JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, MANUFACTURES, MATERIALS AND ENERGY
DOI: 10.31289/jmemme.v7i1.6295 Available online http://ojs.uma.ac.id/index.php/jmemme
Perancangan Alat Uji Impak Anak Panah Jatuh Bebas untuk Menguji Lembaran Plastik dengan Kapasitas 120 gr
Design of Impact Testing Tools of Free Falling Arrows to Test The Plastic Sheet with Capacity 120 gr
Goodman Pakpahan1, Muhammad Yusuf R. Siahaan1*, Rakhmad Arief Siregar1
1Universitas Medan Area, Indonesia
Diterima: 11-12-2021 Disetujui: 27-04-2023 Dipublikasikan: 30-05-2023
*Corresponding author: [email protected] Abstrak
Pengujian impak merupakan suatu pengujian untuk mengukur ketahanan bahan terhadap beban kejut (dinamis).
Pengujian impak mensimulasikan kondisi operasi material yang sering ditemui dimana beban tidak selamanya terjadi secara perlahan-lahan melainkan datang secara tiba-tiba. Alat uji impak yang akan dirancang dalam penelitian ini merupakan alat uji impak jatuh bebas. Alat uji impak ini memanfaatkan massa benda serta gaya gravitasi. Pengujian ini bertujuan untuk menganalisa pengaruh pembebanan impak jatuh bebas pada plastik yang dijatuhkan dari ke tinggian 0.66 m. Langkah yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi pengujian dan pengambilan data untuk mengetahui energi yang diserap, harga impak, momentum, implus dan ketangguhan pada material baja struktur saat diberi beban kejut. Pada pengujian impak jatuh bebas ini, mempunyai jarak dan berat beban yaitu pada beban (m) = 30, 45, 60 gr dengan jarak ketinggian (h) = 0.66 m.
Kata Kunci: Alat Uji Impak; Anak Panah Jatuh Bebas; Berat Beban; Perancangan
Abstract
Impact testing is a test to measure the resistance of materials to shock loads (dynamic). Impact testing simulates the operating conditions of the material that are often encountered where the load does not always occur slowly but comes suddenly. The impact test equipment that will be designed in this research is a free fall impact test equipment. This impact test equipment utilizes the mass of the object and the force of gravity. This test aims to analyze the effect of free fall impact loading on plastic dropped from a height of 0.66 m. The steps taken in this research include testing and collecting data to determine the absorbed energy, impact value, momentum, impulse and toughness of the structural steel material when given a shock load. In this free fall impact test, the distance and weight of the load are at a load (m)
= 30, 45, 60 gr with a height distance (h) = 0.66 m.
Keywords: Design; Free Falling Arrow; Impact Test; Load Weight
PENDAHULUAN
Seseorang yang bergelut di bidang keteknikan pasti dihadapkan dengan sebuah pekerjaan yang berkenaan dengan pemilihan material untuk membuat sebuah kontruksi.
Yang paling penting dalam sebuah perencanaan kontruksi adalah mengetahui sifat dan karakteristik dari material. Salah satu cara untuk mengetahui karakteristik material adalah dengan pengujian impak [1], [2].
Pengujian impak merupakan salah satu jenis pengujian yang dilakukan pada material untuk mengetahui karakteristiknya akibat pembebanan dinamis [3], [4].
Pembebanan dinamis sendiri dapat terjadi pada material ketika terdapat benturan atau tumbukan yang menghasilkan gaya impuls. Tujuan dari pengujian impak adalah untuk menentukan ketahanan material terhadap kejadian-kejadian seperti benturan, tumbukan, atau getaran dinamis [5]–[7].
Ada beberapa metode yang dapat digunakan dalam melakukan pengujian impak, seperti metode Charpy, metode Izod, metode benda jatuh bebas, dan lain-lain. Metode Charpy menggunakan sebuah palu yang kemudian dipukulkan pada sampel material, sementara metode Izod menggunakan bentuk sampel yang berbeda dari metode Charpy namun tetap menggunakan palu untuk memberikan pembebanan [8]–[10]. Sedangkan metode benda jatuh bebas menggunakan sebuah benda yang dijatuhkan dari ketinggian tertentu ke atas sampel material yang ingin diuji. Setiap metode pengujian impak memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing, sehingga pemilihan metode yang tepat akan sangat bergantung pada karakteristik material yang akan diuji [11]–[13].
