1. PENDAHULUAN

Proses pemotongan non-konvensional diteliti dan dikembangkan agar mampu melakukan proses pemotongan terhadap material yang sangat keras. material yang sangat lunak, komposit multi-material dengan meminimumkan tegangan akibat deformasi, efek termal pada material sehingga diperoleh kualitas yang baik. Dengan proses pemotongan tersebut dimungkinkan pemotongan yang omni-directional, dapat otomatisasikan dengan mudah dan pemotongan tanpa Salah satu metode pemotongan nonkonvensional yang cukup sederhana adalah dengan menggunakan fluida bertekanan tinggi. Untuk meningkatkan efektivitas pemotongan, digunakan partikel abrasif sebagai campuran fluida yang disemprotkan melalui nosel. Metode pemotongan yang menggunakan campuran fluida dan partikel abrasif dikenal sebagai abrasive water-jet cutting dan abrasive slurry-jet cutting. Perbedaan antara kedua metode tersebut adalah pada proses pencampuran fluida dengan partikel abrasif. Pada abrasive water-jet cutting, fluida disemprotkan melalui nosel dan partikel abrasif akan terbawa oleh aliran fluida yang berkecepatan inggi dan kemudian bercampur di tabung pencampur. Sedangkan pada abrasive slurry-jet cutting, campuran antara fluida dan partikel abrasif dibuat terlebih dahulu sebelum disemprotkan melalui nosel. Dalam penelitian dan pengembangan ini, akan dilakukan suatu rancangan dan pembuatan serta pengujian alat abrasive water-jet.

2. PRINSIP KERJA ABRASIVE WATERJET

Abrasive-Waterjet (AWJ) yang dipakai untuk memotong logam berupa pancaran air yang bercampur dengan partikel abrasif. Fungsi air adalah untuk memungkinkan partikel abrasif dipercepat hingga mencapai kecepatan 300-600 m/s dengan laju aliran abrasif antara 5-16 g/s. Air ditekan hingga mencapai 400 MPa dan dialirkan ke dalam sapphire orifice sehingga menghasilkan pancaran yang koheren dan waterjet kecepatan tinggi [Hashish, 1989]. Antara sapphire atau waterjet orifice dengan lubang masuk ke dalam pipa pencampur (mixing tube), pancaran air bercampur dengan partikel abrasif yang masuk dari abrasive port dan di dalam mixing tube kedua komponen tersebut bercampur dan keluar dari nosel berupa campuran air dan abrasif yang berkecepatan tinggi.

Gambar 1 menunjukkan konsep dari sistem abrasivewaterjet (AWJ), dimana efek venturi dipakai untuk menggambarkan partikel abrasif masuk ke dalam saluran pencampur. Pada saluran pencampur, terutama pada bagian ujung lubang waterjet (waterjet orifice), momentum ditransfer ke partikel abrasif yang dipercepat secara tiba-tiba dan didorong ke dalam mixing tube. Pada mixing tube dilakukan pencampuran lebih lanjut antara air dan partikel abrasif, sehingga menghasilkan jet yang koheren.

Laju aliran air ditentukan oleh besarnya tekanan yang diberikan, serta dimensi diameter lubang waterjet. Makin besar tekanan yang diberikan dan makin besar diameter lubang waterjet akan menghasilkan laju aliran air yang lebih besar pula.

Laju aliran massa partikel abrasif jauh lebih kecil dibandingkan dengan laju aliran air. Disamping karena faktor ekonomis, apabila laju aliran abrasif terlalu besar akan mengurangi kecepatan pancaran jet yang dihasilkan, karena momentum yang dimiliki air akan menjadi berkurang apabila massa partikel yang harus didorong terlalu besar. Sehingga diusahakan laju massa partikel abrasif yang akan dicampur tidak terlalu besar tapi cukup untuk menghasilkan efek erosi yang cukup besar, dengan demikian pemotongan menjadi lebih efektif. Laju massa abrasif berkisar antara 4-20 g/s.

