Desain dan Pembuatan Mesin CNC Milling untuk Pembuatan Ukiran Kerajinan Kayu
Sunarto * , Hartono, Carli, Daryadi , Bambang Tjahjono,Trio Setiyawan Jurusan Teknik mesin, Politeknik Negeri Semarang Jln. Prof. Sudarto S.H. Tembalang, Semarang 50061
*E-mail: sunarto.polines@gmail.com
Diterima: 05-04-2022; Direvisi: 19-04-2021; Dipublikasi: 30-04-2022

## Abstrak
Industri mebel adalah industri yang mengolah bahan baku atau bahan setengah jadi dari kayu, rotan dan bahan baku alam  lainnya  menjadi  produk  jadi  yang  siap  pakai  dan  memiliki  nilai  tambah  yang  lebih  tinggi.  Industri  mebel banyak  tersebar  di  Indonesia,  dengan  sentra  yang  cukup  besar  berada  di  Jepara,  Sukoharjo,  Surakarta,  Klaten,  dan lain-lain.  Seiring  dengan  perkembangan  teknologi  industri,  membuat  pekerjaan  menjadi  lebih  efisien  dan  mudah. Oleh  karena  itu,  perlu  diterapkannya  teknologi  dalam  dunia  industri  di  Indonesia  khususnya  pada  industri  mebel. Teknologi saat ini yang umum diterapkan pada industri mebel adalah mesin  milling CNC. Penggunaan mesin CNC ini  bertujuan  untuk menyelesaikan permasalahan  dalam  produksi kerajinan  ukir kayu  atau  furniture,  seperti  produk massal yang tidak bisa sama dan waktu pengerjaan produk yang tidak bisa dipastikan. Selain itu, penggunaan mesin CNC  ini  dapat  mengurangi  waktu  siklus  dan  meningkatkan  efisiensi  kerja  industri  mebel.  Berdasarkan  informasi tersebut,  kami  memiliki  ide  untuk  membuat  mesin  penggilingan  CNC  ini  untuk  mendukung  kemajuan  industri furnitur  Indonesia.  Selama  pembuatan  mesin  CNC  ini,  kami  melakukan  penelitian  teoritis  dan  survei  lapangan. Tahapan penelitian yang kami lakukan adalah identifikasi kebutuhan, perumusan masalah, sintesis, analisis, evaluasi dan  presentasi.  Berdasarkan  hasil  ini,  ditemukan  bahwa  bahan  baku  yang  dapat  dikerjakan  memiliki  dimensi maksimum 40 × 40 [cm], laju umpan maksimum 192 [mm/menit], kecepatan putar spindel maksimum 12.000 [rpm] dan  pemotongan  kecepatan  75,4  [m/mnt]  dari  penelitian  ini  dapat  disimpulkan  bahwa  Nilai  penyimpangan  ukuran benda kerja hasil pengerjaan dalam aspek garis lurus dan radius atau kelonjongan sebesar 0,1-0,2 [mm], sedangkan pada aspek sudut tidak terjadi penyimpangan. Sesuai hasil tersebut menunjukkan penyimpangan yang terjadi masih dalam  batas toleransi dan Nilai velocity cutting terbaik untuk melakukan pemakanan pada material kayu adalah pada 45,9-75,4 [m/min] dengan kedalaman maksimal 1,2-1,5 [mm]. dengan spesifikasi mesin.
Kata kunci: Industri Mabel; Mesin CNC Milling; Bahan Kayu

