SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 200
Studi Perancangan Suatu Multiplace Chamber Rectangular
Untuk Terapi Oksigen Hiperbarik
Erik S. Cahya, Sugiyono, Dinar Kresno, Agung WW Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik,UGM Yogyakarta
Jl. Grafika No.2, Yogyakarta 55281 e-mail: [email protected]
ABSTRAK
Salah satu bagian yang penting pada suatu alat terapi oksigen hiperbarik adalah hyperbaric chamber.Chamber merupakan suatu bejana tekan yang berfungsi untuk menahan tekanan internal pada saat terapi.Studi ini mengembangkan suatu rancangan multiplace chamber yang memiliki penampang persegi (rectangular).Bentuk kompleks rancangan chamber mengakibatkan penelitian ini sulit untuk dilakukan secara analitik.Oleh karena itu, penelitian ini dilakukan secara numerik dengan bantuan paket software yang memiliki kemampuan dalam CAD dan FEA. Penelitian ini dilakukan pada dua jenis susunan konstruksi: preliminary desain dan modifikasi desain. Preliminary desain menggunakan konstruksi dengan kerangka profil-I sedangkan modifikasi desain menggunakan konstruksi dengan kerangka dari plat 6mm serta susunan kerangka sarang laba-laba untuk head-nya.Konstruksi yang aman pada kedua jenis desainini telah diperoleh dan kemudian dibandingkan dari sisi bobotnya. Hasil menunjukkan bahwa konstruksi pada modifikasi desainchamber lebih baik dari preliminary desain chamber.
Kata kunci: Chamber, multiplace, desain konstruksi, CAD, FEA. ABSTRACT
One of the most important part in a hyperbaric oxygen therapy device is the hyperbaric chamber. Chamber is a pressure vessel which is intended to withstand internal pressure during therapy. This study was developing a multiplace chamber design which has square cross-section (rectangular). The complexity of the design made it hard to be done analytically. Therefore, this research was done numerically using a package software that has the ability of CAD and FEA. This study was conducted on two types of construction arrangement: preliminary design and modified design. Preliminary design uses I-profile its frame construction while the modified one uses bended 6mm plate and spider’s web construction for its heads. Secure construction for both design was obtained and both was compared in terms of its weight. The results showed that the construction of modified design is better than the preliminary design.
Keywords:Chamber, multiplace, construction design, CAD, FEA.
Pendahuluan
Terapi oksigen hiperbarik atau hyperbaric oxygen therapy (HBOT) adalah suatu terapi yang dilakukan dengan cara memberikan 100% oksigen pada tekanan lebih dari tekanan atmosfir kepada pasien di dalam hyperbaric chamber.Terapi ini telah terbukti mampu mengobati berbagai macam penyakit dekompresi pada penyelam, komplikasi diabetes, sertapenyakit-penyakit klinis lainnya.Berdasarkan Atlas.idf [2], jumlah penderita diabetes di Indonesia mencapai 8,5 juta jiwa, berada pada urutan ke-tujuh dunia.Dari kasus ini terlihat bahwa alat hiperbarik sangat dibutuhkan, namun,
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 201 penyelenggaraan alat terapi ini masih sangat terbatas di Indonesia.Sehingga perlu dilakukan upaya pengembangan alat terapi ini.
Terapi hiperbarik biasanya dilakukan dari 2,4 hingga 2,8 ATA dalam waktu yang diperlukan 60 hingga 90 menit per sesinya (Mortensen, [7]). Khusus untuk terapi di dalam multiplace hyperbaric chamber, biasanya oksigen bertekanan diberikan kepada pasien melalui masker atau helm oksigen. Pada sisi lain, tekanan di dalam ruangan ditingkatkan dengan menggunakan udara bertekanan. Hal ini terkait dengan harga oksigen yang relatif mahal serta bersifat mudah terbakar (combustible). Jadi, jika oksigen digunakan untuk meningkatkan tekanan di dalam ruangan hiperbarik maka akan sangat boros dan berbahaya (Cheng, [4]).
