Terbit online pada laman web jurnal http://ejournal2.pnp.ac.id/index.php/jtm

## J URNAL T eknik M esin
Vol. 17 No. 1 (2024) 88 - 93 ISSN Media Elektronik: 2655-5670
Analisis Optimasi Cetakan Briket Sistem Hidrolis Menggunakan Pendekatan Finite Element Method
Elisa Sulistyorini 1 , Ninik Martini 2 , Dani Susanto 3, Maulana Cahyono 4 1,2,4 Teknik Mesin, Teknik Mesin, Universitas 17 Agustus 1945 Surabaya
3 PT Smarttech 2007 Reborn
1 elisasulistyorini@untag-sby.ac.id

## Abstract
The  briquette  mold  is  a  critical  component  in  the  manufacturing  process  of  the  hydraulic  briquette  molding  machine. Improved  mold  design  can  increase  production  efficiency  and  quality.  The  finite  element  method  simulates  the  structural response of the briquette mold to hydraulic pressure. An accurate mathematical model is built based on material parameters, mold dimensions, and hydraulic load characteristics. The influence of mold design variables such as geometry, materials, and internal  configuration  can  be  evaluated  in  detail  by  applying  FEM.  Mold  optimization  uses  a  numerical  optimization algorithm  to  find  a  combination  of  mold  parameters  that  provides  the  best  structural  response.  The  main  goal  of  mold optimization  is  to  increase  mold  durability,  reduce  deformation,  and  minimize  the  potential  for  structural  failure.  The optimization process is integrated with FEM analysis to achieve the optimal mold solution. Improved mold design resulting from  this  optimization  makes  a  positive  contribution  to  the  efficiency  of  hydraulic  briquette  production  and  reduces  the potential for mold damage. The results of this research by optimizing the design of the length of the rod, length of the mold, height of the central protrusion of the press, and changing the diameter of the mold, we obtained simulation results that show an even distribution of loads shown in the same color. In this study, the total deformation value was 5.0298 x 10-6 mm and the equivalent elastic strain was 3.4972 x 10 -10 mm.
Keywords: Briquette Mold, Optimization, FEM, Hydraulic

## Abstrak
Cetakan  briket  adalah  komponen  kritis  dalam  proses pembuatan  mesin  pencetak  briket  hidrolik. Perbaikan  desain  cetakan dapat  meningkatkan  efisiensi  dan  kualitas  produksi.  Metode  elemen  hingga  digunakan  untuk  mensimulasikan  respons struktural cetakan briket terhadap tekanan hidrolik. Model matematika yang akurat dibangun berdasarkan parameter material, dimensi  cetakan,  dan  karakteristik  beban  hidrolik.  Dengan  menerapkan  analisis  FEM,  pengaruh  variabel  desain  cetakan seperti  geometri,  bahan,  dan  konfigurasi  internal  dapat  dievaluasi  secara  detail.  Optimasi  cetakan  dilakukan  dengan menggunakan algoritma optimal numerik untuk mencari kombinasi parameter cetakan yang memberikan respons struktural terbaik.  Tujuan  utama  optimal  pada  cetakan  adalah  meningkatkan  daya  tahan  cetakan,  mengurangi  deformasi,  dan meminimalkan  potensi  kegagalan  struktural.  Proses  optimal  diintegrasikan  dengan  analisis  FEM  untuk  mencapai  solusi cetakan  yang  optimal.  Peningkatan  desain  cetakan  yang  dihasilkan  dari  optimal  ini  dapat  memberikan  kontribusi  positif terhadap  efisiensi  produksi  briket  hidrolik  dan  mengurangi  potensi  kerusakan  cetakan.  Hasil  dari  penelitian  ini  dengan melakukan  optimal  desain  pada  panjang  batang,  panjang  cetakan,  tinggi  tonjolan  pusat  penekan  dan  mengubah  diameter cetakan maka didapatkan hasil simulasi yang  menunjukkan adanya pemerataan distribusi beban dengan ditunjukkan warna yang sama. Pada penelitian ini didapat nilai deformasi total sebesar 5,0298 x 10 -6 mm dan regangan elastis ekuivalen sebesar 3,4972 x 10 -10 mm.
Kata kunci: Cetakan Briket, Optimasi, FEM, Hidrolik