## Abstrak
The furniture industry is an industry that processes raw materials or semi-finished materials from wood, rattan and other  natural  raw  materials  into  finished  products  that  are  ready  for  use  and  have  higher  added  value.  There  are many furniture industries spread across Indonesia, with quite large centers located in Jepara, Sukoharjo, Surakarta, Klaten, and others. Along with the development of industrial technology, making work becomes more efficient and easier. Therefore, it is necessary to apply technology in the industrial world in Indonesia, especially in the furniture industry. The current technology commonly applied to the furniture industry is the CNC milling machine. The use of this  CNC  machine  aims  to  solve  problems  in  the  production  of  wood  carving  crafts  or  furniture,  such  as  mass products  that  cannot be  the  same  and  product  processing  time  that  cannot  be ascertained.  Besides,  the  use  of  this CNC  machine  can  reduce  cycle  times  and  increase  the  work  efficiency  of  the  furniture  industry.  Based  on  this information, we had the idea to make this CNC milling machine to support the progress of the Indonesian furniture industry. During the manufacturing of this CNC machine, we carried out theoretical research and field surveys. The research stages we carried out were identification of needs, problem formulation, synthesis, analysis, evaluation and presentation. Based on these results, it was found that the workable raw material had a maximum dimension of 40 × 40 [cm], a maximum feed rate of 192 [mm/min], a maximum spindle rotating speed of 12,000 [rpm] and a cutting velocity of 75.4 [m/min]. from this study it can be concluded that the deviation value of the workpiece size as a result of the work in the aspect of a straight line and a radius or oval is 0.1-0.2 [mm], while in the aspect of an angle there is  no  deviation.  According  to  these  results,  the  deviations  that  occur  are  still  within  tolerance  limits  and  the  best cutting velocity value for feeding wood material is at 45.9-75.4 [m/min] with a maximum depth of 1.2-1.5 [mm]. with machine specifications.

## Keywords: Furniture industry; CNC Milling Machine; Wood Material

## 1. Pendahuluan
Industri mebel adalah industri yang mengolah bahan baku atau bahan setengah jadi dari kayu, rotan dan bahan baku  alam  lainnya  menjadi  produk  jadi  yang  siap  pakai  dan  memiliki  nilai  tambah  yang  lebih  tinggi.  Industri  mebel banyak tersebar di Indonesia, dengan sentra yang cukup besar berada di Jepara, Sukoharjo, Surakarta, Klaten, dan lain- lain.  Seiring  dengan  perkembangan  teknologi  industri,  membuat  pekerjaan  menjadi  lebih  efisien  dan  mudah.  Oleh karena itu, perlu diterapkannya teknologi dalam dunia industri di Indonesia khususnya pada industri mebel. Teknologi saat ini yang umum diterapkan pada industri mebel adalah mesin milling CNC. Penggunaan mesin CNC ini bertujuan untuk menyelesaikan permasalahan dalam produksi kerajinan ukir kayu atau furniture, seperti produk massal yang tidak bisa  sama  dan  waktu  pengerjaan  produk  yang  tidak  bisa  dipastikan.  Selain  itu,  penggunaan  mesin  CNC  ini  dapat mengurangi  waktu  siklus  dan  meningkatkan  efisiensi  kerja  industri  mebel.  Berdasarkan  informasi  tersebut,  kami memiliki  ide  untuk  membuat  mesin  penggilingan  CNC  ini  untuk  mendukung  kemajuan  industri  furnitur  Indonesia. Selama  pembuatan  mesin  CNC  ini,  kami  melakukan  penelitian  teoritis  dan  survei  lapangan.  Tahapan  penelitian  yang kami lakukan adalah identifikasi kebutuhan,
2. Metodelogi
Tahapan pada proses perancangan Model Shigley-Mitchell di atas dapat dijelaskan seperti   berikut ini [9]
a. Recognition of need (Identifikasi kebutuhan)
Proses perancangan dimulai dengan diidentifikasikannya suatu kebutuhan akan suatu   produk oleh seseorang, yang menyadari adanya suatu problem yang akan terpecahkan  jika diciptakan produk baru atau modifikasi produk yang telah ada.
Gambar 1. Proses Perancangan Shigley-Mitchell
b. Definition of problem (Perumusan masalah)
Pada  tahap  ini  kegiatan  yang  dilakukan  adalah  merumuskan  masalah  tentang  produk  yang  dibutuhkan,  yang  akan menghasilkan  arahan  perancangan.  Sekaligus  menentukan spesifikasi  produk  yang  akan dirancang,  seperti  prestasi kerja yang harus dicapai, fungsi, dan lain-lain.
c. Synthesis (Sintesis)
Tahap  sintesis  merupakan  tahap  pencarian  macam  atau  bentuk  produk  yang  dapat        memenuhi  kebutuhan  seperti yang  telah  didefinisikan  di  atas.  Pada  langkah  ini  dicoba    ditemukan  sebanyak  mungkin  alternatif  tentang  konsep produk.
d. Analysis (Analisis)
Beberapa alternatif konsep produk pada tahap sintesis kemudian dipilih untuk dianalisis lebih lanjut. Analisis ini meliputi analisis gaya, tegangan, deformasi, getaran dan lain-lain. e. Evaluation (Evaluasi)
Hasil dari langkah analisis dan sintesis dievaluasi atau diukur terhadap spesifikasi yang telah ditentukan. Pada langkah ini dapat timbul keperluan dibuatnya model atau prototype untuk maksud pengukuran kualitas, keandalan, dan beberapa kriteria lainnya.
f. Presentation (Presentasi)
Langkah  akhir  dari  proses  perancangan  adalah  langkah  presentasi,  yakni  kegiatan  menyusun  dokumen  hasil perancangan  dalam  bentuk  gambar  lengkap  atau  gambar  kerja  ( working  drawing ),  daftar  komponen,  spesifikasi bahan, dan informasi lainnya untuk keperluan proses pembuatan.