Secara garis besar, alat HBOT terdiri dari empat komponen utama, yaitu: hyperbaric chamber, panel kontrol, kompresor, dan tabung oksigen. Hyperbaric chamber merupakan komponen yang paling fundamental dari alat HBOT.Hyperbaric chamber adalah ruangan yang merupakan suatu bejana tekan yang berfungsi untuk menahan tekanan internal pada saat terapi.Pada ruangan hiperbarik multiplace yang lebih modern biasanya dilengkapi dengan lock space yang digunakan agar pasien maupun perawat dapat keluar masuk chamber selama terapi berlangsung (Basham, [3]). Namun, berdasarkan hasil survey yang telah dilakukan di RS. Pertamina Cilacap, lock space tidak pernah digunakan berdasarkan fungsinya, oleh karena itu ruangan lock space dijadikan sebagai tempat tambahan untuk terapi.
Beberapa aspek yang perlu diperhatikan dalam desain chamber adalah aman, nyaman, serta mudah untuk dimanufaktur.Chamber yang dirancang perlu dianalisis terlebih dahulu keamanannya sebelum masuk ke proses manufaktur. Ruangan hiperbarik Aaron dalam patennya memiliki bentuk rectangular (berpenampang persegi) dan tersusun atas panel-panel yang dapat disambung-sambung, sehingga chamber dapat diubah kapasitasnya sesuai dengan kebutuhan.Namun, untuk mampu menahan tekanan, chamber dengan bentuk rectangularmemiliki konstruksi yang berat bila dibandinkan dengan yang berbentuk silindris.Namun bentuk chamber rectangularmembuat ruangan menjadi lebih luas (Aaron, [1]).Dengan demikian pasien dapat merasa lebih nyaman dalam menjalani terapi.
Metode Penelitian
Material yang digunakan untuk chamber adalah JISG3101 SS400 atau ASTM A36, yang mana material ini pada umumnya digunakan sebagai baja struktrur untuk plat, batang, profil, dan lain-lain. Selain itu, material ini juga memiliki harga yang relatif murah, mampu las yang baik, serta kemampuan untuk dimanufaktur yang baik. Berikut ini adalah sifat-sifat mekanis dari material dengan kode JIS G3101 SS400 (MEADinfo, [6]):
Density : 7860 kg/m3 Young’s Modulus : 190 – 210 GPa Tensile Strength : 400 – 510 MPa Yield Strength (MPa) : 205 – 245 MPa Poisson's ratio : 0,26
Desain serta pengujian pada chamber menggunakan softwareAutodeskInventor Proffesional 2013 yang mana merupakan suatu paket software untuk modeling parametrik yang berbasis pada bentuk sehingga desain original dapat dikonstruksikan menjadi suatu model. Variabel-variabel model yang telah digambarkan dapat dimodifikasi/di-updatedengan mudah. Berikut ini adalah langkah-langkah secara umum dalam memodelkan suatu bentuk (Shih,[8]):
1. Menggambar suatu sketsa dua dimensi dari suatu bentuk dasar desain.
2. Menerapkan atau memodifikasi batas-batas dan ukuran-ukuran sketsa dua dimensi tersebut.
3. Mengekstrusi (extrude), memutar (revolve), atau meneruskan (sweep) sketsa dua dimensi tersebut untuk memperoleh suatu bentuk padat dari desain.
4. Menambah bentuk-bentuk (bagian-bagian) lain dengan cara mendefinisikan hubungan-hubungannya sehingga dihasilkan desain yang diinginkan.
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 202 5. Melakukan analisis-analisis dan memperbaiki desain tersebut bila diperlukan.
6. Membuat gambar yang diinginkan menjadi suatu dokumen desain.
Pada umumnya, Autodesk Inventor digunakan sebagai software desain. Selain itu, dalam software tersebut juga terdapat fitur yang dapat digunakan untuk analisis-analisis seperti yang dimaksudkan pada point 5 di atas. Salah satu analisis yang dapat dilakukan adalah analisis tegangan (stress analysis).Analisis ini dimaksudkan untuk mengetahui seberapa besar tegangan yang diderita oleh setiap bagian desain sebagai akibat dari beban-beban kerja yang diterimanya.
Berdasarkan kriteria desain dan hasil studi literatur yang telah dilakukan maka dihasilkan suatu desain chamber yang berbentuk rectangular dengan dimensi bagian dalam chamber 2m x 2m x 4m dan pada setiap bagian sudutnya terdapat chamfer yang bertujuan untuk mengurangi beban kritis pada daerah sudutnya. Sketsa desain dapat dilihat pada Gambar 1.
