Surahman (2024) Desain Dan Pengembangan Alat Uji Tonjolan Hidrolik (Hydraulic Bulge Test) Sederhana Berbiaya Rendah Untuk Karakterisasi Mampu Bentuk Logam Lembaran Tipis (Metal Foil) pada Kondisi Regangan Biaksial Murni  , (06) 07 E-ISSN: 2684-883X
Published by: Ridwan Institute

## DESAIN DAN PENGEMBANGAN ALAT UJI TONJOLAN HIDROLIK (HYDRAULIC BULGE  TEST)  SEDERHANA  BERBIAYA  RENDAH  UNTUK  KARAKTERISASI
MAMPU  BENTUK  LOGAM  LEMBARAN  TIPIS  (METAL  FOIL)  PADA  KONDISI REGANGAN BIAKSIAL MURNI
Surahman, Rahmat Saptono Universitas Indonesia, Indonesia Email: surahman91@office.ui.ac.id, rahmat.saptono@office.ui.ac.id
Abstrak
Penelitian ini mengembangkan dan menguji alat uji tonjolan hidrolik sederhana dan berbiaya rendah  untuk  karakterisasi  kemampuan  bentuk  logam  lembaran  tipis  pada  kondisi  regangan biaksial  murni.  Fokus  penelitian  ini  adalah  pada  foil  kuningan  kuning  (Cu-Zn)  dengan ketebalan 0,2 mm, menggunakan alat dengan diameter tonjolan kecil (20 mm), relevan untuk aplikasi mini forming. Data yang dikumpulkan meliputi hubungan antara tekanan dan tinggi tonjolan,  yang  kemudian  dikonversi  menjadi  tegangan  efektif  dan  regangan  efektif.  Alat  ini dirancang untuk secara langsung menghasilkan data tegangan vs. regangan untuk menghitung eksponen pengerasan regangan (nilai-n). Strategi inovatif penelitian ini termasuk penggunaan diameter  tonjolan  kecil  untuk  mini  forming  dan  tanda  lingkaran  pada  permukaan  spesimen untuk  memfasilitasi  konversi  data  tekanan-tinggi  tonjolan  menjadi  parameter  tegangan- regangan. Hasil verifikasi menunjukkan bahwa alat ini mampu mengukur hubungan tekanan vs.  tinggi  tonjolan  dengan  akurasi  tinggi.  Meskipun  data  awal  menunjukkan  akurasi  dalam pengukuran  tekanan  dan  tinggi  tonjolan,  konversi  langsung  ke  parameter  tegangan  dan regangan efektif masih memerlukan metode tambahan untuk mencapai hasil yang lebih baik. Penelitian ini menawarkan solusi  ekonomis untuk  karakterisasi  material  dalam aplikasi  mini forming dan menyajikan alat yang dapat diandalkan untuk studi lanjutan pada berbagai jenis logam lembaran tipis..
. Kata kunci : Alat Uji Tonjolan Hidrolik, Regangan Biaksial, Logam Lembaran Tipis, Kuningan, Formabilitas,

## Abstract
This research develops and validates a low-cost, simple hydraulic bulge test device designed to  characterize  the  formability  of  thin  metal  foils  under  pure  biaxial  strain  conditions.  The study focuses on yellow brass foil (Cu-Zn) with a thickness of 0.2 mm, using a device with a small  bulge  diameter  (20  mm),  relevant  for  mini-forming  applications.  The  collected  data includes  the  relationship  between  pressure  and  bulge  height,  which  is  then  converted  into effective stress and effective strain. This device aims to directly generate stress-strain data for calculating  the  strain  hardening  exponent  (n-value).  Key  innovations  include  the  use  of  a small bulge diameter suitable for mini-forming and the application of circular markers on the specimen  surface  to  facilitate  the  conversion  of  pressure-height  data  into  stress-strain parameters.  Validation  results  show  that  the  device  accurately  measures  the  pressure  vs.
JOURNAL SYNTAX IDEA p–ISSN: 2723-4339 e-ISSN: 2548-1398 Vol. 6, No. 07, Juli 2024
bulge  height  relationship.  While  initial  data  demonstrates  accuracy  in  measuring  pressure and  bulge  height,  additional  methods  are  required  to  directly  convert  these  measurements into effective stress and strain parameters.This research provides an economical solution for material characterization in mini-forming applications and presents a reliable tool for further studies on various types of thin metal foils.
Keywords: Hydraulic Bulge Test Device, Biaxial Strain, Thin Metal Foils, Brass, Formability,

