1 1.1 Latar Belakang
Rapid prototyping adalah metode pembuatan objek tiga dimensi dari data digital secara cepat (Heynick dan Stotz, 2006). Rapid prototyping juga dikenal sebagai additive manufacturing karena memiliki prinsip aditif yaitu membuat produk layer demi layer dengan menambahkan material di atas layer yang sudah terbentuk. Heynick dan Stotz (2006) menjelaskan bahwa terdapat beberapa metode additive manufacturing, yaitu: stereolithography (SLA), laminated object manufacturing (LOM), selective laser sintering (SLS), fused deposition modeling (FDM), three dimensional printing (3DP), thermal phase change inkjets, photopolymer phase change inkjets (Polyjet), dan contour crafting (CC).
Universitas Gadjah Mada memiliki sejumlah mesin berbasis additive manufacturing, yang beberapa diantaranya ditempatkan di Laboratorium Desain dan Pengembangan Produk Jurusan Teknik Mesin dan Industri untuk keperluan riset. Mesin berbasis additive manufacturing yang berada di Laboratorium Desain dan Pengembangan Produk Jurusan Teknik Mesin dan Industri yaitu mesin printer tiga dimensi dengan jenis UP!, Portabee, dan ROBO-3D yang semuanya memiliki prinsip FDM untuk fabrikasi produk menggunakan material berbentuk filamen. Filamen yang digunakan merupakan filamen ABS (acrylonitrile butadiene styrene) dan PLA (poly lactic acid).
PLA merupakan jenis plastik yang termasuk dalam golongan aliphatic polyester yang secara umum dibuat dari α-hydroxy acid dan bersifat biodegradable (Garlotta, 2001). Menurut Garlotta (2001), PLA dapat diurai melalui hidrolisis pada ikatan esternya tanpa membutuhkan enzim sebagai katalis dalam proses hidrolisis. ABS merupakan jenis plastik polimer yang terdiri dari tiga jenis monomer, yaitu acrylonitrile, butadiene, dan styrene (Rutkowski dan Levin, 1986). Berbeda dengan PLA, ABS memiliki sifat yang susah diurai dan cenderung tidak ramah lingkungan.
Tontowi (2012) telah mengembangkan material alternatif pengganti ABS yang terdiri dari tapioka, gliserin, dan silika. Tapioka dipilih sebagai bahan baku karena memenuhi kriteria bioplastik ramah lingkungan dan Indonesia memiliki ketersediaan yang cukup besar untuk bahan tersebut (Tontowi, 2012). Gliserin berfungsi sebagai plasticizer untuk membentuk bioplastik, sedangkan silika (SiO2) berfungsi sebagai bahan tambahan untuk meningkatkan sifat mekanis (Song dkk, 2008). Campuran antara tapioka, gliserin, dan silika kemudian diinjeksikan menggunakan alat suntik untuk menghasilkan filamen silika-bioplastik. Filamen kemudian dikeringkan menggunakan mesin pemanas (oven). Filamen yang telah kering digunakan sebagai material dalam proses rapid prototyping menggunakan mesin printer tiga dimensi yang dimiliki oleh Laboratorium Desain dan Pengembangan Produk Universitas Gadjah Mada.
Terdapat redundansi perubahan fasa material pada proses fabrikasi material yang dikembangkan oleh Tontowi (2012). Pada penelitian selanjutnya, redundansi tersebut dikurangi dengan menghilangkan tahapan pengeringan pasta silika-bioplastik pada proses pembuatan material. Material silika-silika-bioplastik yang berupa pasta tidak lagi mengalami pengeringan menggunakan oven untuk mendapatkan bentuk filamen, melainkan akan langsung dialirkan ke mesin printer tiga dimensi untuk membentuk produk. Proses pengeringan material yang berupa pasta yang telah diinjeksikan ke meja kerja dilakukan dengan bantuan sinar lampu dan panas dari meja kerja yang dapat diatur suhunya. Untuk dapat mengalirkan material silika-bioplastik yang berupa pasta, diperlukan modifikasi terhadap sistem pengumpanan mesin printer tiga dimensi yang masih berupa sistem pengumpanan untuk material berupa filamen.