(a)
(b)
Gambar 1. Sketsa desain chamber (a) 2D dan (b) 3D
Adapun tahap desain pada konstruksi chamber yang akan diuji adalah sebagai berikut: 1. Konstruksi pada preliminary desain menggunakan kerangka profil-I sebagai penguatnya.
2. Konstruksi pada modifikasi desain yang menggunakan kerangka profil dari plat yang ditekuk serta konstruksi sarang laba-laba pada bagian head.
Kedua tahap desain tersebut disimulasikan untuk mengetahui tegangan maksimum yang terjadi pada konstruksinya saat diberikan tekanan. Kontruksi tidak boleh melebihi tegangan maksimum yang diijinkan pada material. Desain chamber diuji pada tekanan maksimum terapi yaitu sebesar 3 ATA atau 2 ATM. Hasil simulasi kemudian dievaluasi dengan mempertimbangkan tegangan maksimum yang diijinkan dan bobot konstruksi.
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 203 Merujuk pada kekuatan material yang digunakan, maka tegangan yang diderita oleh setiap bagian dari desain tidak diperbolehkan melebihi dari tegangan maksimum yang diijinkan. Dengan demikian, desain dapat dikatakan aman. Jika sebaliknya maka diperlukan perbaikan/modifikasi terhadap desain hingga tegangan tersebut berada di bawah tegangan maksimum yang diijinkan. Secara matematis, faktor keamanan dalam suatu perancangan sistem dapat dituliskan sebagai berikut:
(1)
Berdasarkan jenis beban kerja yang diterima oleh sistem maka besarnya nilai faktor keamanan dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kelompok (Dobrovolsky, 1974), yaitu:
Beban statis : 1,25 – 2 Beban dinamis : 2 – 3 Beban kejut : 3 – 5
Dalam penelitian ini, faktor keamanan yang digunakan untuk perancangan hyperbaric chamber adalah 2.Nilai tersebut sangat representatif terkait dengan jenis beban kerja yang dominan diterima oleh hyperbaric chamber.Bila kekuatan material pada sistem adalah yield strength material sedangkan faktor keamanan untuk beban statis adalah 2, maka dengan menggunakan Persamaan (1) dapat diperoleh tegangan maksimum yang diijinkan yaitu sebesar 122,5 MPa.
Hasil dan Pembahasan
Preliminary Desain Chamber
Pada tahap preliminarydesain awal yang selanjutnya disebut Preliminary I Desain Chamber, desain dibuat dengan menggunakan plat dengan tebal 7 mm dengan diberi support yang berupa kerangka batang profil I dengan ukuran 125 mm x 125 mm sebanyak 15 kerangka. Hasil simulasi menunjukkan bahwa desain aman dengan tegangan maksimum yang bekerja adalah 113 MPa.Hasil simulasi Preliminary I Desain Chamber ditunjukkan pada Gambar 2. Akan tetapi, berat konstruksi masih terlalu berat, yaitu 6,25 Ton.
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 204 Gambar 3. Hasil simulasi Preliminary II Desain Chamber
Kerangka Preliminary I Desain Chamber kemudian diubah menjadi menggunakan profil-I dengan ukuran 125 mm x 60 mm dengan jumlah kerangka 23. Agar tegangan maksimum tidak melebihi tegangan yang diijinkan, ketebalan plat yang digunakan diubah menjadi 8 mm. Pengubahan desain ini kemudian disebut Preliminary II Desain Chamber. Hasil simulasi dari Preliminary II Desain Chamberdapat dilihat pada Gambar 3. Hasil ini menunjukkan bahwa desain aman dengan tegangan maksimum yang bekerja adalah 96,87 MPa. Adapun bobot dari konstruksi adalah 6,027 Ton. Hal ini menunjukkan terjadi sedikit pengurangan pada bobot dari desain chamber.
Modifikasi Desain Chamber
Pada modifikasi desain chamber, profil yang digunakan sebagai kerangka berasal dari plat tipis yang ditekuk, sedangkan kerangka pada head-nya menggunakan konstruksi yang menyerupai sarang laba-laba. Bentuk konstruksi sarang laba-laba bila dibandingkan dengan sarang laba-laba ditunjukkan pada Gambar 5. Konstruksi kerangka yang digunakan adalah double-L dengan panjang web 150 mm dan lebar flange 50 mm.Ketebalan plat yang ditekuk adalah 6 mm. Penampang double-L ditunjukkan pada Gambar 4. Agar chamber aman, maka digunakan kerangka double-L sebanyak 17.
