## Perancangan mesin

## classifier dengan ukuran mikron untuk pemisahan dan penyaringan bahan baku semen

## Barnabas Satria Wibawa, Arif Rahman Saleh, Ikhwan Taufik
Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Tidar Jl. Kapten Suparman, No.39, Kota Magelang, Jawa Tengah 56116 Email korespondensi: barnabassatriawibawa@gmail.com

## Abstrak
Semen  yang berkualitas merupakan faktor utama infrastuktur yang baik. Meningkatnya sektor infrastuktur akan kebutuhan semen meningkat secara pesat pada pada tahun 2012 yang mencapai 54 juta ton hingga tahun 2017  sebesar  84  juta  ton.  Adapun  pada  tahun  2022,  konsumsi  semen  dalam  negeri  meningkat  sebesar  7,6%. Berdasarkan data tersebut kebutuhan pokok terhadap semen semakin meningkat. Salah satu upaya peningkatan produksi semen yang baik dengan mengolah bahan baku sebaik mungkin, sehingga produk yang dihasilkan berupa semen yang memiliki kualitas yang tinggi. Tujuan dari kajian ini yaitu untuk merancang mesin classifier berjenis vibrating screen yang akan digunakan untuk mengolah bahan baku semen. Penggunaan mesin ini bertujuan untuk memisahkan dan menyaring ukuran partikel bahan baku yang telah diproses oleh mesin crusher, sehingga dapat memilah ukuran bahan baku sesuai dengan yang dinginkan. Mesin ini menggunakan material baja karbon 1020 dan Stainless steel 316, kemudian menganalisis kekuatan struktur  pada rangka mesin. Dalam kajian ini, metode pemodelan  menggunakan  software  SolidWorks  2019  dan  metode  Finite  Element  Analysis  (FEA)  mengunakan software ANSYS 2022. Persamaan matematis meliputi perhitungan elemen mesin, kapasitas aliran, beban yang diberikan. Analisis statik yang dilakukan yaitu Von mises stress, displacement, dan safety factor. Hasil analisis menunjukan bahwa nilai Von mises stress maksimum sebesar 53,865 MPa, total deformation maksimum sebesar 2,1649 mm, dan safety factor minimum sebesar 4,6804 di atas 3, sehingga desain mesin classifier yang dirancang dapat dikatakan aman.
Kata kunci : bahan baku semen, vibrating screen, finite element analysis.

## Abstract
High-quality cement is a key factor in good infrastructure. The demand for cement increased rapidly from 54 million  tons  in  2012  to  84  million  tons  in  2017,  due  to  the  growing  infrastructure  sector.  In  2022,  domestic cement consumption increased by 7.6%. Based on this data, the essential need for cement is on the rise. One of the efforts to enhance cement production is by optimizing raw material processing to produce high-quality cement. The objective of this study is to design a vibrating screen classifier machine for processing raw cement materials. The use of this machine aims to separate and filter the particle sizes of raw materials that have been processed by the crusher, thus sorting the raw materials to the desired sizes. This machine utilizes carbon steel 1020 and 316 Stainless steel materials, then analyzes the structural strength of the machine frame. In this research, modeling  is done  using  SolidWorks  2019  software,  and  Finite  Element  Analysis  (FEA)  is  conducted  using ANSYS 2022 software. Mathematical equations include machine element calculations, flow capacity, and applied loads. Static analysis performed includes Von mises stress, displacement, and safety factor. The analysis results indicate that the maximum Von mises stress value is 53,865 MPa, the maximum total deformation is 2,1649 mm, and the safety factor minimum is 4,6804 above 3, confirming that the designed classifier machine is considered as safe.
Keywords: cement raw material, vibrating screen, finite element analysis.