## Mini-Forming

## PENDAHULUAN
Lembaran logam (sheet metal) merupakan material yang digunakan luas dalam industri kapal, dirgantara, otomotif, dan berbagai aplikasi lainnya (Haryanti, 2017). Sifat-sifat material yang  baik  sangat  penting  untuk  merancang  produk  yang  aman  dan  efisien.  Misalnya,  dalam pembuatan  kapal,  lembaga  klasifikasi  menetapkan  aturan  yang  menentukan  sifat  material yang  harus  dipenuhi  untuk  operasi  yang  aman.  Dalam  era  industri  yang  kompetitif,  aturan berdasarkan  pengalaman  ini  perlu  diperbarui  dan  batasannya  perlu  didorong  untuk meningkatkan efektivitas biaya (Koh, 2008; Pratama, Anggono, & Hendrawan, 2016).
Dalam industri transportasi, penurunan bobot produk dapat mengurangi konsumsi bahan bakar  dan  meningkatkan  berbagai  aspek  performa  seperti  kecepatan  dan  kapasitas  kargo (Neff, Eidel, & Martin, 2016). Proses pembentukan lembaran logam memanfaatkan keuletan material  untuk  membentuknya  menjadi  bentuk  yang  diinginkan.  Namun,  deformasi  plastis yang meningkat dapat menyebabkan necking (penyempitan) dan patahan ductile (ulet), yang merupakan  mekanisme  kegagalan  umum  pada  struktur  lembaran  logam  (Nasser,  Yadav, Pathak,  &  Altan,  2010).  Pada  material  yang  kurang  ulet,  patahan  dapat  terjadi  sebelum necking .  Dengan  pengetahuan  yang  baik  tentang  desain,  proses  pembentukan,  dan  sifat material,  risiko  kegagalan  struktural  dapat  diprediksi  dan  dihindari.  Mengingat  pengujian skala penuh mahal  dan  memakan waktu,  pengujian sifat  material  untuk  menentukan n- value dan  penggunaan  perangkat  lunak  simulasi  menjadi  penting  (Martínez  Palmeth,  Gonzales Carmona, & Miranda Castro, 2021).
Pengujian bulge hidrolik ( hydraulic bulge test ) memberikan kemampuan eksperimental yang lebih baik dengan tingkat regangan mencapai 40%, dibandingkan dengan uji tarik yang mencapai  18%  (Suripto  &  Anwar,  2020;  WICAKSONO,  2022)  .  Pengembangan Forming Limit Diagram (FLD) memerlukan berbagai  pengujian untuk  menentukan batas kemampuan bentuk lembaran logam. Pengujian ini meliputi uji bulge hidrolik, uji kompresi biaksial pada spesimen laminasi, tegangan biaksial spesimen cruciform , dan uji punch atau Nakazima test. Setiap  pengujian  ini  dapat  menentukan  titik  luluh  untuk  berbagai  kondisi  tegangan  (Wang, Xu, & Shou, 2016)

