169
Submitted: 28 Februari 2020 Revised: 3 Juni 2020 Published: 6 November 2020
PROTOTIPE MESIN CNC DIODE LASER CUTTING
5500 MILIWATT UNTUK PEMBUATAN
PRODUK KREATIF BAHAN AKRILIK
Suharto1✉
, Putu Fahlevi R D2, Ariawan Wahyu Pratomo3 , Paryono4 Teknik Mesin, Politeknik Negeri Semarang,
Jl.Prof Sudarto,SH Tembalang 50272 Semarang.
✉E-mail:pakharto58@gmail.com
Abstract
Advances in manufacturing technology in the creative industries began to leave the dominance of the role of humans into automated systems to produce high-quality products. CNC laser machine is a computer-programmed machine used to make a product by cutting, scraping, and engraving. In general, people think that CNC machines are expensive goods. The purpose of this study was to design a prototype diode type CNC laser machine for the manufacture of creative acrylic material products. The research method uses the stages of designing, manufacturing, and testing the performance of a diode type CNC laser machine. The CNC laser machine is designed as cheaply as possible by minimizing self-made components and using standard components such as machine frames using aluminum extrusion, laser using a 5500 mWatt laser diode type, stepper motor as an X, Y, and Z axis. Control software is used by USB CNC controller . CAD software is used by Aspire Vectric and CAM software is used GRBL with Adruino Nano microprocessors. The results of a Diode Laser CNC machine prototype with dimensions of 450×400×300 (mm); work area dimensions 300×200×35; engine weight 5 (kg). The ability to cut a diode Laser of 5.5 watt CNC machine on black acrylic 3 (mm) with an average time of 0.5 mm/s is the best result. Diode Laser CNC Machine engraving capability of clear acrylic material with dark color paper cover machining time 10 (mm / s).
Keywords: CNC machines, laser diode, acrylic, creative industries
Abstrak
Kemajuan teknologi manufaktur di industri kreatif mulai meninggalkan dominasi peran manusia ke sistem otomatis untuk menghasilkan produk berkualitas tinggi. Mesin CNC laser merupakan mesin yang diprogram komputer digunakan untuk membuat suatu produk dengan cara memotong, menggores, dan mengukir. Secara umum orang berpendapat mesin CNC merupakan barang mahal. Tujuan penelitian ini untuk rancang bangun prototipe mesin CNC laser tipe diode untuk pembuatan produk kreatif bahan akrilik. Metode penelitian menggunakan tahapan merancang, membuat, dan menguji kinerja mesin CNC laser tipe diode. Mesin CNC laser dirancang semurah mungkin dengan meminimalisir komponen yang dibuat sendiri dan menggunakan komponen standar seperti rangka mesin menggunakan bahan aluminum extrusion, laser menggunakan jenis diode laser 5500 mWatt, motor stepper sebagai penggerak sumbu X, Y, dan Z. Software kontrol digunakan USB CNC controller. Software CAD digunakan Aspire Vectric dan software CAM digunakan GRBL dengan microprosesor Adruino Nano. Hasil penelitian sebuah prototipe mesin CNC diode Laser dengan dimensi 450×400×00 (mm); dimensi work area 300×200×35; bobot mesin 5 (kg). Kemampuan potong mesin CNC Laser tipe diode 5,5 watt pada akrilik hitam 3 (mm) dengan waktu rata-rata 0,5 mm/s hasil terbaiknya. Kemampuan mengukir mesin CNC laser bahan akrilik bening dengan penutup kertas warna gelap waktu pemesinan 10 (mm/s)
Kata kunci: mesin CNC, diode laser, akrilik, industri kreatif
Pendahuluan
Kemajuan teknologi manufaktur di Industri kreatif saat ini semakin pesat ditandai dengan sistem manual dimana
peran manusia sangat dominan berubah menjadi sistem otomatis peran manusia semakin kecil. Industri kreatif adalah industri yang berasal dari pemanfaatan keterampilan, kreatifitas, dan bakat individu dalam menciptakan
170
kesejahteraan dan lapangan pekerjaan. (Departemen Perdagangan RI :2009).
