Copyright © 2020, JPLP, e ISSN 2654-251X

## Rancang Bangun Mesin Laser Engraver and Cutter Untuk Membuat Kemasan Modul Praktikum Berbahan Akrilik
Aris Eko Saputro a ,Mochammad Darwis b
a Program Studi Elektronika, Polteknik Elektronika Negeri Surabaya,Surabaya Corresponding Author E-mail : aris_ekos@staff.pens.ac.id
b Program Studi Elektro Industri, Polteknik Elektronika Negeri Surabaya,Surabaya E-mail : mdarwis@staff.pens.ac.id
Received: 22 nd September 2019; Revised: 18th November 2019; Accepted: 9th December 2019;
Available online: 14th  January 2020; Published regularly: January 2020

## Abstract
In the competence of vocational institution, lecturers, students and PLP staff are expected to make their own appropriate equipment. An educational laboratory as a place to provide adequate practice and supporting equipments. Equipment or innovations that are designed must be packaged in an attractive form as a prototype of a product.  As for the research and or as a practical tool in the laboratory. The packaging also serves to protect the device made and increase its life time. Usually the material used to make a casing material is acrylic. The thicker the acrylic, the more difficult it is to make. Laser engraver or laser cutter as a solution to facilitate the manufacture of casings that made from acrylic. User will create a two-dimensional design using a program, such as Inkscape. Then the design is saved or changed into gcode. The resulting gcode file is then sent to the laser engraver to make the design. The power of the laser head used, will determine the thickness of the acrylic to be cut. In this research, 2 mm thick acrylic was tested using a 15W laser diode module.
Key Words : Laser Engraver, Laser Cutter, Acrylic, Gcode

## Abstrak
Dalam kompetensi lembaga kejuruan, dosen, mahasiswa, dan staf PLP diharapkan dapat membuat peralatan mereka  sendiri  yang  sesuai.  Laboratorium  pendidikan  sebagai  tempat  untuk  menyediakan  praktik  dan  peralatan pendukung yang memadai. Peralatan atau inovasi yang dirancang harus dikemas dalam bentuk yang menarik sebagai sebuah prototipe suatu produk. Baik sebagai hasil penelitian dan atau sebagai alat bantu praktikum di laboratorium. Kemasan  juga  berfungsi  untuk  melindungi  perangkat  yang  dibuat  dan  menambah  masa  pakainya.  Biasanya  yang digunakan untuk membuat bahan  kemasan adalah akrilik. Semakin tebal akrilik, semakin sulit membuatnya. Laser engraver  atau  pemotong  laser  sebagai  solusi  untuk  memudahkan  pembuatan  casing  yang  terbuat  dari  akrilik. Pengguna akan membuat desain dua dimensi menggunakan program, seperti Inkscape. Kemudian desain disimpan atau diubah menjadi gcode. File gcode yang dihasilkan kemudian dikirim  ke mesin laser engraver untuk membuat desain  tersebut.  Kekuatan  kepala  laser  yang  digunakan,  akan  menentukan  ketebalan  akrilik  yang  akan  dipotong. Dalam penelitian ini, akrilik setebal 2 mm diuji menggunakan modul dioda laser 15W.
Kata Kunci : Laser Engraver, Laser Cutter, Akrilik, Gcode

## PENDAHULUAN
Dalam  acuan  kompetensi  lembaga  vokasi,  dosen,  siswa  dan  tenaga  PLP-nya  diharapkan  dapat membuat  peralatan  sendiri  atau  peralatan  penunjang  yang  tepat  guna.  Sebuah  laboratorium  pendidikan
sebagai  tempat  untuk  menyediakan  peralatan  praktikum  dan  peralatan  pendukung  yang  memadai  untuk mewujudkannya. Bahkan untuk kelangsungan sebuah praktikum, terkadang seorang siswa, dosen atau PLP terkadang  harus  membuat  sendiri  peralatan  penunjang  yang  dibutuhkan.  Peralatan  atau  inovasi  yang dirancang harus dikemas dalam sebuah bentuk yang menarik sebagai purwarupa sebuah produk. Baik untuk suatu penelitian, maupun alat bantu praktikum di laboratorium. Kemasan juga berfungsi untuk melindungi alat yang dibuat dan meningkatkan umur pakainya. Biasanya bahan yang digunakan untuk membuat bahan casing adalah akrilik atau mika. Semakin tebal akliriknya, semakin susah pengerjaaannya.

