BAB II
DASAR TEORI
2.1 Mesin CNC
Perancangan CNC 2 Axis Cutting Foam Dengan Penggerak Motor Stepper adalah mesin pemotong Styrofoam dan plastik yang bekerja secara otomatis. Mesin ini terdiri dari tiga bagian utama yaitu processor, rangka mesin dan system penggerak. Sistem penggerak terdiri dari horizontal pillar unit dan vertical pillar unit dimana masing–masing penggerak tersebut digerakan oleh motor Stepper yang dikontrol dengan driver.
Pada dasarnya mesin ini bisa juga disebut mesin CNC karena memiliki prinsip kerja yang sama. Prinsip kerja NC/CNC secara sederhana dapat diuraikan sebagai berikut :
1. Programer membuat program CNC sesuai produk yang akan dibuat dengan cara pengetikan langsung pada mesin CNC maupun dibuat pada komputer dengan software pemrogaman CNC.
2. Program CNC tersebut, lebih dikenal sebagai G-CODE, seterusnya dikirim dan dieksekusi oleh prosesor pada mesin CNC menghasilkan pengaturan motor
Stepper pada mesin untuk menggerakan perkakas yang bergerak melakukan
Sedangkan prinsip kerja Perancangan CNC 2 Axis Cutting Foam Dengan Penggerak Motor Stepper yaitu:
1. Membuat gambar design pada software solidwork kemudian disimpan kedalam format step atau format *.dxf.
2. Kemudian gambar tersebut dibuka kedalam software CAM, tentukan tool setting dan tool pathnya, simulasikan bila diperlukan.
3. Setelah simulasi sudah dianggap benar, convert hasilnya kedalam program G–CODE, kemudian disimpan.
4. Buka file program G–CODE dengan software MACH3, tentukan port–port yang digunakan sebagai driver kemudian atur start pointnya.
5. File siap untuk dieksekusi.
2.2 Plastik
Plastik adalah suatu polimer yang mempunyai sifat-sifat unik dan luar biasa. Polimer adalah suatu bahan yang terdiri dari unit molekul yang disebut monomer. Jika monomernya sejenis disebut homopolimer, dan jika monomernya berbeda akan menghasilkan kopolimer. Polimer alam yang telah kita kenal antara lain : selulosa, protein, karet alam dan sejenisnya. Pada mulanya manusia menggunakan polimer alam hanya untuk membuat perkakas dan senjata, tetapi keadaan ini hanya bertahan hingga akhir abad-19 dan selanjutnya manusia mulai memodifikasi polimer menjadi plastik. Plastik yang pertama kali dibuat secara komersial adalah nitroselulosa. Material plastik telah berkembang pesat dan sekarang mempunyai peranan yang sangat penting dibidang elektronika, pertanian, tekstil, transportasi, furniture, konstruksi, kemasan kosmetik, mainan anak–anak dan produk–produk industri lainnya.
Secara garis besar, plastik dapat dikelompokkan menjadi dua golongan, yaitu: plastik thermoplast dan plastik thermoset. Plastik thermoplast adalah plastik yang dapat dicetak berulang-ulang dengan adanya panas. Yang termasuk plastik thermoplast antara lain : PE, PP, PS, ABS, SAN, nylon, PET, BPT, Polyacetal (POM), PC dll. Sedangkan palstik thermoset adalah plastik yang apabila telah mengalami kondisi tertentu tidak dapat dicetak kembali karena bangun polimernya berbentuk jaringan tiga dimensi. Yang termasuk plastic thermoset adalah : PU (Poly Urethene), UF (Urea Formaldehyde), MF (Melamine Formaldehyde), polyester, epoksi dll.
Tabel 2.1 Temperatur Leleh Proses Termoplastik
Berdasarkan teori terebut maka Perancangan CNC 2 Axis Cutting Foam Dengan Penggerak Motor Stepper dirancang untuk dapat memotong plastic thermoplast dengan temperature leleh maksimum 250 (0C).