## Gambar.1 Perbandingan antara kurva tensile dan bulge test
Uji  punch  Nakazima,  meskipun  banyak  digunakan,  masih  menghadapi  kendala  seperti gesekan  antara  punch  dan  spesimen.  Gesekan  merupakan  fenomena  umum  dalam  pengujian ini, dipengaruhi oleh jenis bahan, kekasaran permukaan, dan pelumasan, yang mempengaruhi hasil  pengujian  .  Sebaliknya,  uji  bulge  hidrolik  dapat  secara  akurat  menentukan  batas kemampuan  bentuk  tanpa  pengaruh  gesekan  yang  signifikan,  membuatnya  lebih  sederhana dalam desain dan lebih efektif  (Abendroth, 2017) (Vasilescu, 2016).
Seiring  berkembangnya  bahan  baru  seperti  Advanced  High  Strength  Steels  (AHSS) untuk  aplikasi  otomotif,  diperlukan  evaluasi  ulang  dan  modifikasi  alat  pengujian  yang  ada untuk  mengakomodasi  kekuatan  tarik  yang  tinggi  (Baluch,  Udin,  &  Abdullah,  2014).  Ini membuka peluang untuk merancang alat uji baru yang lebih sederhana dan terjangkau untuk karakterisasi kemampuan bentuk logam lembaran tipis.
Uji bulge hidrolik memainkan peran penting dalam mengevaluasi perilaku aliran bahan lembaran di bawah tegangan biaksial yang seimbang. Dalam pengujian ini, lembaran bundar dijepit  di  sekelilingnya  dan  diberi  tekanan  dari  satu  sisi  dengan  fluida  hidrolik,  sehingga lembaran meregang dan membentuk tonjolan melalui pembukaan die  (Cahyono & Irmawati, 2018;  Majanasastra, 2016). Hingga saat  ini, alat  uji bulge hidrolik belum banyak tersedia di Indonesia.  Mengingat  keunggulannya,  penelitian  ini  fokus  pada  desain  dan  pengembangan alat  uji  bulge  hidrolik  yang  sederhana  dan  berbiaya  rendah  untuk  menentukan  n-value  dari lembaran logam tipis dalam kondisi regangan biaksial murni .
Tujuan dari penelitian ini adalah merancang alat uji bulge hidrolik yang terjangkau dan sederhana. Melakukan karakterisasi kemampuan bentuk logam lembaran tipis dengan akurat. Menilai  kemampuan  bentuk  logam  di  bawah  regangan  biaksial  menggunakan  alat  ini. Meningkatkan  aksesibilitas  alat  dengan  menyediakan  panduan  desain  dan  operasional  yang detail agar dapat direplikasi di lingkungan pendidikan dan industri skala kecil.

## METODE PENELITIAN
.

## Gambar 1. Diagram Alir Penelitian
Penelitian  ini  berfokus  pada  desain  dan  pengembangan  alat  uji  hydraulic  bulge  test sederhana  berbiaya  rendah  untuk  karakterisasi  mampu  bentuk  logam  lembaran  tipis  (metal foil) pada kondisi  regangan biaksial  murni mengetahui N value pada sheet  metal.  Penelitian ini    dilakukan  di  laboratorium  metalurgi  fisik  dan  metalurgi  mekanik,  Departemen  Teknik Metalurgi dan Material Universitas Indonesia.
Untuk menganalisis data dari pengujian hydraulic bulge test dan memverifikasi  fungsi alat,  berbagai  metode  statistik  dapat  digunakan.  Metode  ini  membantu  dalam  memahami variabilitas data, menilai keandalan pengukuran, dan mengevaluasi efektivitas alat.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Detail Engineering Desain (DED)
Bagian  ini  menguraikan  tahap  pemilihan  material,  metode  fabrikasi,  dan  perancangan komponen utama alat uji tonjolan hidrolik.

## Pemilihan Material dan Metode Fabrikasi
Material  utama  untuk  alat  uji  adalah  baja  karbon  ASTM  A105  dengan  kandungan karbon  0,35%.  Material  ini  dipilih  karena  kekuatan  dan  kemampuannya  untuk  menahan tekanan  tinggi  selama  pengujian.  Proses  fabrikasi  mencakup  pemesinan  turning  sesuai geometri desain untuk mendapatkan komponen yang presisi.