## 2.2. Prinsip Kerja Mesin
Mesin  perkakas  CNC  adalah  mesin  perkakas  yang  dalam  pengoperasian  adalah  proses  penyayatan  benda  kerja  oleh pahat dibantu dengan kontrol numerik komputer atau CNC ( Computer Numerical Control) [3]. Alat potong atau cutting tool berputar  pada spindle -nya  dan  benda  kerja  bergerak  kearah  memanjang  dan  melintang  sejauh  pemotongan  yang diinginkan. Pergerakkan pahat pada mesin perkakas CNC disepakati menggunakan sistem koordinat. Sistem koordinat pada mesin CNC milling adalah sistem koordinat dengan tiga sumbu/aksis yaitu sumbu X , Y dan sumbu Z. Sumbu X didefinisikan sebagi sumbu yang bergerak horizontal, sumbu Y didefinisikan sebagai sumbu yang bergerak melintang dan sumbu Z didefinisikan sebagai sumbu yang bergerak vertikal.
Secara  umum,  prinsip  kerja  dari  mesin  CNC  milling  adalah  dengan  membaca  program  CNC  yang  dibuat  oleh programmer dengan cara mengetik langsung pada mesin atau membuat program pada software pemrograman CNC[6].
Gambar 2. Prinsip Kerja CNC Milling [5]
Selanjutnya,  program  CNC  yang  lebih  dikenal  dengan  G-Code  tersebut  akan  dikirim  dan  dieksekusi  oleh processor untuk menggerakkan perkakas-perkakas di dalam mesin hingga menghasilkan produk yang sesuai dengan program.

## 2.2. Hardware Sistem Kontrol
Hardware pada  sistem  kontrol  merupakan  perangkat  keras  (peralatan)  yang  digunakan  dalam  sistem  kontrol  mesin CNC 3 aksis [13]. Adapun beberapa hardware yang digunakan dalam sistem kontrol mesin CNC adalah stepper motor, driver motor, breakout board, power supply, kabel-kabel dan PC.
a. Stepper motor
Stepper motor adalah seperangkat alat elektromekanis yang bekerja dengan mengubah pulsa elektronis menjadi gerakan mekanis diskrit [6]. Stepper motor bergerak berdasarkan urutan pulsa yang diberikan kepada motor. Karena itu, untuk menggerakkan stepper  motor diperlukan  pengendali stepper  motor yang  membangkitkan  pulsa-pulsa  periodik  seperti driver  motor . Stepper  motor digunakan  sebagai  aktuator  atau  penggerak.  Pemilihan stepper  motor dilakukan  karena motor  tersebut  dapat  dikendalikan  dengan  cukup  mudah  dan  memiliki  ketelitian  yang  tinggi.  Salah  satu  jenis stepper motor adalah Nema17 dengan  torsi  3,2  [Nm].  Cocok  digunakan  untuk  pengerjaan  bahan  PCB, acrylic ,  kayu,  dan aluminium[1].
b. Driver motor
Driver  Motor merupakan  komponen  yang  berfungsi  untuk  mengkomunikasikan controller dengan  aktuator  serta memperkuat  sinyal  keluaran  dari  kontroler  sehingga  dapat  dibaca  oleh  aktuator.  Seperti  halnya  BOB, driver  motor stepper juga  memiliki  beberapa port yang  nantinya  terhubung  ke  masing-masing port seperti input  signal,  motor stepper , driver switch setting, DC power supply, tabel driver setting [7].
Gambar 4. Driver Motor  [15]
Gambar 3. Konstruksi Dasar Motor Stepper[14]