## 1. Pendahuluan
Industri semen merupakan salah satu industri penting dalam  dunia  kontruksi  yang  bertujuan  untuk memproduksi  material  kontruksi  yang  dibutuhkan dalam  pengembangan  bangunan,  jalan,  infrastruktur dan  lainnya.  Hal  tersebut  memicu  peningkatan kebutuhan  konsumen.  Setiap  perusahaan  memiliki tujuan dan hasil produk yang  berbeda.  Pada  tahun 2017,  konsumsi  semen  di Indonesia mencapai 84,96 juta  ton,  mengalami  peningkatan  dari  tahun  2012 yang hanya 54,96 juta ton. Adapun pada tahun 2021 semen  meningkat  5,9%  dari  tahun  2020,  hal  ini berlaku untuk daerah pulau Jawa maupun luar pulau
Jawa.  Menurut  Asosiasi  Semen  Indonesia  (ASI), tercatat pada awal tahun 2022 konsumsi semen dalam negeri meningkat sebesar 7.6% [1].
Untuk  memproduksi  semen  yang  berkualitas,  PT Indocement  Tunggal  Prakarsa  membutuhkan  bahan baku yang berkualitas. Bahan baku semen terdiri dari bahan-bahan seperti batu kapur, tanah liat, pasir silika, dan  mineral  lainnya.  Dalam  memproduksi  semen yang  berkualitas  diperlukan  target  produksi  batu kapur  sebesar  3.600  ton/hari  atau  72.000  ton/bulan [2].
Mesin Classifier merupakan salah satu teknologi yang digunakan dalam pemisahan dan penyaringan bahan baku  semen.  Mesin classifier bekerja  dengan  cara memisahkan  bahan  baku  berdasarkan  ukuran partikelnya. Mesin classifier modern pada umumnya dilengkapi  dengan  teknologi  dan  kontrol  otomatis. Pada  era  modern  ini  banyak  sekali  jenis  mesin classifier yang  digunakan  pada  proses  produksi sebagai  peningkatan  hasil  dan  kualitas  dari  suatu produk.  Penambahan  mesin  yang  cocok  pada  unit mining yaitu dengan  menggunakan vibrating  screen pada proses pemisahan dan penyaringan bahan baku semen.  Mesin  tersebut  bekerja  dengan  sistem pengayak yang ditimbulkan oleh getaran pada motor dan  komponen  penggetar.  Pengayakan  merupakan satuan  operasi  pemisahan  dan  penyaringan  dari berbagai ukuran bahan untuk dipisahkan ke dalam dua atau tiga fraksi dengan menggunakan ayakan. Setiap fraksi  yang  keluar  dari  ayakan  mempunyai   ukuran yang seragam [3].
Pada  awalnya  ayakan  getar hanya  berupa  kotak  dan penyaring  yang  dikerjakan  secara  manual  tanpa adanya bantuan mesin. Mesin tersebut berubah seiring berkembangnya teknologi, yaitu dengan menghadirkan  mesin  pengayak  otomatis,  tetapi memiliki keterbatasan untuk menyaring partikel yang berukuran  sangat  kecil,  sehingga  hanya  dapat digunakan  untuk  penyaringan  dengan  ukuran  yang terbilang cukup besar.  Pada awal abad ke 21, mesin ini jauh lebih berkembang yaitu dengan penambahan frekuensi  getar  yang  tinggi,  namun  meredamkan suara  keras  pada  mesin  dan  sumber  getar  otomatis [4,5].
Kajian  ini  bertujuan  untuk  pengembangan  mesin classifier untuk meningkatkan kualitas produk dengan cara pemisahan dan penyaringan bahan baku semen. Hal ini dilakukan dengan tujuan untuk meminimalisir biaya yang dikeluarkan saat  proses produksi. Mesin classifier yang dikembangkan  ini  berupa vibrating screen yang dapat memisahkan ukuran partikel yang diinginkan  dengan  memodifikasi screen  mesh, discharge  chute,  vibrate  assembly, dan  struktur rangka.  Kajian  ini  diharapkan  dapat  meningkatkan kualitas  bahan  baku  dan  produk  akhir  secara konsisten.  Selain  itu,  mesin classifier yang dikembangkan  ini  juga  dapat  menjadi  solusi  untuk mengatasi masalah dalam pemisahan dan penyaringan bahan baku semen yang tersedia saat ini.