## 1. Pendahuluan
Optimasi  merupakan  suatu  proses  memaksimalkan atau  meminimalkan  beberapa  fungsi  relatif  terhadap himpunan  tertentu  yang  sering  kali  mewakili serangkaian  pilihan  yang  tersedia  dalam  situasi
tertentu [1].  Fungsi dari optimal ini membandingkan berbagai  pilihan  untuk  menentukan  mana  yang mungkin  terbaik.  Salah  satu  metode  optimal  adalah dengan  menggunakan  pendekatan Finite  Element Method (FEM).
Elisa Sulistyorini 1 , Ninik Martini 2 , Dani Susanto 3 , Maulana Cahyono 4
Jurnal Teknik Mesin (JTM)  Vol . 17 No. 1 (2024) 88 - 93
Deskripsi  hukum  fisika  untuk  masalah  yang bergantung  pada  ruang  dan  waktu  biasanya dinyatakan  dalam  persamaan  diferensial  parsial  atau Partial Differential Equations (PDE). Untuk sebagian besar geometri dan permasalahan, PDE ini tidak dapat diselesaikan  dengan  metode  analitis.  Sebaliknya, perkiraan persamaan dapat dibuat, biasanya berdasarkan  jenis  diskritisasi  yang  berbeda.  Metode diskritisasi ini memperkirakan PDE dengan persamaan  model  numerik,  yang  dapat  diselesaikan dengan  menggunakan  metode  numerik.  Solusi persamaan model numerik,  pada  gilirannya, merupakan  perkiraan  solusi  nyata  PDE.  Metode elemen  hingga  (FEM)  digunakan  untuk  menghitung perkiraan  tersebut  [2].  Perangkat  lunak  yang digunakan  untuk  optimal  FEM  adalah  SolidWorks, ANSYS,  Inventor,  Nastran,  Abaqus,  CATIA,  Fluent, dan Siemens NX [3].
Optimasi menggunakan metode FEM telah digunakan dalam beberapa penelitian, terutama untuk mengoptimasi  sebuah  desain.  Tahun  2021  Susastro dan rekan melakukan penelitian optimal dimensi dari kerangka paddock stand yang diberikan variasi berupa penyangga  didapat  diameter  optimal  pipa  sebesar  13 mm.  Pada  kondisi  optimal,  lendutan  terbesar diperoleh  4  mm  dengan  nilai  tegangan  maksimal 136,9  MPa  [4].  Penelitian  optimal  FEM  pada  desain stuktur Train  Nose  Frame menggunakan  simulasi dilakukan    oleh  Elmiawandan  rekan.  Dari  penelitian ini  didapatkan  hasil  semakin  besar  luas  area  maka safety  factor makin  meningkat  dan  semakin  kecil tegangan  maksimum  balok  maka safety  factor semakin  besar  [5].  Hasil  optimasi  FEM  pada  desain kursi  plastik  yang  ada  dipasaran  diteliti  oleh  Sakuri Dahlan dan rekan didapatkan hasil beratkursi menjadi minimal, yaitu dari 1,4 kg menjadi 0.94 kg [6].
Penelitian desain juga dapat digunakan pada optimasi sebuah  mesin.  Optimasi  Desain  Pisau  Mesin Penghancur Batu Kapur dilakukan oleh Elya Heryana dan  rekan.  Penelitian  ini  mengoptimalisasi  kekuatan pisau penghancur batu kapur  dengan daya 50 HP dan 1455 RPM. Awal  mulanya  pisau ini hanya  memiliki kekuatan    selama    3-4    minggu.  Setelah  dilakukan optimasi  kekuatannya    mencapai    waktu  minimal    8- 12 minggu [7].   Analisis Finite Element Method pada penekuk  pada  mesin  pembuatan  begel  baja  tulangan. Dari  penelitian  penekuk  tidak  mengalami  diformasi plastis  dan  mempunyai  tegagan  luluh  material    530 Mpa  untuk  material  1045.  Faktor  keamanan  (FoS) awal dari model ini adalah 2,729. Hasil simulasi pada desain  yang  telah  dioptimasi  memiliki  nilai  tegangan 217,2  MPa  dengan  faktor  keamanan  atau  FoS  2,44. Melalui  simulasi  ini,  massa  komponen  berkurang hingga  45,2%  [8].  Sedangkan    nilai  safety  factor untuk optimasi FEM pada mesin punch yang diatur di awal  adalah  2,  Sedangkan  nilai  pada  proses  simulasi didapatkan  desain  awal  adalah  63  FOS  dan  pada desain  akhir  sebesar  31  FOS.  Massa  rangka  yang mula-mula  sebesar  76565  gram  menjadi  54695  gram
pada  akhir  desain  [9].  Analisis  FEM  terhadap  safety factor  juga  dilakukan  pada  mesin  penggiling  sekam padi  untuk  mengetahui  mesin  penggiling  sekam  padi aman  atau  tidak.  Berdasarkan  hasil  penelitian  desain poros  penggiling  sekam  padi  yang  telah  dibuat dikategorikan aman secara teknis dengan safety facor minimum  0.093825  dan  maksimum  0.056296  [10]. Pada  penelitian  ini  nilai  keamanannya  lebih  besar daripada  penelitian  yang  lalu  dengan  kenaikan  25%. Nilai deformasi  total dan regangan elastis ekuivalen sangat kecil  yakni  5,0298  x  10 -6 mm  dan  3,4972  x  10 -10 mm. Kelemahan  dari  cetakan  ini  belum  bisa  digunakan  untuk mencetak bahan dasar yang kasar.