Gambar 1. Skema konsep alat Abrasive-Waterjet [Hashish, 1989]

Parameter-parameter yang berhubungan dengan kemampuan kerja AWJ antara lain adalah:

• 1. Parameter hidrolik
  • tekanan air
  • laju aliran air
• 2. Parameter partikel abrasif
  • ukuran partikel abrasif
  • material abrasif
  • kondisi abrasif
  • laju aliran abrasif
• 3. Parameter pencampuran
  • diameter tabung pencampur
  • panjang tabung pencampur

Tiap parameter tersebut mempunyai peranan yang sangat menentukan dalam pengoperasian AWJ.

3. PERANCANGAN ALAT ABRASIVE WATERJET

Salah satu parameter penting yang menentukan kemampuan potong alat Abrasive-Waterjet (AWJ) adalah laju aliran abrasif. Seperti telah dijelaskan sebelumnya, fungsi dari partikel abrasif adalah untuk memungkinkan terjadinya pelepasan material target atau material yang akan dipotong akibat adanya proses erosi dari partikel abrasif yang ditembakkan ke material target.

Besar laju aliran partikel abrasif sangat mempengaruhi kemampuan kedalaman potong AWJ. Semakin besar jumlah aliran partikel abrasif, makin dalam pula pemotongan yang dapat dilakukan. Hal ini dapat dilihat dari persamaan (1) [Hashish, 1989]

\[h = c \sqrt{\frac{M_a V_{awj}^2}{8\sigma U} + \frac{2M_a (1 - c) V_{awj}^2}{\pi U_s d_j}}\] (1)

Pada saat proses pencampuran, partikel abrasif mengalir dari abrasive storage ke dalam mixing tube. Karena proses pengaliran abrasif diakibatkan oleh efek hisap yang ditimbulkan oleh pengaruh tekanan air. maka aliran abrasif ini tentunya mempunyai kemampuan suplai aliran maksimum, kondisi suplai maksimum ini terjadi jika katup pengatur aliran abrasif terbuka penuh, sehingga partikel abrasif dapat mengalir seluruhnya ke lubang mixing tube.

Penentuan jumlah aliran partikel abrasif didasarkan pada hukum kontinuitas dan hukum kekekalan momentum antara air dan partikel abrasif.

Dari persamaan kekekalan momentum air dan abrasif di dalam nosel :

\[M_{\mathbf{w}}V_{\mathbf{w}} = (M_{\mathbf{a}} + M_{\mathbf{w}}) V_{\mathbf{a}\mathbf{w}}\] (2)

Persamaan kontinuitas aliran:

\[Q_a + Q_w = Q_{awj} (3)\]

Persar aan tersebut dapat ditulis menjadi :

\[M_a/\rho_a + M_w/\rho_w = V_{awj} A_m\] (4)

Dari persamaan (3) dan (4) diperoleh:

\[V_{awj} = \frac{V_w M_w}{\left(M_a + M_w\right)}\] (5)

\[V_{awj} = \frac{\left(M_a / \rho_a\right) + \left(M_w / \rho_w\right)}{A_m}\] (6)

Persamaan (5) dan (6) menyatakan kecepatan yang dihasilkan oleh nosel AWJ yang dipergunakan untuk memotong. Dari kedua persamaan tersebut dapat diturunkan untuk mendapatkan harga laju aliran abrasif \((M_a)\).

\[M_a^2 + M_a \left( M_w \rho_a + M_w \rho_w \right) + M_w^2 \rho_a\]

\[-V_{\mathbf{w}}M_{\mathbf{w}}A_{\mathbf{m}}\rho_{\mathbf{a}}\rho_{\mathbf{w}}=0\]

Persamaan di atas dapat dianalogikan dengan persamaan kuadrat sehingga harga laju aliran abrasif maksimum dapat diperoleh dengan mencari akar persamaan tersebut.

Kriteria lain yang dapat menggambarkan kemampuan potong suatu alat AWJ adalah kedalaman potong yang dapat dicapai oleh alat tersebut. Makin dalam kemampuan potong maka makin baik pula alat AWJ tersebut demikian pula sebaliknya.

Faktor-faktor yang menentukan kedalaman potong antara lain telah dijelaskan sebelumnya. Akan tetapi sifat dan jenis material yang akan dipotong juga menentukan kedalaman potong yang akan dihasilkan. Sifat material yang berkaitan langsung dengan kemampuan potong AWJ adalah tegangan alir atau flow stress (\(\sigma\)) dan energi spesifik (\(\varepsilon\)). Tegangan alir material erat hubungannya dengan kekerasan (hardness) material sedangkan energi spesifik berkaitan dengan ketangguhan (toughness). Harga dari tegangan alir dan energi spesifik beberapa material dapat dilihat pada tabel 1.