Modifikasi yang dilakukan pada mesin printer tiga dimensi yang dimiliki oleh Laboratorium Desain dan Pengembangan Produk, Jurusan Teknik Mesin dan Industri Universitas Gadjah Mada yaitu mengganti prinsip fused deposition modeling (FDM) yang menggunakan sistem pengumpanan ekstrusi filamen menjadi prinsip aqueous-based extrusion fabrication (ABEF) yang menggunakan sistem pengumpanan ekstrusi ulir tunggal untuk material pasta silika-bioplastik. Mesin printer tiga dimensi yang dimodifikasi ditunjukkan oleh Gambar 1.1.
Gambar 1.1. Mesin printer tiga dimensi laboratorium PDD UGM
Modifikasi dilakukan dengan melepas roller dan elemen pemanas pada nozzle assembly dan memindahkan motor pengumpan ke sistem pengumpanan ekstrusi ulir tunggal. Komponen dari nozzle assembly yang dilepas ditunjukkan oleh Gambar 1.2. Selang dari sistem pengumpanan ekstrusi ulir tunggal kemudian disambungkan ke nozzle mesin printer tiga dimensi. Sistem pengumpanan ekstrusi ulir tunggal yang telah dipasang pada mesin printer tiga dimensi ditunjukkan oleh Gambar 1.3.
Gambar 1.3. Integrasi sistem pengumpanan ekstrusi ulir tunggal
Mesin printer tiga dimensi yang sudah dimodifikasi untuk mengalirkan material pasta dengan sistem pengumpanan ulir tunggal harus dapat membuat produk dengan kualitas dimensi yang sesuai dengan gambar teknik. Salah satu aspek yang mempengaruhi akurasi dimensi produk jadi pada proses printing tiga dimensi dengan prinsip FDM adalah ukuran layer ekstrusi (Pulak, 2010). Ukuran layer ekstrusi diilustrasikan oleh Gambar 1.4
Gambar 1.4. Ilustrasi ukuran layer ekstrusi
Diasumsikan material keluaran ekstrusi dari nozzle mempunyai bentuk silinder. Proses ekstrusi akan menghasilkan material keluaran ekstrusi dengan panjang dan diameter tertentu, sehingga dapat dihitung volume material keluaran proses ekstrusi pada satuan waktu tertentu. Volume ekstrusi tersebut merepresentasikan ukuran layer ekstrusi. Sistem pengumpanan ulir tunggal harus
d Gerakan
nozzle
dapat mengalirkan material dengan volume tertentu supaya dapat menghasilkan ukuran layer ekstrusi yang tepat untuk menghasilkan produk jadi yang sesuai dengan gambar teknik. Ukuran layer ekstrusi dan volume ekstrusi yang digunakan sebagai pembanding diambil dari kondisi sebelum modifikasi dimana pengaturan software dan mesin printer tiga dimensi masih belum dirubah (kondisi default).
Sistem pengumpanan ulir tunggal harus dapat mengalirkan material dengan nilai laju aliran volumetrik yang sesuai untuk mendapatkan volume ekstrusi yang sesuai. Aspek yang mempengaruhi laju aliran volumetrik pada proses ekstrusi ulir tunggal adalah viskositas material, diameter barel ekstrusi, panjang metering section, kisar ulir, channel depth, kecepatan rotasi, dan perubahan tekanan (Birley dkk, 1992). Kecepatan rotasi dipilih sebagai poin perbaikan karena dapat divariasikan dengan mudah melalui software Pronterface untuk keperluan kontrol mesin printer tiga dimensi jenis Portabee tanpa harus mengubah karakteristik fisik dari komponen sistem pengumpanan ekstrusi ulir tunggal. Dengan karakteristik yang sama, motor pengumpan diharapkan dapat memutar ulir ekstrusi dengan kecepatan rotasi yang cukup untuk mengalirkan material dengan laju aliran volumetrik yang sesuai. Apabila laju aliran volumetrik dari proses pengumpanan material pasta belum sesuai, maka diperlukan upaya perbaikan terhadap kecepatan rotasi dari ulir ekstrusi. Upaya menyesuaikan kecepatan rotasi ulir ekstrusi dapat dilakukan dengan memisahkan poros motor pengumpan dan poros ulir ekstrusi kemudian menghubungkannya melalui interaksi antara roda gigi dengan rasio tertentu.