2.3 Elemen Pemanas
Bahan – bahan yang paling banyak digunakan untuk pembuatan elemen pemanas listrik terdiri dari campuran :
Krom – nikel
Krom – nikel – besi
Krom – besi – alumunium
Supaya elemennya lebih tahan lama, dicampurkan juga sedikit unsur – unsur lain. Tahanan jenis logam – logam campuran ini berkisar antara 1x10-6-1,5x10-6 (Ωm). Kawat untuk elemen- elemen pemanas listrik harus memenuhi syarat–syarat berikut ini:
Harus tahan lama pada suhu yang dikehendaki.
Mekanis harus cukup kuat pada suhu yang dikehendaki
Koefisien muainya harus kecil, sehingga perubahan bentuknya pada suhu yang dikehendaki tidak terlalu besar
Tahanan jenisnya harus tinggi
Koefisien suhunya harus kecil, sehingga arus kerjanya sedapat mungkin konstan.
(Elih Mulyana, 2007)
Perancangan CNC 2 Axis Cutting Foam Dengan Penggerak Motor Stepper memanfaatkan hot wire (kawat pemanas) sebagai alat potongnya dan motor Stepper sebagai penggeraknya. Pemanasan hot wire dengan cara mengalirkan arus pada kawat tersebut, besarnya arus dapat dicari dengan menggunakan pendekatan energi bangkitan.
Besarnya energi panas bangkitan dihitung dengan rumus:
Kesetimbangan energi pada Hot Wire Cutting Tool dengan energi panas bangkitan adalah:
Untuk fluk laju perpindahan energi panas, (W/m2)
Sehingga laju aliran energi panas bangkitan adalah
(W/m3) (2.1)
Keterangan :
𝑞̇ = Laju aliran energi panas bangkitan( W / m3 ) ℎ = Koefisien konveksi ( W/m2K)
𝑇𝑠 = Temperatur permukaan ( K ) 𝑇∞= Temperatur lingkungan ( K )
𝐿 = Jarak perpindahan energi panas dari titik pusat ke lingkungan ( m )
Koefisien konveksi ( h ) dengan modus konveksi bebas pada penampang lingkaran dapat dicari dengan :
ℎ =𝑘
𝐷 . 𝑁𝑢𝐷 (2.2)
keterangan : h = koefisien konveksi ( W/m2. K )
k = konduktifitas thermal bahan( W/m.K ) D = diameter kawat( m )
NuD = Nuselt Number
( Incropera, DeWitt, Bergman and Lavine, 6thed )
DimanaNuD
= {0,60 +
0,398 ( 𝑅𝑎𝐷 ) 1/6( 1+0,559𝑃𝑟 )9/16
}
2Keterangan : Pr = Prandtl Number ( dapat dilihat pada tabel Thermophysical
Properties of Gases at Atmospheric Pressure)
RaD = Rayleigh Number, dicari dengan menggunakan rumus
RaD = 𝑔 𝛽 ( 𝑇𝑠−𝑇∞ )𝐷 3
𝑣 . 𝛼
(2.4)
Keterangan : g = gaya gravitasi ( m/s2 ) 𝛽 = 𝑘𝑜𝑒𝑓𝑖𝑠𝑖𝑒𝑛 𝑒𝑘𝑠𝑝𝑎𝑛𝑠𝑖 = 1 𝑇𝑓(𝑘 −1) Ts = Temperatur permukaan (K) T∞ = Temperatur lingkungan ( K )
𝑣 = viskositas, dapat dilihat pada table Thermophysical
Properties of Gases at Atmospheric Pressure( m2/s )
𝛼 = thermal diffusifity, dapat dilihat pada tabelThermophysical
Properties of Gases at Atmospheric Pressure( m2/s )
(Incropera, DeWitt, Bergman and Lavine, 6thed)
Untuk menentukan besarnya energi panas bangkitan dengan rumus : 𝐸̇𝑔 = 𝑞̇ . 𝑣 (2.5)
Keterangan :
𝐸̇𝑔 = Energi panas bangkitan ( W )
𝑞̇ = Laju pepindahan energi panas ( W / m3 ) 𝑣 = Volume hot wire ( m3 )
Energi panas bangkitan diketahui maka arus listrik dapat dicari dengan menggunakan persamaan :
𝐸̇𝑔 = 𝑉. 𝐼 (2.6) Keterangan :
𝐸̇𝑔 = Energi panas bangkitan ( W ) 𝑉 = Tegangan listrik ( Volt ) 𝐼 = Arus listrik ( A )
2.4 PerhitunganPoros
