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

## J URNAL T eknik M esin
Vol. 15 No. 1 (2022) 7 - 12
ISSN Media Elektronik: 2655-5670
Rancang Bangun Mesin Cetak Centrifugal Casting untuk Pembuatan Pipa Komposit Geopolimer
Jamiatul Akmal 1* , Arisandi 2 , Ahmad Suudi 3 , Asnawi Lubis 4 , Novri Tanti 5 1,2,3,4,5 Jurusan Teknik Mesin, FakultasTeknik, Universitas Lampung *jamiatul.akmal@eng.unila.ac.id

## Abstract
In the field of materials engineering, various types of advanced materials have been found. This must also be accompanied by technological advances in the production process. Centrifugal casting is an effective  method for casting cylindrical objects such as pipes and pressure vessels. In this research, a centrifugal casting machine is designed and made. The design process follows the steps proposed by Pahl and Beitz, starting from requirements identification, concept design, layout and analysis to the fabrication method. Furthermore, this machine was tested for casting geopolymer composite pipes. From the test results it is stated  that  this  machine  works  well  and can  cast  pipe samples  at  various  speeds.  Furthermore,  the  sample  is  cut into  a three-point bending test specimen. From the test results obtained bending strength of about 50 MPa (1500 rpm tube rotation) and about 36 MPa (1200 rpm tube rotation). Thus, it is concluded that the higher the tube rotation, the higher the quality of the resulting product.
Keywords : Centrifugal casting, Engineering design, FGM, Geopolymer, Bending three point test

## Abstrak
Dalam  bidang  rekayasa  material  telah  ditemukan  berbagai  jenis  material maju.  Hal  ini  mestilah diiringi  dengan  kemajuan proses  produksi  yang  sesuai. Centrifugal casting adalah metode  yang  sesuai  untuk  mencetak  benda-benda  silindris  seperti pipa dan bejana tekan. Pada penelitian ini dirancang dan dibuat sebuah mesin cetak centrifugal casting . Proses perancangan dilakukan  dengan  mengikuti  tahapan-tahapan  sebagaimana  yang  diusulkan  oleh  Pahl  and  Beitz,  yang  berawal  dari identifikasi  kebutuhan,  rancangan  konsep,  layout  dan  analisis  sampai  dengan  metode  fabrikasi.  Selanjutnya  mesin  ini diujicoba  untuk  mencetak  pipa  komposit  geopolimer.  Dari  uji  coba  yang  dilakukan  dapat  dinyatakan  bahwa  mesin  ini berfungsi  baik  dan  dapat  mencetak  sampel  pipa  pada  variasi  kecepatan  putar.  Selanjutnya  sampel  pipa  dipotong  untuk dijadikan  spesimen    uji bending  three  point .  Setelah  dilakukan  pengujian,  diperoleh  kekuatan  bending  sampai  50  MPa (putaran tabung 1500 rpm) dan 36 MPa (putaran tabung 1200 rpm). Dengan demikian disimpulkan semakin tinggi putaran tabung, maka pipa yang dihasilkan semakin padat dan semakin kuat.
Kata kunci: Centrifugal casting , Perancangan teknik, FGM, Geopolimer, Uji bending three point