## 2. Metode Penelitian
Penelitian  ini  dimulai  dengan  mendesain  cetakan briket dan mengGambarkannya menggunakan perangkat  lunak  CAD.  Tahap  kedua,  dilakukan simulasi Statis. Setelah tahap kedua selesai, dilakukan optimasi  dengan  menggunakan  metode  FEM.  Tahap akhir  dilakukan  analisis  dan  menarik  kesimpulan. Alur penelitian dapat diGambarkan sebagai berikut.
Gambar 1. Diagram alir penelitian
Pada  penelitian  ini  yang  dianalisis  adalah  cetakan briket  pada  alat  pencetak  briket  yang  menggunakan sistem  hidrolis.  Secara  umum  desain  alat  pencetak briket dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Desain alat pencetak briket hidrolis
Elisa Sulistyorini 1 , Ninik Martini 2 , Dani Susanto 3 , Maulana Cahyono 4 Jurnal Teknik Mesin (JTM)  Vol . 17 No. 1 (2024) 88 - 93

## Gambar 3. Dimensi cetakan
Gambar 4. Desain cetakan

## Simulasi Statis Alat Pencetak Briket
Proses  simulasi  statis  dilakukan  untuk  mengetahui ketahanan pencetaknya terhadap gaya atau pembebanan  yang  dihasilkan  selama  proses  produksi berlangsung. Tegangan von mises biasanya dipergunakan  untuk  menentukan  kekuatan  bahan terhadap  pembebanan.  Simulasi  pada  inventor  2017 terdapat empat tahapan.
a. Pemilihan material yang digunakan
pada  tahap  ini,  pemilihan  material  harus  sesuai dengan  material  pada  cetakan.  Material  yang digunakan  adalah  stainless  steel  440  dengan spesifikasi yang disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Sifat Mekanik Stainless Steel 440 Mechanical Properties Metric English Ultimate Tensile Strength 1750 MPa 254000 psi
Tensile Yield Strangth 1230 Mpa 186000 psi Hardness (Rockwell) 58 58 Modulus of Elasticity 200 GPa 29000 ksi Charpy Impact 190 J 140 ft-lb b. Menentukan fixture (tumpuan)
Tumpuan  diberikan  pada  posisi  bawah  cetakan. Tumpuan  ini  mewakili  peletakan  cetakan  di  rangka alat pencetak dan dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Posisi tumpuan pada cetakan
c. Penentuan Load (pembebanan)
Beban  atau  gaya  diberikan  pada  surface  cetakan bagian  atas.  Besar  beban  dan  arah  yang  diberikan sesuai  dengan  proses  produksi  saat  melakukan  press pada  cetakan  yaitu  sebesar  6613  N  dengan  arah bawah. Arah beban dan gaya yang diberikan disajikan pada Gambar 6.
Gambar 6. Arah beban dan gaya yang diberikan
Elisa Sulistyorini 1 , Ninik Martini 2 , Dani Susanto 3 , Maulana Cahyono 4 Jurnal Teknik Mesin (JTM)  Vol . 17 No. 1 (2024) 88 - 93
d. Pembuatan meshing
meshing  merupakan  pembagian  struktur  pada  rangka menjadi  bagian  kecil  yang  berfungsi  memperlihatkan tegangan  yang  terjadi  selama  proses  analisa  statis sampai  dengan  komponen  kecil  cetakan.  Meshing yang  dipakai  menggunakan parameter tipe curvature- based  mesh  dengan  parameter  default  .  cetakan  yang sebelumnya  berwarna  merah  dibuat  transparant  agar dapat  melihat  hasil  meshing  yang  ada  didalam cetakan. hasilnya dapat dilihat pada Gambar 7.