Tabel 1. Tegangan alir dan energi spesifik material alumunium, titanium dan inconel (Hashish, 1989)

Secara matematis persamaan yang menyatakan kedalaman potong telah dinyatakan pada persamaan (1). Kedalaman potong hasil perhitungan tersebut adalah kedalaman potong pada kondisi jarak standoff atau jarak antara ujung nosel dengan material target antara 5-10 mm. Jika jarak standoff bertambah maka kedalaman potong yang dihasilkan juga akan berkurang.

\[h = c \sqrt{\frac{M_a V_{awj}^2}{8\sigma U} + \frac{2M_a (1-c)V_{awj}^2}{\pi U \epsilon d}}\]

Persamaan di atas berlaku atau dapat dipakai jika kecepatan pelintasan (traverse) yang diberikan (U) lebih kecil dibandingkan dengan kecepatan kritis (U_c). Jika kecepatan traverse lebih besar, maka kedalaman potong hanya dipengaruhi oleh mode deformation wear saja. Persamaan kedalaman potong menjadi

\[h = \frac{2M_a V_{awj}^2}{\pi U \epsilon d_i}\]

Harga konstanta c dihitung dari perbandingan kecepatan traverse (U) dengan kecepatan kritis (U_c). Dengan asumsi bahwa harga c berbanding lurus dengan perbandingan U/U_c, maka harga c dapat ditulis dengan persamaan berikut :

\[c = 1 - \frac{U}{U_c}\]

sedangkan harga \[U_c = \frac{M_a V_{awj}^2}{20\sigma d_j}\]

Dengan memasukkan parameter-parameter tekanan air (P), diameter waterjet (\(d_n\)), diameter nosel (\(d_m\)), jenis material target (\(\sigma\), \(\epsilon\)), laju partikel abrasif (\(M_a\)), kecepatan traverse (U), sedangkan diameter jet (\(d_j\)) diasumsikan sama dengan diameter nosel, maka kedalaman potong yang dihasilkan oleh AWJ dapat dihitung.

Komponen yang paling sering diganti pada perangkat alat AWJ adalah nosel (mixing tube), karena nosel juga mengalami erosi akibat partikel abrasif yang dipancarkan. Untuk pemotongan atau proses pemesinan yang membutuhkan ketelitian nosel harus diganti jika diameter berubah menjadi dua kali diameter awal. Dengan batasan ketentuan tersebut maka umur pemakaian nosel dapat diketahui.

Jika dipakai ketentuan bahwa nosel harus diganti jika diameter berubah besarnya menjadi dua kali diameter awal. maka volume yang aus adalah

\[V_{aus} = \pi \frac{\left[ \left( 2d_m \right)^2 - d_m^2 \right]}{4} \left( I_m \right)\] (7)

dimana \(I_m\) adalah panjang nosel = 50-70 \(d_m\) (Hashish, 1991).

Untuk pemotongan yang tidak memerlukan ketelitian yang tinggi syarat penggantian nosel akan lebih longgar sehingga umur nosel akan lebih panjang.

4. PEMBUATAN ALAT ABRASIVE WATERJET

Pembuatan alat dilakukan di laboratorium Teknik Produksi Jurusan Teknik Mesin ITB dengan mengkombinasikan antara pembuatan komponen dan pemanfaatan komponen dan alat yang tersedia secara komersial. Tujuannya adalah untuk menekan biaya produksi sehingga nantinya alat ini dapat diproduksi secara ekonomis di Indonesia. Komponen utama yang dibuat di laboratorium adalah nosel yang terdiri atas high pressure water tube, jacket, abrasive port dan mixing tube. Data teknis komponen nosel dapat dilihat pada tabel 2 berikut ini.

Tabel 2. Data teknis utama komponen nosel

Proses pembuatan terdiri atas pemesinan dan pengelasan.