1.2 Rumusan Masalah
Belum adanya penelitian yang mengkaji nilai laju aliran volumetrik pasta silika-bioplastik dari sistem pengumpanan ekstrusi ulir tunggal untuk mendapatkan ukuran layer ekstrusi yang sesuai dengan kondisi sebelum modifikasi.
1.3 Asumsi dan Batasan Masalah
Untuk memfokuskan penelitian ini, diambil sejumlah asumsi dan batasan masalah, yaitu:
1. Pengujian terfokus pada mesin printer tiga dimensi jenis Portabee yang dimiliki oleh Laboratorium Desain dan Pengembangan Produk, Jurusan Teknik Mesin dan Industri Universitas Gadjah Mada.
2. Penelitian ini terbatas pada pencarian nilai laju aliran volumetrik material dari sistem pengumpanan ekstrusi ulir tunggal yang sesuai dan upaya perbaikannya.
3. Material uji terbatas pada pasta silika-bioplastik yang dikembangkan di Laboratorium Bioceramics, Jurusan Teknik Mesin dan Industri Universitas Gadjah Mada dengan nilai viskositas pasta yaitu 30 dPa.s.
4. Diasumsikan material pasta silika-bioplastik mengikuti perilaku fluida Non-Newtonian, karena komposisinya mengandung larutan tapioka yang bersifat Non-Newtonian.
5. Karena sistem pengumpanan ekstrusi ulir telah dipasang pada mesin printer tiga dimensi, maka data kondisi awal sistem pengumpanan filamen diambil dari mesin lain dengan jenis yang sama yaitu mesin printer tiga dimensi jenis Portabee untuk material PLA (poly lactic acid), dengan asumsi kedua mesin tersebut memiliki performa pengumpanan yang sama.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah:
1. Mengetahui nilai laju aliran volumetrik material yang sesuai dari sistem pengumpanan ekstrusi ulir tunggal untuk menghasilkan ukuran layer ekstrusi yang sama dengan kondisi sebelum modifikasi.
2. Mengetahui nilai kecepatan rotasi ulir ekstrusi yang sesuai pada sistem pengumpanan ekstrusi ulir tunggal untuk mendapatkan laju aliran volumetrik material pasta silika-bioplastik yang sesuai.
3. Merancang transmisi roda gigi antara poros ulir ekstrusi dan poros motor pengumpan untuk mendapatkan nilai kecepatan rotasi ulir yang sesuai. 4. Mengetahui hasil percobaan pembuatan produk.
1.5 Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat, diantaranya:
1. Memberikan pengetahuan mengenai prinsip proses ekstrusi dan mesin printer tiga dimensi berbasis additive manufacturing.
2. Memberikan pengetahuan mengenai peran ilmu statistik pada pengujian suatu sistem pengumpanan ekstrusi ulir melalui pengujian hipotesis untuk membandingkan dua data yang berbeda.
3. Mampu memberikan solusi untuk memperbaiki sistem pengumpanan ekstrusi ulir tunggal sehingga dapat mengalirkan pasta silika-bioplastik dengan laju aliran volumetrik yang sesuai.
4. Mampu menjadi acuan dasar dalam perancangan sistem pengumpanan ekstrusi ulir yang lebih optimal dari kondisi aktual.