Pengujian impak sangat penting untuk material yang digunakan pada aplikasi- aplikasi yang mengalami pembebanan dinamis seperti pada industri otomotif, penerbangan, dan konstruksi [14], [15]. Hasil dari pengujian impak dapat memberikan informasi tentang ketahanan material terhadap gaya impuls dan benturan yang terjadi pada saat aplikasi tersebut digunakan. Selain itu, hasil dari pengujian impak juga dapat digunakan untuk memperbaiki material yang digunakan dan meningkatkan performanya dalam situasi-situasi yang mengalami pembebanan dinamis [16], [17]. Dalam pengujian impak, perlu diperhatikan faktor-faktor seperti kecepatan palu, temperatur, dan ukuran sampel yang akan diuji. Dengan mempertimbangkan faktor-faktor tersebut, maka hasil pengujian impak dapat memberikan informasi yang akurat tentang karakteristik material
terhadap pembebanan dinamis dan membantu pengembangan aplikasi material yang lebih baik.
Dalam aplikasinya, sifat-sifat khas dari material plastik harus diketahui sebab plastik banyak digunakan untuk berbagai macam keperluan dan keadaan. Sifat plastik tersebut meliputi sifat mekanis, tahan terhadap zat kimia, transparansi, sifat elektrikal, dan lain sebagainya. Adapun dalam percobaan ini yang akan diuji adalah sifat mekanik dari plastik terutama sifat ketangguhannya. Dengan mengetahui tingkat ketangguhan plastik, maka kemampuannya dalam menerima energi tumbukan yang diberikan secara tiba-tiba untuk dapat mematahkan suatu material dapat diperkirakan. Untuk keperluan itulah dilakukan pengujian impact pada suatu material atau bahan yang akan digunakan dalam berbagai macam kebutuhan [18], [19].
Perancangan adalah suatu fase yang diawali dengan evaluasi atas alternatif dengan evaluasi atas alternatif rancangan sistem yang diikuti dengan penyiapan spesifikasi rancangan yang berorientasi kepada pemakai dan diakhiri dengan pengajuan rancangan pada manajemen puncak [20], [21]. Dari pengertian tersebut, perancangan adalah suatu proses yang bertujuan untuk menganalisis, menilai memperbaiki dan menyusun suatu sistem, baik sistem fisik maupun non fisik yang optimum untuk waktu yang akan datang dengan memanfaatkan informasi yang ada.
Lebih lanjut, perancangan dikatagorikan sebagai metode teknik. Dengan demikian, langkah-langkah pembuatan perancangan akan mengikuti metode teknik. Perancangan atau desain didefinisikan sebagai proses aplikasi berbagai teknik dan prinsip bagi tujuan pendefinisian suatu perangkat, suatu proses atau sistem dalam detail yang memadai untuk memungkinkan realisasi fisiknya [22], [23]. Dalam membuat suatu perancangan produk atau alat, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan antara lain: analisa teknik banyak berhubungan dengan ketahanan dan kekuatan, analisa ekonomi yang berhubungan dengan perbandingan biaya yang harus dikeluarkan dan manfaat yang akan diperoleh, analisa legalisasi berhubungan dengan tatanan hukum yang berlaku dan hak cipta, analisa pemasaran berhubungan dengan jalur distribusi produk/hasil rancangan sehingga dapat sampai kepada konsumen, dan analisa nilai suatu prosedur untuk mengidentifikasikan ongkos-ongkos yang tidak ada gunanya.
Peneliti berharap, penelitian ini mampu memberikan kontribusi yang bermanfaat
bangun alat ini mencapai hasil positif alat uji tarik ini nantinya dapat dipergunakan mahasiswa sebagai alat praktikum atau sebagai modul pembelajaran dilaboratorium Teknik Mesin Universitas Medan Area.