## Desain Geometri Base Plate
Base  plate  berfungsi  sebagai  dudukan  spesimen  dan  ruang  fluida  hidrolik  untuk memberikan tekanan.
Spesifikasi geometri meliputi (RIYANTO, 2015):
1. Diameter luar: 281 mm (berdasarkan material blind flange 6 inci)
2. Diameter lubang cairan hidrolik: 16 mm (dengan sambungan ulir thread)
3. Alur Draw Bead: Diameter 50 mm dan 100 mm
4. Diameter area benda kerja: 150 mm

## Gambar 2 Detail Engineering Desain Base Plate
Penentuan clamping ring dan Upper Die Block
Clamping  ring berfungsi  menjepit  spesimen  antara base  plate dan upper  die  block , mengatur area bulge.
Spesifikasi:
1. Diameter luar clamping ring: 150 mm
2. Diameter  dalam  cavity:  20  mm  (dengan  chamfer  untuk  mengurangi  gangguan  selama pembentukan bulge)
3. Upper  die  block :  Diameter  luar  281  mm,  diameter  dalam  150  mm,  dan  diameter pengamatan area tonjolan 75 mm
Desain  ini  memungkinkan  kontrol  yang  tepat  terhadap  area  bulge  dan  mencegah kebocoran selama pengujian.
Gambar 3. Detail Engineering Desain Clamping Ring Gambar 4. Detail Engineering Desain Upper Die Block
Penentuan Seal, O-rings, bolt and nut
Seal dan O-rings mencegah kebocoran pada clamping ring:
1. Diameter O-rings: Sesuai dengan geometri Draw Bead (50 mm dan 100 mm)
2. Bolt and Nut: 8 buah dengan dimensi M20
Penggunaan komponen ini memastikan kerapatan sistem dan keamanan pengujian.
Penentuan pressure system , positioning sensor dan cover protection .
Sistem tekanan, sensor posisi, dan pelindung fluida dirancang sebagai berikut:
1. Pressure system : Enerpac hand pump P39, tekanan hingga 10.000 psi
2. Positioning sensor : Dial indicator digital dengan ketelitian 0,01 mm
Desain Dan Pengembangan Alat Uji Tonjolan Hidrolik (Hydraulic Bulge Test) Sederhana Berbiaya Rendah Untuk Karakterisasi Mampu Bentuk Logam Lembaran Tipis (Metal Foil) pada Kondisi Regangan Biaksial Murni
3. Cover protection : Akrilik untuk menjaga fluida tetap terisolasi selama pengujian Desain  ini  memungkinkan  pengujian  tekanan  yang  terukur  dan  akurat,  serta perlindungan fluida selama pengujian.
Gambar 5. Pressure system

## Gambar 6 Dial Indicator dan Cover Protection akrilik

## Proses Fabrikasi Alat
Fabrikasi  dilakukan  di  Workshop  Pemesinan  PT  Topaz  Tali  Limaz.  Tahapan  fabrikasi meliputi:

## Fabrikasi Base Plate
Fabrikasi roses pemesinan base plate dilakukan dengan mesin bubut manual, mencakup: 1. Pembentukan  diameter  dalam  dan  alur draw  bead Sesuai  geometri  desain  untuk memastikan ruang fluida dan dudukan spesimen presisi .

## Gambar 7 Mesin Bubut yang digunakan untuk Proses Pemesinan

## Gambar 8. Proses Pemesinan Base Plate

## Fabrikasi Clamping Ring
Fabrikasi Proses pemesinan clamping ring meliputi:
2. Pembentukan diameter luar, alur draw bead, dan cavity bulge
3. Menjamin clamping ring pas dan efektif dalam menjepit spesim en

## Gambar 9. Proses Pemesinan Clamping Ring

## Fabrikasi Upper Die Block
Fabrikasi Pemesinan upper die block meliputi:
.  Pembentukan  diameter  dalam  dan  alur  penjepitan  Sesuai  geometri  desain  untuk pengikatan dengan base plate dan optimalisasi penjepitan spesimen
Desain Dan Pengembangan Alat Uji Tonjolan Hidrolik (Hydraulic Bulge Test) Sederhana Berbiaya Rendah Untuk Karakterisasi Mampu Bentuk Logam Lembaran Tipis (Metal Foil) pada Kondisi Regangan Biaksial Murni