## c. Power supply
Power  supply adalah  perangkat  yang  berfungsi  sebagai  penyedia  utama  daya  tegangan  DC  bagi  CNC controller, motor stepper, dan tool/spindle. Fungsi dasar dari power supply adalah merubah tegangan AC menjadi tegangan DC. Daya  yang  dihasilkan  oleh power  supply ini  dijaga  konstan  agar  memberikan  suplai  yang  optimal  bagi  motor  dan spindle [7]

## a. Microcontroller
Microcontroller adalah  sebuah chip yang  berfungsi  sebagai  pengontrol  rangkaian  elektronik  dan  umunya  dapat menyimpan program, dan terdiri dari CPU ( Central Processing Unit ), memori, I/O tertentu dan unit pendukung seperti Analog-to-Digital Converter (ADC) yang sudah terintegrasi di dalamnya [12]. Mikrokontroler disini berfungsi sebagai komputer yang memproses data yang berupa gambar/ code yang kemudian diteruskan ke aktuator menjadi suatu gerakan tertentu  [11].  Mikrokontroler  yang  dipilih  yaitu  arduino  uno  yang  dalam  penggunaannya  cukup  mudah  karena menggunakan bahasa pemprogaman yang umum yaitu berbasis C.
Selain  dari  pengunaan  yang  cukup  mudah  juga  dari  segi  harga  arduino  lebih  murah  dari  mikrokontroler  yang  lain. Sedangkan untuk firmware yang digunakan adalah GRBL sebagai firmware yang umum digunakan untuk mekanisme mesin CNC dan kompatibel dengan arduino sebagai mikrokontroler . Tidak hanya kompatibel untuk arduino GRBL juga mudah dalam penggunaannya, performa yang tinggi dan telah diuji ke beberapa perangkat CAM dengan tanpa masalah.

## 2.3. Software System
Kontrol software pada  sistem  kontrol  merupakan  perangkat  lunak  (program  komputer)  yang  digunakan  untuk mengontrol mesin CNC 3 aksis. Software tersebut  selanjutnya akan di- install pada perangkat komputer dan bertindak sebagai interface . Interface merupakan  perangkat  lunak  yang  berfungsi  mengkomunikasikan  semua  perintah  dari end
Gambar 5. Power Supply [6]
Gambar 6. Arduino [12]
user sehingga  mampu dibaca dengan baik  oleh  semua hardware .  Sehinga  dengan  adanya interface, mesin  CNC  akan bergerak sesuai dengan program yang telah didesain sebelumnya.
Untuk  mengontrol  gerakan  CNC  diperlukan  sebuah software yang  digunakan  untuk  mengirimkan NC  file ke  sebuah mesin  CNC  yang  disebut  GRBL controller . Software ini  memudahkan  pengguna  dalam  proses  pemrograman  sebuah mesin  CNC.  Pengguna  bisa  memberikan  perintah  secara  langsung  atau  pengguna  juga  bisa  menggunggah  satu file dalam bentuk notepad yang berisi kode-kode G-Code.

