benda pada gambar 2.13 dibelokkan menuju sumbu pada kedua permukaan lensa. Jika berkas – berkas yang paralel dengan sumbu jatuh pada lensa tipis, mereka akan difokuskan pada satu titik yang disebut titik fokus, F.
f
F Sumbu
Gambar 2.13 Berkas – berkas paralel difokuskan oleh lensa konvergen Jarak titik fokus dari pusat lensa disebut jarak fokus, f. Titik diluar jarak fokus disebut titik defokus. Lensa dapat diputar sehingga cahaya dapat melewatinya dari sisi yang lain.(Giancoli,1998)
Gambar 2.14 (a)cahaya yang lewat lensa pada titik fokus, (b)cahaya yang lewat lensa pada titik defokus
2.12 Keuntungan Mesin Laser CNC
lainnya. Mesin laser CNC yang menjadi 1 alat yang baru, berarti juga memberi fungsi – fungsi yang baru.
Mesin CNC adalah mesin yang dikontrol oleh bahasa pemrograman G-Code, secara langsung dari komputer kemudian diinstruksikan ke mesin CNC untuk dilaksanakan. Dengan CNC, maka dapat membuat pola kerja CNC dengan beranekaragam bentuk dari pola yang mudah sampai pola yang tingkat kesulitannya tinggi, dan memiliki detail pola yang rumit. Dengan menggunakan laser, maka segala kesulitan pada pola kerja benda uji dapat teratasi.
Laser memiliki sinar koheren, tentu ini menjadi keuntungan terbesar dalam mesin laser CNC. Laser dapat ditembakan ke target yang pola kerjanya sempit, atau menyelubungi ruang benda uji sebagai target. Karena sinar laser dapat dibelokkan, dapat memvariasikan energi, beam laser, beam hotspot dan panjang gelombang.
2.13 Pengupasan Cat
Pengupasan cat adalah proses membersihkan cat dari benda uji. Benda uji yang dikupas memiliki tingkat kesulitan dari tekstur dan warna cat. Dengan mengabaikan penyerapan benda uji terhadap radiasi panjang gelombang laser, melainkan penyerapan warna cat dengan panjang gelombang laser. Warna cat yang digunakan memiliki panjang gelombang : hijau 490 – 570 nm dan merah 650 – 750 nm. Semakin besar panjang gelombang maka akan semakin besar puladaya serap cat terhadap beam laser.
Keuntungan ganda dari metode ini adalah penembakan laser hanya menguapkan sebagian kecil dari permukaan target, diikuti eksitasi atom-atom target yang telah terevaporasi, sehingga analisis dapat dilakukan hanya pada sebagian kecil dari bahan uji dan spektrum bebas dari kontaminasi oleh elektroda bantu.(Irwanuddin H. Kulla,2004)
panjang gelombang warna cat dengan panjang gelombang laser. Semakin besar panjang gelombang warna cat, maka membutuhkan panjang gelombang laser yang besar pula untuk mengupas. Artinya panjang gelombang laser dengan panjang gelombang warna cat harus disesuaikan.
Menggunakan laser untuk mengupas cat dapat dimaksimalkan dan meminimalkan kerusakan benda uji. Dari percobaan yang telah dilakukan sebelumnya menggunakan laser CO2 bahwa permukaan benda uji lebih bersih dan sangat cocok untuk membersihkan komposit dari pada metode lainnya.
Gambar 2.15 Paint stripping pada pesawat by Joe Ermalovich at Aero Pro(Katy Wolf,2009)
