Proses Manufaktur dan Karakterisasi Kekuatan Tarik Komposit Carbon Fiber-Epoxy dengan Metode Compression Moulding Menggunakan Cetakan Hasil 3D-Printing FDM untuk Aplikasi Prototyping Lengan Robot.
Alwan Muhammad Risqi, Prof. Ir. Heru Santoso Budi Rochardjo, M.Eng., Ph.D., IPM., ASEAN Eng.
2024 | Skripsi | TEKNIK MESIN
Robot lengan adalah struktur lengan mekanis yang
banyak digunakan dalam industri manufaktur. Seiring dengan kemajuan teknologi,
tuntutan akan peningkatan efisiensi robot lengan semakin meningkat. Hal ini
mendorong pengembangan robot lengan dalam berbagai aspek, seperti kecepatan,
presisi, dan adaptabilitas. Sejalan dengan upaya pengoptimalan efisiensi,
pemilihan material yang ringan namun kuat menjadi hal yang perlu disoroti.
Penggunaan material komposit karbon dapat menjadi jawaban atas permasalahan tersebut
karena kemampuannya dalam mengkombinasikan kekuatan dan keuletan namun dengan
berat yang relatif ringan. Hal ini dapat berdampak pada peningkatan kinerja dan
efisiensi, baik dalam hal kecepatan, ketepatan, dan penggunaan daya. Salah satu
metode pembuatan produk komposit karbon adalah teknik compression
moulding. Dalam metode ini, material komposit ditempatkan ke dalam suatu
cetakan tertutup lalu ditekan pada kedua sisinya secara merata untuk
menghasilkan produk komposit yang padat. Namun, proses manufaktur cetakan
memerlukan biaya yang relatif tinggi karena umumnya terbuat dari bahan logam
yang difabrikasi menggunakan CNC-machining, sehingga proses tersebut menjadi
kurang praktis dan ekonomis untuk diimplementasikan dalam skala produksi kecil
seperti keperluan prototyping. Maka dari itu, dalam penelitian ini
akan digunakan cetakan hasil 3D printing FDM untuk memanufaktur salah satu
komponen lengan robot yaitu kinematic link.
Penggunaan 3D
printing FDM didasarkan atas kelebihannya dalam menghasilkan produk
dengan geometri kompleks namun dengan biaya produksi yang relatif ekonomis.
Proses diawali dengan mendesain cetakan dari produk kinematic link menggunakan software CAD
dan kemudian dicetak menggunakan 3D print FDM. Cetakan kemudian diuji secara
langsung untuk membuat produk komposit dari bahan chopped carbon dan
resin epoksi. Terdapat sejumlah revisi pada desain cetakan sebelum akhirnya
cetakan berhasil mencetak komposit. Selain itu, juga dilakukan karakterisasi
kekuatan produk komposit dengan mengaplikasikan 50% serat panjang pada fraksi
volume serat karbon unuk kemudian dilakukan uji tarik.
Setelah dilakukan
sejumlah iterasi cetakan, diperoleh parameter desain cetakan, print, dan
metode optimal berupa depth overlap = 2x kedalaman
bidang cetak, draft angle = 2?, pembuat lubang berupa pin terpisah, infill
pattern/density = cubic/50%, dan metode tekan menggunakan mesin press
hidrolik. Hasil pengukuran menunjukkan produk komposit yang dibuat memiliki
penyimpangan dimensi sebesar 2,85%. Berdasarkan data uji tarik diperoleh
nilai mechanical properties pada komposit 100% serat acak
adalah ultimate tensile strength (UTS) = 203,63 MPa dan modulus
young = 15 Gpa. Aplikasi 50% serat panjang berpengaruh terhadap
peningkatan kekuatan tarik sebesar 236,8?ngan nilai ultimate tensile
strength (UTS) = 685,83 MPa dan modulus young = 27,48
GPa.
Arm robots are widely used in manufacturing due to
technological advancements and the need for improved efficiency. Their
development focuses on speed, precision, and adaptability. To maximize the
efficiency, lightweight marterials with high strength properties are essential.
Carbon composite materials offer a strong and lightweight solution with both
strenth and ductility. The compression molding technique is utilized in the
manufacturing of carbon composite products. During this method, the composite
material is inserted into a close mold and subsequently subjected to uniform
pressure on both sides, resulting in the creation of a compact composite
product. Nevertheless, a drawback of utilizing this approach is the increased
cost associated with creating molds, as they are constructed from metal
materials produced through CNC machining. Consequently, this technique becomes
less cost-effective and efficient when applied to smaller-scale production,
such as prototyping. Hence, this research aims to uttilize FDM 3D printing
molds to produce a spesific components of the robot arm, reffered to as
kinematic link.
The prefrence to utilize the FDM 3D printing method is
determined by its capability to fabricate products with complex geometries
while keepinng cost-effective production expenses. The process begins by
creating a mold for the kinematic link product using CAD software, followed by
printed it using fused deposition modelling (FDM) 3D printing. Subsequently,
the mold undergoes testing in order to produce a composite product composed of
chopped carbon fiber and epoxy resin, it results in a composite product that is
properly molded for the desired outcome. Several modifications were made to the
mold design before achieving successful molding of the composite material. This
study includes enhancment of composite material strength by adding 50% long
fibers to the volume fraction of carbon fiber.
After several iterations, an optimal mold design and
process was acquired. It includes a mold overlap twice the depth of molded
area, 2? draft angle, seperated pin for creating bearing holes, a cubic infill
pattern with 50?nsity, and the use of a hydraulic press machine. According
to the measurement results, the composite product has a dimensional deviation
of 2.85%. The mechanical properties values acquired from the tensile test data
before optimization were reecord as ultimet tensile strength (UTS) = 203.63 MPa
and Young’s modulus = 15 GPa. However, after optimization, there was a
significant improvement in mechanical properties, with an increase of 236.8% in
both, measured as ultimate tensile strength (UTS) = 685.83 MPa and Young’s
modulus = 27.48 GPa.
Kata Kunci : Lengan Robot, Komposit Karbon, CFRP, Compression Moulding, 3D Printing FDM, Uji Tarik