## RANCANG BANGUN KONSTRUKSI RANGKA MESIN 3D PRINTER TIPE CARTESIAN BERBASIS FUSED DEPOSITION MODELING (FDM)
Mochamad Diki Muliyawan, Gatot Eka Pramono, Sumadi Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Ibn Khaldun Bogor E-mail : dikimuliyawan@gmail.com
Abstrak --Dengan  munculnya  teknologi  manufaktur  aditif  pada  pertengahan  1980-an,  teknologi pencetakan tiga dimensi (3D) yang mencetak benda dengan mengandalkan ekstrusi termoplastik untuk pembuatan prototipe/pemodelan. Bahan termoplastik yang digunakan adalah Asam Polylatic (PLA) dan Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS)  yang dicetak dengan  cara  dicairkan  mengunakan  nozzel  yang dialirkan secara berlapis lapis sehingga membentuk sebuah benda. Rancang bangun konstruksi rangka mesin 3D printer tipe cartesian berbasis FDM dengan penggerak menggunakan 3 sumbu utama yaitu sumbu  X  dengan  panjang  area  cetak  380  mm,  sumbu  Y  dengan  panjang  area  cetak  400  mm,  dan sumbu Z dengan panjang area cetak 380 mm, dan material yang digunakan yaitu baja JIS G3103 1995 SS400,  dan  Alumunium  Al1100.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  memperoleh  kekuatan  rangka  batang sumbu  Z,  dan  sumbu  X  dengan,  menganalisa  kekuatan  pada  leadscrew  sumbu  Y  dan  sumbu  Z, menganalisa kekuatan sabuk timing, memperoleh nilai kekuatan pada kampuh las pada rangka Y, Z. Hasil  analisa  pada  rangka  sumbu  X  nilai  tegangan = 4,606 × 10 < tegangan  ijin  18  MPa  maka dianggap aman, analisa gaya buckling pada rangka sumbu Z adalah sebesar 229,9 > pembebanan 15,147 Kg  maka  dianggap aman, tegangan  geser = 0,38  MPa < tegangan geser maksimum =  0,42 MPa  maka  dianggap aman untuk  lead  screw sumbu  Y,  tegangan geser g =  0,83  MPa < tegangan geser  maksimum =  0.94  MPa dianggap aman untuk  lead screw  sumbu Z, Analisa pada perhitungan sabuk timing pada rangka X didapat P = 0,03 kW, tegangan geser =  5,52  × 10 < tegangan ijin pada pengelasan sebesar 256,49 MPa maka untuk pengelasan dinyatakan aman.
Kata kunci : Printer 3 Dimensi, poros ulir, sabuk timing
Abstract-- With the  advent  of additive  manufacturing  technology  in the  mid-1980s, three-dimensional (3D)  printing  technology  that  scored  objects  by  relying  on  thermoplastic  extrusions  for  prototype  / modeling. The thermoplastic materials used are Polylatic Acid (PLA) and Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) which are molded by melt using a nozzle that is coated in layers to form an object. FDM cartesian 3D frame-based construction  machine design with drive using 3 main axes X axis with 380 mm long print length, Y axis with 400 mm long printing area, and Z axis with 380 mm long print area, and material used namely JIS G3103 1995 SS400 steel, and Alumunium Al1100. The aim of this study was to obtain the axial skeletal strength of Z, and X axis by, analyzing the strength of Y axis leadscrew and Z axis, analyzing the strength of the timing belt, obtaining the strength value in the welding wing on the Y, Z frame. The result of analysis on the axis frame X value of stress = 4,606 × 10 MPa <18 MPa license stress  is  considered  safe,  buckling  force  analysis  on  Z  axis  is  229.9  kg>  loading  15,147  Kg  it  is considered safe, the shear stress = 0.38 MPa <maximum shear stress σg max = 0.42 MPa is considered safe for Y axis lead screw, shear stress = 0.83 MPa <maximum shear stress = 0.94 MPa is considered safe for lead screw axis Z, The analysis on the timing belt calculation on the frame X is obtained P = 0.03  kW, ℎ =  5,52  × 10 < welding  permit  stress  of  256.49  MPa  for  welding  is declared safe.
Keywords: Printer 3 Dimension , lead screw , timing belt