Untuk mendapatkan tekanan fluida yang tinggi, maka diperlukan suatu pompa yang mampu menghasilkan tekanan minimum sebesar 180 bar dan untuk itu digunakan pompa torak KRANZLE tipe 180 TS. Pompa tersebut dapat diperoleh secara komersial dengan harga yang bersaing. Komponen lainnya yang berupa komponen penunjang seperti halnya ring pemegang nosel, meja kerja, rumah nosel dan kaca pelindung dapat dengan mudah dibuat di laboratorium. Berikut ini ditunjukkan gambar komponen nosel pemegang nosel dan pompa.

Gambar 2. Komponen Nosel yang terdiri atas abrasive port, high pressure tube, jacket dan mixing tube

Gambar 3. Pemegang Nosel yang terdiri atas meja pemegang benda kerja dan pengatur kemiringan meja

Gambar 4. Pompa Torak

5. PENGUJIAN ALAT

Pengujian alat dilakukan untuk melihat kemampuannya dalam memotong logam serta untuk mengetahui pengaruh dari parameter pengujian terhadap hasil pemotongan. Pada pengujian ini digunakan partikel abrasif Silicon Carbide Mesh 120.

Pengujian pertama dilakukan dengan menembakkan pancaran air tanpa partikel abrasif ke permukaan material. Tujuannya adalah untuk mengetahui pengaruh partikel abrasif pada proses pemotongan logam dengan Abrasive Waterjet Cutter (AWJC). Kemudian dilakukan pengujian kemampuan potong AWJC terhadap tiga pelat alumunium dengan ketebalan yang berbeda, yaitu 2 mm, 4 mm dan 6 mm.

Pengaturan kecepatan pelintasan tidak dapat dilakukan karena keterbatasan peralatan pada sistem AWJC ini, sehingga pengujian dilakukan bukan dengan memotong

logam tetapi dengan melubangi permukaan target. Parameter yang dapat diatur untuk pengujian pada sistem AWJC ini adalah jarak standoff, dan sudut pemotongan. Sedangkan parameter lainnya yang perlu diamati adalah waktu pemotongan, harga tekanan pompa, perubahan dimensi mixing tube, serta bentuk lubang permukaan target hasil pengujian.

Pemilihan sudut pemotongan ditentukan berdasarkan fenomena yang terjadi pada keausan erosi dimana keausan maksimum terjadi pada sudut pemotongan sebesar 13°

Pengaturan laju aliran massa partikel abrasif tidak dapat dilakukan, tetapi dapat ditentukan harga rata-ratanya dengan membandingkan jumlah massa partikel abrasif yang telah terpakai dengan waktu yang dibutuhkan selama pengujian.

Gambar 5. Pengujian alat Abrasive-Waterjet Cutter

Data yang diperoleh dari hasil pengujian alat AWJC adalah:

• Pengujian tanpa partikel abrasif (\(\alpha = 0^{\circ}\))

· Pengujian dengan partikel abrasif

Standoff Distance 2 mm

Standoff Distance 6 mm

Dalam percobaan menembakkan pancaran air ke material target tanpa menggunakan partikel abrasif, hanya menghasilkan sedikit keausan pada permukaan. Hasil tersebut diperoleh dalam waktu yang cukup lama. Hasil-hasil percobaan secara visual dapat dilihat pada gambar berikut ini. Gambar tersebut menunjukkan lubang hasil pemotongan dengan AWJC untuk berbagai kondisi pengujian.

Gambar 6. Pengujian tanpa partikel pada pelat alumunium 6 mm

Gambar 7. Pengujian tanpa partikel pada pelat alumunium 2 mm.

Gambar 8. Pengujian AWJC pada pelat alumunium 2 mm

Gambar 9. Pengujian AWJC pada pelat alumunium 4 mm

Gambar 10. Pengujian AWJC pada pelat alumunium 6 mm

6. ANALISIS HASIL PENGUJIAN

Grafik pengaruh sudut pemotongan terhadap waktu pemotongan dapat dilihat pada gambar 11 untuk jarak standoff 2 mm dan gambar 12 untuk jarak standoff 6 mm. Dari percobaan diperoleh bahwa waktu yang diperlukan untuk memotong logam pada sudut pemotongan 13° lebih cepat dibandingkan dengan sudut pemotongan 0° (tegak lurus permukaan material target).