## Gambar 7. Meshing pada cetakan yang berada di dalam

## Proses optimal desain cetakan briket
Penelitian  dilakukan  dengan  melakukan  optimal desain  (desain  study)  pada  bagian  cetakan.  Proses optimal  desain  dilakukan  untuk  mengurangi  bobot atau  massa  dari  cetakan  mesin  press  dengan memperhatikan  beban  yang  dialami  mesin  press. Berikut  langkah  langkah  dalam  melakukan  design study.
a. Menentukan variable
Pada  penelitian  ini,  variable  yang  diambil  berupa tinggi  dan  panjang  dari  cetakan.  Kemudian  untuk variasi  data  digunakan  tipe  range  sehingga  dapat diatur  besar  kecil  diameter  cetakan.  Sehingga  dapat diatur  dimensi  minimal,maximal,  dan  besar  setiap kenaikan ( step ).
b. Menentukan constrains
Safety  of  factor merupakan  parameter  constrain  yang digunakan.  FOS  minimal  yang  digunakan  adalah  2. Semakin tinggi nillai keamanan yang dihasilkan maka semakin baik tingkat keamanan yang dihasilkan maka semakin  baik  tingkat  keamanan  yang  dimiliki  oleh struktur  tersebut.  Dengan  acuan  analisis  statik sebelumnya.
c. Menentukan goals
Massa  merupakan  tujuan  dari  optimal  desain  ini sehingga  didapatkan  massa  terendah  yang  bisa diterapkan dengan memperhatikan factor of safety dan beban yang terjadi pada cetakan.

## 3.  Hasil dan Pembahasan
Hasil  optimal desain  (Desain  Study)  pada cetakan briket
Pengoptimalan desain menggunakan design study yang bertujuan  untuk  mengurangi  massa  cetakan  briket menjadi  lebih  ringan  ,  yang  mana  nilai  massa menurun  dengan  memperhatikan  tegangan  yang terjadi akibat gaya yang diberikan dan factor of safety minimum  .  Membuat  semua  hasil  yang  dicetak  dari tiap  tiap  lubang  memiliki  nilai  tekanan  yang  dan merata.  Mengurangi  risiko  tegangan  yang  timbul akibat  tekanan.  Optimasi  desain  yang  akan  dibuat akan memiliki dimensi pusat pressure lebih menyebar ketiap tiap batang pendorongnya sehingga menghasilkan  kerapatan  yang  sama.  Gambar  8. Menunjukkan  hasil  proses  simulasi  cetakan  pada posisi maximum.
a. Variabel Desain Tabel 2. Varibel Desain Name type value dimension Tebal atas Range  with step 15 mm Tinggi pencetak Range  with step 80 mm Diameter cetakan Range  with step 10 mm Tebal  pusat atas Range  with step 1 mm Tinggi cetakan Range  with step 60 mm

## Gambar 8. Gambar desain awal
Dari  desain  awal  akan  terjadi  perubahan  dimana dimensi  pada  tiap  tiap  yang  ditunjukkan  oleh  panah akan  di  kurangi  agar  hasil  optimal  cetakan  lebih bagus.
Elisa Sulistyorini 1 , Ninik Martini 2 , Dani Susanto 3 , Maulana Cahyono 4
Jurnal Teknik Mesin (JTM)  Vol . 17 No. 1 (2024) 88 - 93
b. Strain static
Tabel 3. Data strain Sensor name condition Bounds Study name Minimum factor of safety Is greater than Min : 1,5 Max : 4,5 Static 1
Gambar 9. Hasil strain dari proses penekanan
Dari  percobaan  tersebut  terlihat  bahwa  warna  pusat penekan  atas  memiliki  warna  yang  sama,  ini  akibat dari ditipiskan pusat tonjolan penekan atas.
c. Goals tegangan von misses
Tabel 4. Data goals Name goal properties strain Batang penekan merata steel 2.0 Mpa
Gambar 10. Percobaan tegangan yang terjadi pada tiap batang menjadi lebih merata
Berikut  perbandingan  desain  awal  dan  desain  study yang  ditunjukkan  pada  Gambar  11.  Dan  Gambar  12. Berdasarkan  data  yang  dihasilkan  menunjukkan bahwa  massa  dari  desain  awal  lebih  besar dibandingkan  desain  akhir  yang  telah  dilakukan optimal.  Hal  ini  disebabkan  oleh  pengaruh  ketebalan dari desain yang dibuat.
Gambar 11 . Desain awal cetakan briket
Gambar 12. Desain akhir cetakan briket