Gambar 1. Grafir Sistem Manual
Mesin CNC adalah mesin yang dikendalikan data-data numerik dan kode-kode dengan perangkat komputer (Computer Numerically Controlled) untuk mengendalikan arah gerakan komponen pemotongnya. Macam-macam mesin CNC antara lain:
1. Mesin CNC milling 2. Mesin CNC bubut 3. Mesin CNC laser 4. Mesin CNC plasma 5. Mesin CNC water jet 6. Mesin CNC foam cutting 7. Mesin CNC router 8. Dan lain-lain
(sumber: Hari Kristianto, 2019)
Teknologi pemotongan menggunakan mesin CNC laser cutting merupakan salah satu proses yang cukup terkenal dalam dunia industri kreatif. Selain laser cutting untuk material logam, aplikasi laser cutting untuk material non logam dan polimer. Material polimer terdiri dari
bahan-bahan Polyethylene (PE),
polycarbonate (PC),
polymethylmethacrylate (PMMA) atau dikenal dengannama acrylic, polyvinylchloride (PVC) dan thermoset plastics. Pemotongan laser bekerja dengan mengarahkan output dari sinar laser daya tinggi melalui optic terfokus diarahkan pada material, yang kemudian akan melelehkan material. CNC Laser saat ini terdapat 3 produk yaitu : Laser Diode, Laser CO2 dan Laser YAG. (Joan,
1991)
Dengan kompleksitas bentuk benda yang sulit dikerjakan dengan sistem manual, tentunya mesin CNC laser cutting ini merupakan alternatif untuk menghasilkan benda kerja dengan lebih cepat, lebihi halus dan lebih presisi.
CNC (Computer Numerical Control) merupakan peralatan pendukung untuk mengontrol proses manufaktur berbasis komputer. Melalui komputer dapat melakukan proses manufaktur secara otomatis untuk menghasilkan produk dengan kualitas baik yang dibutuhkan industri modern. Mesin CNC laser cutting merupakan mesin yang diprogram komputer digunakan untuk membuat suatu produk dengan cara memotong, menggores, atau mengukir.
Penelitian sebelumnya Nanang, dkk (2018) Rancang bangun prototype mesin gravir laser berbasis mikro-kontroller Arduino dan Suharto,dkk (2019) Rancang bangun prototype mesin laser cutting menemukan keunggulan aplikasi laser processing dapat berupa laser engraving, laser marking dan laser cutting dibandingkan sistem manual ada pada tingkat ketepatan, kecepatan, ketelitian, dan hasil lebih variatif.
Tujuan penelitian ini untuk merancang, membuat, dan menguji kinerja Prototipe Mesin CNC Laser Cutting tipe Diode bersifat portable dengan harga yang lebih terjangkau untuk pembuatan produk bahan akrilik yang dibutuhkan industri kreatif di Indonesia.
171
Metode Penelitian
Metode penelitian menggunakan 5 (lima) tahap sebagai berikut seperti dijelaskan pada Gambar 2:
1. Rumusan masalah tentang kebutuhan mesin CNC laser untuk industri kreatif 2. Studi literatur dan observasi lapangan 3. Tahap perancangan yang
menghasilkan gambar kerja. 4. Tahap pembuatan dan perakitan 5. Tahap pengujian kinerja mesin
meliputi penyimpangan gerak sumbu X dan Y, kecepatan rata-rata pemesinan, dan pembuatan produk kreatif.