## 1. Pendahuluan
Mesin  cetak centrifugal  casting adalah  suatu  metode pabrikasi  benda-benda  silindris,  misalnya  pipa  dan bejana tekan. Material yang akan dicetak dimasukkan ke dalam silinder yang berputar. Pada awalnya, mesin cetak centrifugal casting digunakan untuk pembuatan pipa yang terbuat dari logam  dengan cara dipanaskan sampai  mencair,  namun  akhir-akhir  ini  mesin  cetak centrifugal casting juga dipakai untuk pembuatan pipa dari  material  non  logam,  misalnya Functionally Graded Materials /FGM [1], komposit geopolimer [2], dan material maju lainnya.
FGM  adalah  material  komposit  khusus  yang  struktur mikronya  berubah  sesuai  posisi  kordinatnya  dengan gradien  tertentu.  Salah  satu  contoh  yang  baik  untuk menjelaskan  material  FGM  adalah  bambu  ( bamboo ), dimana sifat-sifat material berubah sepanjang kordinat radius, sebagaimana yang diilustrikan dengan Gambar 1.
Gambar 1. Bambu sebagai contoh material FGM
Dalam  bidang  rekayasa  material,  pipa  FGM  dapat diperoleh  dari  proses centrifugal  casting ,  dimana butiran material dengan bobot massa yang lebih besar akan  tergeser  ke  bagian  luar  pipa  akabat  gaya sentrifugal  yang  diberikan. Gambar 2 adalah ilustrasi material  FGM  dan  perbedaannya  dengan  material komposit homogen[1].
Gambar 2. (a) Komposit homogen (b) FGM[1]
Selain  FGM,  mesin  cetak centrifugal  casting dapat digunakan untuk membuat pipa dari berbagai material lainnya,  misalnya  komposit  geopolimer.  Geopolimer pertama  kali  dikemukakan  pada  tahun  1978  oleh Davidovits[3],  dimana  komposisi  bahan  dibentuk dengan ikatan Alumina, silica dan oksida. Geopolimer dapat  ditemukan  sebagai  pengganti  semen  dalam pembuatan  beton  dengan  material  sisa  dari  hasil pembakaran  batu  bara (fly  ash )  yang  kemudian dicampur dengan aktivator. Aktivator yang digunakan biasanya  sodium  hidroksida  dan  sodium  silikat. Dengan demikian bisa terjadi reaksi kimia yang dapat mengikat suatu bahan dengan bahan lainya[4].
Pada  penelitian  ini,  bahan-bahan  pembentuk geopolimer  digunakan  sebagai  bahan  untuk  pipa dengan  menambahkan  potongan-potongan  serat karbon  sebagai  penguat.  Bahan-bahan  tersebut dicampur  dan  diaduk  untuk  selanjutnya  dicetak menjadi  pipa.  Untuk  keperluan  ini  dirancang  dan dibuat  mesin  cetak centrifugal  casting dengan mekanisme  memanfaatkan  putaran  dari  motor  listrik yang  ditransmisikan  dari  puli  motor  ke  puli  poros melalui  sabuk-V.  Cetakan centrifugal  casting berbentuk  silinder  mendapatkan  pergerakan  rotasi akibat gesekan dari poros yang diputar dengan sebuah motor.  Gaya  centrifugal  berperan  penting  dalam perambatan  reaksi  dan  pembentukan  produk  yang diwujudkan  melalui  kontrol  ukuran  butir  dan komposisi reaktan aktivator dan serat carbon [5].
Mesin  cetak  centrifugal  casting  dirancang  dengan mengikuti  metode  perancangan  sbagaimana  yang dikemukakan  oleh  Pahl  and  Beitz  [6].  Metode  ini berisikanan  tahapan-tahapan  yang  disusun  menjadi fase-fase  perancangan,  berawal  dari  identifikasi kebutuhan, perancangan konsep, perancangan komponen  dan  analisis,  sampai  kepada  tahapan fabrikasi.  Pada  identifikasi  kebutuhan  dielaborasi persyaratan-persyaratan  yang  mesti  dipenuhi  dalam rancangan  produk.  Selanjutnya  daftar  spesifikasi tersebut  dielaborasi  menjadi  fitur-fitur  dengan berbagai  tawaran  solusi  mekanismenya.  Proses perancangan  ini  dapat  memberikan  banyak  alternatif konsep.  Dengan  memilih  konsep  terbaik  diantara
varian  yang  ada  akan  diperoleh  produk  terbaik  yang sesuai dengan kebutuhan.