## 3. Hasil dan Pembahasan

## 3.1  Pengujian Pergerakan Sumbu x, y dan z
Berdasarkan pengujian yang sudah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa persentase error rata-rata terbesar terjadi pada  sumbu  X  yaitu  0.112%,  sedangkan  persentase error rata-rata  terkecil  terjadi  pada  sumbu  Z  yaitu  0,076%.  Hasil pengujian  menunjukkan  penyimpangan  terbesar hingga  0.03  [mm]  yang  sudah melampaui  batas  toleransi  mesin  yaitu sebesar 0,01 [mm]. Sehingga diperlukan adanya pengembangan kalibrasi penyimpangan sumbu X, Y dan Z agar kinerja mesin  lebih  optimal  dan  benda  kerja  hasil  pengerjaan  mesin CNC  milling ini  sesuai  ukuran  yang  dikehendaki,  hasil pengujian bisa dilihat pada Tabel 1 dan Gambar 7.
Tabel 1. Nilai Pengukuran Penyimpangan Pergerakan sumbu x
Gambar 7. Grafik Hasil Pengujian Pergerakan Sumbu x
Tabel 2. Nilai Pengukuran Penyimpangan Pergerakan sumbu Y
Tabel 3. Nilai Pengukuran Penyimpangan Pergerakan sumbu z
Gambar 8. Grafik Hasil Pengujian Pergerakan Sumbu y

## 3.2 Pengujian Kecepatan Putar Spindle Mesin
Berdasarkan  pengujian  yang  sudah  dilakukan  maka  dapat  disimpulkan  bahwa  prosentase  error  rata-rata  yang  terjadi yaitu  0,0125%.  Hasil  pengujian  menunjukkan penyimpangan  yang  terjadi  berupa  kelebihan  maupun  kekurangan  nilai rpm yang tidak lebih dari 150 [rpm]. Berdasarkan proses pengujian ini didapatkan nilai batas kecepatan putar spindle untuk material kayu adalah 430-12.000 [rpm], untuk material aluminium sebesar 2000-12.000 [rpm]. Sedangkan nilai batas feedrate untuk material kayu adalah 7-192 [mm/min], untuk material alumunium sebesar 32-192 [mm/min]. hasil pengujian bisa dilihat pada Tabel 4 dan Gambar 10.
Tabel 4. Pengujian Kecepatan Putar Spindle

## 3.3 Pengujian Velocity Cutting pada Material
Berdasarkan  hasil  di  atas  dapat  didapatkan  bahwa  nilai  velocity  cutting  terbaik  untuk  melakukan  pemakanan  pada material  kayu  adalah  pada  45,9-75,4  [m/min]  dengan  kedalaman  maksimal  1,2-1,5  [mm].  hasil  pengujian  bisa  dilihat pada Tabel 5 dan Tabel 6.
Gambar 10. Grafik Hasil Pengujian Kecepatan Putar Spindle
Tabel 5. Hasil Pengujian Velocity Cutting pada Playwood
Tabel 6. Hasil Pengujian Velocity Cutting pada Hardwood

## 3.4 Pengujian Feedrate Terhadap Waktu
Berdasarkan  pengujian  yang  sudah  dilakukan  maka  dapat  disimpulkan  bahwa  error  terkecil  yang  didapatkan  adalah 37,5%  dan  error  terbesar  adalah  40%.  Selain  itu  dapat  dinyatakan  bahwa  semakin  kecil  nilai  feedrate  maka  semakin lama  waktu  pengerjaannya,  sebaliknya  jika  nilai  feedrate  semakin  besar  maka  waktu  pengerjaan  semakin  cepat.  hasil pengujian bisa dilihat pada Tabel 7.
Tabel 7. Hasil Pengujian Feedrate

## 3.5 Pengujian Plungerate Terhadap Waktu
Berdasarkan  pengujian  yang  sudah  dilakukan  maka  dapat  disimpulkan  bahwa  error  terkecil  yang  didapatkan  adalah 35,7% dan error terbesar adalah 40%. Selain itu dapat dinyatakan bahwa semakin kecil nilai plungerate maka semakin lama waktu pengerjaannya, sebaliknya jika nilai plungerate semakin besar maka waktu pengerjaan semakin cepat. hasil pengujian bisa dilihat pada Tabel 8.
Tabel 8. Hasil Pengujian Plungerate