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 205 Gambar 5. Perbandingan bentuk sarang laba-laba dengan konstruksi pada head
Gambar 6. Hasil simulasi Modifikasi I Desain Chamber
Hasil simulasi Modifikasi I Desain Chamber ditunjukkan pada Gambar 6. Dari hasil tersebut, diketahui bahwa desain aman dengan tegangan maksimum yang diterima sebesar 118,8 MPa. Bobot dari konstruksi chamber adalah 5,9 Ton.Hal ini menunjukkan bahwa penggunaan konstruksi ini lebih baik dibandingkan dengan desain preliminary.
Modifikasi I Desain Chamber dilakukan perbaikan dengan mengganti kerangka double-L menjadi kerangka double-U dengan ukuran web 100 mm dan flange 50 mm atau menambahkan tekukan pada profil-L pada Modifikasi I Desain Chamber (Gambar 6).Jumlah kerangka yang digunakan pun dapat dikurangi menjadi 15. Selain itu struktur kerangka pada head diubah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7 untuk mempermudah dalam proses manufaktur khususnya pada saat pengelasan.Hasil perubahan ini disebut Modifikasi II Desain Chamber.
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 206 Gambar 7. Perubahan konstruksi head
Gambar 8 menunjukan hasil simulasi dari konstruksi Modifikasi II Desain Chamber. Berdasarkan hasil simulasi dapat diketahui bahwa tegangan maksimum yang bekerja pada konstruksi adalah 119,2 MPa, sedangkan bobot konstruksi adalah 5,525 Ton.Hal ini menunjukkan telah terjadi perubahan yang cukup signifikan dari sisi bobot chamber dari preliminary desain.
Gambar 8. Hasil simulasi Modifikasi II Desain Chamber
Kesimpulan
Pengembangan desain hyperbaric chamber merupakan upaya awal dalam rangka mengembangkan alat terapi osigen hiperbarik. Studi terhadap rancangan perlu dilakukan sebelum dilakukannya proses manufaktur untuk mencegah terjadinya kegagalan pada alat, sehingga dapat mengurangi biaya-biaya serta waktu untuk memperbaiki chamber apabila terjadi kegagalan. Studi numerik merupakan salah satu upaya yang lebih efisien pada penelitian ini.
Hasil rancangan yang telah dilakukan mulai dari preliminary desain hingga modifikasi desain menunjukkan adanya pengembangan yang cukup baik pada setiap tahapnya. Pembuatan profil dari plat yang ditekuk dianggap lebih mudah daripada pembuatan profil-I standar yang biasanya melalui proses ekstrusi.Profil double-U mampu menahan kekuatan lebih baik dibandingkan dengan menggunakan profil-I.Hal ini dikarenakan ketebalan pada web kerangka double-U memiliki ketebalan yang lebih besar dibandingkan pada profil-I yang standar.
Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa desain pada Modifikasi II Desain Chamber merupakan hasil terbaik yang mana selain aman juga memiliki bobot yang paling ringan.Hasil ini kemudian dilanjutkan ke proses manufaktur.
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 207 Daftar Pustaka
1. Aaron, Audley L., 2002, Pressure Vessel, US Patent, US 6,354,457 B1, Mar. 12th
2. Atlas.idf , 2014, retrieved http://www.idf.org/diabetesatlas/data-visualisations on 01 June 2014
3. Basham, Donald L., James W. Wright, Kathleen I. Ferguson, Get W. Moy, Design : Hyperbaric Facilities, UFC, USA, 2004.
4. Cheng, Kuo-Chung, 2004, Air Conditioner Apparatus of a Hyperbaric Oxygen Chamber, US Patent, US 6,748,760 B1, Jun. 15th.
5. Dobrovolsky, V., Machine Elements, Second Edition, Peace Publishers, Moscow.
6. MEADinfo, 2010, retrived from http://www.meadinfo.org/2010/09/jis-g-3101-ss400-steel-properties-spec.htmlon 20 June 2014.
7. Mortensen, Christian Risby, Hyperbaric Oxygen Therapy, Current Anaesthesia & Critical Care 19, Department of Anaesthesia and Operation, Denmark, 2008, 333–337.