## I.  PENDAHULUAN
Semakin  berkembangnya  ilmu  pengetahuan  dan teknologi  di  dunia  ini  terutama  industri  yang bergerak  dibidang  manufaktur.  Dalam  bidang manufaktur  desain  suatu  produk  menjadi  bagian yang  sangat  penting,  mengingat  begitu  ketatnya persaingan  pasar  dan  cepatnya  inovasi-inovasi yang  dikeluarkan  oleh  produsen  dan  dapat merespon  kondisi  pasar  lebih  cepat,  serta merealisasikan  suatu  konsep  menjadi  produk yang di inginkan oleh pasar. Banyak perusahaan yang  harus  menyesuaikan  persaingan  pasar tersebut dengan cara memangkas siklus produksi
mereka agar dapat bersaing terus- menerus di era globalisasi  saat  ini,  salah  satu  cara  yang  bisa dilakukan untuk menghemat pengeluaran saat ini adalah  memproduksi  alat-  alat  cepat (Rapid Prototyping), akurat, dan dengan biaya yang lebih rendah [1].
Dengan  munculnya  teknologi  manufaktur aditif  pada  pertengahan  1980-an,  teknologi pencetakan  tiga  dimensi  ( 3D )  yang  mencetak benda dengan mengandalkan ekstrusi termoplastik untuk pembuatan prototipe / pemodelan. Bahan termoplastik yang di gunakan adalah Asam  Polylatic (PLA)  dan Acrylonitrile Butadiene  Styrene (ABS)  yang  dicetak  dengan
cara dicairkan mengunakan nozzel yang dialirkan secara  berlapis  lapis  sehingga  membentuk sebuah  benda [2]. Perancangan dan  pembuatan alat ini pun adalah sebagai sarana pendidikan di Laboratorium  Teknik  Mesin  Fakultas  Teknik Universitas  Ibn  Khaldun  Bogor,  dan  akan menguraikan  tentang  rancang  bangun  mesin 3D printer tipe cartesian berbasis  FDM  dengan penggerak  menggunakan  3  sumbu  utama  yaitu: sumbu X, sumbu Y, dan sumbu Z.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian 3D Printer
3D  printer  adalah  mesin  pembuat  benda  padat tiga  dimensi  dari  sebuah  desain  secara  digital menjadi  bentuk  3D  yang  dapat  dilihat  tapi  juga dipegang dan memiliki volume. 3D printer dicapai dengan  menggunakan  proses  aditif,  dimana sebuah obyek dibuat dengan meletakkan lapisan yang  berurut  dari  bahan  baku. Printer 3D  juga sering disebut dengan addictive manufacture atau manufaktur  tambahan.  Pada  tahun  1986,  ada seseorang bernama Charles W. Hull memiliki hak paten dengan teknologi stereolithography . Teknologi ini merupakan teknologi untuk membuat objek 3D [2].

## Gambar 1. 3D Printer

## 2.2 Momen Gaya
Kecenderungan  sebuah  gaya  untuk  memutar sebuah  benda  tegar  disekitar  sebuah  sumbu diukur  oleh  momen  gaya  terhadap  sumbu  itu. Momen  (M)  dari  suatu  gaya  (F)  terhadap  suatu sumbu  melalui  titik  /  tumpuan  (A),  didefinisikan sebagai  perkalian  besar  gaya  F  dengan  jarak tegak lurus (d) dari A ke garis aksi F.
M A = F. d (2.1)
Dimana M A = momen
F    = gaya
d    = jarak tegak lurus
=    .
(2.2)
Dimana F  = gaya m  = massa
g  = percepatan gravitasi
Momen tidak hanya memiliki besar tetapi arah juga, bergantung pada kedudukan relatif gaya dan sumbunya. Adapun arah momen itu dapat searah jarum atau berlawanan arah jarum jam.
Dalam  menghitung  momen  akibat  sebuah gaya  terhadap  suatu  titik,  jika  jarak  tegak  lurus antara  garis  kerja  gaya  dan  pusat  momen diberikan  atau  dengan  mudah  dapat  ditentukan, maka pedekatan skalar umumnya lebih sederhana [8].
2.3 Defleksi Batang Cantiliver
Nilai defleksi pada batang cantilever adalah:
= . . (2.3) Dimana: = defleksi maksimal (m) = mdulus elastisitas bahan = momen inersia ( m 4 ) L  = panjang lengan (m)

## 2.4 Gaya Lekukan / Buckling
Untuk  menghitung  gaya  lekukan  menggunakan persamaan berikut .
= .  . (2.4) Dimana: = Beban kritis / gaya buckling (kg) = Modulus elastisitas bahan = momen inersia ( m 4 ) L  = panjang lengan (m)
2.5  Analisa Tegangan pada Leadscrew
Tegangan  yang  terjadi  pada leadscrew ada beberapa macam, diantaranya adalah:
1.  Tegangan tekan
2.  Tegangan bending
3.  Tekanan bearing
4.  Tegangan geser