## 3.6 Pengujian Hasil Benda Kerja
Berdasarkan  pengujian  yang  sudah  dilakukan  maka  dapat  disimpulkan  bahwa  terjadi  beberapa  penyimpangan  ukuran benda kerja hasil pengerjaan dalam aspek garis lurus dan radius atau kelonjongan sebesar 0,1-0,2 [mm], sedangkan pada aspek sudut tidak terjadi  penyimpangan. Menurut hasil tersebut menunjukkan penyimpangan yang terjadi masih dalam batas toleransi.
Tabel 9. Hasil Pengujian Kesejajaran dan Ketegaklurusan
Tabel 10. Hasil Pengukuran Produk CNC

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan  keseluruhan  proses  pengujian  Mesin  CNC Milling ini  dapat  disimpulkan  bahwa  Nilai  penyimpangan ukuran  benda  kerja  hasil  pengerjaan  dalam  aspek  garis  lurus  dan  radius  atau  kelonjongan  sebesar  0,1-0,2  [mm], sedangkan pada aspek sudut tidak terjadi penyimpangan. Sesuai hasil tersebut menunjukkan penyimpangan yang terjadi masih dalam  batas toleransi dan Nilai velocity cutting terbaik untuk melakukan pemakanan pada material kayu adalah pada 45,9-75,4 [m/min] dengan kedalaman maksimal 1,2-1,5 [mm].

## Daftar Pustaka
[1]        Aprilian,  Fajar,  dkk.  Pengembangan  Mesin  CNC Router 4-Axis  Guna  Mendukung    Produksi  IndustriKreatif. Semarang: Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Semarang. 2019
[2]       ASM Meterial Data Sheet Alumunium 6063 T5. http://asm.matweb.com/search/Specific
Material.asp?bassnum=MA6063T5. Diakses pada 25 September 2020.
[3]      Budynas, Richard G. dan J. Keith Nisbett. Shigley’s Mechanical Engineering Design . United States of America: McGraw-Hill Education. 2015
[4]     Cross, Nigel. Engineering Design Methods Strategies for Product Design Third Edition . New York: John Wiley & Sons, Ltd. 2004
[5]        Costes,  Jean-Philippe  dan  Pierre  Larricq. Towards  high  cutting  speed  in  wood  milling .  France:  INRA,  EDP Sciences. 2002
[6]        Hardi,  Supri  dkk.  Rancang  Bangun  Mesin  CNC Milling 3-Axis  untuk  Anggrave  PCB  Berbasis  Arduino  Uno. Lhoksumawe: Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Lhoksumawe. 2019
[7]      Harrizal Ikhlash Syukran, ddk. Rancang Bangun Sistem Kontrol Mesin CNC Milling 3 Axis Menggunakan Close Loop System . Pekanbaru: Jurusan Teknik Mesin Universitas Riau. 2017
[8]        Immanuel,  Jovi,  dkk.  Perancangan  dan  Analisis  Rangka  Mesin Dekstop  CNC  Milling. Jakarta:  Universitas Tarumanegara. 2018
[9]      Joseph E, Shigley., Larry D, Mitchell., dan Gandhi ,Harahap. Perencanaan Teknik Mesin. Edisi ke empat, Jilid 1. Jakarta: Erlangga, 1984.
[10]     Handson, Technology User Manual . www.handsontec.com. Diakses pada 25 Juli 2020.
[11]        Purnomo,  Edi,  dkk.  Rancang  Bangun  Mesin CNC  Hybrid dengan  Sistem  Kerja  Printer  3  Dimensi  dan Laser Engrave untuk Material Berbahan Kayu. Semarang: Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Semarang. 2019
[12]    Setiawan, Heri. Pengujian Kekuatan Tarik Produk Cor Propeler Alumunium. Kudus: Universitas Muria Kudus. 2015
[13]    Sularso  dan  Kiyokatsu  Suga.  Dasar  Perancangan  dan  Pemilihan  Elemen  Mesin.  Jakarta:  PT.  Pradnya Paramita.2004
[14]      Ulinnuha,  Fahrul,  dkk.  Prototipe  Mesin  CNC Laser  Cutting untuk  Pembuatan  Produk  Kreatif  Bahan  Akrilik. Semarang: Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Semarang. 2019.
[15]    Zulfikar, Usmardi, Hanafi. Rancang Bangun Milling dan Drilling Sederhana dan Murah. Lhoksumawe: Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Lhoksumawe. 2018