## 4. Kesimpulan
Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa semakin panjang  batang  pendorong  tegangannya  akan  terjadi tegangan  yang  tidak  diinginkan.  Untuk  perbandingan desain  awal  dan  akhir  terjadi  pengurangan  tinggi tonjolan pusat penekan yang dimaksud berguna untuk memberikan  distribusi  beban/tekanan  yang  lebih merata  pada  tiap  tiap  batangnya.  Dengan  melakukan optimal desain pada panjang batang, panjang cetakan, tinggi tonjolan pusat penekan dan mengubah diameter cetakan  maka  didapatkan  hasil  simulasi  yang menunjukkan  adanya  pemerataan  distribusi  beban dengan ditunjukkan warna yang sama. Pada penelitian ini didapat nilai deformasi total sebesar 5,0298 x 10-6 mm  dan  regangan  elastis  ekuivalen  sebesar  3,4972  x 10-10 mm.
Elisa Sulistyorini 1 , Ninik Martini 2 , Dani Susanto 3 , Maulana Cahyono 4

## Ucapan Terimakasih
Terima  kasih  penulis  ucapkan  kepada  Bapak  Dani Susanto,  ST.,  yang  telah  memberikan  dukungan  baik gagasan, tenaga, maupun materi.

## Daftar Rujukan
[1]  Arora,  J.  S.  (1993).  What  is  optimization?  Structural Engineering  in  Natural  Hazards  Mitigation,  1608–1613. https://doi.org/10.1061/9780784402207.ch01
[2]    Sulandari,  Y.  A.  S.  N.,  &  Pranata,  Y.  A.  (2012).  Metode Elemen  Hingga  Sambungan  Balok-Kolom.  Jurnal  Teknik Sipil, 8(2), 76–141.
[3]   Umg, H., & Gresik, U. M. (2020). ( Finite Element Analysis ) By : Hidayat S . T ., M . Eng. June.
[4]    Susastro, S., Muhammad, A. F. H., Lostari, A., & Fakhrudi, Y. A.  (2021).  Optimasi  Desain  Paddock  Stand  Sebagai  Sistem Statis  Dengan  Menggunakan  Finite  Element  Method. JRST
(Jurnal Riset Sains Dan Teknologi) . https://doi.org/10.30595/jrst.v5i1.6023
[5]      Insano,  S.,  &  Rochardjo,  H.  S.  B.  (2023).  Optimasi  Desain Struktur Train Nose  Frame dengan Finite Element Analysis. KONSTELASI: Konvergensi Teknologi Dan Sistem Informasi . https://doi.org/10.24002/konstelasi.v3i1.7089
[6]      Dahlan,  S.,  & Al  Hakim, R.  A. N.  (2018). Optimasi  Desain Kursi  Menggunakan  Metode  Elemen  Hingga.  ROTASI. https://doi.org/10.14710/rotasi.20.3.160-164
[7]    Elya Heryana, & Karmiadji, D. (2022). Optimasi Desain Pisau Mesin  Penghancur  Batu  Kapur. Teknobiz :  Jurnal  Ilmiah Program Studi Magister Teknik Mesin .
https://doi.org/10.35814/teknobiz.v12i2.3633
[8]     Fajrin, M. G. F. G., Widiantoro, H., & Zainuddin, Z.-. (2022). Analisis  Elemen  Hingga  Bagian  Penekuk  pada  Mesin Pembuat  Begel Baja Tulangan 8 mm. Suara Teknik :  Jurnal Ilmiah . https://doi.org/10.29406/stek.v13i1.4222
[9]   Elmiawan, P., Paundra, F., & Pradibyo, G. T. (2022). Optimasi Desain  Mesin  Punch  Menggunakan  Metode  Finite  Element Analysis. J-Proteksion . https://doi.org/10.32528/jp.v6i2.6834
[10] Walidina, M. F., Kardiman, K., & Nugraha Gusniar, I. (2022). Analisis  Tegangan  Von  Mises  pada  Poros  Mesin  Penggiling Sekam  Padi  Menggunakan  Software  Ansys. Jurnal  METTEK . https://doi.org/10.24843/mettek.2022.v08.i01.p05