Gambar 3. Desain Prototype Mesin Laser
Alat dan bahan yang dibutuhkan berupa hardware: (1) Motor Stepper, (2) Flexible coupling, (3) Bed, (4) Lead Screw, (5) Frame, (6) Mounting Laser. Selain itu diperlukan Laser tipe Diode 5500 Watt, driver motor stepper A4988, Board Adruino Nano, Adaptor 12 V-6A dan bahan akrilik untuk ujicoba. Aluminium extrusion untuk bahan rangka mesin. Kebutuhan software CAD: vetric aspire, solidworks, CorelDraw, Adobe illustrator. Software CAM GRBL untuk menjalankan mesin CNC Laser dengan mikroprosesor adruino nano. (sumber https://github .com/grbl/grbl/wiki)
Kelebihan Mesin CNC Laser Cutting
1. Mesin Laser Cutting diode 5500 mWatt ini memiliki keunggulan
kualitas engraving teliti dengan energy yang kecil.
2. Mampu membuat bentuk rumit dengan minimalisir pekerjaan finishing. 3. Menandai dan memotong seluruh pola
sesuai dengan hasil rancangan dengan waktu yang relative lebih cepat.
Kekurangan Mesin CNC Laser Cutting
1. Mesin Laser Cutting mengkonsumsi daya yang cukup tinggi dengan efisiensi rendah.
2. Membutuhkan software CAD dan CAM untuk mengoperasikannya. 3. Sinar radiasi yang dihasilkan juga
mengandung sinar ultraviolet yang bahaya untuk operator. Sehingga operator harus menggunakan kacamata ultraviolet. (sumber: www. jurnalmesinlasercutting.wordpress.co m/kelebihan-kekurangan)
Pemanfaatan Mesin CNC Laser di Industri kreatif banyak digunakan untuk pembuatan produk cindera mata dengan disain-disain bervariasi sesuai input programnya. Gambar 4 Menunjukkan gambaran pemanfaatan mesin CNC laser Diuntuk pembuatan produk kreatif bahan akrilik, terlampir)
Hasil dan Pembahasan
Tahap perancangan Mesin CNC laser Cutting tipe 5500 mWatt ini menggunakan komponen utama yaitu aktuator sumbu berupa dua motor stepper, driver motor, modul laser 5500 mWatt. Gambar 10. menunjukkan mesin CNC laser Cutting tipe Diode 5500 mWatt untuk pengerjaan bahan akrilik dengan dimensi working area 300×200×3 (mm). Dimensi mesin 450×400×300 (mm)
172
Gambar 5. Mesin Laser Diode 5500mW
Mekanisme sumbu X
Mekanisme sumbu X merupakan bagian yang bergerak berdasarkan sumbu X yaitu bergerak horizontal ke kanan dan ke kiri. Sistem pergerakan linier dalam sumbu ini menggunakan lead screw diameter 8 (mm) panjang 360 (mm).
Gambar 6. Mekanisme Sumbu X
Mekanisme sumbu Y
Mekanisme sumbu Y merupakan bagian yang bergerak berdasarkan sumbu Y yaitu bergerak horizontal ke kanan dan ke kiri. Mekanisme Y ini merupakan tempat penampang benda kerja. Penampang ini memiliki ukuran workspace 180 mm×300 mm.
Gambar 7. Mekanisme Sumbu Y
Mekanisme sumbu Z
Mekanisme sumbu Z merupakan bagian yang bergerak berdasarkan sumbu Z yaitu arah vertical naik dan turun. Sistem sumbu Z seperti pada gambar 7 merupakan bagian yang bergerak menyatu dengan slider yaitu bergerak ke arah atas dan bawah dengan jarak 150 (mm).