Tujuan penelitian ini ialah (1) untuk mengetahui preferensi responden terhadap karakteristik alat uji impak yang diinginkan, termasuk fitur-fitur dan spesifikasi yang menjadi prioritas bagi pengguna, (2) untuk membangun dan mengembangkan alat uji impak anak panah jatuh bebas berdasarkan desain konsep 1 yang telah dipilih. Tujuan ini melibatkan tahapan pembuatan alat yang meliputi perancangan, pembuatan prototipe, dan pengujian fungsionalitas alat uji impak anak panah jatuh bebas. Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan solusi bagi para pengguna yang membutuhkan alat uji impak berkualitas dengan harga yang terjangkau.
METODE PENELITIAN
Waktu yang dibutuhkan dalam perancangan alat uji impak ini diperkirakan kurang lebih 4 bulan, dengan tempat dan lokasi pembuatan dilaksanakan di Laboratorium Teknik Mesin, Universitas Medan Area. Penelitian ini menggunakan metode kuantitatif dan menggunakan metode survei dimana lembar kuesioner disebar secara acak ke subjek penelitian. Alat dan bahan utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah laptop, software AutoCad, kertas gambar, lembar kuesioner, buku dan jurnal pendukung.
Langkah-langkah penelitian adalah sebagai berikut: (1) mengumpulkan informasi dari subjek meliputi wawancara dengan pelanggan, pelayanan pelanggan, keluhan dari pelanggan data garansi, (2) membuat instrument survei meliputi membuat pertanyaan yang berkaitan dengan tujuan survey, membuat rancangan pertanyaan yang tidak memihak, (3) membuat pertanyaan yang memuat tiga kategori yaitu pertanyaan sikap, pengetahuan, dan perilaku, (4) mengevaluasi hasil survei subjek meliputi membuat grafik hasil penjumlahan dari beberapa pelanggan, membuat Konfigurasi Rumah Kualitas, membuat grafik morfologi, (5) membuat gambar alur pemilihan konsep, (6) membuat gambar sketsa konsep-konsep produk alat uji impak, (7) membuat Pugh chart dengan membandingkan produk yang sudah ada dengan produk yang sedang peneliti rancang, di sini peneliti menggunakan tiga merek pembanding yaitu Labthink, Presto dan Oakland, (8) menentukan konsep rancangan yang akan dibuat atau dikembangkan, (9)
menganalisis komponen elemen mesin perancangan, motor, pilar, roda gigi, sambungan, dan (10) pembuatan laporan penelitian.
Data dalam penelitian ini dikumpulkan melalui metode survei, dengan menyebarkan kuesioner sebanyak 21 kuesioner. Secara keseluruhan total kuesioner yang kembali sebanyak 18 kuesioner, kuesioner yang tidak kembali sebanyak 2 kuesioner, dan total kuesioner yang tidak dapat diolah sebanyak 1 kuesioner. Berdasarkan hal tersebut, maka total kuesioner yang dapat diolah dan dianalisis lebih lanjut untuk penelitian ini adalah sebanyak 18 kuesioner.
Gambar 1 menunjukkan beberapa alternatif konsep dari alat uji impak anak panah jatuh bebas selanjutnya dilakukan pemillihan konsep dengan menggunakan Pugh Matrix.
Terdapat dua tahap dalam pemilihan konsep yaitu penyaringan konsep dan penilaian konsep. Penyaringan konsep merupakan proses yang ditujukan untuk mempersempit alternatif konsep yang sudah dibuat oleh perancang produk, penyaringan konsep didasarkan pada metode seleksi konsep Pugh yang bertujuan untuk mempersempit jumlah konsep secara cepat dan untuk memperbaiki konsep.
(a) (b) (c)
Keterangan konsep 1 Keterangan konsep 2 Keterangan konsep 3 1. Magnet
2. Satu pilar 3. Manual 4. Switch 5. Anak panah
1. Pin 2. Dua pilar 3. Motor 4. Sensor 5. Anak panah
1. Karet 2. Tiga pilar 3. Hidrolik 4. Bluetooth 5. Anak panah Gambar 1. Tiga konsep dalam perancangan alat uji impak anak panah jatuh bebas
HASIL DAN PEMBAHASAN
Jawaban untuk masing-masing nomor pertanyaan dari setiap responden dicatat dan dijumlahkan dengan jawaban responden yang lain, yang memilih jawaban yang sama.