Perancangan CNC 2 Axis Cutting Foam Dengan Penggerak Motor Stepper memiliki system penggerak yang terdiri dari horizontal pillar unit dan vertikal pillar
unit. Horizontal pillar unit terdiri dari dua pasang guide rod sebagai guide dan tumpuan vertical pillar unit dalam bergerak secara linear dan bersamaan searahs umbu x. Horizontal guide rod memiliki beban tertentu sehingga perlu adanya perhitungan poros
untuk mengetahui dimensi dan bahan yang aman digunakan dalam perancangan CNC 2
Axis Cutting Foam Dengan Penggerak MotorStepper
Diameter horizontal guide rod sudah ditentukan sehingga perhitungan poros diperlukan untuk menghitung tegangan bengkok ijin dan menentukan bahan yang aman digunakan sebagai horizontal guide rod dengan menggunakan rumus :
Perhitungan kekuatan poros 1. Momen Bengkok ( Mb )
Mb = F. l (2.7)
Keterangan : Mb = Momen bengkok ( Nmm ) F = Gaya yang bekerja( N )
l = Panjang ( mm )
besarnya F dan l sudah diketahui sehingga besarnya momen bengkok (Mb) dapat dihitung besarnya.
2. Momen Inersia ( I )
I = 64𝜋
𝑑
4 (2.8)(R.S. Khurmi and J.K. Gupta, 2005:132) Keterangan : I = Momen Inersia ( mm4 )
d = Diameter poros ( mm )
Diameter poros diketahui sehingga momen inersia( I ) dapat dihitung besarnya. 3. Tegangan Bengkok Ijin (𝜎𝑏 )
𝜎𝑏 = 𝑀𝑏 .
𝑑 2
𝐼 (2.9)
(R.S. Khurmi and J.K. Gupta, 2005:129)
Keterangan : d = Diameter poros ( mm ) Mb = Momen Bengkok( Nmm ) I = Momen Inersia( mm4 )
Diameter poros, momen bengkok dan momen inersia diketahui sehingga tegangan ijin dapat dihitung besarnya. Setelah tegangan bengkok ijin diketahui kemudian menghitung tegangan bengkok dengan rumus:
𝜎𝑏 = 𝜎𝑏 . 𝑣 𝑣 = factor keamanan untuk beban statis ( diambil 4 )
Bandingkan tegangan bengkok bahan dengan tegangan bengkok hasil perhitungan. Jika tegangan bengkok bahan lebih besar dari pada tegangan bengkok yang bekerja maka poros aman untuk digunakan.
Keamanan dari vertical guide rod juga perlu diperhitungkan melihat adanya bebanvertikal dari motor Stepper sehingga menyebabkan adanya gaya
buckling. Gaya buckling dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
Gaya buckling ( Fcr) pada poros vertical dengan dukungan jepit bebas
𝐹
𝑐𝑟=
𝐶 . 𝜋2 . 𝐸 . 𝐴( 𝐿/𝑘 )2 (2.10)
(Allen S. Hall, Alfred R. Holowenko and herman G. Laughlin, 1961 : 46 ) Keterangan : Fcr = Gaya buckling ( N )
C = Nilai konstanta, untuk satu dukungan jepit bebas C = 0,251 E = Modulus elastisitas ( N / mm2 )
A = Luas penampang ( mm2 ) L = Panjang poros ( mm )
K = D / 4 ( mm ) untuk penampang lingkaran
Gaya yang bekerja ( F ) diketahui sehingga menurut persamaan Euler :
𝐹 =
𝐹𝑐𝑟𝑉 (2.11)
(Allen S. Hall, Alfred R. Holowenko and herman G. Laughlin, 1961 : 47 )
Keterangan : Fcr = Gaya buckling ( N ) F = Gaya yang bekerja( N )
V = factor kemanandiambil 4 untukgaya buckling satudukunganjepitbebasdenganbebanstatis( table 4.3 values of
factor of safety Khurmihal. 102 )
2.5 Pemilihan Baut Pengikat
Motor Stepper merupakan bagian dari system penggerak Perancangan CNC 2
base motor horizontal dan base motor vertical. Pemilihan baut yang tepat sangat
diperlukan untuk keamanan penyambungan motor Stepper dengan base motor.