Percobaan tersebut membuktikan bahwa pada pemotongan logam dengan sudut 13° terjadi keausan yang lebih besar dibandingkan pemotongan pada sudut 0°. Untuk membuktikan sudut pemotongan maksimum terjadi pada sudut 13° perlu dilakukan pengujian pada sudut pemotongan yang lebih besar dari sudut tersebut.

Gambar 11. Pengaruh sudut potong terhadap waktu potong untuk jarak standoff 2 mm

Gambar 12. Pengaruh sudut potong terhadap waktu potong untuk jarak standoff 6 mm

Grafik pengaruh jarak standoff terhadap waktu pemotongan dapat dilihat pada gambar 13 untuk sudut pemotonan \(\alpha=0^\circ\) dan gambar 14 untuk sudut pemotongan \(\alpha=13^\circ\). Dari percobaan diperoleh bahwa waktu yang diperlukan untuk memotong logam dengan jarak standoff 2 mm lebih cepat dibandingkan dengan jarak standoff 6 mm.

Pancaran waterjet yang keluar dari nosel akan semakin menyebar seiring dengan menjauhnya waterjet tersebut. Jika jarak standoff diperbesar, yang berarti memperlebar jarak antara nosel dengan permukaan kontak, maka luas bidang kontak akan menjadi lebih besar. Akibatnya gaya tekan waterjet akan terbagi pada bidang yang lebih luas. Selain itu, volume yang harus dipotong juga lebih besar, sehingga akan mengurangi kemampuan potong AWJC. Fenomena tersebut ditunjukkan pada gambar 15.

Gambar 13. Pengaruh jarak standoff terhadap volume aus untuk sudut potong O°

Gambar 14. Pengaruh jarak standoff terhadap volume aus untuk sudut potong 13°

Berdasarkan analisis di atas dapat disimpulkan bahwa penambahan jarak standoff akan mengurangi kemampuan potong AWJC, serta memperbesar lubang atau celah hasil pemotongan. Dengan kata lain, waktu yang dibutuhkan untuk memotong akan lebih lama.

NOSEL NOSEL VOLUME AUS STANDOFF DISTANCE VOLUME AUS STANDOFF DISTANCE

BENDA KERJA

Gambar 15. Pengaruh jarak standoff terhadap volume aus

Dalam percobaan menembakkan pancaran air ke material target tanpa menggunakan partikel abrasif, hanya menghasilkan sedikit keausan pada permukaan. Hasil tersebut diperoleh dalam waktu yang cukup lama. Sebagai contoh material alumunium setebal 2 mm dikenakan hantaman waterjet selama 15 menit, dengan jarak standoff 2 mm dan arah potong tegak lurus permukaan kontak. Secara visual diperkirakan kedalaman aus yang terjadi tidak melebihi 1 mm. Bandingkan pada percobaan dengan menggunakan abrasive-waterjet, waktu yang dibutuhkan memotong hanya 31 detik.

Berdasarkan hasil percobaan tersebut dapat disimpulkan bahwa material abrasif sangat berpengaruh pada proses pemotongan dengan AWJC. Fungsi air adalah sebagai media pembawa partikel untuk mencapai kecepatan tinggi.

Berdasarkan data yang diperoleh dari pengujian alat AWJC, dapat disimpulkan bahwa semakin tebal material target, maka waktu yang dibutuhkan untuk memotong akan lebih lama. Hal ini umum terjadi pada seluruh proses pemesinan yang ada. Selain itu, secara visual hasil pemotongan pada pelat tebal memiliki dimensi lubang atau celah yang lebih besar dibandingkan dengan pelat tipis.

Fenomena tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut; pada awal proses pemotongan, partikel abrasif yang berkontak dengan permukaan material akan berhenti (tertanam) pada material target atau terpantul menyebar ke sekeliling. Partikel abrasif yang terpantul ini dapat menyebabkan keausan lanjut pada dinding lubang hasil pemotongan. Waktu yang dibutuhkan untuk memotong pelat tipis tidak terlalu lama, sehingga keausan lanjut yang terjadi tidak besar. Sedangkan untuk pelat tebal, waktu pemotongan relatif lama. Akibatnya keausan lanjut yang terjadi juga lebih besar. Hal inilah yang menyebabkan lubang hasil pemotongan pada pelat tebal lebih besar dibandingkan pada pelat tipis. Gambar 16 menjelaskan fenomena tersebut.