## 2. Metode Penelitian
Metode  perancangan  dilakukan  dengan  mengikuti tahapan-tahapan  yang  terdiri  dari  identifikasi kebutuhan,  rancangan  konsep,  rancangan  komponen dan pabrikasi.
2.1. Identifikasi Kebutuhan
Proses  perancangan  dimulai  dari  mengidentifikasi ketentuan dimana solusi harus ditemukan. Penjabaran singkat  dapat  dilihat  pada    spesifikasi  rancangan produk seperti yang terlihat pada Tabel 1.
Tabel  1.  Spesifikasi rancangan produk PENERBITAN: SPESIFIKASI RANCANGAN PRODUK Untuk MESIN CENTRIFUGAL CASTING RUANG LINGKUP
Mesin cetak sentrifugal casting dapat digunakan untuk mencetak pipa dari material non logam
SPESIFIKASI YANG BERKAITAN:
- Mesin digunakan untuk mencetak pipa komposit geopolimer
- Kecepatan putar tabung cetakan bisa divariasikan PERSYARATAN OPERASIONAL
- Mudah bongkar-pasang untuk memvariasikan kecepatan putar
- Mudah dalam mengoperasikan dan pengontrolan
- Memiliki keamanan operasional PERSYARATAN PERFORMANCE
- Tidak bising
- Tidak menimbulkan polusi
- Kuat dan aman
- Mudah dibawa dan dipindah-pindahkan
PERSYARATAN MANUFAKTUR
- Mudah dirakit dan dilepas
- Material kuat dan kaku PERSYARATAN STATNDAR DAN PENERIMAAN
- Menggunakan komponen standar yang ada
- Akurat dan presisi
2.2. Rancangan konsep
Pada  tahap  rancangan  konsep,  semua  persyaratan yang  diminta  diterjemahkan  menjadi  fitur-fitur rancangan  yang  setiap  fitur  memiliki  solusi-solusi alternatif.  Semua  fitur  dan  solusi  ditabelkan  sebagai tabel morfologi yang dapat dilihat pada Tabel 2.

## Tabel 2. Morfologi rancangan
Dari Tabel 2 bisa diperoleh berbagai kombinasi untuk mendapatkan  pilihan-pilihan  yang  disebut  sebagai konsep  rancangan.  Sebagai  contoh,  konsep  1  adalah kombinasi  dari:  motor  listrik─pulley─belt─besi L─pelat─ pillow  block  bearing ─rangka  besi  L  dan seterusnya.  Demikian  juga  halnya  konsep  2  dan konsep  3.  Masing-masing  konsep  selanjutnya digambar  seperti  yang  dapat  dilihat  pada  Gambar  3, Gambar 4 dan Gambr 5.

## Gambar 3. Konsep Varian 1
Konsep  1  berupa  layout  cetakan cetntrifugal  casting searah dengan motor dengan jarak transmisi putaran 7 cm.  Pada  konsep  2  motor  diposisikan  lebih  tinggi
dengan  jarak  transmisi  70  cm.  Sedangkan  konsep  3 tidak  menggunakan  transmisi  sabuk-pulley  tetapi poros tersambung langsung.

## Gambar 4. Konsep Varian 2
Masing-masing  konsep  memiliki  kelebihan  dan kekurangan  sehingga  perlu  dilakukan  pemilihan dengan berbagai kriteria.

## Gambar 5. Konsep Varian 3
Dari tiga varian konsep yang diusulkan, konsep varian 1  merupakan  pilihan  terbaik  dengan  berbagai pertimbangan;  menggunakan  pully  sebagai  transmisi lebih  mudah  dalam  memvariasikan  kecepatan  tabung dan konstruksinya lebih sederhana.
2.3. Analisis dan Penghitungan Rancangan
Gaya sentrifugal (Fc) pada suatu massa yang berputar dapat diekspresikan dengan persamaan (1).
r mv F c 2  (1)
dimana
m=massa benda v= kecepatan tangensial r = radius lintasan
Dalam  merancang  mesin  centrifugal  casting,  gaya sentifugal  yang  dibutuhkan  lebih  besar  dari  gaya grafitasi (g) pada benda. Untuk itu perlu didefinisikan suatu  konstatnta  rasio  (X)  seperti  yang  terlihat  pada Persamaan (2) [5].
  r N r g r gv X 30 2 2    (2)
Dimana  factor  X  bernilai  antara  60  dan  80.  Dengan demikian  kecepatan  tabung  cetakan  dapat  diperoleh dengan Persamaan (3)
r X N 2 4 , 42  (3)
Berdasarkan  persamaan (3)  diperoleh  kecepatan tabung  cetakan  yang  disarankan  adalah  1200  sampai 1500  rpm.  Putaran  ini  bersumber  dari  motor  listrik dengan kecepatan 2800 rpm.
2.4. Rancangan Komponen dan Fabrikasi
Gambar 6 memperlihatkan layout rancangan transmisi dan  reduksi  putarannya.  Tahapan  selanjutnya  adalah merancang  komponen-komponen  dan  merakitnya menjadi mesin seperti yang dapat dilihat pada Gambar 7.  Gambar 8 memperlihatkan mesin cetak yang sudah dirakit  dengan  spesifikasi  produk  yang  ditampilkan pada Tabel 3.
Gambar 6. Lay out rancangan
Gambar 7. Proses perakitan mesin cetak centrifugal casting
Gambar 8. Mesin cetak centrifugal casting yang sudah dirakit
Tabel  3. Spesifikasi mesin centrifugal casting Fiture Spesifikasi Motor Listrik ESTCO JY2A-2: Putaran 2800 rpm, Daya 1,5 Hp, Frekuensi 50 Hz Dimensi PxLxT (cm) 74x39x36 Bearing Pillow block UCP 204 Pulley JIS A M4 dan JIS A1x6 V-Belt V-power belt A24 Ukuran Tabung cetak (cm) Diameter Luar 12, Diameter dalam 11 Panjang 32 Ukuran poros (cm) Diameter 20 Panjang 47 Rangka Baja kanal U, Kanal L dan pelat