Baut dan mur merupakan alat pengikat yang penting. Untuk mencegah kerusakan pada mesin, baut dan mur sebagai alat pengikat harus dihitung dengan seksama untuk mendapatkan ukuran yang sesuai.
(Sularso, KiyokatsuSuga, 2008 :296) Perhitungan baut diperlukan untuk mengetahui diameter baut yang aman digunakan untuk pengikat atau sambungan motor Stepper dengan base motor dengan menggunakan rumus :
Baut menahan beban geser, sehingga Ws = 𝑊𝑛 (2.12)
Beban tarik maksimum pada baut dengan jarak L2
Wt2 = Wt = 2 ( 𝐿1𝑊 .𝐿.𝐿22+ 𝐿22 ) (2.13)
Beban tarik ekivalen 𝑊𝑡𝑒 =1
2{𝑊𝑡 + √𝑊𝑡 + 4 . 𝑊𝑠
2} (2.14) Beban geser ekivalen
𝑊𝑠𝑒 =1 2√𝑊𝑡 2+ 4. 𝑊𝑠2 (2.15) dc dapat dicari : 𝜋 4𝑑𝑐 2 𝜏𝑡 = 𝑊𝑡𝑒 (2.16) 𝜋 4𝑑𝑐 2 𝜏𝑔 = 𝑊𝑠𝑒 (2.17)
Keterangan:
Ws = Beban geser pada baut ( N )
Wt = Beban tarik maksimum pada baut ( N ) Wte = Beban tarik ekivalen ( N )
Wse = Beban geser ekivalen ( N ) Dc = Diameter baut yang dicari ( mm )
(R.S. Khurmi and J.K. Gupta, 2005)
2.6 Perhitungan Ulir
Perancangan CNC 2 Axis Cutting Foam Dengan Penggerak Motor Stepper memiliki dua horizontal screw dan dua vertical screw. Horizontal dan vertical screw merupakan system penggerak yang mengubah gerakan putar menjadi gerakan translasi.
Perhitungan ulir diperlukan untuk mengetahui tegangan geser yang terjadi pada poros ulir horizontal dan vertical untuk mendapatkan poros ulir yang aman digunakan dengan menggunakan rumus :
2.6.1Tegangan Pada Batang Ulir :
a. Beban aksial :
Mengakibatkan tegangan tarik dan tegangan tekan
(2.18)
Keterangan : 𝛔t = Tegangan tarik ( N / mm2 ) W = Beban ( N )
b. Bebanpuntir :
(2.19)
Keterangan : T = Beban puntir ( N )
Dc = Diameter porosulir ( mm ) 𝜏𝑔 = Tegangangeser ( N / mm2 ) c. Bebangabungan :
(2.20)
Keterangan : 𝜏𝑔𝑚𝑎𝑘𝑠 = tegangan geser maksimum ( N / mm2 )
𝛔t = Tegangan tarik ( N / mm2 )
𝜏𝑔 = Tegangan geser ( N / mm2 )
(R.S. Khurmi and J.K. Gupta, 2005) Membandingkan tegangan geser bahan dengan tegangan geser yang bekerja. Jika tegangan geser bahan lebih besar dengan tegangan geser yang bekerja maka poros ulir aman untuk digunakan.