## Gambar 1. Kebutuhan membuat casing untuk membuat sebuah modul praktikum mandiri
Pengerjaan casing akrilik secara manual, akan memakan waktu dan tenaga. Sementara, pekerjaan lain yang  akan  dilakukan  masih  banyak.  Laser  engraver  atau  laser  cutter  sebagai  solusi  untuk  memudahkan pembuatan casing yang menggunakan bahan akrilik atau mika. User yang akan menggunakan perangkat ini, akan membuat desainnya secara dua dimensi menggunakan sebuah program.
Laser  cutting  adalah  sebuah  teknologi  yang  menggunakan  laser  untuk  memotong  material  dan biasanya  diaplikasikan  pada  industri  manufaktur.  Laser  cutting  bekerja  dengan  cara  mengarahkan  laser berkekuatan tinggi untuk memotong material dan digunakan komputer untuk mengarahkannya. Biasanya dalam bentuk cahaya yang tidak dapat dilihat maupun dapat dilihat dengan mata normal.
Laser Cutting dalam industri sudah dirancang untuk mengkonsentrasikan jumlah energi yang tinggi ke  tempat  yang  kecil.  Biasanya  sinar  Laser  Cutting  berdiameter  sekitar  0,003-0,006  inci  ketika menggunakan laser dengan panjang gelombang pendek.
Ada tiga jenis laser yang digunakan dalam laser cutting. Laser CO2 cocok untuk memotong, membuat boring, dan mengukir. Neodymium (Nd) digunakan untuk membuat boring dimana dibutuhkan energi yang besar akan tetapi memiliki repetisi atau pengulangan yang rendah. Sedangkan laser  neodymium yttrium- aluminum-garnet (Nd-YAG) digunakan dimana daya yang sangat tinggi dibutuhkan untuk membuat boring dan mengukir. Baik CO2 dan  Nd atau Nd-YAG laser dapat digunakan untuk pengelasan.
.
Gambar 2. Mesin Laser CO2 dan kepala lasernya
Laser  jenis  CO2  memang  memiliki  daya  yang  besar  (sampai  ratusan  watt).  Tetapi  mesin  jenis  ini harganya mahal. Dalam penelitian ini, kami sebagai PLP berupaya untuk membuat mesin laser cutting yang murah  dan  sederhana,  sehingga  dapat  mendukung  kinerja  PLP  di  dalam  laboratorium.  Jenis  laser  yang digunakan adalah laser dioda.
Dalam penelitian ini juga, dipakai program Inkscape yang digunakan untuk merancang casing secara 2D. Kemudian disain tersebut disimpan atau dibah kedalam bentuk gcode. File hasil gcode ini kemudidan dikirim ke mesin laser engraver untuk dibuat disainnya secara nyata. Kekuatan atau daya kepala laser yang digunakan, akan menuntukan ketebalan akrilik yang akan dipotong.
Yang menjadi permasalahan utama dalam perancangan dan pembuatan prototype ini adalah: Bagaimana perancangan desain purwarupa (prototype) mesin laser engraver dan cutter, bagaimana sistem penyimpanan disain oleh komputer dan pengambilan data disain dilakukan dan bagaimana keefektifan dan keefisiensian dari prototype tersebut Secara garis besar, tujuan dari pembuatan prototype ini ialah : Mendapatkan  sebuah  alat  hasil  teknologi  yang  membantu  kerja  PLP,  mahasiswa  dan  dosen,  dapat menciptakan produk yang tepat guna, mendapatkan sebuah alat yang dapat membuat sebuah casing yang dapat didisain dengan komputer dan dapat dibuat dalam jumlah sedikit atau banyak. Luaran yang diharapkan dari pembuatan alat ini ialah : Mendapatkan sebuah alat yang nantinya bisa membantu dosen, plp dan mahasiswa dalam merancang dan membuat  casing  akrilik  dari  sebuah  rangkaian  elektronik,  mendapatkan  sebuah  alat  yang  nantinya  bisa membantu membuat peralatan untuk mendukung kinerja laboratorium, mengadakan pelatihan ke sesama PLP agar dapat membuat suatu rancangan benda dengan mesin laser cutter.

## BAHAN DAN METODE
Penelitian  ini  dilakukan  di  Laboratorium  Robotika  dan  Laboratorium  Pengemudian  Listrik  di Politeknik  Elektronika  Negeri  Surabaya,  sedangkan  omponen  –  komponen  elektronik  yang  digunakan dalam  penelitian  ini  untuk  menunjang  pembuatan  alat,  antara  lain  Motor  Stepper,  Modul  Laser,  Modul Arduino

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Komponen – komponen elektronik yang digunakan dalam penelitian ini untuk menunjang pembuatan alat, antara lain:
a. Motor Stepper
Motor  stepper  adalah  motor  DC  permanen  magnet  (rotor  magnet  permanen  dan  stator  berupa kumparan) yang dimodifikasi sedemikian agar dapat bergerak dengan gerakan yang bertahap dengan sudut perputaran yang kecil. Pergerakan dengan sudut putaran yang kecil dapat dirubah menjadi gerakan translasi yang  presisi.  Motor  stepper  ini  digunakan  untuk  pergerakan  sumbu  x,  dan  sumbu  y  pada  mesin  laser engraver atau laser cutter.
Gambar 3. Motor Stepper

## Gambar 4. Motor Stepper Driver dengan modul A4988
b. Modul Laser.
Pada penelitian ini, Laser Diode adalah komponen semikonduktor yang dapat menghasilkan radiasi koheren yang dapat dilihat oleh mata ataupun dalam bentuk spektrum infra merah (Infrared/IR) ketika dialiri arus listrik. Yang dimaksud dengan Radiasi Koheren adalah radiasi dimana semua gelombang  berasal dari satu  sumber  yang  sama  dan  berada  pada  frekuensi  dan  fasa  yang  sama  juga.  Kata  LASER  merupakan singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation yang artinya adalah mekanisme dari suatu alat yang memancarkan radiasi elektromaknetik melalui proces pancaran terstimulasi. Radiasi Elektromaknetik tersebut ada yang dapat dilihat oleh mata normal, ada juga yang tidak dapat dilihat.
Panjang  Gelombang  (Wavelenght)  terlihat  yang  terbuat  dari  GaAs  Dioda  Laser  pertama  kali diperkenalkan oleh Nick Holonyak Jr yaitu seorang Ilmuwan yang bekerja di General Electric pada tahun 1962.    Pada  dasarnya,  Dioda  Laser  hanyalah  salah  satu  jenis  perangkat  ataupun  teknologi  yang  dapat menghasilkan sinar Laser. Jenis-jenis perangkat ataupun Teknologi lainnya yang dapat menghasilkan sinar Laser diantaranya adalah Solid-state Laser, Laser Gas, Laser Excimer dan Dye Laser.

## Gambar 5. Dioda Laser
Berikut ini adalah beberapa kelebihan Dioda Laser jika dibandingkan dengan teknologi konvensional penghasil Laser lainnya: (1) Lebih kecil dan Ringan, dioda Laser memiliki ukuran yang  kecil, ada jenis Dioda  Laser  tertentu  yang  berukuran  kurang  dari  1mm  dengan  beratnya  kurang  dari  1gram.  Dengan demikian,  Dioda  Laser  sangat  cocok  untuk  digunakan  pada  perangkat  Elektronika  yang  berukuran  kecil atau portabel. (2) Membutuhkan Arus listrik, Tegangan dan Daya yang rendah.  Kebanyakan Dioda Laser hanya membutuhkan daya beberapa miliWatt dengan tegangan di sekitar 3 Volt hingga 12 Volt DC. Oleh karena itu, Dioda Laser dapat beroperasi dengan menggunakan sumber daya Baterai. (3) Intensitas rendah : Dioda Laser memiliki intensitas yang sangat rendah dibandingkan dengan perangkat laser lainnya. Namun Dioda  Laser  memiliki  efisiensi  output  koheren  yang  tinggi  dan  kemudahan  dalam  modulasi  untuk komunikasi dan aplikasi pengendalian. Perlu diketahui bahwa, Dioda Laser tidak dapat digunakan untuk memotong kertas ataupun melubangi baja sehingga relatif aman untuk digunakan pada perangkat konsumen atau rumah tangga. Meskipun relatif aman, tetap disarankan untuk tidak melihat langsung sinar Laser yang dipancarkan oleh perangkat-perangkat tersebut karena beresiko untuk merusak bagian-bagian sensitif Mata
yaitu selaput Retina pada mata.(4) Sudut Beam yang lebar (Wide-angle Beam). Bentuk berkas sinar yang lebih lebar dan berbentuk kerucut dan dapat lebih mudah dimodifikasi dengan menggunakan sebuah lensa cembung. Hal ini agak berbeda dengan Laser Konvensional yang hanya berbentuk lurus dan sulit untuk di dimodifikasi kelebarannya.
Dioda  Laser  telah  banyak  diaplikasikan  pada  perangkat  yang  kita  gunakan  sehari-hari.  Beberapa perangkat yang menggunakan Dioda Laser diantaranya adalah sebagai berikut : CD/VCD/DVD/Blu-ray Player, Konsol Games, Laser Pointer, Barcode Scanner, Sistem Fiber Optik, Laser Printer, Alat Ukur Jarak, Remote Control dan lain sebagainya.
Pada dasarnya, Dioda Laser hampir sama dengan Lampu LED yaitu dapat mengkonversi energi listrik menjadi energi cahaya, namun Dioda Laser dapat menghasilkan sinar/cahaya atau Beam dengan Intensitas yang lebih tinggi. Berikut ini adalah Struktur Dioda Laser (Laser Diode) :

## Gambar 6. Struktur Dioda Laser
Berdasarkan cara kerjanya, Dioda Laser dapat dibedakan menjadi 2 jenis yaitu Injection Laser Diode (ILD)  dan  Optically  Pumped  Semiconductor  Laser. Cara  kerja  Injection  Laser Diode  memiliki  berbagai kemiripan  dengan  LED (Light  Emitting  Diode). Kedua-duanya  dibuat berdasarkan  proses  dan  teknologi yang hampir sama. Perbedaan utama pada Dioda Laser adalah adanya sebuah saluran atau kanal panjang yang  sempit  dengan  ujung  yang  reflektif.  Kanal  tersebut  berfungsi  sebagai  penuntun  gelombang  pada cahaya. Kanal tersebut biasanya disebut dengan Waveguide.
Pada pengoperasiannya, arus mengalir melalui persimpangan PN (PN Junction) dan menghasilkan cahaya  seperti  pada  LED  (Light  Emitting  Diode).  Pancaran  Fotonnya  (Photon)  disebabkan  oleh bergabungnya kembali Elektron dan Lubang (Holes) di daerah persimpangan PN. Namun cahaya tersebut hanya dibatasi didalam waveguide (penuntun cahaya) pada Dioda Laser sendiri. Di Waveguide ini cahaya Laser direfleksikan dan kemudian diperkuat sehingga menghasilkan emisi terstimulasi sebelum dipancar keluar.
Gambar 7. Modul Laser yang digunakan dalam Mesin laser cutter
c. Modul Arduino
Modul Arduino digunakan sebagai pengontrol utama dimana akan menjalankan proses pembacaan data dari  kode  pergerakan  pada  format  file  g-code  dan  mengendalikan  perangkat-perangkat  output  (motor stepper dan laser). Input yang digunakan pada perancangan alat ini adalah file g-code yang dihasilkan oleh program disainer objek 2D (dalam hal ini digunakan program inkscape). Kemudian untuk mengendalikan
mesin laser cutter dari pembacaan data file g-code digunakan program laser GRBL. Untuk berkomunikasi dengan komputer, Arduino Nano dapat menggunakan port USB yang dimilikinya.
Gambar 8. Arduino Nano
Setelah  mendaftar  semua  komponen  elektronik  yang  diperlukan  (gambar  10),  maka  langkah selanjutnya  adalah  membuat  blok  diagram  dari  sistem  yang  akan  dibuat.  Dengan  blok  diagram  ini, perancang sistem dan orang lain yang akan menggunakan sistem, dapat memahami sistem dan cara kerjanya dengan mudah. Blok Diagram dapat dilihat pada gambar 9.
Gambar 9. Blok Diagram Sistem
Gambar 10. Disain bagian elektronik
Gambar 11. Disain rangkaian elektronik lengkap dan siap dioperasikan
Gambar 12. Skema Rangkaian elektronik lengkap
Rangkaian  elektronik  lengkap  dan  sudah  siap  digunakan  dapat  dilihat  pada  gambar  11.    dan gambar 12. Setelah rangkaian elektronika menjalani beberapa pengetesan dan dianggap tidak bermasalah, maka  langkah  selanjutnya  adalah  membuat  bagian  mekaniknya,  langkah  demi  langkah  seperti  pada gambar 13.

## Gambar 13. Disain bagian mekanik
G-code adalah bahasa pemrograman printer 2D atau 3D. Dengan menggunakan G-code,  serangkaian instruksi  yang  berasal  dari  komputer  akan  dapat  diterjemahkan  ke  dalam  perintah  yang  dimengerti  oleh peralatan cetak 3D ataupun mesin laser potong 2 dimensi. Sebagai contoh, komputer memberi tahu pada printer 3D, kapan, di mana, dan bagaimana cara memindahkan dan berapa banyak yang harus diekstrusi selama seluruh proses cetak objek dilakukan.
Alat pengiris/ slicer seperti Cura dan Simplify3D menghasilkan G-Code “otomatis” dari model CAD, sehingga  sebagian  besar  orang/pengguna  tidak  pernah  melihat  atau  memprogram  satu  baris  kode  pun. Namun, jika Anda ingin mengembangkan pemahaman yang lebih dalam tentang pencetakan 3D, penting untuk mengetahui tentang bahasa pemrograman ini.
Pengetahuan  tentang  perintah  G-code  akan  memberi  kita  pengetahuan  yang  lebih  komprehensif mengenai  teknik  pencetakan  2D  dan  3D.  Orang  yang  mampu  memecahkan  masalah  printer  3D,  mereka akan  lebih  baik  pemahamannya  dalam  mengontrol  setiap  aspek  dari  proses  cetak  dan  mampu mengidentifikasi dan mencegah kegagalan cetak jauh sebelum terjadi.
G-code adalah singkatan dari “Geometric Code”. Fungsi utamanya adalah untuk menginstruksikan mesin dalam menggerakkan nozzle bagaimana cara bergerak secara geometris dalam 3 dimensi. Disamping itu juga dapat memerintahkan mesin untuk melakukan hal-hal non-geometris. Sebagai contoh, perintah G- code dapat memberitahu printer 3D untuk menghentikan penggunaan material pada tingkat ekstrusi yang ditentukan atau mengubah suhu extruder.
Dalam istilah formal, G-Code bisa dikatakan sebagai bahasa pemrograman kontrol numerik. Bagi mereka yang tahu cara memprogram, itu adalah bahasa pemrograman yang mudah. Hingga saat ini, G-Code belum  memiliki  konstruksi  lanjutan  seperti  variabel,  kondisional,  dan  loop  (pengulangan). Contoh G-Code:
Untuk mengenal lebih detail mengenai G-Code, berikut akan disertakan satu baris script dari G-Code. M03 G1 X-9.2 Y-5.42 M05
Baris ini memberi tahu mesin laser untuk menghidupkan laser (laser ON) dengan perintah M03 dan bergerak dalam garis lurus menuju koordinat tujuan X = -9.2, dan Y = -5.42. Setelah itu menginstruksikan mesin laser untuk mematikan laser (perintah M05).
Perintah kode-G yang dimulai dengan huruf G yang mengandung arti sebagai perintah geometris. Memberi tahu mesin laser bagaimana cara bergerak, tetapi ini jelas tidak cukup untuk mengontrol semua aspek  mesin  tersebut.  Bagaimana  jika  Anda  perlu  memberi  tahu  mesin  untuk  mematikan  laser  atau menyalakannya?  Untuk  tugas-tugas  non-geometris  ini,  implementasi  kode-G  juga  mendefinisikan serangkaian perintah lain yang dimulai dengan huruf M, secara tepat disebut Kode M. Misalnya, perintah M03 untuk menyalakan laser dan perintah M05 memberitahu mesin untuk mematikan laser.
Setiap huruf bahasa Inggris yang Anda temui dalam kode akan memiliki arti tertentu. Sebagai contoh, kita belajar bahwa G berarti perintah geometris, M berarti perintah non-geometris, X berarti koordinat X, Y berarti koordinat Y, F berarti laju umpan, dan sebagainya
Gambar 14. Merancang bentuk kemasan dari setiap sisi dengan program InkScape
Gambar 15. Salah satu program laser engraver, LaserGRBL
Gambar 16. Memanggil file g-code hasil konversi program InkScape untuk diekekusi dengan program LaserGRBL
Gambar 17. Proses pemotongan akrilik dengan laser diode
Digunakan modul laser 15W dan bahan akrilik setebal 2 mm. Bahan akrilik dapat  terpotong dengan baik dan menghasilkan pola-pola bentuk sesuai ukuran yang dibutuhkan (lihat gambar 18. dan gambar 19.)
Gambar 18. Proses pemotongan bahan akrilik dengan laser
Gambar 19. Hasil pemotongan bahan akrilik dan merakitnya menjadi kemasan atau casing.