## 2.5. Menyiapkan bahan komposit Geopolimer
Bahan  yang  digunakan  dalam pembuatan  geopolimer adalah  Fly  Ash  (FA),  Kaolin  (K),  Silica  Fume  (SF), Calcium  Oxide  (CaO)  dan  Carbon  Fiber  (CF). Campuran  bahan  ini  kemudian  ditambahkan  dengan Si2O3  dan  NaOH  yang  berfungsi  sebagai  aktivator. Fly  ash  berasal  dari  PLTU  Tarahan  Sektor  III Lampung  Selatan  Indonesia  dan  kaolin  yang digunakan  jenis  komersial.  Silica  fume  yang digunakan adalah jenis komersial dari PT. NORMET Indonesia  dan  Carbon  Fiber  tipe  medium  (1,56 kg/m3). Gambar 9 memperlihatkan bahan-bahan yang digunakan untuk komposit geopolimer.
Gambar 9 Bahan yang digunakan: (a) Kaolin, (b) CaO, (c) Sodium hidroksida (NaOH), (d) Aquades (H2O) dan (e) Serat Carbon
Geopolimer  komposit  dibuat  dengan  2  tahap  yaitu preparasi  aktivator  dan  pencampuran  solid  binder. Dalam  persiapan  pembuatan  aktivator  yang  harus dilakukan pertama adalah melarutkan kristal NaOH ke dalam  larutan  14M  dengan  menambahkan  larutan Aquades.  Perbandingan  rasio  Na2SiO3  dan  NaOH adalah 0,4. Serat karbon dipotong 2 cm dan dicampur secara  merata  dengan  komposisi:  rincian  komposisi: Silika 27gr, Kaolin 55gr, CaO 6gr, dan Serat Karbon 13gr.

## 3. Hasil dan Pembahasan
3.1. Kinerja mesin cetak centrifugal casting
Setelah  diuji  coba,  mesin  ini  dapat  berfungsi  dengan baik.  Mesin  diuji  coba  pada  2  kondisi  operasional dengan  putaran  N=1200  rpm  dan  N=1500  rpm. Pengaturan  kecepatan  putaran  dilakukan  dengan menvariasikan ukuran sabuk dan pulley dan mengatur tegangan  listrik  input.  Untuk  kedua  kondisi operasional,  spesimen  dicetak  pada  komposisi  dan volume material yang sama.