## 2. Metode
Pada  kajian  desain  dan  rekayasa  mesin classifier menggunakan  dua  metode,  yaitu  pemodelan menggunakan software SolidWorks 2019 dan metode Finite  Element  Analysis (FEA)  pada screen  mesh, mesin  menggunakan static  analysis pada software ANSYS 2022 [6-9]. Kajian ini terdiri dari 3 tahapan yang dijelaskan sebagai berikut.

## Pre-Processing
Pada  tahap  ini  dilakukan  perencanaan  perhitungan elemen  mesin,  kemudian  menerapkannya  pada pembuatan  desain  perancangan prototype mesin classifier .  Proses  pembuatan  perancangan prototype menggunakan software SolidWorks 2019 [10].

## Solving
Pada  tahap  ini,  desain  perancangan prototype dari mesin classifier yang  telah  dibuat  kemudian disimulasikan  menggunakan static  analysis pada software ANSYS  2022.  Hasil simulasi terdiri dari 3 parameter yaitu Von mises stress , displacement, dan safety factor [11] .

## Post Processing
Pada  tahap  ini,  disajikan  data  hasil  simulasi  desain perancangan prototype mesin classifier .  Dari  data tersebut,  terdapat  nilai Von  mises  stress, dispclacement, dan safety factor [12] .
Material  yang  digunakan  pada  pengujian  analisis statik  rangka  pada  mesin classifier adalah  baja karbon 1020 dan Stainless steel 316 [13]. Pengujian ini  menggunakan software Solidworks  2019  untuk pembuatan  rancangan  dan  desain  mesin clasifier. Pengujian Finite  Element  Analysis  (FEA) dilakukan dengan software ANSYS 2022 .
Variabel yang digunakan pada kajian  ini terdiri atas 3 variabel yaitu Von mises stress, displacement, dan safety factor [14]. Nilai Von mises stress tidak boleh melebihi yield strength dan nilai safety factor di atas 3 [15-16].
Adapun  prosedur  penelitian  yang  dilakukan  adalah sebagai berikut: (1) Studi Literatur; (2) Pengambilan Data; (3) Perancangan Mesin Classifier ; (4) Simulasi Static  Analysis ;  (5)  Analisis  Data;  dan  (6) Kesimpulan.
Kajian  simulasi Static  Analysis ini  dilaksanakan dalam beberapa tahapan yaitu:
Simplifikasi Pemodelan Langkah pertama yaitu dengan  simplifikasi pemodelan  pada  rangka  yang  akan  dianalisis. Simplifikasi  ini  dilakukan  dengan  menghilangkan edges dan fillet yang  terdapat pada desain, bertujuan untuk mendapatkan hasil yang akurat dan mengurangi error selama simulasi berlangsung.

## Meshing
Fungsi meshing adalah  untuk  membagi  geometri menjadi  elemen-elemen  dengan  ukuran  kecil  yang dipergunakan  untuk  melakukan perhitungan. Semakin  kecil  hasil  perhitungan,  maka  tingkat ketelitiannya  semakin  tinggi . Jenis meshing yang digunakan adalah multizone hexagonal .

## Boundary Condition
Proses  ini  berfungsi  untuk  menetapkan  batas  yang diperlukan dalam simulasi. Proses ini dibagi menjadi 2, yaitu fix support dan force .