Hasil data-data yang dikumpulkan tersebut dituliskan dalam bentuk tabel seperti ditunjukkan tabel 1. Lebih lanjut, data penilaian (score) terhadap hasil survey untuk morfologi alat uji diperlihatkan pada tabel 2.
Tabel 1. Hasil rekapitulasi jawaban responden
Pertanyaan Jawaban 1 Jawaban 2
Ya Tidak
1 7 11
2 17 1
3 10 8
Metode Pemgujian Gerak jatuh bebas Carpy
14 4
Jenis Spesimen Plastiik Komposit
12 6
Berat drop ball 120 gram 60 gram
17 1
Desain Dimeja Dilantai
13 5
Skor jawaban 90 36
Jenis pertanyaan Jawaban 1 Jawaban 2 Jawaban 3
Range Harga 7.000.000 10.000.000 < 10.000.000
5 12 1
Komponen pendukung Layar monitor Kaca pelindung Stopwatch
7 8 3
Servis 6 bulan sekali 0 meintenance 1 tahun sekali
10 5 3
Skor jawaban 23 25 7
Tabel 2. Tabel Morfologi
Pemilihan kriteria Pembanding
Konsep 1 Konsep 2 Konsep 3
Tinggi pilar S S S
Jumlah pilar + - -
Berat + - -
Harga + - -
Dimensi - - +
Kontroler + + +
Jumlah + 4 1 2
Jumlah - 2 4 3
Ranking 1 3 2
Berdasarkan hasil survey pada tabel 2, menunjukkan bahwa tinggi pilar pada ketiga konsep alat uji impak jatuh bebas dianggap sama baiknya oleh responden. Namun, jumlah pilar pada konsep 1 dianggap baik, sedangkan pada konsep 2 dan konsep 3 dianggap tidak baik. Selain itu, berat atau massa pada konsep 1 dianggap baik, sedangkan pada konsep 2 dan konsep 3 dianggap tidak baik. Harga pada konsep 1 dianggap baik, sedangkan pada konsep 2 dan konsep 3 dianggap tidak baik. Sedangkan untuk dimensi, konsep 1 dianggap tidak baik, konsep 2 dianggap tidak baik, dan konsep 3 dianggap baik oleh responden.
Terakhir, kontroler pada ketiga konsep alat uji impak jatuh bebas dianggap sama baiknya oleh responden.
Dari hasil survey tersebut, dapat disimpulkan bahwa responden menganggap konsep 1 memiliki kelebihan pada jumlah pilar, berat, dan harga, tetapi kurang baik pada dimensi. Sementara itu, konsep 2 dan konsep 3 dianggap kurang baik pada jumlah pilar, berat, dan harga. Oleh karena itu, konsep 1 mungkin lebih disukai oleh responden sebagai desain yang lebih optimal untuk alat uji impak jatuh bebas.
Lebih lanjut, hasil survey pada tabel 2 selanjutnya dibandingkan lagi dengan beberapa merek alat uji yang telah ada seperti: Labthink, Presto, dan Oakland. Hasilnya diperlihatkan pada tabel 3.
Tabel 3. Matrik Keputusan (Pugh Chart) Pemilihan kriteria Konsep
1 Pembanding
Labthink Presto Oakland Tinggi pilar
Datum
- - -
Jumlah pilar s s s
Berat - - -
Harga - - -
Dimensi - - +
Pelindung - + +
Kontroler + + +
Jumlah + 1 2 3
Jumlah - 5 4 3
Berdasarkan tabel 3, konsep 1 dinyatakan lebih baik dari merek Labthink, Presto, dan Oakland pada beberapa kriteria, yaitu tinggi pilar, berat (massa), dan harga. Hal ini menunjukkan bahwa konsep 1 memiliki karakteristik yang lebih baik dalam hal efektivitas dan efisiensi biaya dibandingkan merek-merek lain. Namun, dalam hal
Oakland. Namun demikian, konsep 1 dan merek Oakland dianggap lebih baik dalam hal dimensi daripada merek Labthink dan Presto.
Dalam hal jumlah pilar, konsep 1 dinyatakan sama baiknya dengan merek Labthink, Presto, dan Oakland, yang menunjukkan bahwa semua desain tersebut memenuhi persyaratan dalam hal jumlah pilar. Dalam hal pelindung kerja, konsep 1, Presto, dan Oakland dinyatakan lebih baik daripada merek Labthink, yang menunjukkan bahwa alat uji impak dari merek-merek tersebut lebih aman dan dapat memberikan perlindungan yang lebih baik bagi pengguna.