## KESIMPULAN
Dari  penelitian  pembuatan  purwarupa  dari  mesin  laser  engraver,  menunjukkan  bahwa  alat  dapat dibuat  dengan  baik  dan  dapat  memotong  akrilik  dengan  ketebalan  2  mm.  Untuk  penelitian  selanjutnya, dapat diujikan pada bahan akrilik dengan ketebalan diatas 2 mm.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terimakasih disampaikan kepada Kepala Laboratorium Robotika dan Kepala Laboratorium Pengemudian  Listrik  di  Politeknik  Elektronika  Negeri  Surabaya  atas  fasilitas  laboratorium  dan peralatannya.

## DAFTAR PUSTAKA
Anna Kaziunas France, Make: 3D Printing, Maker Media, 2014 Arduino Cookbook, 2nd Edition, December 2011, Michael Margolis, Penerbit: O'Reilly Media Arduino Robotic Projects, August 2014, Richard Grimmett, Penerbit: Packt Publishing Braam Delfian Prihadianto, Gesang Nugroho, Pengaruh Kecepatan Potong pada Pemotongan Polymethyl Methacrylate  Menggunakan  Mesin  Laser  Cutting,  Jurusan  Teknik  Mesin  dan  Industri  Universitas Gadjah Mada, Seminar Nasional Teknologi 2015, Institut Teknologi Nasional Malang.
Kirk Hausman, Richard Horne, 3D Printing for Dummies, John Wiley & Sons, Inc., 2014 Moh. Dahlan, Budi Gunawan, F. Shoufika Hilyana,Rancang Bangun Printer 3D Menggunakan Kontroller Arduino  Mega  2560,  Jurusan  Teknik  Elektro,  Fakultas  Teknik,  Universitas  Muria  Kudus,  Prosiding SNATIF ke-4 Tahun 2017
Moh. Muria Armansyah S., Endang Pudji Purwanti, Bayu Wiro Karuniawan, Optimasi Parameter Proses Pemotongan  Acrylic  terhadap  Kekasaran  Permukaan  Menggunakan  Laser  Cutting  dengan  Metode Response  Surface,  Program  Studi  Teknik  Perancangan  dan  Konstruksi  Kapal,  Jurusan  Teknik Bangunan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya,  Jurnal PPNS 2018.
Richard Salinas, 3D Printing with RepRap Cookbook, Packt Publishing, 2014