## 2.6 Tegangan Tekan
Akibat  beban  (F) lead  screw juga  mengalami beban  tarik  atau  tegangan  tekan.  Besarnya tegangan tarik yang terjadi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
τ t =                                                                (2.5)
Dimana: τ t = Teganan Tekan (N/m 2 ) F = Beban (N) A = Luas Penampang (m 2 )

## 2.7 Tegangan Bending
b = ( . . ) . . = ( . . ) (2.6)
Dimana : b = Tekanan Bending (N/m 2 ) F   = Beban (N) d p = diameter pitch (m) n  = Jenis atau jumlah ulir ( number of threads in engegement )

## 2.8 Tekanan Bearing
Tekanan bearing adalah  tegangan  yang  terjadi antara  peramukaan  ulir  penggerak  dengan permukaan ulir murnya, yang saling berhubungan.  Besarnya  tekanan bearing dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
P B = . . . (2.7)
Dimana: P B = Tekanan Bearing (N/m 2 ) F   = Beban (N) d p = Diameter Rata-Rata Ulir (m) h  = Kedalaman Ulir (m)
n  = Jenis atau jumlah ulir ( number of threads in engegement )

## 2.9 Tegangan Geser
Untuk  menghitung  tegangan  geser  maksimum pada ulir adalah dengan menggunakan persamaan berikut:
max = ,  . = ,  . . .    . (2.8)
Dimana: F  = Beban (N) A  = Luas Penampang Geser(m 3 ) d r = Diameter Kaki (m 3 ) d p = Diameter Mayor

## 3. METODE PENELITIAN
Metode penelitian ini gabungan antara perancangan  konstruksi  mesin  3d printe r  tipe cartesia n berbasis FDM dan perhitungan kekuatan  konstruksi  mesin  3d  printer  tipe cartesia n  berbasis  FDM  dengan  beban  yang diterima.
Tahapan yang akan dilakukan dalam perancangan adalah:
1.  Membuat  desain  perancangan  konstruksi mesin 3d printer tipe cartesia n berbasis FDM
2.  Menentukan  berat  beban  yang  terjadi  pada konstruksi mesin  3d  printer tip e  cartesian berbasis FDM
3.  Menghitung  kekuatan  rangka,  kekuatan leadscrew , kekuatan sabuk timing, kekuatan sambungan las
4.  Melakukan pegujian dari kekuatan konstruksi rangka
5.  Analisis  data  dari  pengujian  konstruksi rangka
Gambar 2. Diagram Alir penelitian

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Menghitung Defleksi Menghitung pembebanan ini dengan
memfokuskan perhitungan pada tumpuan batang sumbu  x.  Material  yang  digunakan  Al  1100 dengan  tegangan  tarik  ( t )  =  110  MPa,  modulus elastisitas  =  70-80  GPa,  panjang  L=  0,74  m. Mengasumsikan beban sebesar 5,90776 Kg yang ditopang oleh plat alumunium Al 1100.
Gambar 3. Diagram Benda Bebas Untuk

## Pembebanan Internal

## Menghitung Reaksi Tumpuan
= 0 R A – F = 0 R A = F Dimana: R A = Reaksi tumpuan titik A (N)
F  = Beban (N)

## Besar Momen dititik A
+ (   × ) = −   ×
Dimana:
= Momen Dititk A (Nm)
F  = Beban (N) L  = Panjang lengan (m) Menghitung Tegangan Lentur
=
Dimana: = Tegangan Lentur (N) M  = Momen (N) = Panjang Lengan (m)
Menghitung Defleksi max = × × × Dimana: max   = Defleksi Maksimal (m) E = Modulus Elastisitas (GPa) I = Momen Inersia (m 4 ) wl = momen tahanan bahan (m 2 )
4.2 Menghitung Gaya Buckling
Untuk  menghitung  gaya  lekukan  pada  Rangka Batang  Sumbu  Z  menggunakan  persamaan berikut .
= . . Dimana: = Beban Kritis (kg) E = Modulus Elastisitas (GPa) I = Momen Inersia (m 4 ) L = Panjang Lengan (m)