Dalam hal kontroler, konsep 1, Labthink, Presto, dan Oakland dianggap sama-sama menggunakan kontroler, sehingga pada aspek ini tidak terdapat perbedaan signifikan antara konsep 1 dan merek-merek lainnya. Dengan demikian, hasil survey menunjukkan bahwa konsep 1 tidak kalah bersaing dengan merek-merek lainnya. Dengan demikian, konsep 1 perlu dipertimbangkan sebagai desain alat uji impak jatuh bebas yang optimal.
KESIMPULAN
Berdasarkan data hasil survey yang di lakukan terhadap beberapa orang responden diperoleh bahawa beberapa responden memilih alat uji impak yang pengoperasianya secara digital, penggerak manual, beban anak panah 120 gr, posisi alat kerja berada di atas meja, menggunakan magnet sebagai penahan beban, memiliki layar monitor sebagai alat monitor beban dan ketinggian, jangkauan harga pada kisaran Rp.7.000.000 (tujuh juta rupiah), dan waktu perawatan dalam 6 bulan sekali. Setelah melakukan tahapan pemilihan rancangan, alat uji impak yang dipilih ialah dengan konsep 1. Dengan demikian, langkah selanjutnya adalah membangun dan mengembangkan alat uji impak anak panah jatuh bebas seperti pada desain konsep 1.
REFERENSI
[1] M. R. Khosravani, “Inverse characterization of UHPC material based on Hopkinson bar test,” Appl.
Eng. Sci., vol. 6, no. 2, pp. 100–113, 2021.
[2] A. J. Zulfikar, D. A. A. Ritonga, S. Pranoto, F. A. K. Nasution, Z. Arif, and J. Junaidi, “Analisis Kekuatan Mekanik Komposit Polimer Diperkuat Serbuk Kulit Kerang,” J. Rekayasa Mater.
Manufaktur dan Energi, vol. 6, no. 1, pp. 30–40, 2023.
[3] C. Dieling, M. L. Smith, S. Peterson, M. Phelps, H. S. Norville, and M. Beruvides, “Hail impact testing: Velocity effects of distance to target specimen,” J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., vol. 211, no. 2, pp. 104–115, 2021.
[4] D. Derlini and A. J. Zulfikar, “Penyelidikan Kegagalan pada Alat Pemisah Karet Alam Jenis LRH 410,”
IRA J. Tek. Mesin dan Apl., vol. 1, no. 3, pp. 51–61, 2022.
[5] R. Chaouadi and R. Gérard, “Development of a method for extracting fracture toughness from instrumented Charpy impact tests in the ductile and transition regimes,” Theor. Appl. Fract. Mech., vol. 115, no. 2, pp. 103–120, 2021.
[6] R. A. Purba, A. J. Zulfikar, and I. Iswandi, “Analisis Kekuatan Komposit Laminat Hybrid Jute E-Glass Berdasarkan Pola Kerusakan dengan Metode Split Tensile Test,” IRA J. Tek. Mesin dan Apl., vol. 1, no. 3, pp. 83–91, 2022.
[7] M. I. Tambusay, A. J. Zulfikar, and I. Iswandi, “Analisis Metode Split Tensile Test Komposit Laminat Hybrid Jute E-Glass Akibat Beban Tarik Beton Kolom Silinder,” IRA J. Tek. Mesin dan Apl., vol. 1, no. 2, pp. 45–54, 2022.
[8] F. Di Gioacchino, E. Lucon, E. B. Mitchell, K. D. Clarke, and D. K. Matlock, “Side-grooved Charpy impact testing: Assessment of splitting and fracture properties of high-toughness plate steels,” Eng.
Fract. Mech., vol. 252, no. 3, pp. 97–109, 2021.
[9] M. A. Rasyid, A. J. Zulfikar, and I. Iswandi, “Analisis Kekuatan Tarik Komposit Laminat Jute Berdasarkan Pola Kerusakan Kolom Silinder Metode Split Tensile Test Analysis,” IRA J. Tek. Mesin dan Apl., vol. 1, no. 2, pp. 27–34, 2022.
[10] A. J. Zulfikar and I. Iswandi, “Analisis Kekuatan Tarik Belah Komposit Laminat Jute sebagai Penguat Beton Kolom Silinder Berdasarkan Metode Penyerapan Energi Bahan,” IRA J. Tek. Mesin dan Apl., vol. 1, no. 2, pp. 55–64, 2022.
[11] Z. Zhao, R. Song, Y. Wang, Y. Wang, and C. Hu, “Thickness effect on cleavage fracture of ferritic sheet during in-plane impact tests,” Eng. Fract. Mech., vol. 258, no. 3, pp. 87–99, 2021.
[12] D. A. Siregar, A. J. Zulfikar, M. Y. R. Siahaan, and R. A. Siregar, “Analisis Kekuatan Tekan Selubung Komposit Laminat E-glass pada Beton Kolom Silinder dengan Metode Vacuum Bagging,” J.
Rekayasa Mater. Manufaktur dan Energi, vol. 5, no. 1, pp. 20–25, 2022.
[13] A. J. Zulfikar, M. Y. R. Siahaan, and R. B. Syahputra, “Analisis Signifikansi Roda Skateboard Berbahan Komposit Serbuk Batang Pisang Terhadap Perfoma Kecepatan Dengan Metode Anova,”
J. Rekayasa Mater. Manufaktur dan Energi, vol. 4, no. 2, pp. 83–90, 2021.
[14] R. Zhang, X. Zhao, G. Zhao, S. Dong, and H. Liu, “Analysis of solid particle erosion in direct impact tests using the discrete element method,” Powder Technol., vol. 383, no. 5, pp. 256–269, 2021.
[15] A. J. Zulfikar, “The Flexural Strength of Artificial Laminate Composite Boards made from Banana Stems,” Budapest Int. Res. Exact Sci. J., vol. 2, no. 3, pp. 334–340, 2020.
[16] T. Fíla et al., “Dynamic impact testing of cellular solids and lattice structures: Application of two- sided direct impact Hopkinson bar,” Int. J. Impact Eng., vol. 148, no. 1, pp. 34–47, 2021.
[17] A. J. Zulfikar, M. Y. R. Siahaan, A. Irwan, F. A. K. Nasution, and D. A. A. Ritonga, “Analisis Kekuatan Mekanik Pipa Air dari Bahan Komposit Serbuk Kulit Kerang,” J. Rekayasa Mater. Manufaktur dan Energi, vol. 5, no. 2, pp. 1–9, 2022.
[18] J. Rua, M. F. Buchely, S. N. Monteiro, G. I. Echeverri, and H. A. Colorado, “Impact behavior of laminated composites built with fique fibers and epoxy resin: a mechanical analysis using impact and flexural behavior,” J. Mater. Res. Technol., vol. 14, no. 3, pp. 428–438, 2021.
[19] N. Hidayat, A. J. Zulfikar, and I. Iswandi, “Analisis Metode Split Tensile Test Komposit Laminat Jute Terhadap Kekuatan Tarik Belah Beton Kolom Silinder,” IRA J. Tek. Mesin dan Apl., vol. 1, no. 2, pp.
18–26, 2022.
[20] C. McMahon, “Situation, Patterns, Exploration, and Exploitation in Engineering Design,” J. Des.
Econ. Innov. Open access, vol. 7, no. 1, pp. 71–94, 2021.
[21] N. A. Mohd Radzuan, A. B. Sulong, and Iswandi, “Effect of multi-sized graphite filler on the mechanical properties and electrical conductivity,” Sains Malaysiana, vol. 50, no. 7, pp. 2025–2034, 2021, doi: 10.17576/jsm-2021-5007-17.
[22] F. Chiarello, P. Belingheri, and G. Fantoni, “Data science for engineering design: State of the art and future directions,” Comput. Ind., vol. 129, no. 1, pp. 87–102, 2021.
[23] Iswandi, A. B. Sulong, and T. Husaini, “Effects of Graphite/Polypropylene on the Electrical Conductivity of Manufactured Bipolar Plate,” Malaysian J. Anal. Sci., vol. 23, no. 2, pp. 1–7, 2019.
