prototipe mesin cnc diode laser cutting 5500 miliwatt
TRANSCRIPT
POLITEKNOLOGI VOL. 19 NO. 2 MEI 2020
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:[email protected]
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
Suharto Suharto dkk, Prototipe Mesin CNC...
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.
POLITEKNOLOGI VOL. 19 NO. 2 MEI 2020
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)
Suharto Suharto dkk, Prototipe Mesin CNC...
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.
POLITEKNOLOGI VOL. 19 NO. 2 MEI 2020
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
Var
iabel
Nil
ai (
mm
)
Feed Rate (mm/menit)
Pengukuran Arah Sumbu X
De…
0,014
0,015
0,016
0,017
0,018
25 75 125 175 225Var
iabel
Nil
ai (
mm
)
Feed Rate (mm/menit)
Pengukuran Arah Sumbu Y
Devi…
Suharto Suharto dkk, Prototipe Mesin CNC...
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.
POLITEKNOLOGI VOL. 19 NO. 2 MEI 2020
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
ef-1. (diunduh pada 17 April 2019)
Suharto Suharto dkk, Prototipe Mesin CNC...
176
Gambar 2. Tahapan Rancang Bangun
Gambar 4. Tahapan Pembuatan Produk Kreatif
POLITEKNOLOGI VOL. 19 NO. 2 MEI 2020
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%)
100