## 4.3 Analisa Tegangan Pada Lead Screw
Untuk  menghitung  tegangan  tekan  yang  terjadi pada lead  screw adalah  dengan  menggunakan persamaan:
τ t =
Dimana:  τ t = Tegangan Tekan (N/m 2 ) F = Gaya (N) A = Luas Penampang (m 2 )
Menghitung  tegangan  tekan  pada lead  screw sumbu y
τ t =
Menghitung  tegangan  tekan  pada lead  screw sumbu z
τ t = Lead screw harus memiliki kekuatan yang mampu untuk menahan beban aksial torsi. Maka untuk itu agar  aman  dipergunakan  rumus rankine  gordon atau J.B  Jhonson unuk  menghitung  beban  kritis pada screw yaitu dengan menggunakan persamaan berikut:
W cr = A. y 1 − . . .
Dimana: W cr = Beban Kritis (N)
y = Yield Stress (Mpa)
L  = Panjang Screw (m) k  = Sudut Girasi
k  =
E  = Modulus Elastisitas (Gpa) A  = Luas Penampang (m 2 )
Menghitung Beban Kritis Lead Screw Sumbu Y W cr = A. y 1 − . . .
Menghitung Beban Kritis Lead Screw Sumbu Z W cr = A. y 1 − . . .
4.4 Tegangan Bending / Lentur
Pada lead screw terjadi kontak antara mur dan ulir lead screw , agar ulir dari lead screw ataupun mur tidak  mengalami bending atau  lenturan,  maka harus  dihitung  beban  maksimal  yang  dapat diterima  ulir  dari  mur  atau screw .  Untuk menghitung  tegangan  lentur  pada lead  screw adalah dengan menggunakan persamaan:
B = . . . . Dimana: d p = Diameter Rata-Rata Ulir (m)
H  = Kedalaman Ulir (m)
n  = Jenis atau jumlah ulir Menghitung  tegangan  bending  pada lead  screw sumbu Y
B = . . . . Menghitung  tegangan  bending  pada lead  screw sumbu Z
B = . . . .

## 4.5 Tegangan Geser
Tegangan  geser  terjadi  akibat  adanya  gaya  dari torsi.  Untuk  menghitung  tegangan  geser  yang terjadi adalah dengan menggunakan persamaan
g = . . Dimana:   A    = Luas Penampang (m 3 ) d r = Diameter Kaki (m 3 ) d p = Diameter Mayor
Untuk  menghitung  tegangan  geser lead  screw sumbu Y
g = . .
Untuk  menghitung  tegangan  geser lead  screw sumbu Z
g = . .
Dari  hasil  perhitungan  diatas  maka  kita  dapat mengetahui  tegangan  geser  maksimalnya  pada setiap lead screw sumbu yaitu dengan mengunakan persamaan
g max = + 4.
Maka nilai tegangan geser maksimal pada sumbu Y
g max = + 4.
Nilai tegangan geser maksimal pada sumbu Z
g max = + 4.

## 4.6 Menghitung Sabuk Timing
Untuk menghitung  besarnya gaya  tarik pada  sisi tarik F 1 (Kg) adalah sebagai berikut: = +
Jika  daya  yang  akan  ditransmisikan  adalah  P (kW),  kecepatan  sabuk v (m/s) , berat  persatuan
panjang  sabuk  w  (kg/m),  dan  konstanta  yang tergantung pada ukuran dan tipe sabuk adalah C, maka F e dan F c dapat ditulis sebagai

## 4.7 Menghitung Daya
Diketahui motor sebagai penggerak adalah motor stepper nema  17  yang  memiliki  spesifikasi Tegangan (12 volt) dan Arus (2.5 ampere) P = V × I
Dimana:   P = Daya (kW)
V = Tegangan
I  = Arus
Menghitung Diketahui  P  =  0,03  kW  dan  v  kecapatan  =  200 mm/s = 0,2 m/s.
= .

## Menghitung
Diketahui  l  (panjang  belt)  =  3.2  m,  v kecapatan= 200 mm/s = 0,2 m/s, dan massa yang dipindahkan  oleh  sabuk  timing  diasumsikan sebesar 2,06 kg.
w =
Untuk menghitung besarnya gaya tarik maksimum F 1 , maka:
= +

## 4.8 Menghitung Daya Rencana
=    .
Diketahui P = 0,03 kW dan faktor koreksi didapat dari Tabel 2.10. sebesar  = 1,4
4.9 Menghitung Kapasitas Daya Yang Ditransmisikan = 0,6984  ×   10 ( . )(  – ) (kW)
Mencari nilai n menggunakan persamaan =
= . =
Maka:
= = = =  0,3
= 0,6984  ×   10 ( . )(  – ) (kW)