## Hasil
Hasil  dari  simulasi  ini  berupa  nilai  dari Von  mises stress,  displacement, dan safety  factor. Hasil  dalam simulasi  ini,  diharapkan  nilai  dari von  mises  stress tidak  melebihi yield  strength, nilai displacement sekecil  mungkin  dan safety  factor di  atas  3.  Beban yang diberikan adalah beban kejut sebesar 9.087,54 N Dimensi rangka panjang 3.500 mm, lebar 1.500 mm, ketebalan 10 mm, dan ukuran lubang 80 x 80 mm.
Gambar  1  berikut  menunjukkan  bagan  alir  kajian yang dilaksanakan
Gambar 1. Bagan alir kajian.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Pada  Gambar  1,  Gambar  2,  dan  Gambar  3, ditunjukkan hasil simulasi analisis Von Mises Stress, Displacement, dan Safety  Factor pada  material baja karbon 1020.
Gambar 1 . Hasil analisis von mises stress pada baja karbon 1020.
Gambar 2 . Hasil analisis total deformation pada baja karbon 1020.
Gambar 3 . Hasil analisis safety factor pada baja karbon 1020.
Dari  hasil  simulasi  analisis  yang  dilakukan  pada material  baja  karbon  1020,  menunjukan  nilai Von mises  stress  maximum sebesar  53,865  MPa ,  Total deformation maximum sebesar 1,9859 mm, dan Safety factor sebesar 5,4488. Berdasarkan nilai yang sudah dianalisis, nilai Von mises stress tidak melebihi yield strength material  baja  karbon  1020  dan  nilai safety factor di atas 3, sehingga dapat dikatakan aman.
Gambar 4 . Hasil analisis von mises  stress pada stainless steel 316.
Gambar 5 . Hasil analisis total deformation pada stainless steel 316.
Gambar 6 . Hasil analisis safety factor pada stainless steel
316.
Dari  hasil  simulasi  analisis  yang  dilakukan  pada material Stainless  steel 316,  menunjukan  nilai Von mises  stress  maximum sebesar  53,863  MPa ,  Total deformation maximum sebesar 2,1649 mm, dan Safety factor sebesar 4,6804. Berdasarkan nilai yang sudah dianalisis, nilai Von mises stress tidak melebihi yield strength material Stainless steel 316 dan nilai safety factor di atas 3, sehingga dapat dikatakan aman.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil  pengujian simulasi analysis  static pada  rangka mesin classifier, nilai Von mises stress maksimum terbesar adalah 53,865 MPa pada material baja  karbon 1020 screen bawah, total  deformation maksimum terbesar  yakni  2,1649  mm  pada  material Stainless  steel 316 screen bawah,  dan  nilai Safety factor minimum sebesar  4,6804  pada  material Stainless  steel 316.  Nilai Von  mises  stress tidak melebihi  tegangan  luluh  pada  material  baja  karbon
1020 dan Stainless steel 316 , nilai safety factor ≥ 3, sehingga  desain  dan  pemilihan  material  yang digunakan pada mesin classifier yang telah dirancang dinyatakan aman.

## Ucapan Terima Kasih
Terima  kasih  kepada  Jurusan  Teknik  Mesin  dan Industri,  Fakultas  Teknik,  Universitas  Tidar,  atas dukungannya  dalam  melakukan  kajian  ini  serta kepada  dosen  pembimbing  yang  telah  membimbing dan  membantu,  sehingga  kajian  dapat  diselesaikan dengan baik.