Gambar 8. Mekanisme Sumbu Z
Untuk memperoleh jarak 1 mm maka step per millimeter yang dihasilkan pada motor stepper adalah :
𝐉𝐮𝐦𝐥𝐚𝐡𝐬𝐭𝐞𝐩 𝐦𝐦 = 𝟏 𝐣𝐚𝐫𝐚𝐤 𝐚𝐧𝐭𝐚𝐫𝐚 𝐚𝐥𝐮𝐫 𝐱 𝐣𝐮𝐦𝐥𝐚𝐡 𝐬𝐭𝐞𝐩 𝐬𝐚𝐭𝐮 𝐥𝐢𝐧𝐠𝐤. 𝐩𝐞𝐧𝐮𝐡 = 𝟏 𝟐 𝐱 𝟐𝟎𝟎 = 𝟏𝟎𝟎 𝐬𝐭𝐞𝐩 𝐦𝐦
Pengujian gerakan X-Y
Pengujian gerakan sumbu X-Y mesin CNC laser ini dilakukan untuk mengetahui karakteristik pada setiap metode dalam menggerakan motor stepper dan pengaruh daya laser terhadap hasil benda yang telah dipotong. Mesin CNC Laser tipe Diode 5500 mW ini dilakukan pengujian gerakan arah sumbu X-Y untuk dibandingkan penyimpangan yang diizinkan sesuai standar ASTM.
173
a. Pengujian pada sumbu-X
Gambar 9. Pengujian Sumbu X
Setelah dilakukan pengujian penyimpangan arah sumbu-X, hasilnya ditunjukkan pada tabel 1
Tabel 1. Hasil Pengujian Sumbu-X
Ujicoba Feed Rate
(mm/menit) Deviation (mm) 1 25 0.015 2 75 0.018 3 125 0.017 4 175 0.019 5 225 0.02
Dari data pengujian sumbu X dapat diketahui rata-rata penyimpangan adalah 0,0178 mm. Menurut standart ASTM 1078 yang dikembangkan Schelsinger toleransi yang diizinkan sebesar 0,02 mm. Maka dapat disimpulkan bahwa misalignment yang ada pada sumbu x
mesin CNC laser masih dibatas yang diizinkan.
b. Pengujian arah sumbu- Y
Gambar 10. Pengujian Sumbu Y Tabel 2. Hasil Pengujian Sumbu Y
Ujicoba Feed Rate
(mm/menit) Deviation (mm) 1 25 0.016 2 75 0.015 3 125 0.017 4 175 0.016 5 225 0.017
Dari data pengujian sumbu Y dapat diketahui rata-rata penyimpangan adalah 0,0162 mm. Menurut standart ASTM 1078 yang dikembangkan Schelsinger toleransi yang diizinkan sebesar 0,02 mm. Maka dapat disimpulkan bahwa mis-alignment yang ada pada sumbu Y mesin CNC laser masih pada batas yang diizinkan.
Pengujian terhadap kecepatan rata-rata engraving dan cutting pada prototipe mesin laser cutting diode 5500 mW adalah sebagai berikut:
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 25 75 125 175 225 V a ri a b el N il a i (m m )
Feed Rate (mm/menit) Pengukuran Arah Sumbu X
De… 0,014 0,015 0,016 0,017 0,018 25 75 125 175 225 V a ri a b el N il a i (m m )
Feed Rate (mm/menit) Pengukuran Arah Sumbu Y
174
Kecepatan rata-rata engraving sebesar: 80 mm/8 s = 10 mm/s atau 600 mm/mnt. Kecepatan rata-rata cutting sebesar: 80 mm/160 s = 0,5 mm/s = 30 mm/mnt. Tabel 3 menunjukkan hasil pengujian engraving dan cutting pada bahan akrilik jenis hitam tebal 3 (mm).
Tabel 3. Pengujian Waktu Pemesinan
Percobaan ke Engraving (s) Cutting (s) 1 8 160 2 8 160 3 8 160 4 8 160 5 8 160 6 8 160 7 8 160 8 8 160 9 8 160 10 8 160 Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian disimpulkan sebagai berikut :
a. Tahap perancangan menghasilkan gambar kerja dan detail mesin CNC Laser cutting type diode 5500 mW. b. Tahap pembuatan menghasilkan
mesin mesin Laser CNC dengan spesifikasi : Dimensi mesin = 450 x 400 x 300 (mm); Dimensi work area = 300 x 200 x 35 (mm); Bobot mesin = 5 (kg).
c. Tahap pengujian:
- Penyimpangan pada sumbu X rata-rata 0.0178 (mm) dan sumbu Y rata-rata 0,0162 mm masih dibawah standar ASTM 1078 yaitu 0.02 mm.