## Gambar 10. Pengelasan SMAW
Gambar  10  memperlihatkan  produk  pipa  yang dihasilkan  untuk  masing-masing  putaran.  Pipa  1 memiliki  ketebalan  t=  9,2  mm,  sedangkan  pipa  2 memiliki  ketebalan  t=8,1  mm.  Hal  ini  bisa  dipahami bahwa  semakin  tinggi  putaran  tabung  cetakan  maka
produk pipa yang dihasilkan semakin tipis, padat dan semakin baik.
3.2. Pengujian sampel pipa komposit geopolimer
Pipa  1  dan  pipa  2  selanjutnya  dipotong  untuk mendapatkan  sampel  uji  bending.  Uji  bending dilakukan dengan metode three point bending (ASTM D790).  Metode  pengujian  ini  membutuhkan  alat tambahan  ( test  rig )  seperti  yang  terlihat  pada Gambar.11  Kekuatan  bending  dapat  dihitung  dengan rumus pada Persamaan (4)[7].
2 2 3 WD S P S m F  (4)
dimana,Pm  =  Beban  maksimum,  S  =  bentangan spesimen, D = lebar spesimen dan W =tebal spesimen.
Gambar 11. Tambahan test rig untuk uji bending three point
Gambar 12 memperlihatkan grafik tegangan regangan yang  dihasilkan.  Terlihat  bahwa  pipa  2  yang  dicetak pada  putaran  lebih  tinggi  (N=1500  rpm)  relatif  lebih kuat  jika  dibandingkan  dengan  pipa  1  yang  dicetak pada putaran yang lebih rendah (N=1500 rpm). Secara teoritis, pipa 2 memiliki kekuatan lebih tinggi karena lebih  padat  akibat  memerima  gaya  sentrifugal  yang relatif besar.

## Gambar 12. Grafik tegangan-regangan
Gambar  13  memperlihatkan  bentuk  patahan  dan terjadi  perbedaan  sudut  orientasinya.  Sudut  orientasi patahan  dipengaruhi  oleh  arah  serat.  Perbedaan orientasi  patahan  dapat  mempengaruhi  kekuatan bending  sebagaimana  yang  ada  pada  Persamaan  (4), namun pada penelitian ini pengaruhnya tidak dibahas karena arah serat tersusun secara acak.

## Gambar 13. Bentuk patahan kedua spesimen

## 4.   Kesimpulan
Pada  penelitian  ini  telah  dirancang  dan  dibuat  mesin cetak centrifugal casting yang dapat digunakan untuk memproduksi pipa komposit geopolimer. Dari ujicoba yang  dilakukan,  mesin  ini  dapat  berfungsi  dengan baik  sesuai  dengan  spesifikasi  yang  diinginkan.  Dari pengujian untuk dua kondisi operasional yang berbeda (N1  =  1200  rpm  dan  N2  =  1500  rpm),  diperoleh kekuatan  bending,  masing-masing  36  MPa  dan  50 MPa.  Dengan  demikian  dapat  disimpulkan  bahwa semakin tinggi putaran tabung cetakan semakin tinggi pula kekuatan bending material yang diperoleh.

## Ucapan Terimakasih
Ucapan  terimakasih  disampaikan  kepada  Kepala Laboratorium  Mekanika  Struktur  UNILA,  atas fasilitas  yang  diberikan  dalam  perancangan  dan pembuatan mesin ini.

## Daftar Rujukan
[1] Pradeep  A.D.,  Rameshkumar  T.  2020.  Review  on  centrifugal casting  of  functionally  graded  materials,  Material  Today: Proceedings, pp.1-6
[2] Zhang,  Y.J,  Han,  Z.  C.,  He,  Y.  P.,  and  Chen,  H.  2020. Geopolymer-based  catalysts  for  cost-effective  environmental governance: A review based on source control and end-of-pipe treatment, Journal of  Cleaner Production, 263  (2020)  121556, pp.1-15
[3] Kostas Komnitsas,  K., Zaharaki, D. 2007. Geopolymerisation: A  review  and  prospects  for  the  minerals  industry.  Minerals Engineering, 20 (2007) pp. 1261–1277
[4] Hardjito,  D.,  Wallah  S.E  and  Rangan,  B.V,  2004,  Factor Influencing  The  Compressive  Strength  of  Fly  Ash  Based Geopolymer Concrete, Civil Engineering Dimension. 6 (2), pp. 88-93
[5] El-Sayed, M. A. 2014. Effect of the Mould Rotational Speed on the  Quality  of  Centrifugal  Castings,  International  Journal  of Applied Engineering Research 9(21), pp. 11575-11582
[6] Pahl, G. and Beitz, W,  J.Feldhusen, J. and Grote, K.-H. 2007. Engineering  Design:  AsystematicApproach  Third  Edition. Springer-Verlag London Limited
[7] Assaedi  H.,    F.U.A.  Shaikh  dan  I.M.  Low.  2016.  Effect  of nano-cly on mechanical and thermal properties of geopolymer.
Journal of Asian Ceramic Societies, 4, pp.19-28.