## 5.  KESIMPULAN
Telah  dilakukan  analisa  tegangan,  defleksi,  dan gaya  tekuk/ buckling yang  terjadi  pada  struktur kekuatan rangka mesin 3D Printer tipe cartesian berbasis FDM dengan metode perhitungan secara teoritis.  Hasil  analisa  secara  teoritis  kekuatan rangka  mesin  3D Printer tipe cartesian berbasis FDM: a.  Analisa pada rangka sumbu X , dari tegangan ijin  dihasilkan nilai 18 MPa untuk alumunium Al  1100  untuk  pembebanan  dinamis,  maka dari  itu    tegangan  yang  terjadi  pada  batang alumunium  Al  1100  dengan  pembebanan
5,90776  kg  dihasilkan  nilai  tegangan =
4,606 × 10 MPa dan defleksi sebesar 54 ×
10 -3 mm,  maka  batang  x  dengan  material alumunium Al 1100 dinyatakan aman.
b.  Analisa  pada  rangka  sumbu  Z  Berdasarkan perhitungan  diatas  dapat  dikatakan gaya buckling pada  rangka  sumbu  Z  adalah sebesar 229,9 . Perbandingan pada gaya buckling lebih besar dari beban yang diterima rangka  sumbu  Z    15,147  Kg  maka  kontruksi pada rangka sumbu Z  dianggap aman.
Analisa secara teoritis kekuatan lead screw mesin 3D Printer tipe cartesian berbasis FDM:
a.  Analisa  pada lead  screw rangka  sumbu  Y didapat gaya tangensial P = 0,4138 N, torsi T= 0,13 Nm, tegangan tekan τ t = 0,4 MPa, beban kritis W cr = - 10289,02 N,  tegangan bending B =  0,179  MPa,  tegangan  geser g =  0,38 MPa, tegangan geser maksimum g max = 0,42 MPa.
b.  Analisa  pada lead  screw rangka  sumbu  Z didapat gaya tangensial P = 0,8856 N, torsi T =  0,28  Nm,  tegangan  tekan  τ t =  0,9  MPa, beban  kritis  W cr =  -  10028,13  N,    tegangan bending B = 0,378 MPa, tegangan geser g = 0,83 MPa, tegangan geser maksimum g max = 0.94 MPa
Analisa  secara  teoritis  Sabuk Timing mesin  3D Printer tipe cartesian berbasis  FDM  pada perhitungan sabuk timing pada rangka x didapat P =  0,03  kW,  daya  rencana =  0,042 ,
kapasitas  daya  yang  ditranmisikan
= 4,48 × 10  kW ,  sudut  kontak  sabuk =  179,86° , jumlah  gigi  terkait =  9,99 ,  panjang  sabuk yang diperlukan = 140,14 mm

## DAFTAR PUSTAKA
[13]. Dede  Sumantri,  2012  “Peningkatan  Kinerja Mesin  Rapid  Prototyping  Berbasis  Fused Deposition Modelling”,Universitas Indonesia.
[14]. Sugeng Winarto, 2015 “ Pengaruh Suhu Dari Bottom  Plate  Terjadap  Produk  Printer 3D ”,Universitas Muhammadiyah Surakarta.
[15]. rapidprototypingmanufacturing.html.Diakses pada tanggal 11 maret 2017
[16]. http://gizmodorks.com/abs-3d- printerfilament/  diakses  pada  tanggal  12 maret 2017.
[17]. E.P  Popov  Dan  Zainul  Astamar.Mekanika (Mechanics  Of  Material).Jakarta  :  Erlangga, 1984
[18]. Djoko  W. Karmiadji, optimasi desain (material,  komponen,konstruksi)  teori  dasar
& aplikasi
[19]. Ropi’i  ,  2007  “ Rancang  Bangun  Konstruksi Dan  Analisa  Pengujian  Pada  Alat  Uji  Sirip ” Fakultas  Teknik,Universitas  Ibn  Khaldun Bogor.
[20]. http://digilib.its.ac.id/public/ITS- Undergraduate-15050-Presentation 1228068.pdf.  Diakses  pada  tanggal  9 oktober 2017.
[21]. Ridwan  Jaelani,  2015  “ Rancang  Bangun Konstruksi Rangka Meja Pada CNC Plasma Cutting Dengan Kapasitas Area Pemotongan
Panjang  1.2  m  Dan  Lebar  1.2  m” Fakultas
Teknik,Universitas Ibn Khaldun Bogor.
[22]. www.aircraftmaterials.com/data/aluminium/1 100.html diakses  pada  tanggal  9  oktober 2017.
[23]. Prof.  DR  .Ir  .Dahmir  Dahlan  M.Sc  editor:  Ir. M. Dwi trisno . M.T, “ELEMEN MESIN”