- Kecepatan rata-rata engraving 600 mm/mnt dan cutting 30 mm/mnt
untuk bahan akrilik hitam tebal 3mm.
- Dapat digunakan untuk pembuatan produk cutting dan engraving seperti ditunjukkan pada lampiran.
Ucapan Terima Kasih
Kepada yang terhormat Direktur Politeknik Negeri Semarang (Polines), Kepala P3M Polines, Tim Dosen Polines, Tim mahasiswa atas dukungan tenaga, pikiran, pendanaan untuk Pelaksanaan Penelilitian Unggulan Prodi (PNBP) No.: 0300/PL4.7.2/SK/2019
Daftar Pustaka
[1] Budynas, Richard G dan J, Keith Nisbett, 2011. Shigley’s Mechanical Enggineering Design Ninth Edition : The McGraw-Hill Companies.
[2] Cahyono, Endi. 2017. Rancang Bangun Meja Mesin Plasma Cutting Dengan Gerak 3 Axis X, Y, Z Menggunakan Motor Stepper Berbasis Adruino ; Institut Teknologi Sepuluh November Surabaya.
[3] Khurmi, R.S dan J.K Gupta. 2005. A Text Book Of Machine Design : Eurasia Publising House. New Delhi.
[4] Nanang Ali Sutisna, Harist Fauzi.2018. Rancang Bangun Prototipe Mesin Gravir Laser Berbasis Mikro-kontroler Arduino, jurnal of Industrial Engineering, Scientific Journal on Research and Application of Industrial System, Vol. 3, No. 2, September 2018: 90-104.
[5] Prakasa, Guntur Nanda. Prototipe Kunci Pintu Menggunakan Motor Stepper Berbasis Arduino Mega 2560 Dengan Perintah Suara Pada Android, Skripsi, Universitas Bandar Lampung.
175
[6] Suharto, Putu Fahlevi RD, Ariawan
W Pratomo, Paryono. 2019. Rancang Bangun Prototipe Mesin CNC Laser Cutting untuk Pembuatan Produk Kreatif Bahan Akrilik. Prosiding Sentrinov 5, Polman Bangka Belitung.
[7] Gugun Gundara, Slamet Riyadi. 2017. Pengukuran Ketelitian Komponen Mesin Bubut Dengan Standart ISO 1708. Al Jazari of Mechanical Engineering 2. Universitas Muhammadiyah Tasikmalaya.
[8] Ijx, 2019. Bachin Draw.
http://www.bachinmaker.com/
wiki/doku.php?id=bachin draw.
(diunduh pada 18 April 2019)
[9] Padgadget, 2018. GRBL Laser Mode.
https://github.com/gnea/grbl/wiki/Gr bl-v1.1-Laser-Mode. (diunduh pada
18 April 2019)
[10] Srleffler, 2019. Laser. https:// en.wiki
pedia.org/wiki/Laser_cutting#cite_r
176
Gambar 2. Tahapan Rancang Bangun
177
Tabel 4. Parameter Pemesinan Bahan Akrilik
CNC Laser Diode 5500 mW
Waktu (mnt)
Parameter pemesinan Hasil
Kecepatan gerak (mm/mnt) Daya Laser (maks) Jarak laser head (mm) 5 30 5500 (100%) 100 12 30 5500 (100%) 100 10 30 5500 (100%) 100 40 30 (cutting) 600 (engraving) 5500 (100%) 100 15 30 (cutting) 600 (engraving) 5500 (100%)
100 Hasil yang baik
30 300 (engraving) Bahan kayu triplek.
5500 (100%)