## Pengujian Cara Kerja Alat
Setelah fabrikasi, alat dirakit dan diuji. Langkah-langkah pengujian meliputi

## Gambar 10 Proses Pengujian Cara Kerja Alat
1. Menempatkan base plate pada meja kerja
2. Mengatur baut pada lubang pengikat
3. Meletakkan spesimen di dalam alur spesimen
4. Memasang clamping ring di atas spesimen
5. Memasang upper die block dan mengatur dial indicator untuk menyentuh permukaan spesimen
6. Kalibrasi dial indicator ke 0
7. Menghubungkan sistem tekanan
8. Menutup cover akrilik
9. Melakukan pumping dan  merekam  tekanan  serta  ketinggian  tonjolan  menggunakan dial indicator

## Pengujian Kemampuan
Bentuk Logam Lembaran Tipis
Validasi  alat  dilakukan  dengan  menguji  lembaran  kuningan  tebal  0,2  mm.  Spesimen dibentuk sesuai desain dies (diameter 150 mm). Pengujian meliputi:
1. Mengamati kurva tegangan vs. regangan dari spesimen kuningan
2. Menganalisis  eksponen  pengerasan  regangan  (n-value)  dan  membandingkannya  dengan hasil literatur
Gambar-gambar  terkait  dan  hasil  pengujian  menunjukkan  alat  berfungsi  dengan  baik untuk karakterisasi material, dengan hasil n-value untuk kuningan berada dalam kisaran yang diharapkan, yaitu 0,1 hingga 0,4.
Gambar 11 Spesimen Pengujian Uji Tonjolan Hidrolik Material Metal Foil Kuningan
Tebal 0,2mm
Gambar 12. Spesimen Setelah Dilakukan Pengujian Uji Tonjolan Hidrolik Material Metal Foil
Hasil Perhitungan Eksponen Pengerasan Regangan (nilai n) Sample uji kuningan ke-1 sebagai berikut:
• Diameter bulge : 20 mm
• Ketebalan lembar kuningan : 0.2 mm
Data hasil bacaan tekanan berbanding tinggi bulge sebagai berikut:
Tabel 1. Hasil Bacaan Pengujian Sampel ke- 1
Perhitungan eksponen pengerasan regangan (nilai-n) sebagai berikut:
Tabel 2. Hasil Perhitungan Nilai n Sampel ke-1
Dari grafik di atas didapatkan nilai n lembaran kuningan sampel ke-1 adalah 0,3761. Sample uji kuningan ke-2 sebagai berikut:
1. Diameter bulge : 20 mm
2. Ketebalan lembar kuningan : 0.2 mm
Data hasil bacaan tekanan berbanding tinggi bulge sebagai berikut:
Tabel 3. Hasil Bacaan Pengujian Sampel ke-2
Perhitungan eksponen pengerasan regangan (nilai-n) sebagai berikut:
Tabel 4. Hasil Perhitungan Nilai n Sampel Ke-2
Dari grafik di atas didapatkan nilai n lembaran kuningan sampel ke-2 adalah 0,321. Sample uji kuningan ke-3 sebagai berikut:
• Diameter bulge : 20 mm
• Ketebalan lembar kuningan : 0.2 mm
Data hasil bacaan tekanan berbanding tinggi bulge sebagai berikut:
Tabel 5. Hasil Bacaan Pengujian Sampel ke-3
Perhitungan eksponen pengerasan regangan (nilai-n) sebagai berikut:
Tabel 6. Hasil Perhitungan Nilai n Sampel Ke-3.
Dari grafik di atas didapatkan nilai n lembaran kuningan sampel ke-2 adalah 0,337.

## KESIMPULAN
Berdasarkan analisis data dan pembahasan pada penelitian ini, maka dapat disimpulkan bahwa  Alat  uji  bulge  hidrolik  dirancang  dengan  material  dan  komponen  sederhana  serta berbiaya  rendah.  Alat  ini  dapat  digunakan  untuk  karakterisasi  kemampuan  bentuk  material lembaran  tipis  dengan  akurat.  Pengujian  spesimen  kuningan  menunjukkan  kisaran  n-value antara 0,1 hingga 0,4.