## Daftar Pustaka
[1] Adriana,  M.,  B.P,  A.  A.,  &  Masrianor,  M. (2017).  Rancang  Bangun  Rangka  (Chasis) Mobil Listrik Roda Tiga Kapasitas Satu Orang. Jurnal Elemen , 4 (2), 129. https://doi.org/10.34128/je.v4i2.64 [2] Ankitha, N., & Rupa Sri, M. R. S. (2021). Design and Analysis of Shock  Absorber. Lecture Notes in  Mechanical  Engineering , 26 (2),  433–444.
https://doi.org/10.1007/978- 981-15-7557-0_38
[3] Aqueveque, P., Radrigan, L., Morales, A. S., & Willenbrinck,  E.  (2021).  Development  of  a Cyber-Physical System to Monitor Early Failures Detection in Vibrating Screens. IEEE Access , 9 ,
145866–145885. https://doi.org/10.1109/ACCESS. 2021.3118283 [4] Baragetti,  S.  (2015).  Innovative  structural solution  for  heavy  loaded  vibrating  screens. Minerals Engineering , 84 , 15–26. https://doi.org/10.1016 /j.mineng.2015.09.011 [5] Fahd  Riyal  Pris,  Budhi  M  Suyitno,  &  Amin Suhadi.  (2019).  Analisis  Kekuatan  Velg Aluminium Alloy 17 Inc Dari Berbagai Desain Menggunakan  Metode  Finite Element  Analysis (Fea). Teknobiz :  Jurnal  Ilmiah  Program  Studi Magister Teknik Mesin , 9 (2), 33–39. https://doi.org/10.35814/teknobiz.v9i2.558
[6] Harne,  R.  L.  (2013).  Development  and  testing of  a  dynamic  absorber  with  corrugated piezoelectric  spring  for  vibration  control  and energy  harvesting  applications. Mechanical Systems and Signal Processing , 36 (2), 604–617. https://doi.org/10.1016/ j.ymssp.2012.10.012
[7] Li,  Z.,  Tong,  X.,  Zhou,  B.,  Ge,  X.,  &  Ling,  J. (2018). Design and Efficiency Research of a New Composite  Vibrating  Screen . Shock  and Vibration , 2018 . https://doi.org/10.1155/2018/12932 73
[8] Lian, H., Christiansen, A. N., Tortorelli, D. A.,
Sigmund, O., & Aage, N. (2017).
Combinedshape  and  topology  optimization  for minimization  of  maximal  von  Mises  stress. Structural  and  Multidisciplinary  Optimization ,
55 (5), 1541–1557. https://doi.org/10.1007/s00158-017-1656-x
[9] Makinde, O. A., Ramatsetse, B. I., & Mpofu, K. (2015). Review of vibrating screen development
trends: Linking the past and the future in mining machinery  industries. International  Journal  of Mineral Processing , 145 (January 2020), 17–22. https://doi.org/10.1016/j.minpro.2015.11.001
[10] Masutage,  V.  S.,  &  Kavade,  M.  V.  (2018).  A Review  -Vibrating  Screen  and  Vibrating  Box : Modal and Harmonic Analysis . 401–403.
[11] Mayer, A. E., Khishchenko, K. V., Levashov, P. R., & Mayer, P. N. (2013). Modeling of plasticity and fracture of metals at shock loading. Journal of Applied Physics , 113 (19).
https://doi.org/10.1063 /1.4805713 [12] Sateria,  A.,  Yudo,  E.,  Zulfitriyanto,  Melati,  R., Saputra,  B.,  &  Naufal,  I.  (2019).  Sateria  2019. Rancang Bangun Mesin Pengayak Pasir Untuk Meningkatkan  Produktivitas  Pengayakan  Pasir Pada Pekerja Bangunan , 11 (1), 2621–3397.
[13] Soeryanto,  S.,  Budijono,  A.  P.,  &  Ardiansyah, R. (2019). Analisis Penentuan Kebutuhan Daya
Motor  Pada  Mesin  Pemarut  Singkong. Otopro , 14 (2),54. https://doi.org/10.26740/otopro.v14n2.p54-58 [14] Taktak, M., Omheni, K., Aloui, A.,  Dammak, F.,
&  Haddar,  M.  (2014).  Dynamic  optimization design  of  a  cylindrical  helical  spring. Applied Acoustics , 77 ,
178–183. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2013. 08.001 [15] Wibowo,  M.  Y.,  Maulana,  I.,  Ghyferi,  A.  A., Kurniawan,  B.  A.,  &  Nuril,  M.  (2022). Perancangan  Chassis  Prototype  Mobil  Warak dan  Simulasi  Statik  dengan  Metode  Finite Element  Analysis. Jurnal  Mekanik  Terapan , 3 (3),
86–92. https://doi.org/10.32722/jmt.v3i3.5138 [16] Widhihastu.  (2017).  Ditinjau  Dari  Geometri Suspensi Dan Simulasi Finite Element Analysis ( Fea )  Design of Formula Garuda 16 ( Fg16 ) Car  Suspesion  System  Considered  By. Jurnal Pendidikan Teknik Otomotif , 16 (1), 46–55.