ABRASIVE-WATERJET

Gambar 16. Keausan lanjut pada material target

Dari hasil pengamatan secara visual pada komponen mixing tube setelah proses pemotongan, terlihat pelebaran diameter pada bagian atas (upstream) dan ujung bawah (down stream) mixing tube. Pada bagian atas, pelebaran yang terjadi bervariasi hingga mencapai 4 mm, sedangkan bagian bawah mencapai diameter 3 mm. Bagian atas mixing tube merupakan daerah awal pencampuran partikel abrasif dengan waterjet, dimana partikel abrasif masuk pada sudut impak yang relatif besar sehingga terjadi erosi. Sedangkan pada ujung bawah mixing tube, partikel abrasif mengalir dengan sudut impak yang relatif kecil sehingga abrasi lebih dominan. Erosi lebih besar efek keausannya dibandingkan dengan abrasi. Akibat keausan yang terjadi pada bagian atas akan lebih besar dibanding ujung bawah mixing tube.

Gambar 17. Keausan pada mixing tube

Selain pelebaran diameter, pada ujung bawah mixing tube juga terjadi keausan kesamping. Hal ini akibat proses pemesinan (bor) yang kurang sempurna sewaktu membuat lubang mixing tube. Karena panjang mata bor berdiameter 2 mm adalah 100 mm, maka pengeboran dengan satu arah tidak dapat dilakukan sehingga pengeboran dilakukan dari dua sisi. Akibatnya terjadi ketidaklurusan pada lubang mixing tube, sehingga arah abrasive-waterjet yang menyamping tersebut menyebabkan keausan lokal pada salah satu sisi permukaan mixing tube. Efek ketidaklurusan tersebut menghasilkan lubang hasil pemotongan berbentuk elips.

Salah satu parameter untuk menentukan kemampuan kerja AWJC adalah kedalaman potong yang dapat dihasilkan. Beberapa sifat dari material target yang akan dipotong juga menentukan kedalaman potong yang dihasilkan. Sifat material target yang berpengaruh besar terhadap kemampuan potong AWJC adalah tegangan alir \((\sigma)\) dan energi spesifik \((\epsilon)\).

Dengan menggunakan persamaan (1) maka kedalaman potong material target dapat diperhitungkan sebagai berikut:

Tabel 3. Kedalaman potong material target

Perhitungan tersebut dilakukan berdasarkan data teknis alat yang digunakan dalam pengujian ini.

7. PENUTUP

Berdasarkan pembahasan terdahulu dapat disimpulkan bahwa alat potong non-konvensional ini dapat diproduksi secara lokal dengan biaya relatif murah. Kemampuan alat tersebut terbukti cukup baik dan menjanjikan suatu peluang untuk menghasilkan produk yang berkualitas. Modifikasi dan penyempurnaan masih diperlukan untuk meningkatkan kemampuan alat ini. Hal ini dapat dilakukan karena teknologinya telah dikuasai dengan baik.

8. UCAPAN TERIMA KASIH

Kegiatan penelitian ini dimungkinkan oleh adanya dana penelitian Hibah Bersaing dengan Kontrak No. 009/P4M/DPPM/PHBIV/1/1995 tanggal 1 Juni 1995 dan No. 07/P2SPT/DPPM/96PHB/2/V/1996 tanggal 6 Mei 1996 yang diberikan oleh Direktorat Pembinaan. Penelitian dan Pengabdian Pada Masyarakat, Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan dan Kebudayaan. Peneliti juga menyampaikan ucapan terima kasih kepada rekan Dr.Ir. Priyono Sutikno dan Dr.Ir. Yatna Yuwana atas partisipasi dalam diskusi dan dukungan informasi.

9. DAFTAR PUSTAKA

• Hashish, Mohamed, 1989, "An Investigation of Milling With Abrasive-Waterjet", Journal of Engineering for Industry, Vol. III, May 1989, ASME, pp. 158-166.
• 2. Hashish, M., 1991, "Optimatization Factors in Abrasive-Waterjet Machining", Journal of Engineering for Industry, Vol.113, February 1991, ASME, pp. 29-37.

♦ SSB/nn.jet.doc ♦