## BIBLIOGRAFI
Abendroth,  Martin.  (2017).  FEM  analysis  of  small  punch  tests. Key  Engineering  Materials , 734 , 23–36.
Baluch,  Nazim,  Udin,  Zulkifli  Mohamed,  &  Abdullah,  Che  Sobry.  (2014).  Advanced  high strength  steel  in  auto  industry:  an  overview. Engineering,  Technology  &  Applied Science Research , 4 (4), 686–689.
Cahyono,  Ivana  Yunisa,  &  Irmawati,  Dessy.  (2018).  Hood  And  Trunk  Opening  Of  A  Car Using  Spartphone  Based  On  Bluetooth  Connection. E-JPTE  (Jurnal  Elektronik Pendidikan Teknik Elektronika) , 7 (2), 88–106.
Haryanti,  Ninis  Hadi.  (2017). Potensi  serat  alam  sebagai  material  komposit .  Lambung Mangkurat University Press.
Koh, Cheok Wei. (2008). Design of a hydraulic bulge test apparatus . Massachusetts Institute of Technology.
Majanasastra,  R.  Bagus  Suryasa.  (2016).  Analisis  sifat  mekanik  dan  struktur  mikro  hasil proses  hydroforming  pada  material  tembaga  (Cu)  C84800  dan  aluminium  Al  6063. Jurnal Ilmiah Teknik Mesin , 4 (2), 15–30.
Martínez  Palmeth,  Luis  Humberto,  Gonzales  Carmona,  María  Angelica,  &  Miranda  Castro, José.  (2021).  Design  and  analysis  of  a  bulge  test  device. Ingeniería  e  Investigación , 41 (3).
Nasser, A., Yadav, A., Pathak, P., & Altan, T. (2010). Determination of the flow stress of five AHSS sheet materials (DP 600, DP 780, DP 780-CR, DP 780-HY and TRIP 780) using the  uniaxial  tensile  and  the  biaxial  Viscous  Pressure  Bulge  (VPB)  tests. Journal  of Materials Processing Technology , 210 (3), 429–436.
Neff,  Patrizio,  Eidel,  Bernhard,  &  Martin,  Robert  J.  (2016).  Geometry  of  logarithmic  strain measures in solid mechanics. Archive for Rational Mechanics and Analysis , 222 , 507– 572.
Pratama,  Hermawan  Suryo  Aji,  Anggono,  Agus  Dwi,  &  Hendrawan,  Muh  Alfatih.  (2016). Analisis Hasil Uji  Cup Drawing Dan Kemampuan Tarik Tailor  Welded Blanks (TWB) Menggunakan  Sambungan  Las  Titik  Dengan  Variasi  Ketebalan  Plat .  Universitas Muhammadiyah Surakarta.
RIYANTO,  SETO  AGUNG.  (2015). Optimalisasi  Proses  Injeksi  Molding  Menggunakan Moldflow Dual-Domain Pada Desain Base Plate . UAJY.
Suripto,  Heri,  &  Anwar,  Saiful.  (2020).  Desain  dan  Pengembangan  Prototipe  Alat  Uji Pembangkit  Listrik  Tenaga  Mikro  Hidro  dengan  Back  Flow  Water  System. JTERA (Jurnal Teknol. Rekayasa) , 5 (2), 221. Vasilescu,  Mario.  (2016). Development  of  a  hydraulic  bulge  test  to  determine  the  work hardening behaviour of sheet materials . University of Windsor (Canada). Wang,  Hankui,  Xu,  Tong,  &  Shou,  Binan.  (2016).  Determination  of  material  strengths  by hydraulic bulge test. Materials , 10 (1), 23.
Wicaksono, Bimmo. (2022). Desain Dan Simulasi Alat Uji Telapak Kaki Palsu .
Copyright holder: Surahman (2024)
First publication right:

## Syntax Idea
This article is licensed under: